《计算机控制》PPT课件.ppt

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1、计算机控制系统,第6章 复杂控制算法,2,第6章 复杂控制算法,常规PID控制技术最小拍控制纯滞后控制串级控制预测控制模糊控制,3,第6章 复杂控制算法 6.1数字控制器设计原理,Go(s)是被控对象的连续传递函数，D(z)表示数字控制器，Gh(s)是零阶保持器，采样周期为T。,图6-1计算机控制系统框图,4,第6章 复杂控制算法 6.1数字控制器设计原理,广义对象的脉冲传递函数定义G(z)为则图6-1对应的闭环脉冲传递函数为(6-2),5,第6章 复杂控制算法 6.1数字控制器设计原理,与对象结构有关的设计方法，即按照某一期望的闭环传递函数(z)来设计数字控制器D(z)。这时，D(z)的结构

2、将依赖于广义对象G(z)的结构。因为G(z)和(z)已知，故由式(6-2)可求得(6-3),6,第6章 复杂控制算法 6.1数字控制器设计原理,数字控制器的设计步骤如下：1)根据式(6-1)求广义对象的脉冲传递函数G(z)2)根据控制系统的性能指标要求和其他约束 条件，确定闭环脉冲传递函数(z)3)根据式(6-3)求取数字控制器的脉冲传递函 数D(z)4)根据D(z)导出控制器的输出u(k),7,第6章 复杂控制算法 6.1数字控制器设计原理,设数字控制器的一般形式为(6-4)则(6-5),8,第6章 复杂控制算法 6.1数字控制器设计原理,(6-5)由此可得数字控制器输出的时间序列为(6-6

3、)按照式(6-6)，就可编写出控制算法程序。,9,第6章 复杂控制算法 6.3 纯滞后控制,在工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，使得被控对象具有纯滞后性质，对象的这种纯滞后性质对控制性能极为不利。当对象的纯滞后时间与对象的时间常数 T 之比，即T0.5 时，采用常规的PID 控制会使控制过程严重超调，稳定性变差。早在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中的纯滞后对象进行了深入的研究。,10,第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,施密斯提出了一种纯滞后补偿模型，但由于模拟仪表不能实现这种补偿，导致这种方法在工程中无法实现，现在人们利用微型计算机可以方便地实现纯滞

4、后补偿。在图6-10所示的单回路控制系统中，D(s)表示调节器的传递函数，G(s)e-s 表示被控对象的传递函数，G(s)为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，e-s 为被控对象纯滞后部分的传递函数。,11,第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,闭环传递函数为：(6-19)闭环传递函数的分母中包含有纯滞后环节，它降低了系统的稳定性。当纯滞后时间较大时，系统将是不稳定的，这就是大纯滞后过程难以控制的本质。,图6-10 带纯滞后环节的控制系统,12,施密斯预估控制器原理：引入一个补偿环节与对象并联，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，该环节称为预估器，其传递函数为G(s)(1es)，补偿后系

5、统框图如图6-11a所示。实际补偿器的实现是并联在控制器上的，故图6-11a可转换成图6-11b的等效形式。由施密斯预估控制器和调节器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为D(s)，即(6-20),第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,13,第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,图6-11 带施密斯预估器的控制系统,14,经补偿后的系统闭环传递函数为(6-21),第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,15,第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,图6-11 带施密斯预估器的控制系统,16,上式说明，经过补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的es

6、 在闭环控制回路之外，不影响闭环系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明，es 仅仅将控制作用在时间轴上推移了一段时间，控制系统的过渡过程及性能指标都与对象特性为时完全相同，如图6-12a所示。,第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,17,图6-12b表明，带纯滞后补偿的控制系统就相当于在控制器为D(s)、被控对象为G(s)es 的系统的反馈回路串上一个传递函数为es 的反馈环节，即检测信号通过超前环节es 后进入控制器。因此，从形式上可把纯滞后补偿视为对输出状态的预估作用，故称为施密斯预估器。,第6章 复杂控制算法 1.施密斯预估控制原理,18,由图6-13可见，纯滞后补偿的数字控制器由

7、两个部分组成：一部分是数字PID控制器；另一部分是施密斯预估器。,第6章 复杂控制算法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,图6-13 具有纯滞后补偿的控制系统,19,第6章 复杂控制算法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,6-14 施密斯预估器方框图,(1)施密斯预估器 施密斯预估器的输出可按图6-14计算，在此取PID控制器前一个采样时刻的输出u(k-1)作为预估器的输入。为了实现滞后环节，在内存中设置N个单元作为存放信号m(k)的历史数据，存储单元的个数N由下式决定：N=T（取整）式中：纯滞后时间；T采样周期。,20,在每个采样周期，把第N-1个单元移入第N个单元，第N-2个单元移入第N-1个

8、单元，以此类推，直到把第1个单元移入第2个单元，最后将m(k)移入第1个单元。从单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期的信号。图中，u(k-1)是PID数字控制器上一个采样（控制）周期的输出，y(k)是施密斯预估器的输出。从图中可知，必须先计算传递函数G(s)的输出后，才能计算预估器的输出(6-22),第6章 复杂控制算法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,21,许多工业对象可近似用一阶惯性环节加纯滞后来表示(6-23)式中：K被控对象的放大系数；T0被控对象的时间常数；纯滞后时间。则预估器的传递函数为,第6章 复杂控制算法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,22,第6章 复杂控制算法 2.具有纯

9、滞后补偿的数字控制器,(2)纯滞后补偿控制算法步骤1)计算反馈回路的偏差e1(k)(6-24)2)计算纯滞后补偿器的输出。先由图6-14求m(k)，再按式(6-22)得到y(k)。式中,23,第6章 复杂控制算法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,对式(6-23)这样模型较简单的对象，可由直接求出y(k)(6-25)上式称为施密斯预估控制算法。,24,第6章 复杂控制算法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,25,第6章 复杂控制算法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,3)计算偏差e2(k)(6-26)4)计算控制器的输出u(k)。当控制器采用PID控制算法时，则(6-27),26,第6章 复杂控制算

10、法 2.具有纯滞后补偿的数字控制器,算法的计算顺序总是从最外面的回路向内进行，直到u(k),27,第6章 复杂控制算法 6.3.2 大林（Dahlin）算法,大林（Dahlin）算法自学,28,第6章 复杂控制算法 6.4 常用多回路控制系统,在工业控制系统中，由于相当一部分被控对象的动态特性或工艺操作条件等原因，对控制系统提出了一些特殊的要求，这时需要在PID控制的基础上，构成多回路控制系统，其中串级控制和前馈反馈控制在工业过程控制中具有广泛的应用。,29,第6章 复杂控制算法 6.4.1 串级控制系统,串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制结构。当系统中同时有几个因素影响同

11、一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。串级控制针对上述情况，在原控制回路中，需增加一个或几个采用PID控制的内回路，用以控制可能引起被控量变化的其他因素，从而有效地抑制了被控对象的时滞特性，提高了系统的快速性。,30,第6章 复杂控制算法 1.串级控制的结构,图6-15是一个炉温控制系统，其控制目的是保持炉温恒定。假如煤气管道中的压力是恒定的，管道阀门的开度对应一定的煤气流量，这时为了保持炉温恒定，只需要测量实际炉温，并与炉温设定值进行比较，利用二者的偏差以PID控制规律控制煤气管道阀门的开度。,31,第6章 复杂控制算法 1.串级控制的结构,6-15 炉温控制系统,

12、32,第6章 复杂控制算法 1.串级控制的结构,但是，实际上煤气总管道同时向多个炉子提供煤气，管道中的压力可能波动。对于同样的阀位，由于煤气压力的变化，煤气流量要发生变化，最终将引起炉温的变化。系统只有检测到炉温偏离设定值时，才能进行控制，但这时已经产生了控制滞后。为了及时检测系统中可能引起被控变化的某些因素并加以控制。,33,第6章 复杂控制算法 1.串级控制的结构,为了及时检测系统中可能引起被控变化的某些因素并加以控制，本例在炉温控制回路中，增加煤气流量控制副回路，形成串级控制结构，如图6-16所示，图中主控制器D1(s)和副回路控制器D2(s)分别表示温度调节器TC和流量调节器FC的传递

13、函数。,图6-16 炉温和煤气流量的串级控制结构图,34,第6章 复杂控制算法 2.数字串级控制算法,计算机串级控制系统如图6-17所示，图中D1(z)和D2(z)是由计算机实现的数字控制器，通常采用PID控制规律，Gh(s)是零阶保持器，T为采样周期。不管串级控制有多少级，计算的顺序总是从最外面的回路向内进行。对图6-17所示的双回路串级控制系统，其计算顺序为：,图6-17 计算机串级控制系统,35,第6章 复杂控制算法 2.数字串级控制算法,1)计算主回路的偏差e1(k)(6-46)2)计算主回路控制器D1(z)的输出u1(k)(6-47)(6-48)其中Kp1为比例增益，Ki1Kp1TT

14、i1 为积分系数，Kd1Kp1Td1T 为微分系数。,36,第6章 复杂控制算法 2.数字串级控制算法,3)计算副回路的偏差e2(k)(6-49)4)计算副回路控制器D2(z)的输出u2(k)(6-50)(6-51)其中Kp2为比例增益，Ki2Kp2TTi2 为积分系数，Kd2Kp2Td2T 为微分系数。,37,第6章 复杂控制算法 2.数字串级控制算法,38,第6章 复杂控制算法 3.副回路微分先行串级控制算法,为防止主控制器输出（也就是副控制器的给定值）过大而引起副回路的不稳定，同时，也为了克服对象惯性较大而引起调节品质的恶化，在副回路的反馈通道中加入微分控制，称为副回路微分先行，系统的结

15、构如图6-18所示。,图6-18 副回路微分先行的串级控制系统,39,第6章 复杂控制算法 3.副回路微分先行串级控制算法,微分先行部分的传递函数为(6-52)其中，Td2为副控制器（PID）的微分时间常数，a为微分放大系数。将上式离散化，整理可得(6-53),40,第6章 复杂控制算法 3.副回路微分先行串级控制算法,1)计算主回路的偏差e1(k)(6-54)2)计算主回路控制器D1(z)的输出u1(k)(6-55)(6-56),41,第6章 复杂控制算法 3.副回路微分先行串级控制算法,3)计算微分先行部分的输出y2d(k)(6-57)4)计算副回路的偏差e2(k)(6-58)5)计算副回

16、路控制器D2(z)的输出u2(k)(6-59)(6-60),42,第6章 复杂控制算法 3.副回路微分先行串级控制算法,串级控制系统较单回路控制系统有更强的抑制扰动能力，通常副回路抑制扰动的能力比单回路控制高出十几倍乃至上百倍，因此设计此类系统时应把主要的扰动包含在副回路中。对象纯滞后比较大时，若用单回路控制，则过渡过程时间长，超调量大，控制质量较差。,43,第6章 复杂控制算法 3.副回路微分先行串级控制算法,若采用串级控制，把非线性对象包含在副回路中，由于副控制回路是随动系统，能够适应操作条件和负荷的变化，自动改变副控调节器的给定值，因而整个控制系统仍有良好的控制性能。,44,第6章 复杂

17、控制算法 6.4.2 前馈反馈控制系统,按偏差的反馈控制能够产生作用的前提是，被控量必须偏离设定值。也就是说，在干扰的作用下，被控量必须先偏离设定值，然后通过偏差进行控制，抵消干扰的影响。如果干扰不断产生，则系统总是跟在干扰作用之后波动，特别是系统滞后严重时波动就更为严重。,45,第6章 复杂控制算法 6.4.2 前馈反馈控制系统,前馈控制则是按扰动量进行控制的，当系统出现扰动时，前馈控制就按扰动量直接产生校正作用，以抵消扰动的影响。这是一种开环控制形式，在控制算法和参数选择合适的情况下，可以达到很高的精度。,46,第6章 复杂控制算法 1.前馈控制结构,前馈控制的典型结构如图6-19所示。图

18、中是Gn(s)被控对象扰动通道的传递函数；Dn(s)是前馈控制的传递函数；G(s)是被控对象控制通道的传递函数，n、u、y分别为扰动量、控制量、被控量。,图6-19 前馈控制结构,47,第6章 复杂控制算法 1.前馈控制结构,为了便于分析扰动量的影响，假定由偏差产生的控制量u1=0，则有(6-61)若要使前馈作用完全补偿扰动作用，则应使扰动引起的被控量变化为零，即Y(s)=0，因此完全补偿的条件为(6-62)由此可得前馈控制器的传递函数(6-63),48,第6章 复杂控制算法 2.前馈反馈控制结构,因为前馈控制是一个开环系统，所以在实际生产过程中很少单独采用前馈控制的方案，通常采用前馈和反馈控

19、制相结合的方案。采用前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。,49,第6章 复杂控制算法 2.前馈反馈控制结构,图6-20给出了前馈反馈控制结构，由图可知，前馈反馈控制结构图是在反馈控制的基础上，增加了一个扰动的前馈控制，由于完全补偿的条件未变，因此仍有,图6-20 前馈反馈控制结构图,50,第6章 复杂控制算法 2.前馈反馈控制结构,实际应用中，还常采用前馈串级控制结构，如图6-21所示。图中 D1(s)、D2(s)分别为主、副控制器的传递函数；G1(s)、G2(s)分别为主、副对象。,图6-21 前馈串级控制结构图,51,第6章

20、复杂控制算法 2.前馈反馈控制结构,前馈串级控制能通过前馈回路和串级副回路及时克服干扰对被控量的影响，另外，因前馈控制的输出不是直接作用于执行机构，而是补充到串级控制副回路给定值中，这样就降低了对执行机构动态响应性能的要求。,52,第6章 复杂控制算法 3.数字前馈反馈控制算法,图6-22是计算机前馈反馈控制系统的方框图，T为采样周期，Dn(z)为前馈控制器，D(z)为反馈控制器，Gh(s)为零阶保持器。,图6-22 计算机前馈反馈控制系统方框图,53,第6章 复杂控制算法 3.数字前馈反馈控制算法,若令，则(6-64)由上式可得前馈控制器的微分方程(6-65),54,第6章 复杂控制算法 3.数字前馈反馈控制算法,设纯滞后时间是采样周期 T 的整数倍，即mT，对上式离散化可得到差分方程(6-66)式中,55,第6章 复杂控制算法 6.4.2 前馈反馈控制系统,计算机前馈反馈控制的算法步骤：1)计算机反馈控制的偏差e(k)(6-67)2)计算反馈控制器（PID）的输出u1(k)(6-68)(6-69),56,第6章 复杂控制算法 6.4.2 前馈反馈控制系统,3)计算前馈调节器Dn(z)的输出un(k)(6-70)(6-71)4)计算前馈反馈调节器的输出u(k)(6-72),2023/5/20,57,谢谢！,