课件第四章常规及复杂控制技术.ppt

第四章 常规及复杂控制技术,计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。,第四章 常规及复杂控制技术,4.1 数字控制器的连续化（模拟化）设计技术,4.2 数字PID控制算法,4.3 数字控制器的直接（离散化）设计方法,4.4 纯滞后控制技术,4.5 串级控制技术,4.6 前馈反馈控制技术,4.1 数字控制器的连续化设计技术,连续化设计思想 ：,4.1.1 模拟化设计步骤,1. 设计假想的模拟控制器D(s),2. 正确地选择采样周期T,3. 将D(s)离散化为D(z),4. 求出与D(z)对应的差分方程,5. 根据差分方程编制相应程序校验。,4.1 数字控制器的连续化设计技术,1. 设计假想的模拟控制器D(s),4.1 数字控制器的连续化设计技术,将数字控制器D(z)和零阶保持器 合在一起，作为一个模拟环节看待，其等效传递函数为D(s)。按照对数频率特性法、根轨迹法等连续系统的校正方法，可以设计校正环节D(S)，即为连续系统的调节器。,2. 正确地选择采样周期T,从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。,4.1 数字控制器的连续化设计技术,满足采样定理。,从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。,2. 正确地选择采样周期T,4.1 数字控制器的连续化设计技术,从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些。,从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。,从给定值的变化频率上看，加到被控对象的给定值变化频率越高，采样频率应越高，这样给定值的改变可以迅速得到反映。,2. 正确地选择采样周期T,从被控对象的特性上看，若被控对象是慢速的热工或化工对象时，采样周期一般较大；若被控对象是较快速的系统，采样周期较小。,从执行机构的类型上看，执行机构动作惯性大，采样周期也大，否则执行机构来不及反映数字控制器输出值的变化。,从控制算法的类型上看，需要根据控制算法来选择采样周期。比如对PID控制器来说，如果T太小，将使得积分作用不明显。,4.1 数字控制器的连续化设计技术,3. 将D(s)离散化为D(z),(1) 双线性变换法,(2) 前向差分法,(3) 后向差分法,4.1 数字控制器的连续化设计技术,4. 求出与D(z)对应的差分方程,要想用计算机实现数字调节器D(z)，则必须求出相应的差分方程，此时有两条途径，一是由D(s)，写出系统的微分方程，并进行差分处理得到相应的差分方程，如数字PID控制算法即由此推导出；另一途径是根据数字调节器D(z)，用直接程序设计法、串联实现法等将其变为差分方程。,4.1 数字控制器的连续化设计技术,5. 根据差分方程编制相应程序校验,实现微机控制设计好的控制算法投入使用 前，要进行数字仿真，若不合乎要求，应予以 修改，直至满足要求为止。,4.1 数字控制器的连续化设计技术,4.2 数字PID控制算法,4.2.1 PID控制规律及其基本作用,4.2.2 标准数字PID控制算法,4.2.3 改进的数字PID控制器,4.2.4 数字PID调节器参数的整定方法,过程控制系统动态性能指标,tp,4.2 数字PID控制算法,4.2.1 PID控制规律及其基本作用,1. 比例调节器(P),2. 比例积分调节器(PI),3. 比例积分微分调节器(PID),4.2 数字PID控制算法,4.2.2 标准数字PID控制算法,采样周期T远小于信号变化周期时， 令：,增量型PID控制算法 ：,4.2 数字PID控制算法,增量型PID控制算法特点,（1）计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。,（2）易实现手动自动无扰切换 。,（3）即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。,4.2 数字PID控制算法,4.2.3 改进的数字PID控制器,4.2 数字PID控制算法,1. 积分分离PID控制算法,5. 不完全微分PID控制算法,7. 带死区的PID控制算法,4. 消除积分不灵敏区的PID控制,2. 抗积分饱和的PID控制,3. 梯形积分,6. 微分先行PID控制算法,1. 积分分离PID控制算法,问题：当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间的波动。,积分分离PID算法：,4.2 数字PID控制算法,2. 抗积分饱和的PID控制,问题：积分饱和。因长时间出现偏差或偏差较大，计算出的控制量有可能溢出。就是计算机运算得出的控制量u(k)超出了D/A转换器所能表示的数值范围。执行机构有两个极限位置，如调节阀全开或全关。如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已经没有相应的动作，这称为积分饱和。 作为防止积分饱和的办法之一，可对计算出的控制量u(k)进行限幅，同时，把积分作用切除。,4.2 数字PID控制算法,3. 梯形积分,问题：积分计算公式的精度。在PID控制器中，积分项的作用是消除残差。为了减少残差，应提高积分项的运算精度。为此，可将矩形积分改为梯形积分，其计算公式为：,4.2 数字PID控制算法,4. 消除积分不灵敏区的PID控制,问题：积分不灵敏区 。当积分项运算结果太小，小于计算机字长所能表示的数的精度，计算机就把它当成0而舍弃掉，此时积分作用就没有了。,为了消除这种积分不灵敏区，除增加A/D转换器位数，以加长字长，提高运算精度外，还可以将小于输出精度的积分项u(k)累加起来，而不将其丢掉。等其累计到一定值后，再将其输出。,4.2 数字PID控制算法,5. 不完全微分PID控制算法,问题：微分饱和现象。对有着高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。,4.2 数字PID控制算法,在PID后串联一阶惯性环节，组成不完全微分PID控制器，如图所示：,6. 微分先行PID控制算法,问题：给定值的升降给控制系统带来冲击，如超调量过大，调节阀动作剧烈。,4.2 数字PID控制算法,可采用如图的微分先行控制方案，它和标准PID控制的不同在于它只对被控量y(t)微分，而不对偏差e(t)微分，也就是说对给定值r(t)无微分作用。,7. 带死区的PID控制算法,问题：控制动作过于频繁，引起振荡，采用带有非线性环节的PID控制系统。,4.2 数字PID控制算法,4.2.4 数字PID调节器参数的整定方法,1. 扩充临界比例度法整定PID参数,2. 扩充响应曲线法整定PID参数,3. 试凑法,4.2 数字PID控制算法,1. 扩充临界比例度法整定PID参数,(1)选择一个足够短的采样周期T。,(2)逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。求得相应的临界振荡周期Ts，记下此时的比例系数Kp。,(3)选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。,(4)根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。,(5)按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。,4.2 数字PID控制算法,2. 扩充响应曲线法整定PID参数,(1)断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。,(2)用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。,(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间、被控对象的时间常数Tc，以及它们的比值Tc/。,(4)由、Tc、Tc/值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。,4.2 数字PID控制算法,3. 试凑法,(1)只采用比例控制，Kp由小变大，若响应时间、超调、静差已达到要求，只采用比例调节即可。,(2)若静差不满足，则加入积分控制，将Kp减小，例如取0.8Kp代替Kp，Ti由大到小，反复测试多组的Kp和Ti值，从中确定合适的参数。,(3)若动特性不满足，比如超调量过大，或调节时间过长，则加入微分控制，Td由小到大，逐步凑多组PID参数，从中找出一组最佳调节参数。,4.2 数字PID控制算法,4.3 数字控制器的直接设计方法,也称离散化设计方法，是Z平面上的设计方法，它根据系统的性能要求，运用离散控制理论，直接设计控制系统的数字控制器。,4.3.1 数字控制器的直接设计步骤,4.3.2 最少拍控制器的设计,4.3.1 数字控制器的直接设计步骤,4.3 数字控制器的直接设计方法,4.3.1 数字控制器的直接设计步骤,(1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数(z)。,(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。,(3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。,(4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。,4.3 数字控制器的直接设计方法,4.3.2 最少拍控制器的设计,2 典型输入下的最少拍控制系统,3 最少拍有纹波控制器的设计,1 闭环脉冲传递函数的确定,最少拍控制：要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无净差的稳态，且闭环脉冲函数为：,N为可能情况下的最小正整数。,4.3 数字控制器的直接设计方法,1 闭环脉冲传递函数的确定,4.3 数字控制器的直接设计方法,误差E(z)的脉冲传递函数为 ：,根据Z变换的终值定理，系统的稳态误差：,若要使 则,其中：,1 闭环脉冲传递函数的确定,4.3 数字控制器的直接设计方法,2 典型输入下的最少拍控制系统,阶跃输入：,等速输入：,等加速输入：,4.3 数字控制器的直接设计方法,（1）阶跃输入,4.3 数字控制器的直接设计方法,（2） 单位速度输入,4.3 数字控制器的直接设计方法,（3）单位加速度输入,4.3 数字控制器的直接设计方法,2 最少拍有纹波控制器的设计,最少拍控制器的局限性 对典型输入的适应性差 可实现性问题 稳定性问题,最少拍有纹波控制系统设计方法 例子,4.3 数字控制器的直接设计方法,3 最少拍无纹波控制器的设计,设计最少拍无纹波控制器的必要条件 最少拍无纹波系统确定 的约束条件 最少拍无纹波系统确定 的方法 例子,4.3 数字控制器的直接设计方法,4.4 纯滞后控制技术,在许多工业过程（如热工，化工）控制中，由于物料或者能量的传输延迟，许多被控对象都具有纯滞后性质，常常会引起系统产生超调或振荡。,常用的解决滞后问题的控制方法： 4.4.1 施密斯（Smith）预估控制 4.4.2 达林（Dahlin）算法,4.4.1 施密斯（Smith）预估控制,施密斯（Smith）预估控制原理：与D(s)并接上一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节称为预估器。,4.4 纯滞后控制技术,4.4.1 施密斯（Smith）预估控制,4.4 纯滞后控制技术,图中由施密斯预估器和调节器D(s)组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为 ：,4.4.1 施密斯（Smith）预估控制,4.4 纯滞后控制技术,4.4.1 施密斯（Smith）预估控制,4.4 纯滞后控制技术,纯滞后补偿控制算法步骤：,2、计算纯滞后补偿器的输出：,3、计算偏差：,4、计算控制器的输出：,4.4.2 达林（Dahlin）算法,当被控对象是带有纯滞后的一阶或二阶惯性环节时，达林算法的设计目标是把整个闭环系统所期望的传递函数相当与一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即：,4.4 纯滞后控制技术,4.5 串级控制技术,串级控制原理：当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，就需要增加几个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其他因素，从而有效抑制了被控对象的时滞特性，提高动态响应的快速性。,例：原料气加热炉出口温度控制系统,4.5 串级控制技术,4.5 串级控制技术,问题：燃料油的压力y2(t)是波动的，因此燃料油的流量会随着压力的波动而变化 ，从而导致出口温度变化。,4.5 串级控制技术,4.5 串级控制技术,4.5 串级控制技术,4.5 串级控制技术,4.5 串级控制技术,因为温度调节器D1(s)与压力调节器D2(s)是串联工作的，因此称为串级控制。主控回路：温度调节器为主控调节器，温度对象为主控对象。副控回路：压力调节器为副控调节器，压力对象为副控对象。,4.5 串级控制技术,1 计算主回路偏差：,2 计算主回路控制量：,3 计算副回路偏差：,4 计算主回路控制量：,4.5 串级控制技术,4.5 串级控制技术,串级控制系统至少要有两个调节回路，分为主回路和副回路。一般主回路只有一个，副回路可以有多个。,串级控制系统特点：,4.5 串级控制技术,1 当对象的纯滞后比较大时，采用串级控制可以克服对象滞后的影响，改善系统控制性能。,2 对抑制扰动的能力增强。,3 对非线型对象的控制性能好。,串级控制系统的设计原则：,4.5 串级控制技术,1 尽量选择系统中的质量指标