复杂规律计算机控制系统设计PPT课件

.,1,第六章复杂规律计算机控制系统设计,.,2,自动控制系统基本概念,人工控制：测量求偏差再控制以纠正偏差,自动控制系统：用控制器代替人的职能,.,3,计算机控制系统的基本组成,.,4,自动控制系统基本概念,输入量：给定量（给定信号）；输出量：被控制量（温度）；反馈：输出量通过适当的测量装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量比；偏差：输入量与输出量的比较结果。,.,5,自动控制系统基本概念,开环控制系统,闭环控制系统,加热电阻丝,调压器,220V,.,6,自动控制系统基本概念,恒温箱温度控制系统,.,7,多回路计算机控制系统,串级控制：两个以上调节器串联工作，抑制扰动能力强前馈控制：直接对扰动进行控制，及时克服扰动解耦控制：解除多控制回路各变量之间的耦合比值控制：使多个变量自动保持一定比例关系均匀控制：使被控参数的变化保持在一定范围之内分程控制：一个调节器同时对多个执行机构进行控制,.,8,6.1串级控制6.1.1串级控制系统的组成和工作原理,例：管壳式换热器出口气温控制,1、单回路控制：温度控制回路,2、串级控制：温度控制回路和压力控制回路同时作用,压力控制回路,管壳式换热器,.,9,管壳式换热器,.,10,串级控制系统方框图,1、结构特点：至少两个调节器、调节器串联、多回路；2、回路性质：主回路为定值回路、副回路为随动回路；3、主回路输出为副回路给定值（变化的）；4、扰动：主（副）回路的扰动为一（二）次扰动；,.,11,(1)减少副控对象的等效时间常数,6.1.2串级控制系统的优点及应用一、串级控制系统的优点,通常：所以：,副控回路的传递函数：,.,12,副控回路的传递函数：通常：所以分析：由于等效时间常数，系统动作灵敏，反应速度快，调节及时；与成反比，则副控调节器增加，降低；由于，则可提高，有助于抑制一次扰动。,.,13,(2)提高系统的工作频率串级控制系统的特征方程为：,可写为：,工作频率：,.,14,相应的单回路控制系统的工作频率：令则分析串级控制系统提高了系统的工作频率，改善系统的动态特性；副控调节器的比例系数越大，工作频率的提高越显著。,.,15,(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换,u1,y2,e2,y2,.,16,(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换,.,17,(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换则系统的输出对扰动的传递函数：,分析：越趋于零，抗干扰能力越强,.,18,(3)提高抑制二次扰动的能力将串级控制做等效变换,系统的输出对输入的传递函数：,.,19,：越趋于零，抗干扰能力越强：越趋于恒定值，系统输出的稳定性越好系统抑制扰动的能力可用下式表示：若主控和副控调节器均用比例控制,.,20,相应的单回路控制系统输出对扰动的传递函数：输出对输入的传递函数：抗干扰能力为：,.,21,分析：1、由于，的变化对的影响比较小，减少了副控对象的放大系数，从而减少了负荷变化的影响；2、副控回路是随动系统，主控调节器可调整副控调节器的给定值，操作条件和负荷变化时调节系统仍具有较好的品质,(4)提高对负荷的适应能力串级控制系统等效副控对象的放大系数,.,22,二、串级控制系统的应用,（1）抑制控制系统的扰动副控回路包含主要扰动，提高主控参数的控制性能（2）克服对象的纯滞后缩短过渡时间，降低超调量，改善系统控制性能（3）减少对象的非线性影响副控回路包含非线性对象主控对象、副控对象的时间常数要拉开,.,23,6.1.3计算机串级控制系统,一、系统结构,D1(z)计算机实现的主回路数字调节器（常用PID规律）D2(z)计算机实现的副回路数字调节器（常用P、PI规律）H0(s)零阶保持器，T1主控回路采样周期T2副回路的采样周期,.,24,二、算法步骤,1.主、副回路采样周期相同（同步采样：T1=T2=T）思路：外回路内回路,（1）计算主回路的偏差e1(kT),.,25,（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出u1(kT),.,26,（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出u1(kT)（3）计算主控调节器的位置输出u1(kT),.,27,（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出u1(kT)（3）计算主控调节器的位置输出u1(kT)（4）计算副回路的偏差e2(kT),.,28,（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出u1(kT)（3）计算主控调节器的位置输出u1(kT)（4）计算副回路的偏差e2(kT)（5）计算副调节器的增量输出u2(kT),R(z),-,+,R(s),+,+,+,-,主控对象,副控对象,零阶保持器,副控调节器,主控调节器,+,+,.,29,（1）计算主回路的偏差e1(kT)（2）计算主调节器的增量输出u1(kT)（3）计算主控调节器的位置输出u1(kT)（4）计算副回路的偏差e2(kT)（5）计算副调节器的增量输出u2(kT)（6）计算副调节器的位置输出u2(kT),.,30,T1=nT2（副控对象响应快）或T2=nT1（主控对象响应快）n为正整数,2.主、副回路采样周期不同（异步采样）主、副控对象的特性相差悬殊异步采样调节,例：压力对象响应快温度对象响应慢按压力对象：温度对象的响应跟不上采样速度，计算机工作量大按温度对象：降低快速对象回路的控制性能，削弱抑制扰动能力,.,31,6.1.4串级控制系统的设计原则,1.把主要扰动包含在副回路中；2.副回路应该尽量包含积分环节；3.副回路被控参数应是可测量的中间变量，或者是通过观测分析可推断的中间变量；4.主控、副控回路的采样周期T1T2时，T1与T2之间应相差三倍以上，以免主、副控回路之间发生相互干扰和共振,.,32,副调节器D2(z)比例控制PI调节规律按预期闭环特性,6.1.5串级主控和副控调节器的选择,主调节器D1(z)PID调节规律积分控制减少稳态误差，提高控制精度；微分控制提高动作速度，使系统反应灵敏。,.,33,按预期闭环特性来设计副调节器：,闭环系统的Z传递函数:,副调节器:,.,34,一般可构造副控系统的闭环传递函数为:式中：n为分子或分母有理多项式的最高幂次,例如：,则：,构造：,所以,.,35,6.1.6其它形式串级控制系统一.副回路微分先行串级控制系统,问题：1.主调节器输出变化过大而引起副回路的不稳定；2.副控对象惯性较大而引起调节品质的恶化。,副回路微分先行副反馈回路中加入微分控制环节,微分TS特点：1.偏差e变化率，TdS控制作用，具有超前校正作用；2.可以P，克服振荡，TS。,.,36,设微分先行的传递函数：则微分调节器的位置输出：式中：,.,37,副控回路微分先行串级控制系统算法步骤：,（1）计算主回路的偏差（2）计算主调节器的增量输出（3）计算主控调节器的位置输出（4）微分先行调节器输出（5）计算副控回路的偏差（6）计算副控调节器的增量输出（7）计算副控调节器的位置输出,R(z),-,+,R(s),+,+,+,-,+,+,.,38,二.多回路串级控制系统,算法步骤：与两回路的类似PID运算外回路内回路分叉点按下接回路的权级先后处理例：火电厂单元机组控制系统,.,39,6.2前馈控制6.2.1前馈控制的工作原理,反馈控制依据偏差进行控制优点：控制精度高缺点：抑制扰动不及时（特别是迟延惯性较大的对象）,前馈控制直接对扰动进行的控制优点：及时补偿甚至消除扰动对被控量的影响缺点：只对被前馈的扰动量有补偿作用,当扰动出现：1.通过被控对象影响被控量；2.按照前馈调节规律补偿扰动的影响,.,40,有扰动N(s)作用时：Y(s)=Y1(s)+Y2(s)=0“完全补偿”,则前馈调节器的调节规律为：,即：,.,41,.,42,6.2.2前馈控制的类型动态前馈，静态前馈，前馈反馈，前馈串级,动态前馈控制对象扰动通道和控制通道的动态特性不同,当,.,43,二.静态前馈控制对象扰动通道和控制通道的动态特性相同,.,44,应当指出：,1、前馈调节器只对被前馈的扰动有补偿作用；2、动态前馈调节器Df(s)的确定与对象特性测试精度有关，实际对象特性往往很难精确得到，完全补偿扰动不易实现；3、前馈控制是开环控制，当系统的参数漂移，被控量偏离给定值时，仅用前馈控制很难得到良好控制性能。,.,45,三.前馈-反馈控制对被控对象同时施加前馈和反馈控制,.,46,三.前馈-反馈控制,设输入R(s)=0：,前馈调节器完全补偿时，Y(s)=0，前馈调节器模型为：,.,47,前馈-反馈控制的优点：,（1）前馈控制及时抑制主要（可测）扰动影响，可作为系统粗调。（2）负反馈控制最终消除前馈控制未克服的其它一切干扰因素对被控量的影响，控制精确（使偏差为零），可作为系统精调；（3）即提高了控制性能，又简化了控制系统；（4）不完全补偿部分对被控制量的影响减小,.,48,前馈-反馈控制系统结构的另一种形式,特点：1.前馈调节器的输出送到反馈调节器的输入端；2.前馈控制通道较长；3.结构简单,前馈调节器的模型为：,.,49,四.前馈-串级控制对被控对象同时施加前馈和串级控制,.,50,四.前馈-串级控制,副控回路等效传递函数：,系统的输出为：,.,51,讨论扰动的影响时，假设R(s)=0，得：,串级副回路通常整定为：（内回路能快速压制扰动）,前馈调节器的模型为：,.,52,副控回路等效传递函数：,控制通道等效传递函数：,前馈调节器的模型为：,.,53,.,54,6.2.3计算机前馈控制,则：,变形得：,计算机前馈控制的实现将前馈调节规律Df(s)离散化得到Df(z),.,55,若采样周期T足够短，且纯滞后时间是采样周期T的整数,即:,离散化得到差分方程：,拉氏反变换，可得前馈调节器的微分方程：,由此编写前馈调节器的软件,.,56,调节器算法步骤,(1)计算反馈控制的偏差e(kT),(2)计算反馈调节器（数字PID）的输出c(kT),(3)计算前馈调节器Df(z)的输出u(kT),(4)计算前馈-反馈调节器的输出p(kT),.,57,前馈-反馈控制的算法流程图,（1）调入参数及各延迟时间序列；（2）输入，采样；（3）计算前馈调节器和反馈调节器的输出；（4）存储时间序列的各个存储单元移位，以形成延迟的时间序列；（5）计算前馈-反馈调节器的输出。,.,58,6.2.4前馈控制的选用,(1)扰动频率高、幅度大、对被控参数的影响显著、可测不可控，反馈控制难以消除扰动影响时，采用前馈控制；(2)当主要扰动无法纳入副控回路时，采用前馈-反馈控制；(3)扰动通道和控制通道的时间常数接近，采用静态前馈控制；(4)静态前馈能够满足要求时不用动态前馈；(5)扰动通道的时间常数远大于控制通道的时间常数时，采用反馈控制。当控制性能要求很高时，引入前馈控制；(6)扰动通道的时间常数远远小于控制通道的时间常数时，前馈控制的作用不大。,.,59,6.2.5前馈调节器参数的整定一.静态前馈系数的整定1.闭环整定法,(1)断开前馈调节器，只接入负反馈，让系统工作在闭环状态；(2)系统稳定后，记下扰动稳态值n0(t)和反馈调节器输出u0(t)(3)作阶跃扰动，系统稳定后，记下n1(t)和u1(t)；(4)计算静态前馈系数；(5)按计算出的静态前馈系数引入前馈调节器。,U(S),.,60,2.试凑法,（1）在负反馈系统中引入静态前馈Kf；（2）作阶跃扰动，逐步加大Kf；（3）反复调试，直到获得比较满意的过渡过程为止，此时的Kf值即为整定值。,静态前馈系数对控制性能的影响,.,61,二.动态前馈调节器参数的整定,（1）令T1=T2=0，用静态前馈系数整定法确定Kf；（2）设置T1为某值，逐渐改变T2值，直到获得满意的过渡过程；（3）固定已调整好的T2值，逐渐改变T1值，使过