《计算机控制》PPT课件

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)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,6.3.2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,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，Ki1Kp1TTi1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