计算机控制技术 课程内容 - 天津大学.ppt

计算机控制技术课程讲义,1,第八章复杂控制系统,前述的PID控制，是着眼于一个物理量的稳定工作，控制方块图也是由一个闭环完成的。将用一个闭环控制一个物理量的系统称为单回路单参数控制系统，而将多闭环或多被控量相关的系统统称为复杂控制系统。因为在实际系统中与一个被控物理量相关的可能有许多因素，各被控量之间也存在相互联系和影响。单回路单参数PID控制是远远不够的。下面介绍几种常用的复杂控制系统。,计算机控制技术课程讲义,2,8.1串级控制,一、串级控制的提出与原理：例：水位控制系统在单回路单参数控制时，控制器为TC，运行PID算法，根据e=R-C,决定x的输出。这时对水位的扰动因素为Qout的变化。,计算机控制技术课程讲义,3,该控制调节作用的有效动作建立在如下二个基础条件下：1、x的数值与阀门开度成线性对应关系；2、阀门开度与输入流量Qin成线性对应关系。这样，x实际上是给出了当前需要的输入流量Qin,这个流量用来补偿Qout的变化，从而使水位保持稳定。但是上述第二项对应关系还是较难保证的。因为给水压力是不稳定的（受其它使用者、供水源等因素影响），导致流量与阀门开度不能一一对应。流量的不稳定是一个新的扰动因素，这亦使水位发生变化，再由TC进行调整。然而这个过程的调节作用周期较长，使控制系统的性能变差。即：由于给水压力的变化，使阀门开度与Qin不能一一对应。使x所给定的流量值得实现出现误差，该误差通过水位变化即e的变化反应给TC控制器，再进行调整。该过程周期长，使控制性能下降，且水位不易稳定。,计算机控制技术课程讲义,4,为了改善之，我们引入一个新的控制器：FC，x输出不再直接驱动阀门，而作为一个流量设定值与实际流量相比较，再由FC决定阀门开度。即：即：引入FC控制器运行PID算法，以TC的输出xt为设定值。以实际流量测量值f为采样值，计算出xf输出控制阀门开度,xt是需要的流量，f是实际流量，由FC进行控制，FC的控制目标(FC系统的输出)是流量Qin,计算机控制技术课程讲义,5,用方块图表示上述控制结构,称这种结构为串级控制，其特征为第一个控制的输出量作为第二个控制的设定值。其外部回路（TC）称之为主控回路；其内部回路（FC）称之为副控回路。即：R副=X主,TC,FC,阀门,水槽,R,xt,-,-,xf,Qin,C,计算机控制技术课程讲义,6,二、串级PID算法,1、算法：一般主回路采用增量式算法，输出x主，副回路采用位置式算法，输出x副。为限制副回路设定值的过大变化，引入系数、防止振荡的产生。2、参数整定：(1)令主回路只保留P控制，Kp=1，用扩充临界比例度法整定副回路参数。(2)另副回路只保留P控制，保持(1)步整定值，用扩充临界比例度法整定主回路参数,计算机控制技术课程讲义,7,一、比值控制的引入在多个被控量的系统中，经常要求一个被控量与另一个被控量间保持一定比例关系。如燃烧控制中的燃料空气比；合成反应中的原料比等。将使两种物理量保持一定比例的控制系统统称为比值控制。两个物理量分别称为主控量和副控量，比值控制的特征是：副控量的设定值与主控量的采样值成比例。即：R副=KC主，其中K为常数。二、比值控制的分类1、单闭环比值控制：只控制副控量使之随主控量变化。,8.2比值控制,计算机控制技术课程讲义,8,2、双闭环比例控制,方块图,PID,对象,K,主控量采样值,副控量,-,方块图,计算机控制技术课程讲义,9,3、变比值控制：即，K=f(t)，K是时间的函数4、串级、比值复合控制：主、副控制回路均可使用串级而构成复合控制三、参数整定：主、副控制分别独立整定,8.3前馈控制,一、前馈控制的引入与原理PID控制是以偏差为输入量进行调节，当扰动输入出现时，首先引起偏差产生，控制器才开始动作。即控制输出有延迟，若能对干扰信号进行采样，预估其作用，提前产生控制输出，则能减少延迟，提高控制性能。这就是前馈控制。前馈控制原理：利用对扰动信号的采样，预估被控量的变化而提前产生控制输出，以抑制被控量的变化，达到使被控量稳定的目的。特征：以扰动作为控制环节的输入信号，属于开环控制。,计算机控制技术课程讲义,10,二、完全补偿条件,设：扰动F(s)对被控量C(s)的对象扰动通道传递函数为Gpf(s),控制输出X(s)对被控量的对象控制通道传递函数Gpc，控制器的传递函数为Gff(s)则一个典型的前馈控制的方块图为：,计算机控制技术课程讲义,11,为达到在有扰动输入条件下使C(s)稳定，即完全补偿，三、前馈+反馈控制系统前馈控制的缺陷：1、不可能对所有扰动和干扰进行前馈控制2、对象传递函数的分析也存在误差由此，前馈控制的稳定性可靠度下降。为此再引入反馈控制器形成复合控制系统，方块图如下：,计算机控制技术课程讲义,12,F(s),其中：GfB(s)为反馈控制器传递函数。该系统中：由前馈控制器Gff(s)快速抑制F(s)扰动，而由反馈控制器GfB(s)克服余差等，而达到稳定。,计算机控制技术课程讲义,13,四、串级+前馈+反馈控制系统,在前馈反馈控制系统中亦可引入串级控制以如下水位控制系统为例：设：R为设定值，C为采样，f1输入流量，f2输出流量，x控制器综合输出,计算机控制