计算机控制系统 第3章 第8次课 复杂规律设计

1、Matlab/Simulink中的PID ControllerFcn is: 133/(s2+25s)Matlab/Simulink中的PID Controller二自由度PID (2 DOF PID) 一自由度： “外扰抑制特性”、“目标跟踪特性”难以兼顾 二自由度：PID参数兼顾“外扰抑制特性”、“目标跟踪特性”（折衷）二自由度PID (2 DOF PID)给定值滤波型给定值前馈型反馈补偿型回路补偿型二自由度PID (2 DOF PID)摘录自Matlab/Simulink帮助文档Parallel Two-Degree-of-Freedom PID Controller先进PID控制l专家

2、PID控制 （expert PID control）l模糊PID控制(fuzzy tuning PID control)l神经PID控制(neural PID control)l基于遗传算法整定的PID控制(PID based on genetic algorithms)l基于Kalman滤波器的PID控制(PID control based on Kalman filter)本章要求掌握： PID原理，PID各项的作用 对PID的改进及算式推导 PID参数的整定 PID程序，改进的PID程序实现本章完 复杂控制规律计算机控制系统设计串级控制( Cascade control )前馈-反馈控制

3、( Feedfoward-feedback control )串级控制 主要解决的问题：系统中有几个因素同时影响被量；对象的滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈；对调节质量要求很高。 串级控制：在单控制回路中，增加控制回路，用于克服引起被控量变化的其他因素，抑制被控对象的时滞特性。副回路主回路串级控制实例1被控量：原料加热炉原料气出口温度条件：燃料油压力是波动方案1（温度闭环调节器）：调节燃料油阀门开度，改变燃料油流量方案2（调节闭环调节器）：调节燃料油阀门开度串级控制实例1方案1（温度闭环调节器）：调节燃料油阀门开度，改变燃料油流量问题：燃料油压力波动，燃料油的流量会随着压力的波动而变化，造成原

4、料气温度的扰动。 压力波动到出口原料气温度变化要经过管道的传输、炉膛的燃烧、加热管道的传热等一系列环节。 这些环节具有惯性和纯滞后，导致控制通道的惯性和纯滞后很大，使得温度偏差加大，调节时间加长。控制效果不理想。串级控制实例1方案2（压力调节器）：调节阀门开度，改变燃料油流量，维持压力恒定 控制压力，控制通道的纯滞后小，惯性也不大，控制作用及时，能有效控制压力的波动。问题：对温度控制是开环的。 仅靠控制压力恒定不能保证温度恒定。原料气入口流量、温度、成分的变化都会使温度发生波动。串级控制实例1采用串级控制：压力控制器 + 温度控制器 压力控制器用来克服燃料油压力波动对被控温度的扰动 温度调节器

5、克服原料气入口流量、温度、成分的变化的影响。串级控制实例1串级控制系统框图概念：串级控制主(控)回路、副(控)回路主(控)调节器、副(控)调节器一次扰动：作用在副环之外的扰动二次扰动：包含在副环路内的扰动串级控制实例2电机的三环控制结构从获得串级控制实例2电机的三环控制结构（转矩/电流，速度，位置）串级控制p 串级控制系统由于存在副回路，优点：减少副控制对象的等效时间常数，提高系统的带宽（工作频率）抑制进入副控回路的二次扰动，提高适应负荷变化的性能克服副对象的纯滞后，减少副对象的非线性p 串级控制不足： 使系统复杂；需要更多的设备，增加成本串级控制

6、的计算机仿真计算机串级控制系统 双回路串级控制系统，D1(z),D2(z)是PID控制器。串级控制算法的计算机实现主回路、副回路采样周期相同时（同步采样）双回路串级控制算法步骤（两次PID运算） (1)计算主回路偏差： (2)计算主控制器D1(z)的输出，采用增量式/位置式PID算法：串级控制算法的计算机实现111( )( )( )e kr ky k111( )(1)( )u ku ku k11111 11111( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)PIDu kKe ke kK e kKe ke ke k (3)计算副回路偏差： (4)计算副控制器D2(z)的输出，采用位置/增量式

7、PID算法：串级控制算法的计算机实现122( )( )( )ekkkyu222( )(1)( )u ku ku k12222 22222( ) ( )(1)( ) ( ) 2 (1)(2)PIDu kKe ke kK e kKe ke ke k p“先副后主”、“先比例再积分最后微分”的次序整定。 条件：主、副回路频率相差很多，互相之间影响不大时。先在主环路开路的情况下，整定副控制器；然后，投入副调节器，再整定主调节器。 当主、副环路频率比较接近时，主、副环路相互影响时，在主、副环路之间反复调试，才能达到最佳状态。串级控制器整定方法思路：把副回路的微分环节提前到反馈通道中，防止主控制器的输出影

8、响副回路的稳定性，同时可以克服副对象的惯性。副回路微分先行串级控制算法微分先行环节的传递函数： 其微分方程为：差分方程为： 递推算式：副回路微分先行环节算式推导222d22( )1( )( )1dYsT sDsY sT s，为微分放大系数222222d( )(t)T( )( )ddytdyytTy tdtdt22222222( )-( -1)( )( )-( -1)( )dddT ykykykT y ky ky k2122232( )(1)( )(1)ddykyky ky k即： (1)计算主回路偏差： (2)计算主控制器D1(z)的输出，采用增量式PID算法： (3)计算微分先行部分的输出：

9、 (4)计算副回路偏差： (5)计算副控制器的输出：副回路微分线性串级控制算法的计算机实现221( )()(du ke kyk111( )(1)( )u ku ku k11111 11111( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)PIDu kKe ke kK e kKe ke ke k222( )(1)( )u ku ku k22222 2( )( )(1)( )PIu kKe ke kK e k2122232( )(1)( )(1)ddykyky ky k111( )( )( )e kr ky k干扰前馈-反馈控制p反馈控制（Feedback control）： 按偏差进行控制，被

10、控量必须偏离给定值。即被控量必须先偏离给定值，然后通过对偏差的测量才能产生控制作用去抵消干扰的影响。 如果不断受到干扰，则系统总是跟在干扰的作用下波动。当滞后特别严重，波动会更严重。干扰前馈-反馈控制p前馈控制（Feed-forward control）： 按扰动量进行开环控制，当影响系统的扰动出现后，就按照扰动量直接产生校正作用。p前馈-反馈控制： 结合前馈和反馈的优点：前馈控制抗扰动，反馈控制减小偏差。前馈控制的结构和原理前馈控制器的传递函数推导，若u1=0 这时输入为0，输出也应为0，有：前馈控制应用条件： 需要扰动通道和对象的传递函数12( )( )( )( ) ( )( )( )nn

11、Y sY sY sD s G sG s N s( ) ( )( )=0nnD s G sG s( )( )-( )nnG sD sG s为了完全消除扰动数字前馈-反馈控制系统框图数字前馈-反馈控制算法例：推导前馈-反馈的递推算式 若 则 其微分方程为12-121212( )G( ),11ssnKKG seseTsT s，211( )( )( )1( )( )snnnfsUsG sTD sKeN sG ssT12( )()11( )()nnnfdu td tu tKn tdtTdtT差分方程：数字前馈-反馈控制算法m=/T12( )()11( )()nnnfdu td tu tKn tdtTdtT11( )(1)()(1)nnmmu kAu kB n kmBn km (1)计算反馈控制的偏差： (2)计算反馈控制器的输出，采用增量式PID算法： (3)计算前馈调节器的输出： (4)计算前馈-反馈调节器的输出：数字前馈-反馈