第六讲机电一体化控制算法

1、第六讲主讲：晏良俊联系方式-mail:QQ:364790339主要内容n第第1 1章章 概论概论n第第2章章 机械系统的部件选择与设计机械系统的部件选择与设计n第第3 3章章 执行元件的分类及控制用电机的驱动执行元件的分类及控制用电机的驱动n第第4 4章章 微机控制系统及接口设计微机控制系统及接口设计 n第第5 5章章 机电一体化系统中的检测传感器机电一体化系统中的检测传感器 n第第6 6章章 机电一体化系统的控制策略机电一体化系统的控制策略 n第第7 7章章 典型机电一体化系统实例分析典型机电一体化系统实例分析 第6章机电一体化系统的控制策略机电一体化系统的控制策略

2、 6.1 6.1 自动控制理论的发展情况自动控制理论的发展情况 6.26.2传统控制策略传统控制策略 6.36.3现代控制策略现代控制策略 6.46.4智能控制智能控制策略策略6.1 自动控制理论的发展2020世纪世纪40405050年代年代2020世纪世纪60607070年代年代2020世纪世纪8080年代后年代后理论基础理论基础经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论智能控制理论智能控制理论研究对象研究对象单变量控制单变量控制多变量控制多变量控制多层次多变量控多层次多变量控制制分析方法分析方法传递函数、频域传递函数、频域法法状态方程、时域法状态方程、时域法智能算子、多级智能算子、多

3、级控制控制研究重点研究重点反馈控制反馈控制最优、随机、自适最优、随机、自适应控制应控制大系统理论、智大系统理论、智能控制能控制核心装置核心装置自动调节器自动调节器计算机计算机智能机器人系统智能机器人系统应用应用单机自动化单机自动化机组自动化机组自动化综合自动化综合自动化6.2 传统控制策略 6.2.1 6.2.1 比例比例- -积分积分- -微分（微分（PIDPID）控制）控制6.2.2 6.2.2 串级控制串级控制 6.2.3 6.2.3 纯滞后对象的控制纯滞后对象的控制6.2.4 6.2.4 解耦控制解耦控制PID控制nPIDPID算法包含了动态控制过程中的过去、选择和将来的主要信息算法包

4、含了动态控制过程中的过去、选择和将来的主要信息 。n微分（微分（D D）在信号变化时有超前控制作用代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时较小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。n积分（积分（I I）代表了过去的积累信息，它能消除静差，改善静态特性。n比例（比例（P P）代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。 给定KPKi/SKdS控制对象输出PID调节器微分作用比例作用积分作用u(t)tPID控制的数学表达式 工业用的控制器中，最常用控制规律是PID控制，具有比例微分积分三项作用. 其传递函数为： 式中：e(t)调节器输入量，即给定量与输出量的偏

5、差；u(t)调节器输出函数；Kp比例系数；积分时间常数；TD微分时间常数； 调节个项调节作用的相应系数，可以保证达到使控制系统具有很好的动态品质。在工业的各部门中广泛使用制成工业产品的PID控制器。dtde(t)d )(1)()(DpTtteteKtu串级控制n串级系统在结构上有两个（或多个）闭环系统，内部一个称为幅环（幅回路），在控制过程中起“粗调”作用；外面的称为主环（主回路），用来完成“细调”任务，最终保证被调量满足控制要求。n主环和幅环都有各自的调节对象、测量变送器和调节器。串级控制系统的优点是：对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的

6、变化有一定的自适应能力。 一次扰动主参数二次扰动幅参数转速、电流双闭环串级控制系统 +M+-UGTngdUIdTGUtUfn+-+Un0R0RRnnCR,+-,RCiiRUc+ASRACRUifiUUi解耦控制n工业应用中的许多系统都是多变量系统，其中每个变量之间存在着耦合关系。在复杂的生产设备中，往往需要设置若干个控制回路来稳定各个被控制变量。多数情况下，这几个控制回路间存在着相互关联，相互耦合，形成了多输入、多输出的相关控制系统。不能将它们当成独立的单回路系统而简单地采用单变量控制策略。n解耦控制就是解决这样的控制问题的主要办法。其基本思想是，设计一个解耦补偿器来消除多变量系统中各个输入输

7、出变量间的关联作用，使一个控制输入只对其相应的输出有影响，以把多变量系统分解成几个单变量系统，然后在每个已解耦的控制回路中，认为各控制器只对其相应的被控变量施加控制作用，从而可采用相应的单变量控制策略。纯滞后对象的控制 n工业过程中的许多对象具有纯滞后特性，如蒸汽在长管内流动到加热罐，经过一定的时间后才能将控制作用送到被控量，即有纯时间滞后。这个时间滞后使控制作用不能及时得到反应，扰动作用不能及时被察觉，延误了控制，会引起系统的超调和振荡。 解决大时间滞后的有代表性方法n大林（dalin）算法；nDadlin算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Gc(s)相当于一个延时环节与惯性环节串

8、联，并期望整个闭环系统的纯滞后时间与被控对象的纯滞后时间相同。 n纯滞后补偿（Smith预估器）控制；n为了改善控制系统的性能，引入一个与对象并联的补偿器，使得补偿后的等效对象的传递函数不包含纯滞后特性。 6.3 现代控制策略6.3.1 6.3.1 自适应控制自适应控制6.3.2 6.3.2 变结构控制变结构控制6.3.3 6.3.3 鲁棒控制鲁棒控制6.3.4 6.3.4 预测控制预测控制6.4 智能控制策略6.4.1 6.4.1 专家控制专家控制6.4.2 6.4.2 模糊控制模糊控制6.4.3 6.4.3 神经网络控制神经网络控制6.4.4 6.4.4 学习控制学习控制 自适应控制 n自

9、适应基本思想：针对对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的影响，通过在线辨识使这种影响逐渐降低以至消除。n自适应控制有模型参考自适应控制和自校正控制。 可调控制器控制对象给定参考模型自适应机构参数调整误差实际输出附加控制反馈期望输出可调控制器控制对象给定实际输出反馈参数调整u控制器设计要求性能辨识器模型参考自适应控制结构图 自校正控制结构图 把实际输出与期望输出的比较送入自适应机构用辨识器对实际输出进行辨识，结果送入控制器，然后进行调整变结构控制 n变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略特点在于：系统的“结构”不固定，而是可以在动态过程中根据当时的状态

10、以跃变方式有目的地不断变化，这里的“结构”并非指系统的物理结构，而是系统在状态空间中的状态轨迹的总体几何性质。 u (x)+u (x)-给定反馈切换法则控制对象输出变结构控制器鲁棒控制n系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感程度）。鲁棒性可分为稳定鲁棒性和品质鲁棒性，前者指系统在某种扰动下保持稳定性的能力，后者指保持某项品质指标的能力。n鲁棒控制是20世纪70年代初针对模型的不确定性问题提出的。其基本思想是设计中设法使系统对模型的变化不敏感。即使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，且品质也保持在工程所能接受的范围内。预测控制n预测控制是20世纪70

11、年代中期出现的，这是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略。是建立在模型预测-滚动优化-反馈校正这三条基本原理之上。其基本思想类似于人的思维和决策，即根据头脑中对外部世纪的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从中择优予以实施。参考轨迹滚动优化设定输出在线校正预测模型控制对象预测控制器yr(k+i)yc(k+i)ym(k+i)u(k)专家系统n对于复杂的被控对象和其外界环境，难以建立有效的数学模型和采用常规的经典或现代控制理论去进行定量计算和分析，设计。n智能控制是解决这类控制问题的有效办法，它具有人工智能，控制论和运筹学等形成的交叉学科的特点和定量与定性相结合的分析方法特点。R推

12、理机(IE)特征识别信息处理控制规则集对象和执行结构反馈环节知识库(KB)专家控制器euSKIUY专家系统n专家控制系统是由解决问题非常熟悉的人们（专家）的大量知识和经验，建立起来的计算机程序系统，它能进行推理和判断，模拟专家的决策过程。专家系统由特征识别与信息处理部分，推理机，知识库和控制规则集组成。n特征识别与信息处理：对输入作用，扰动作用，误差和输出作用等信息特征的提取和加工，为控制决策和学习，适应提供依据的软件。n知识库：将知识表示为计算机内部形式并能进行处理的软件。n控制规则集：对受控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结的软件。n推理机：用于记忆所采用的规则和控制策略的程序。它使整个

13、专家系统能够以逻辑方式协调地工作，进行推理，作出决策的软件。n基于专家系统的专家控制器已成功地应用于某些控制系统中。取得了远优于PID控制器的性能。模糊控制与专家系统相比：相同点：都要建立操作者的经验和决策行为的模型（都含有知识库，推理机）。相异点：模糊控制中采用的是模糊知识表示和模糊推理方法。数据库规则库知识库模糊控制器推理机模糊判决接口过程模糊化接口传感器神经网络控制n人脑功能是科学家重要的研究内容。人脑以记忆与思维的最基本的单元是神经元，每个神经元有细胞体和突起两部分组成。并在受到刺激后通过突起向外界发送生物信息。n通过对人脑的研究，用计算机模拟一个生物神经元，并在此基础上发展成人工神经网络（Artificial Neural Network）e