第6讲 计算机控制系统常用的控制规律.ppt

1、计算机控制技术，王斌在Email :上作了演讲，演讲6:计算机控制系统的一般控制规律，4-1 PID控制，1。PID控制器的控制功能，1。比例(P)控制器是最简单的控制器，它实际上是一个增益可调的放大器，即u(t)=Kp e(t) u(t)控制器输出Kp比例系数E。系统的输出偏差，例如：如果偏差e(t)是一个阶跃信号，比例控制器的响应关系如图所示。2.比例积分控制器，消除静态误差的方法是将I加到P构成比例积分控制器，规则是u(t)=Kpe(t) (1/Ti) e(t) dt Ti积分比例积分控制系统对e(t)阶跃信号的响应波形如图所示：Ti为积分时间：Ti，u(t) kpe(t)，即控制对象具

2、有较大的延时，如超调量、稳定性和合适的温度。Ti积分效应大，速度快，适用于管道压力、流量等滞后小的对象。因此，钛也应根据对象进行选择。注：增加积分控制时，应适当减少比例控制量，为积分控制量留出空间。PI控制器可以消除系统的静态误差；3.比例、积分和微分(PID)控制器，虽然PI控制器可以消除静态误差，但它是以降低响应速度为代价的，并且Ti越大，成本越高。在实际控制系统中，人们不仅要求静态误差为0，而且要求能够尽快抑制静态误差，或者希望提前消除静态误差。也就是说，静态误差将在它生效之前立即被消除。所采用的方法是：在PI中加入一阶D(微分)环节构成PID调节器，控制律如下，其中为微分环节；是一个微

3、分时间常数。偏差变化越快，差动作用项越大，控制量越大，因此增加差动作用有助于减小超调，克服振荡，有助于系统稳定。它加快了系统的动作速度，缩短了调整时间，提高了系统的动态性能。PID控制系统对e(t)阶跃信号的响应波形如图2所示。PID控制器的离散化，离散化方法：t采样周期，位置PID控制公式，第k次采样时的计算机输出值，位置PID控制系统的算法程序框图如图所示。计算机的输出u(k)与致动器的实际位置一一对应，u(k)的大变化将导致致动器位置的大变化。位置PID的输出不仅与该偏差有关，还与以前的测量偏差有关。计算中应积累误差，计算机操作工作量大。增量式PID控制公式，计算机在两个样本中输出的增量

4、为：Ki积分系数，Kd微分系数，第(k-1)个样本为：增量式PID控制系统的算法程序框图如图所示。当电脑出现故障时，影响范围很小。在手动和自动之间切换时影响小。计算工作量小。数字PID控制算法的改进带死区的PID控制公式为：其控制特性如图：适用于控制精度不高、控制动作尽可能少的场合。积分分离PID控制算法的控制公式是：基本思想：当偏差较大时，去掉积分环节，避免积分环节使系统稳定性变差；当偏差较小时，利用积分函数消除静态误差，提高控制精度。积分分离式PID控制程序框图如图所示。对于同一控制对象，普通PID和积分分离PID的响应曲线如图所示。不完全微分PID控制算法，不完全微分PID的结构如图A所

5、示，图A所示结构的传递函数为：微分部分变为微分方程：微分项变为微分项：所以，在单位阶跃输入下，普通PID和不完全微分PID的输出特性比较如图A所示.与普通PID中的微分部分相比，输入输出的脉冲高度微分优先PID控制算法，结构框图为：控制公式为：4。数字PID控制器的参数设置和采样周期的选择，对于响应速度快、波动大、易受干扰的过程，应选择较短的采样周期；相反，它更长。过程的纯滞后是明显的，采样周期可以近似等于纯滞后时间。选择采样周期时应考虑几个因素：采样周期应远小于对象的时间常数；采样周期应远小于物体的扰动信号周期；考虑对象所需的调整质量；考虑致动器的响应速度；考虑到计算机承担的工作量；设定PI

6、D参数；1.试错法；具体步骤：首先设定比例，设定比例系数。加积分和固定积分时间。添加微分并设置微分时间。数字PID控制算法的参数选择一般是基于被控过程的特点、采样周期的大小以及工程中的其他具体要求。选择一个小的采样周期，使计算机过程控制系统成为纯比例控制，改变比例系数，使其等幅振荡，从而得到临界比例系数和临界周期。2。扩展临界比法，扩展临界比例带计算表，4-2串级控制，例如：管式加热炉串级温度控制系统，(a)单回路控制，(b)双回路控制，串级控制系统的计算步骤如下：计算主回路偏差，计算主调节器增量输出，计算主调节器位置输出，计算辅助回路偏差。在计算主调节器的位置输出时，以下改进算法：串级控制系

7、统中二次回路的设计原则和二次参数的选择应使二次回路的时间常数小、调节通道短和响应灵敏。二次回路应包含受控对象遭受的主要干扰。级联系统具有很强的抑制二次回路干扰的能力。在选择串级控制系统的调节器时，辅助调节器的任务是快速动作以抵消辅助回路中的扰动，并且辅助参数一般不要求完美，因此通常选择P调节器或PD调节器。主调节器必须具有积分功能，一般采用比例积分调节器。4-3前馈控制：当扰动出现时，前馈控制器根据测量的扰动幅度和方向，按照一定的规则直接控制，以抵消扰动对被控参数的影响。换热器前馈控制的框图如图所示，完全补偿的条件是：何时，则必须有：前馈控制器的传递函数是：前馈-反馈控制系统的结构框图如图所示

8、，简化为：完全补偿的条件是：前馈控制算法，if :相应的微分方程是：离散化：排序：采用前馈控制时，系统存在大幅度、高频和可测干扰，这些干扰对被控参数有很大影响，反馈控制难以克服，而过程对被控参数要求非常严格。此时，可以引入前馈控制来提高系统的质量。当主扰动不能被串级控制封闭在二次回路中时，前馈控制将比串级控制得到更好的控制效果。当扰动通道和控制通道的时间常数相似时，引入前馈控制可以提高系统的控制质量。4-4史密斯预估控制、纯滞后单回路反馈控制系统为：带史密斯预估器的系统框图为：为了完全补偿对象的纯时延，需要：史密斯预测补偿器的传递函数为3360，大纯时延的史密斯预测控制系统的实际结构框图为33

9、60。盒子里面是史密斯预测器，它和它一起构成了一个带有纯延迟补偿的控制器。相应的传递函数是：整个系统的闭环传递函数是：等效框图一是：等效框图二是：史密斯预估器控制算法，让(取一个整数)，那么数字史密斯预估器的输出是，假设对象模型是一阶惯性环节加纯延迟，然后离散化。信号形成原理图、数字史密斯预估器控制系统、史密斯预估器计算机控制系统计算顺序是计算反馈回路的偏差、计算中间变量、查找并计算史密斯预估器的输出、计算PID控制器的输入、执行PID运算并计算PID控制器的输出、让系统中对象的传递函数为，仿真结果如图所示。(一)没有史密斯预测补偿；(二)有史密斯预估补偿、4-5速比控制、单闭环速比控制系统、

10、双闭环速比控制系统、可变速比控制系统、驱动量和驱动动量。当主流Q1不可控且流量Q2可控时，Q1作为主控制量，Q2作为驱动动量。当流量Q1和Q2同时受到控制，即采用双闭环比例控制结构时，如果Q1的供给可能不足，Q2的供给不成问题，则以Q1为主要动力，即使失去控制，流量比例仍可维持；如果Q1和Q2的流量都可能由于供应不足而失去控制，从安全角度考虑并确定哪一个是有效量，即，在这种情况下，比率必须保持恒定，然后选择哪一个作为有效量。4-6模糊控制，模糊概念，冷热天气，雨势大小，风力大小，人的胖瘦，年龄大小，身高，常用术语，1模糊集，模糊集和精确集的隶属函数(一个或两个):A=X|X6精确集的隶属函数：

11、模糊集：如果是一组对象X，那么模糊集：领域模糊集A=爱好的城市可以表示为：A=(上海，0.8)，(北京，0.9)，(天津，0.7)，(Xi an，0.6)， 2)连续话语域：如果话语域u是实数域，即连续论域上的模糊集a可以表示为隶属函数、三角隶属函数、降半梯形隶属函数、升半梯形隶属函数、梯形函数、钟形函数、模糊集的基本运算、空集、等集、子集、并集、交集、补集有两个模糊子集a=1/10.8/20.6/30.4/4b=0.3/112 然后：2模糊关系、精确关系、模糊关系、相同空间，表示两个或多个集合元素之间是否存在关联、交互和互连。 一个，指示两个或多个集合元素之间是否存在关联、交互和互连。例如，

12、模糊关系综合的隶属函数为：让“子女与父母相似”的模糊关系为，“父母与祖父母相似”的模糊关系为，知道：例如：求“子女与祖父母相似”的模糊关系r。模糊推理、广义正向推理、广义反向推理、模糊蕴涵关系，曼达尼和拉森分别提出了最小和积的隐式运算。广义正向推理公式，广义反向推理公式，解法：根据最小算法，有：即模糊逻辑控制器的基本结构和输出。在采样时间k，误差和误差变化定义为模糊控制系统的设计，1。模糊策略，采用单点模糊化，选择合适的模糊函数。知识库和数据库规则库：存储所有模糊控制规则，并在推理过程中为推理机提供控制规则。，3。模糊推理推理机，根据输入的模糊量和知识库进行模糊推理，得到模糊控制量。4。清晰的

13、最大隶属度法。以隶属度最大的控制量作为控制量的精确值。例如，当获得模糊控制量时，因为元素5在宇宙中的隶属度最大，所以采用加权平均法作为控制量。例如，作为模糊控制器设计的一个例子，金属钨的熔点超过3000，因此目前不能用普通熔炼方法处理，而只能用粉末冶金方法处理。九管还原炉是一种用于还原和还原氧化钨粉末的熔炼设备。考虑到九管还原炉的精确数学模型难以建立，人工控制温度时误差波动较大，往往超过15，影响钨粉冶炼质量。因此，决定采用模糊控制方案。九管还原炉的结构见表：1。模糊输入和输出变量，输入语言变量：实际温度和温度给定值之间的误差及其变化率，语言变量E赋值如表所示，语言变量EC赋值如表所示，语言变量U赋值如表2所示。在总结操作员手动控制策略的基础上，建立模糊控制规则库。得到了一组由52条模糊条件语句组成的控制规则。通过总结这些模糊条件语句，可以建立一个反映九管还原炉温度控制系统控制规则的模糊控制规则表，如表中所示，表中编号的空格代表不可能的情况，称为死区。控制规则表的一般形式是，如果E=A，EC=B，那么U=C.3。模糊推理和清晰处理，取不