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1、TIANJIN UNIVERSITY控制算法李凯天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 天津微纳制造技术工程中心MNMT, Tianjin University, 2012 - # 2Date: * 2005 经典控制 特点单输入、单输出的线性定常 （参数不随时间而变化）系统 特点简单实用，理论不完善 采用试探法设计系统经验 结果分析MNMT, Tianjin University, 2012 - # 3Date: * 2005 自动控制理论的发展过程MNMT, Tianjin University, 2012 - # 4Date: * 2005 系统分析：在系统的结构、参数已知的情况下 ，
2、计算出它的性能。 系统校正：在系统分析的基础上，引入某些参 数可以根据需要而改变的辅助装置，来改善系统 的性能，这里所用的辅助装置又叫校正装置（G1(S) 。系统校正MNMT, Tianjin University, 2012 - # 5Date: * 2005 系统校正的几种常见方法1、串联校正如果校正元件与系统的不可变部分串联起来，如图 所示，则称这种形式的校正为串联校正。+-R(s)C(s)H(s)串联校正系统方框图图中的G0（s）与Gc（s）分别表示不可变部分及校 正元件的传递函数。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 6Date: * 2005 H(s
3、)R(s)C(s)+-+-反馈校正系统方框图2、反馈校正如果从系统的某个元件的输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为Gc(s)的校正元件，则称这种校正形式为反馈校正，如下图所示。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 7Date: * 2005 3、前馈控制如果干扰可测，从干扰向输入方向引入的以消除 或减小干扰对系统影响的补偿通道。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 8Date: * 2005 4、顺馈控制以消除或减小系统误差为目的，从输入方向引入的补偿通道。MNMT, Tianjin University,
4、 2012 - # 9Date: * 2005 5、校正类型比较：串联校正:分析简单，应用范围广，易于理解和接受. 反馈校正:最常见的就是比例反馈和微分反馈，微分反馈又叫速度反馈。 顺馈校正：以消除或减小系统误差为目的。 前馈校正：以消除或减小干扰对系统影响。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 10Date: * 2005 前馈与反馈控制特点比较反馈控制的特点 ： 基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ； 存在稳定性问题； 对各种扰动均有校正作用； 控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律MNMT, Tianjin University, 2012 -
5、 # 11Date: * 2005 前馈控制的特点 ： 基于扰动来消除扰动对被控量的影响； 动作“及时” ； 只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定； 具有指定性补偿的局限性； 控制规律取决于被控对象的特性MNMT, Tianjin University, 2012 - # 12Date: * 2005 前馈控制器设计原理 不变性原理是实现前馈控制的理论基础。 “不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全 无关，或在一定准确度下无关 前馈模型 过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：MNMT, Tianjin University, 2012 - # 13Date: * 2005 前馈控
6、制属于开环控制方式 ； 完全补偿难以满足，因为： 要准确掌握过程扰动通道特性Wf（s）及控制通道 特性Wo（s）是不容易的； 即使前馈模型Wm（s）能准确求出，有时工程上也 难以实现； 对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前 馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。前馈控制的局限性 MNMT, Tianjin University, 2012 - # 14Date: * 2005 PID控制器模型MNMT, Tianjin University, 2012 - # 15Date: * 2005 比例系数Kp 的大小决定系统的快速性，越大，系 统响应速度越快，调节精度越高。 积分系数Ki 作
7、用是消除系统的静态误差。Ki太大 ，系统振荡次数增加，Ki太小系统调节精度降低。 微分系统Kd 改善系统的动态特性。Kd过大，则超 调量较大，调整时间过长。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 16Date: * 2005 几种改良的PID控制器1、积分分离PID控制算法2、抗积分饱和PID控制算法3、不完全微分PID控制算法4、微分先行PID控制算法5、带死区的PID控制算法MNMT, Tianjin University, 2012 - # 17Date: * 2005 1 积分分离PID控制算法在PID控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除 静差，提高控
8、制精度。但在过程的启动、结束或大幅 度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差， 会造成PID中积分运算的过度积累，使控制量超过执 行机构可能允许的最大动作范围，引起系统较大的超 调和振荡，这在生产中是绝对不允许的。积分分离控制基本思路和具体实现的步骤是：1）根据实际情况，人为设定阈值0；2）当error(k)时，采用P或PD控制；3）当error(k)时，采用PI或PID控制，以保证 系统的控制精度。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 18Date: * 2005 2 抗积分饱和PID控制算法若系统存在一个方向的偏差， PID的输出由于积分作用的不断 累加
9、导致u(k)达到极限位置。此 后若PID控制器的计算输出继续 增大，实际执行装置的控制输出 u(k)也不会再增大，即进入了饱 和区。当出现反向偏差，u(k)逐 渐从饱和区退出。进入饱和区愈 深则退饱和时间愈长，此时，系 统就像失去了控制。这种现象称 为积分饱和现象或积分失控现象 。（1）积分饱和现象MNMT, Tianjin University, 2012 - # 19Date: * 2005 在计算u(k)时，首先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否己超出限制范围。若超出，则只累加负偏差；若未超出，则按普通PID算法进行调节。这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。（2）抗积分饱和算法M
10、NMT, Tianjin University, 2012 - # 20Date: * 2005 在PID控制中微分信号的引 入可改善系统的动态特性， 但也易引进高频干扰，在误 差扰动突变时尤其明显。若 在控制算法中加入低通滤波 器，则可使系统性能得到改 善。3 不完全微分PID控制算法不完全微分PID的结构如 图。上图将低通滤波器直接 加在微分环节上，左图是将低通滤波器加 在整个PID控制器之后。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 21Date: * 2005 微分先行PID控制的特点是只对输出量y(t)进行微分，而 对给定值r(t)不进行微分。 这种输出量
11、先行微分控制适用于给定值r(t)频繁升降的场 合，可以避免给定值升降时引起系统振荡，从而明显地 改善了系统的动态特性。结构如下图所示。4 微分先行PID控制算法MNMT, Tianjin University, 2012 - # 22Date: * 2005 5 带死区的PID控制算法及仿真在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制作 用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用 带死区的PID控制算法，控制算式为：式中，e(k)为位置跟踪偏差，e0是一个可调参数，其具 体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值太小， 会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的； 若e0太大，则系统将
12、产生较大的滞后。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 23Date: * 2005 现代控制建模分析设计状态空间 表达式建立求解转换可控性可观性稳定性 状态反馈状态观测器最优控制MNMT, Tianjin University, 2012 - # 24Date: * 2005 现代控制理论具有以下特点：.控制对象结构的转变单输入单输出向多输入多输出, 非线性、非定常 2研究工具的转变 （1）积分变换法向矩阵理论、几何方法转变，由频率法转向状态空间的研究； （2）计算机技术发展，由手工计算转向计算机计算 3建模手段的转变 由机理建模向统计建模转变MNMT, Tia
13、njin University, 2012 - # 25Date: * 2005 现代控制方法 鲁棒控制 跟踪控制 预见控制 重复控制 滑模控制MNMT, Tianjin University, 2012 - # 26Date: * 2005 鲁棒控制 鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在其他 变化因素的条件下，使控制系统仍能保持其稳定性( 鲁棒稳定性)和控制性能(鲁棒性能)。 模型的不精确性、降阶近似、非线性线性化带来的误 差、系统参数和特性随时间的变化或漂移。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 27Date: * 2005 鲁棒控制 鲁棒控制（Rob
14、ust Control）方面的研究始于20世纪 50年代。上世纪60年代，状态空间结构理论的形成， 与最优控制、卡尔曼滤波以及分离性理论一起，使现 代控制理论成了一个严密完整的体系。随着现代控制 理论的发展，从上世纪80年代以来，对控制系统的鲁 棒性研究引起了众多学者的高度重视。在过去的20年 中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 28Date: * 2005 主要的鲁棒控制理论 Kharitonov区间理论 结构奇异值理论(理论)等 H控制理论 鲁棒控制理论最突出成就是H控制和方法。 鲁棒控制理论主要研究分析和综合这两方
15、面问题 综合方面要研究的是：采用什么控制结构、用什么设计 方法保证控制系统具有更强的鲁棒性，包括如何应对 系统存在的不确定性和外加干扰的影响。它弥补了现 代控制理论需要对象精确数学模型的缺陷，使得系统 的分析和综合方法更加有效、实用MNMT, Tianjin University, 2012 - # 29Date: * 2005 鲁棒控制理论的应用 广泛应用于化工、机器人、航空、航天、交通 等各个领域 鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成，故其 缺点在于一旦设计好这个控制器，它的参数可 能就不易于改变MNMT, Tianjin University, 2012 - # 30Date: * 2005 跟踪控制 可分为路径跟踪和轨迹跟踪 路径跟踪：一种不考虑时间的几何位置跟踪 轨迹跟踪：希望系统在指定时间到达指定位置。 目的：使系统的输出尽可能的逼近目标轨迹。 轨迹控制的应用，特别是机床行业及机械手的控制 对轨迹跟踪控制的研究主要从提高跟踪精度，抑制干 扰误差等方面着手的。 提高轨迹系统的跟踪精度可以采用最优预见控制技术或是与鲁棒控制结合。MNMT, Tianjin University, 2012 - # 31Date: * 2005 预见控制 对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况 完全知道的情况下，使目标值与被控制量间的偏差达 到最小。 由于控制对
