《计算机控制技术与应用第2版 教学课件 ppt 作者 刘国荣 梁景凯 第四章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制技术与应用第2版 教学课件 ppt 作者 刘国荣 梁景凯 第四章（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 计算机控制系统常用的控制规律,主编,第四章 计算机控制系统常用的控制规律,第一节 PID控制 第二节 串级控制 第三节 前馈控制 第四节 史密斯(Smith)预估控制 第五节 比值控制 第六节 模糊控制,第一节 PID控制,一、PID控制器的控制作用 1.比例(P)控制器 2.比例、积分(PI)控制器,第一节 PID控制,图4-1 比例控制器阶跃响应,第一节 PID控制,图4-2 PI控制器阶跃响应,第一节 PID控制,图4-3 PID控制器阶跃响应,3.比例、积分、微分(PID)控制器,第一节 PID控制,二、PID控制器的离散化 1.位置式PID控制算法,第一节 PID控制,图4-
2、4 位置式PID控制 算法程序框图,第一节 PID控制,2.增量式PID控制算法,第一节 PID控制,图4-5 位置式PID控制系统结构框图,第一节 PID控制,图4-6 增量式PID控制 算法程序框图,第一节 PID控制,3)计算工作量小。,1)计算机发生故障时，影响范围小。 2)手动-自动切换时冲击小。,第一节 PID控制,图4-7 增量式PID控制系统结构框图,第一节 PID控制,图4-8 带死区的PID控制特性,三、数字PID控制算法的改进 1.带有死区的PID控制算法,第一节 PID控制,2.积分分离式PID控制算法,第一节 PID控制,图4-9 积分分离式PID控制程序框图,第一节
3、 PID控制,3.不完全微分的PID控制算法,图4-10 积分分离式PID控制效果 1普通PID 2积分分离式PID,第一节 PID控制,图4-11 不完全微分PID结构框图 a)低通滤波器加在微分环节上 b)低通滤波器加在整个PID控制器之后,第一节 PID控制,图4-12 PID输出特性的比较 a)普通PID b)不完全微分PID,uD(1)=Kde(1)-e(0)=0 uD(2)=uD(3)=0 uD(1)=uD(0)+(1-)Kde(1)-e(0)=uD(0),第一节 PID控制,uD(2)=uD(1)+(1-)Kde(2)-e(1)=uD(1) uD(3)=3uD(0) 1)普通PI
4、D的控制品质较差，其原因是微分作用仅局限于第一个采样周期有一个大幅度的输出。 2)不完全微分PID的控制品质较好，其原因是微分作用能缓慢地持续多个采样周期，使得一般的工业用执行机构能较好地跟踪微分作用输出。,第一节 PID控制,图4-13 不完全微分 PID算法程序框图,第一节 PID控制,图4-14 微分先行PID控制系统结构框图,四、数字PID控制器参数的整定 1.采样周期的选择 1)采样周期应比对象的时间常数小得多，否则，采样信号无法反应瞬变过程。,4.微分先行PID控制算法,第一节 PID控制,2)采样周期应远小于对象扰动信号的周期，一般使扰动信号周期与采样周期成整数倍关系。 3)当系
5、统纯滞后占主导地位时，应按纯滞后大小选取T，尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍。 4)考虑执行器的响应速度，如果执行器的响应速度比较慢，那么过小的采样周期将失去意义。 5)在一个采样周期内，计算机要完成采样、运算和输出3件工作，采样周期的下限是完成这3件工作所需要的时间(对单回路而言)。 2. PID控制器参数的整定 (1)试凑法 试凑法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入的响应，根据各控制参数对系统性能的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。,第一节 PID控制,表4-1 常用被控参数的经验采样周期,1)先投比例，整定比例系数。 2)加入积分，整定积分时间。 3
6、)加入微分，整定微分时间。,第一节 PID控制,表4-2 常见被控参数的控制器参数的选择范围,第一节 PID控制,1)扩充临界比例法：扩充临界比例法是临界比例法的扩充。,图4-15 系统的临界振荡状态,第一节 PID控制,表4-3 临界比例法参数整定计算公式,选择一个合适的采样周期。所谓合适，是指采样周期应足够小。若系统存在纯滞后，采样周期应小于纯滞后的1/10。,第一节 PID控制,采用第一步选定的采样周期，投入纯比例控制，逐渐增大比例系数Kp，直到系统出现等幅振荡为止，记下此时的比例系数Kr和振荡周期Tr。 选择控制度。 按表4-4求取采样周期T、比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常
7、数Td。 按求得的参数运行，在运行中观察控制效果，用试凑法适当调整有关控制参数，以便获得满意的控制效果。,第一节 PID控制,表4-4 扩充临界比例法参数整定计算公式,2)扩充响应曲线法：有些系统，采用纯比例控制时系统是本质稳定的，还有一些系统，例如锅炉水位控制系统，不允许进行临界振荡实验。,第一节 PID控制,断开数字PID控制器，使系统在手动状态下工作，,图4-16 对象阶跃响应曲线 a)单位阶跃输入 b)单位阶跃响应,第一节 PID控制,人为地改变手动信号，给被控对象一个阶跃输出信号。 用仪表记录下被控参数，在此阶跃输入信号作用下的变化过程即对象的阶跃响应曲线，如图4-16所示。 在响应
8、曲线上的拐点处作一切线，该切线与横轴以及系统响应稳态值的延长线相交于a、b两点，过b点作横轴的垂线相交于c点，则oa为对象等效的纯滞后时间，ac为对象等效的时间常数Tm。 选择控制度。 选择表4-5中相应的整定公式，根据测得的和Tm，求得控制参数T、Kp、Ti和Td。 按求得的参数运行，观察控制效果，适当修正参数，直到满意为止。,第一节 PID控制,表4-5 扩充响应曲线法参数整定计算公式,第二节 串级控制,图4-17 管式加热炉的温度控制 a)单回路控制 b)双回路控制,第二节 串级控制,1)燃料油方面的扰动2，包括燃料油压力、成分。 2)喷油用的过热蒸汽压力波动3。 3)配风、炉膛漏风和大
9、气温度方面的扰动4。,图4-18 加热炉温度串级控制系统,一、串级控制的基本原理,第二节 串级控制,图4-19 一般串级控制系统结构框图,二、串级控制算法 1.计算主回路的偏差e1(k) 2.计算主调节器的增量输出r2(k),第二节 串级控制,3.计算主调节器的位置输出r2(k) 4.计算副回路的偏差e2(k) 5.计算副调节器的增量输出u2(k),图4-20 串级控制算法程序框图,第二节 串级控制,1)副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。 2)副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。 四、串级控制系统调节器的选型和参数的整定 1)在主回路闭合的情况下，将主调节器的比例系数
10、Kp设置为1，积分时间常数Ti1，微分时间常数Td0，按前面介绍的PID控制器参数整定方法整定副调节器参数。 2)把副回路视为控制系统的一个组成部分，用同样的方法整定调节器参数，使主控参数达到工艺要求。,三、串级控制系统中副回路的设计,第三节 前馈控制,一、前馈控制的基本原理,图4-21 热交换器前馈控制示意图,第三节 前馈控制,图4-22 前馈控制框图,第三节 前馈控制,图4-23 前馈-反馈控制系统结构框图,二、前馈-反馈控制,第三节 前馈控制,四、前馈控制应用的场合 1)系统中存在幅度大、频率高且可测的干扰，该干扰对被控参数影响显著，反馈控制难以克服，而工艺上对被控参数又要求十分严格，这
11、时可引入前馈控制来改善系统的质量。 2)当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前馈控制将会比串级控制获得更好的效果。 3)当对象干扰通道和控制通道的时间常数相差不大时，引入前馈控制可以很好地改善系统的控制质量。,三、前馈控制算法,第四节 史密斯(Smith)预估控制,一、Smith预估控制的基本原理,图4-24 有纯滞后的单回路反馈控制系统,第四节 史密斯(Smith)预估控制,图4-25 带有Smith预估器的系统框图,第四节 史密斯(Smith)预估控制,图4-26 实际大纯滞后Smith预估控制系统结构框图,图4-27 Smith预估控制系统等效框图一,第四节 史密斯(Smi
12、th)预估控制,图4-28 Smith预估控制系统等效框图二,第四节 史密斯(Smith)预估控制,图4-29 Smith预估器框图,图4-30 z(k-)信号形成示意图,三、数字Smith预估控制系统 1)计算反馈回路的偏差,二、Smith预估控制算法,第四节 史密斯(Smith)预估控制,图4-31 数字Smith预估控制系统结构框图,2)计算中间变量z(k)，当对象为一阶惯性环节加纯滞后时，z(k)按式(4-35)计算。 3)求取z(k-k0)。 4)计算Smith预估器的输出,第四节 史密斯(Smith)预估控制,5)计算PID控制器的输入 6)进行PID运算，计算PID控制器输出,图
13、4-32 Smith预估控制仿真实验结果 a)无Smith预估补偿 b)有Smith预估补偿,第五节 比值控制,一、比值控制的基本原理和结构 1.单闭环比值控制系统,图4-33 单闭环比值控制系统,2.双闭环比值控制系统,第五节 比值控制,3.变比值控制系统,图4-34 双闭环比值控制系统,第五节 比值控制,图4-35 变比值控制系统,二、比值控制方案实施中的几个问题 1.主动量和从动量的选择 1)如果Q1可能供应不足，而Q2的供应量不成问题，那么用Q1作主动量，即使它失控(由于供应不足引起)，流量比仍可维持。 2)在Q1和Q2流量都有可能供应不足而失控时，则从安全角度来考虑确定哪一个作为主动
14、量，即哪种情况下必须保持比值一定，就选哪一个作为主动量。,第五节 比值控制,2.比值系统的整定,图4-36 比值控制系统的过渡过程,第六节 模糊控制,一、模糊控制的数学基础 1.模糊集合 (1)模糊集合的定义 在现实生活中，存在许多模糊的概念。,图4-37 “年轻”、“中年”、“老年”的隶属函数,第六节 模糊控制,2)连续论域：如果论域U是实数域，即UR，论域中有无穷多个连续的点，该论域称为连续论域。,(3)隶属函数 隶属度和隶属函数是描述客观事物模糊性的关键，它必须符合客观规律。,(2)模糊集合的表示方法 1)离散论域：如果论域U中包含有限个元素，该论域称为离散论域。,第六节 模糊控制,表4
15、-6 表格形式给出的隶属函数,1)三角形函数：如图4-38所示，其解析表达式为 2)降半梯形函数：如图4-39所示，其解析表达式为,第六节 模糊控制,图4-38 三角形函数,第六节 模糊控制,图4-39 降半梯形函数,3)升半梯形函数：如图4-40所示，其解析表达式为 4)梯形函数：如图4-41所示，其解析表达式为,第六节 模糊控制,5)铃形函数：如图4-42所示，其解析表达式为,图4-40 升半梯形函数,第六节 模糊控制,图4-41 梯形函数,第六节 模糊控制,图4-42 铃形函数,(4)模糊集合的基本运算 由于模糊集合和它的隶属函数一一对应，所以模糊集合的运算也通过隶属函数的运算来刻画。,
16、第六节 模糊控制,1)空集：模糊集合的空集是指对论域U上所有元素x，它的隶属函数为0，记作，即 2)等集：两个模糊集合A、B，若对论域U上所有元素x，它们的隶属函数相等，则A、B也相等，即 3)子集：在模糊集合A、B中，所谓A是B的子集，或者A包含于B中，是指对论域U上所有元素x，有A(x)B(x)，记作AB，即 4)并集：模糊集合A和B的并集为C，其隶属函数可表示为C(x)=maxA(x), 5)交集：模糊集合A和B的交集为C，其隶属函数可表示为C(x)=minA(x), 6)补集：模糊集合A的补集B=，其隶属函数可表示为B(x)=1-A(x), 2.模糊关系,第六节 模糊控制,(1)模糊关系,表4-7 子女与父母长得相似的模糊关系,第六节 模糊控制,(2)模糊关系的合成,第六节 模糊控制,3.模糊推理 (1)广义前向推理和广义反向推理 常用的模糊推理方法有两种：广义前向推理和广义反向推理。 1)广义前向推理。 2)广义反向推理。 (2)模糊蕴含关系,第六节 模糊控制,1)最小运算法(Ma
