機(jī)電一體化系統(tǒng)常用控制策略介紹

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)的常用控制策略機(jī)電一體化系統(tǒng)的常用控制策略姓名：學(xué)號(hào)：目錄目錄一、自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況一、自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況二、智傳統(tǒng)控制策略二、智傳統(tǒng)控制策略三、現(xiàn)代控制策略三、現(xiàn)代控制策略四、智能控制四、智能控制策略策略自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，更加推動(dòng)了控制理論不斷向前發(fā)展。控制理論的發(fā)展過(guò)程一般可分為三個(gè)階段：u20世紀(jì)40年代之前，科學(xué)家的早期探索。u第一階段：20世紀(jì)40、60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期。u第二階段：20世紀(jì)60、70年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期。u第三階段：20世紀(jì)70年代末至今

2、，向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展。自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況第一階段：第一階段：2020世紀(jì)世紀(jì)4040、6060年代，稱為年代，稱為“經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”時(shí)期時(shí)期。u是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎?單輸入控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的理論。u控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：以輸入輸出特性（主要是傳遞函數(shù)）為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用頻率響應(yīng)法和根軌跡法這些圖解分析方法，分析系統(tǒng)性能和設(shè)計(jì)控制裝置。u研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎?、單輸出的自?dòng)控制系統(tǒng)，特別是線性定常系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況第二階段：第二階段：現(xiàn)代現(xiàn)代控制論階段（控制論階段（5050年代末期至年代末期至7

3、070年代初期）年代初期）現(xiàn)代控制理論，基于時(shí)域內(nèi)的狀態(tài)空間分析法，著重時(shí)間系統(tǒng)最優(yōu)化控制的研究。u控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：為多輸入-多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)可以是線性或非線性，定常或時(shí)變的，單變量與多變量，連續(xù)與離散系統(tǒng)。u控制思路：基于時(shí)域法為主，通過(guò)大系統(tǒng)的多級(jí)遞階控制、分解協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)控制和大系統(tǒng)模型降階理論，解決大系統(tǒng)的最優(yōu)化。u理論發(fā)展：智能控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、實(shí)時(shí)專家控制、定性控制、預(yù)測(cè)控制、分布式控制系統(tǒng)自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況第三第三階段：階段：大系統(tǒng)大系統(tǒng)理論和智能控制理論階段（八十年代興起至今）理論和智能控制理論階段（

4、八十年代興起至今） 大系統(tǒng)理論，是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多、關(guān)聯(lián)嚴(yán)重、信息不完備的信息與控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機(jī)器人。u控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：是指眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源分配系統(tǒng)、生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等。u控制思路：基于時(shí)域法為主，通過(guò)大系統(tǒng)的多級(jí)遞階控制、分解協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)控制和大系統(tǒng)模型降階理論，解決大系統(tǒng)的最優(yōu)化。u隨著社會(huì)的需要，自動(dòng)控制理論也在急劇地發(fā)展。目前已進(jìn)入了第四階段。其主要發(fā)展方向有：穩(wěn)定性、最優(yōu)化、定性結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)與控制。傳統(tǒng)控制策略傳統(tǒng)控制策略PID控制控制串級(jí)控制串級(jí)控制解耦控制

5、解耦控制純滯后對(duì)象的控制純滯后對(duì)象的控制PID控制控制u根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制（簡(jiǎn)稱PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿意的效果。u常用的模擬PID控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由模擬PID控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象組成。PID控制控制圖1 模擬PID控制系統(tǒng)的原理框圖 簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t) ，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)

6、的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 串級(jí)控制串級(jí)控制u串級(jí)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)（或多個(gè)）閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)部一個(gè)稱為幅環(huán)（幅回路）在控制過(guò)程中起“粗調(diào)”作用；外面的稱為主環(huán)（主回路），主用來(lái)完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)最終保證被調(diào)量滿足控制要求。u主環(huán)和幅環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象、測(cè)量變送器和調(diào)節(jié)器。串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力，改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)負(fù)荷或操作條件的變

7、化有一定的自適應(yīng)能力。解耦控制解耦控制u工業(yè)應(yīng)用中的許多系統(tǒng)都是多變量系統(tǒng)，其中每個(gè)變量之間存在著耦合關(guān)系。在復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備中往往需要設(shè)置若干個(gè)控制回路來(lái)穩(wěn)定各個(gè)被控制變量。多數(shù)情況下，這幾個(gè)控制回路間存在著相互關(guān)聯(lián)，相互耦合，形成了多輸入、多輸出的相關(guān)控制系統(tǒng)。不能將它們當(dāng)成獨(dú)立的單回路系統(tǒng)而簡(jiǎn)單地采用單變量控制策略。u解耦控制就是解決這樣的控制問(wèn)題的主要辦法。其基本思想是：設(shè)計(jì)一個(gè)解耦補(bǔ)償器來(lái)消除多變量系統(tǒng)中各個(gè)輸入輸出變量間的關(guān)聯(lián)作用，使一個(gè)控制輸入只對(duì)其相應(yīng)的輸出有影響以把多變量系統(tǒng)分解成幾個(gè)單變量系統(tǒng)，然后在每個(gè)已解耦的控制回路中，認(rèn)為各控制器只對(duì)其相應(yīng)的被控變量施加控制作用，從而可

8、采用相應(yīng)的單變量控制策略。純滯后控制純滯后控制u工業(yè)過(guò)程中的許多對(duì)象具有純滯后特性，如蒸汽在長(zhǎng)管內(nèi)流動(dòng)到加熱罐，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能將控制作用送到被控量，即有純時(shí)間滯后。這個(gè)時(shí)間滯后使控制作用不能及時(shí)得到反應(yīng)擾動(dòng)作用不能及時(shí)被察覺(jué)，延誤了控制將會(huì)引起系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩。u解決大時(shí)間滯后的有代表性有效方法：大林算法和純滯后補(bǔ)償現(xiàn)代現(xiàn)代控制策略控制策略自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)控制魯棒魯棒控制控制預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制u自適應(yīng)基本思想：針對(duì)對(duì)象特性的變化、漂移和環(huán)境干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，通過(guò)在線辨識(shí)使這種影響逐漸降低以至消除。u自適應(yīng)控制有模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。自適應(yīng)控

9、制自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖把實(shí)際輸出與期望輸出的比較送入自適應(yīng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)校正控制結(jié)構(gòu)圖用辨識(shí)器對(duì)實(shí)際輸出進(jìn)行辨識(shí)，結(jié)果送入控制器然后進(jìn)行調(diào)整變結(jié)構(gòu)變結(jié)構(gòu)控制控制u變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略特點(diǎn)在于：系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中根據(jù)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)以躍變方式有目的地不斷變化。這里的“結(jié)構(gòu)”并非指系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，而是系統(tǒng)在狀態(tài)空間中的狀態(tài)軌跡的總體幾何性質(zhì)。魯棒控制魯棒控制u系統(tǒng)的魯棒性是指系統(tǒng)的某種性能或某個(gè)指標(biāo)在某種擾動(dòng)下保持不變的程度（或?qū)_動(dòng)不敏感程度）。魯棒性可分為穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性，前者指系統(tǒng)在某種擾動(dòng)下保持穩(wěn)

10、定性的能力，后者指保持某項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)的能力。u魯棒控制是20世紀(jì)70年代初針對(duì)模型的不確定性問(wèn)題提出的。其基本思想是設(shè)計(jì)中設(shè)法使系統(tǒng)對(duì)模型的變化不敏感。即使控制系統(tǒng)在模型誤差擾動(dòng)下仍能保持穩(wěn)定，且品質(zhì)也保持在工程所能接受的范圍內(nèi)。預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)控制控制u預(yù)測(cè)控制是20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的，這是一種基于模型又不過(guò)分依賴模型的控制策略。是建立在模型預(yù)測(cè)-滾動(dòng)優(yōu)化-反饋校正這三條基本原理之上。其基本思想類似于人的思維和決策，即根據(jù)頭腦中對(duì)外部世紀(jì)的了解，通過(guò)快速思維不斷比較各種方案可能造成的后果從中擇優(yōu)予以實(shí)施。智能控制策略智能控制策略專家控制專家控制模糊模糊控制控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)習(xí)控制學(xué)習(xí)控

11、制專家控制專家控制u對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象和其外界環(huán)境，難以建立有效的數(shù)學(xué)模型和采用常規(guī)的經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論去進(jìn)行定量計(jì)算和分析、設(shè)計(jì)。u智能控制是解決這類控制問(wèn)題的有效辦法。它具有人工智能，控制論和運(yùn)籌學(xué)等形成的交叉學(xué)科的特點(diǎn)和定量與定性相結(jié)合的分析方法特點(diǎn)。專家控制專家控制u專家控制系統(tǒng)是由解決問(wèn)題非常熟悉的人們（專家）的大量知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建立起來(lái)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。它能進(jìn)行推理和判斷，模擬專家的決策過(guò)程。專家系統(tǒng)由特征識(shí)別與信息處理部分、推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)和控制規(guī)則集組成。u特征識(shí)別與信息處理：對(duì)輸入作用，擾動(dòng)作用，誤差和輸出作用等信息特征的提取和加工為控制決策和學(xué)習(xí)，適應(yīng)提供依據(jù)的軟件。u知識(shí)庫(kù)：

12、將知識(shí)表示為計(jì)算機(jī)內(nèi)部形式并能進(jìn)行處理的軟件。u控制規(guī)則集：對(duì)受控過(guò)程的各種控制模式和經(jīng)驗(yàn)的歸納和總結(jié)的軟件。u推理機(jī)：用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略的程序。它使整個(gè)專家系統(tǒng)能夠以邏輯方式協(xié)調(diào)地工作，進(jìn)行推理，作出決策的軟件。u基于專家系統(tǒng)的專家控制器已成功地應(yīng)用于某些控制系統(tǒng)中。取得了遠(yuǎn)優(yōu)于PID控制器的性能。模糊控制模糊控制模糊控制與專家系統(tǒng)相比：u相同點(diǎn)：都要建立操作者的經(jīng)驗(yàn)和決策行為的模型，都含有知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)。u相異點(diǎn)：模糊控制中采用的是模糊知識(shí)表示和模糊推理方法。模糊控制系統(tǒng)的組成 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制u從微觀上模擬人腦的結(jié)構(gòu)和功能，即從研究和模擬人的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能以及傳

13、遞、處理和控制信息的機(jī)理出發(fā)而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，稱為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)異的性能：u它的可塑性、自適應(yīng)性和自組織性使它具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力；u它的并行處理機(jī)制使它求解問(wèn)題的時(shí)間很短，具有滿足實(shí)時(shí)性要求的潛力；u它的分布存儲(chǔ)方式使它的魯棒性和容錯(cuò)性都相當(dāng)好。u毫無(wú)疑問(wèn)，這種控制系統(tǒng)是目前智能控制系統(tǒng)的高級(jí)形式。它需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題有硬件實(shí)現(xiàn)、學(xué)習(xí)精度、學(xué)習(xí)進(jìn)度、穩(wěn)定性和收斂性、數(shù)值計(jì)算與處理的結(jié)合，以及多層多節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的新問(wèn)題。 學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)控制控制u學(xué)習(xí)控制 (Learning Cotrol):在控制系統(tǒng)的控制進(jìn)程中估計(jì)某些信息并據(jù)此改善控制的一種控制方法，以便逐步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能。u學(xué)習(xí)控制是自適應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展與延伸，它能夠按照運(yùn)行