計算機控制系統(tǒng)第次課復雜規(guī)律設計

1、Matlab/Simulink中的PID ControllerFcn is: 133/(s2+25s)Matlab/Simulink中的PID Controller二自由度PID (2 DOF PID) 一自由度： “外擾抑制特性”、“目標跟蹤特性”難以兼顧 二自由度：PID參數(shù)兼顧“外擾抑制特性”、“目標跟蹤特性”（折衷）二自由度PID (2 DOF PID)給定值濾波型給定值前饋型反饋補償型回路補償型二自由度PID (2 DOF PID)摘錄自Matlab/Simulink幫助文檔Parallel Two-Degree-of-Freedom PID Controller先進PID控制l專家

2、PID控制 （expert PID control）l模糊PID控制(fuzzy tuning PID control)l神經(jīng)PID控制(neural PID control)l基于遺傳算法整定的PID控制(PID based on genetic algorithms)l基于Kalman濾波器的PID控制(PID control based on Kalman filter)本章要求掌握： PID原理，PID各項的作用 對PID的改進及算式推導 PID參數(shù)的整定 PID程序，改進的PID程序實現(xiàn)本章完 復雜控制規(guī)律計算機控制系統(tǒng)設計串級控制( Cascade control )前饋-反饋控制

3、( Feedfoward-feedback control )串級控制 主要解決的問題：系統(tǒng)中有幾個因素同時影響被量；對象的滯后較大，負荷或干擾變化比較劇烈；對調(diào)節(jié)質量要求很高。 串級控制：在單控制回路中，增加控制回路，用于克服引起被控量變化的其他因素，抑制被控對象的時滯特性。副回路主回路串級控制實例1被控量：原料加熱爐原料氣出口溫度條件：燃料油壓力是波動方案1（溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)器）：調(diào)節(jié)燃料油閥門開度，改變?nèi)剂嫌土髁糠桨?（調(diào)節(jié)閉環(huán)調(diào)節(jié)器）：調(diào)節(jié)燃料油閥門開度串級控制實例1方案1（溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)器）：調(diào)節(jié)燃料油閥門開度，改變?nèi)剂嫌土髁繂栴}：燃料油壓力波動，燃料油的流量會隨著壓力的波動而變化，造成原

4、料氣溫度的擾動。 壓力波動到出口原料氣溫度變化要經(jīng)過管道的傳輸、爐膛的燃燒、加熱管道的傳熱等一系列環(huán)節(jié)。 這些環(huán)節(jié)具有慣性和純滯后，導致控制通道的慣性和純滯后很大，使得溫度偏差加大，調(diào)節(jié)時間加長?？刂菩Ч焕硐?。串級控制實例1方案2（壓力調(diào)節(jié)器）：調(diào)節(jié)閥門開度，改變?nèi)剂嫌土髁浚S持壓力恒定 控制壓力，控制通道的純滯后小，慣性也不大，控制作用及時，能有效控制壓力的波動。問題：對溫度控制是開環(huán)的。 僅靠控制壓力恒定不能保證溫度恒定。原料氣入口流量、溫度、成分的變化都會使溫度發(fā)生波動。串級控制實例1采用串級控制：壓力控制器 + 溫度控制器 壓力控制器用來克服燃料油壓力波動對被控溫度的擾動 溫度調(diào)節(jié)器

5、克服原料氣入口流量、溫度、成分的變化的影響。串級控制實例1串級控制系統(tǒng)框圖概念：串級控制主(控)回路、副(控)回路主(控)調(diào)節(jié)器、副(控)調(diào)節(jié)器一次擾動：作用在副環(huán)之外的擾動二次擾動：包含在副環(huán)路內(nèi)的擾動串級控制實例2電機的三環(huán)控制結構從獲得串級控制實例2電機的三環(huán)控制結構（轉矩/電流，速度，位置）串級控制p 串級控制系統(tǒng)由于存在副回路，優(yōu)點：減少副控制對象的等效時間常數(shù)，提高系統(tǒng)的帶寬（工作頻率）抑制進入副控回路的二次擾動，提高適應負荷變化的性能克服副對象的純滯后，減少副對象的非線性p 串級控制不足： 使系統(tǒng)復雜；需要更多的設備，增加成本串級控制

6、的計算機仿真計算機串級控制系統(tǒng) 雙回路串級控制系統(tǒng)，D1(z),D2(z)是PID控制器。串級控制算法的計算機實現(xiàn)主回路、副回路采樣周期相同時（同步采樣）雙回路串級控制算法步驟（兩次PID運算） (1)計算主回路偏差： (2)計算主控制器D1(z)的輸出，采用增量式/位置式PID算法：串級控制算法的計算機實現(xiàn)111( )( )( )e kr ky k111( )(1)( )u ku ku k11111 11111( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)PIDu kKe ke kK e kKe ke ke k (3)計算副回路偏差： (4)計算副控制器D2(z)的輸出，采用位置/增量式

7、PID算法：串級控制算法的計算機實現(xiàn)122( )( )( )ekkkyu222( )(1)( )u ku ku k12222 22222( ) ( )(1)( ) ( ) 2 (1)(2)PIDu kKe ke kK e kKe ke ke k p“先副后主”、“先比例再積分最后微分”的次序整定。 條件：主、副回路頻率相差很多，互相之間影響不大時。先在主環(huán)路開路的情況下，整定副控制器；然后，投入副調(diào)節(jié)器，再整定主調(diào)節(jié)器。 當主、副環(huán)路頻率比較接近時，主、副環(huán)路相互影響時，在主、副環(huán)路之間反復調(diào)試，才能達到最佳狀態(tài)。串級控制器整定方法思路：把副回路的微分環(huán)節(jié)提前到反饋通道中，防止主控制器的輸出影

8、響副回路的穩(wěn)定性，同時可以克服副對象的慣性。副回路微分先行串級控制算法微分先行環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： 其微分方程為：差分方程為： 遞推算式：副回路微分先行環(huán)節(jié)算式推導222d22( )1( )( )1dYsT sDsY sT s，為微分放大系數(shù)222222d( )(t)T( )( )ddytdyytTy tdtdt22222222( )-( -1)( )( )-( -1)( )dddT ykykykT y ky ky k2122232( )(1)( )(1)ddykyky ky k即： (1)計算主回路偏差： (2)計算主控制器D1(z)的輸出，采用增量式PID算法： (3)計算微分先行部分的輸出：

9、 (4)計算副回路偏差： (5)計算副控制器的輸出：副回路微分線性串級控制算法的計算機實現(xiàn)221( )()(du ke kyk111( )(1)( )u ku ku k11111 11111( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)PIDu kKe ke kK e kKe ke ke k222( )(1)( )u ku ku k22222 2( )( )(1)( )PIu kKe ke kK e k2122232( )(1)( )(1)ddykyky ky k111( )( )( )e kr ky k干擾前饋-反饋控制p反饋控制（Feedback control）： 按偏差進行控制，被

10、控量必須偏離給定值。即被控量必須先偏離給定值，然后通過對偏差的測量才能產(chǎn)生控制作用去抵消干擾的影響。 如果不斷受到干擾，則系統(tǒng)總是跟在干擾的作用下波動。當滯后特別嚴重，波動會更嚴重。干擾前饋-反饋控制p前饋控制（Feed-forward control）： 按擾動量進行開環(huán)控制，當影響系統(tǒng)的擾動出現(xiàn)后，就按照擾動量直接產(chǎn)生校正作用。p前饋-反饋控制： 結合前饋和反饋的優(yōu)點：前饋控制抗擾動，反饋控制減小偏差。前饋控制的結構和原理前饋控制器的傳遞函數(shù)推導，若u1=0 這時輸入為0，輸出也應為0，有：前饋控制應用條件： 需要擾動通道和對象的傳遞函數(shù)12( )( )( )( ) ( )( )( )nn

11、Y sY sY sD s G sG s N s( ) ( )( )=0nnD s G sG s( )( )-( )nnG sD sG s為了完全消除擾動數(shù)字前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖數(shù)字前饋-反饋控制算法例：推導前饋-反饋的遞推算式 若 則 其微分方程為12-121212( )G( ),11ssnKKG seseTsT s，211( )( )( )1( )( )snnnfsUsG sTD sKeN sG ssT12( )()11( )()nnnfdu td tu tKn tdtTdtT差分方程：數(shù)字前饋-反饋控制算法m=/T12( )()11( )()nnnfdu td tu tKn tdtTdtT11( )(1)()(1)nnmmu kAu kB n kmBn km (1)計算反饋控制的偏差： (2)計算反饋控制器的輸出，采用增量式PID算法： (3)計算前饋調(diào)節(jié)器的輸出： (4)計算前饋-反饋調(diào)節(jié)器的輸出：數(shù)字前饋-反饋