第7章-南郵-復(fù)雜控制技術(shù)資料課件

第7章 復(fù)雜控制技術(shù)南京郵電大學(xué) 電氣信息工程系1OUTLINE2

7.1串級控制技術(shù)

7.2前饋－反饋控制算法

7.3Smith預(yù)估控制

7.4本章小結(jié)習(xí)題7.1

串級控制技術(shù)3串級控制的結(jié)構(gòu)和原理數(shù)字串級控制算法動態(tài)矩陣－PID串級控制串級控制系統(tǒng)概述7.1.1串級控制的結(jié)構(gòu)和原理4為了控制爐出口溫度，可以設(shè)置一個簡單控制系統(tǒng)氣開反作用PID5由于爐子的控制通道容量滯后很大，反應(yīng)緩慢，控制精度低，但是工藝上要求爐出口溫度的變化范圍為±(1~2)℃上圖的單變量單回路控制系統(tǒng)是難以滿足的串級控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)6串級控制系統(tǒng)的組成

串級控制系統(tǒng)定義:由兩個測量變送器、兩個控制器(其中一個控制器的輸出是另一個控制器的給定)、一個控制閥組成的雙閉環(huán)定值系統(tǒng)

串級控制系統(tǒng)中常用的名詞主被控變量（Yl）：是工藝控制指標(biāo)或與工藝控制指標(biāo)有直接關(guān)系，在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量副被控變量（Y2）：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)主控制器：在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，按主被控變量和其設(shè)定值之差進行控制運算，并將其輸出作為副控制器給定值副控制器：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測得的副被控變量和主控輸出之差來進行控制運算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，簡稱為“副控”7主變送器：測量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器副變送器：測量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器主對象：大多為工業(yè)過程中所要控制的、由主被控 變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過程副對象：大多為工業(yè)過程中影響主被控變量的、由副被控變量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過程副回路:由副變送器、副控制器、控制閥和副對象所構(gòu)成的閉環(huán)回路,又稱為“副環(huán)”或“內(nèi)環(huán)”主回路：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對象所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為“主環(huán)”或“外環(huán)”8副回路9串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)的典型的方框圖副回路主回路

串級控制系統(tǒng)的特點對于進入副回路的干擾，具有較強的抗干擾能力改善了對象特性，使控制過程加快，提高了控制質(zhì)量串級控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力101112為了使串級控制系統(tǒng)的性能得到發(fā)揮，在設(shè)計時必須注意以下幾點：1)

必須正確確定一個可測可控的中間變量作為副控被調(diào)量（該中間變量也必須是控制主控對象的控制量）2)

系統(tǒng)中的主要擾動應(yīng)包含在副控回路中，使得該擾動在影響主控被調(diào)量之前得到有效的抑制3)副控回路應(yīng)盡可能包含積分環(huán)節(jié)，以便減少（該積分

環(huán)節(jié)）副回路對象引起的相位滯后，有利于改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)137.1.2數(shù)字串級控制算法主控制器一般選擇PID算法，使系統(tǒng)具有高控制精度和反映靈敏的性能；副控制器一般選用比例控制或數(shù)字PI控制，使副控回路具有快速反映的性能圖7.3

計算機串級控制系統(tǒng)原理圖14T′和T〞的選擇一般地，若G2(s)和G1(s)的傳遞函數(shù)均為一階慣性環(huán)節(jié)，且時間常數(shù)可以比較，則可在采樣頻率ws>10wc的前提下選擇T′＝T〞若G1(s)的時間常數(shù)遠大于G2(s)的時間常數(shù)，為了避免主控回路和副控回路之間發(fā)生相對干擾或共振，應(yīng)選擇

T′≥3T〞注意：T′和T〞是否相同，將影響計算機算法的實現(xiàn)方式15一般地，在T′＝T〞情況下的算法步驟如下：對主控被調(diào)量采樣并計算主控回路的偏差e1(k)=r(k)-y1(k)計算主控調(diào)節(jié)器D1(z)的位置量輸出u1(k)對副控制被調(diào)量采樣并計算副控回路的偏差e2(k)=u1(k)-y2(k)計算并輸出副控調(diào)節(jié)器D2(z)的位置量輸出167.1.3

動態(tài)矩陣－PID串級控制17預(yù)測控制動態(tài)矩陣控制算法（5.4）動態(tài)矩陣－PID串級控制預(yù)測控制18預(yù)測控制由來工業(yè)過程的特點多變量、非線性、強耦合、不確定性、約束現(xiàn)代控制理論與方法精確的數(shù)學(xué)模型、最優(yōu)的性能指標(biāo)、系統(tǒng)而精確的設(shè)計方法工業(yè)過程對控制的要求高質(zhì)量的控制性能

、對模型要求不高、實現(xiàn)方便

、強魯棒性預(yù)測控制特點一類用計算機實現(xiàn)的最優(yōu)控制算法建模方便，不需要深入了解過程內(nèi)部機理非最小化描述的離散卷積模型，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性滾動優(yōu)化策略，較好的動態(tài)控制效果簡單實用的模型校正方法，較強的魯棒性可推廣應(yīng)用于帶約束、大純滯后、非最小相位、多輸入多輸出、非線性等過程19預(yù)測控制預(yù)測控制基本原理預(yù)測模型滾動優(yōu)化反饋校正預(yù)測控制20模型輸出預(yù)測21預(yù)測控制預(yù)測控制22滾動優(yōu)化優(yōu)化目的通過使某一性能指標(biāo)J極小化，以確定未來的控制作用u(k+j|k)。指標(biāo)J希望模型預(yù)測輸出盡可能趨近于參考軌跡優(yōu)化過程滾動優(yōu)化在線反復(fù)進行。優(yōu)化目標(biāo)只關(guān)心預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且只將u(k|k)施加于被控過程預(yù)測控制23滾動優(yōu)化預(yù)測控制24反饋校正每到一個新的采樣時刻，都要通過實際測到的輸出信息對基

于模型的預(yù)測輸出進行修正，然后再進行新的優(yōu)化不斷根據(jù)系統(tǒng)的實際輸出對預(yù)測輸出值作出修正使?jié)L動優(yōu)化不但基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化預(yù)測控制25反饋校正常見預(yù)測控制方案動態(tài)矩陣控制(Cutler

et

al,1980)（Dynamic

Matrix

Control,

DMC）模型算法控制(Richalet

et

al,1978)（Model

Algorithm

Control,MAC）廣義預(yù)測控制(Clarke

et

al,1987)（Generalized

Predictive

Control,

GPC）預(yù)測函數(shù)控制(Adersa

et

al,1987)（Predictive

Functional

Control,

PFC）26預(yù)測控制預(yù)測控制發(fā)展單輸入單輸出（SISO）多輸入多輸出（MIMO）無約束有約束27輸入輸出方系統(tǒng)非方系統(tǒng)線性非線性常規(guī)預(yù)測控制魯棒預(yù)測控制預(yù)測控制商品化預(yù)測控制軟件預(yù)測控制28通過實驗方法采集對象的階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，分別以

和 表示，如下圖所示：動態(tài)矩陣控制算法內(nèi)部模型：被控對象的階躍響應(yīng)或脈沖29

響應(yīng)根據(jù)內(nèi)部模型的信息，預(yù)測未來的控制量及響應(yīng)，即構(gòu)成預(yù)測模型基于階躍響應(yīng)的開環(huán)預(yù)測模型基于脈沖響應(yīng)的開環(huán)預(yù)測模型閉環(huán)預(yù)測模型30DMC：一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法動態(tài)矩陣控制算法被控對象的非參數(shù)數(shù)學(xué)模型31動態(tài)矩陣控制算法32動態(tài)矩陣控制算法337.1.3

動態(tài)矩陣－PID串級控制34在計算機控制系統(tǒng)中，存在著各種不同形式的干擾?？梢圆捎脛討B(tài)矩陣控制算法，利用反饋校正環(huán)節(jié)作

被動的補償，即在干擾引起誤差后，用誤差預(yù)測的

方法予以修正這在算法上是通過選擇合適的誤差校正系數(shù)hi來實現(xiàn)的魯棒性－－抗干擾性DMC的T一般較大，抗干擾性不如T可充分小的PID7.1.3

動態(tài)矩陣－PID串級控制35在獲得理想的抗干擾性時，DMC存在兩個困難：對期望值的跟蹤和對干擾的調(diào)節(jié)采用了同樣的T，為顧及控制算法的需要，不得不采用較大的T

抗干擾性差

對模型失配造成的誤差和對干擾造成的誤差采用同一hi，為增強模型失配時的魯棒性

降低對干擾的靈敏度借鑒串級控制的思想，把動態(tài)矩陣控制結(jié)合到串級控制結(jié)構(gòu)中，形成動態(tài)矩陣－PID

串級控制算法7.1.3

動態(tài)矩陣－PID串級控制367.1.3

動態(tài)矩陣－PID串級控制37副回路設(shè)計：

應(yīng)使副對象G2(s)包含系統(tǒng)的主要干擾，并有較小的純滯后或慣性時間常數(shù)選用頻率較高的數(shù)字PID控制，抑制二次干擾主回路設(shè)計：控制對象為廣義對象（副回路+G1(s)）

DMC的目的在于實現(xiàn)良好的跟蹤，并在模型失配時有較好的魯棒性7.2

前饋－反饋控制算法38思路：建立按擾動量進行補償?shù)拈_環(huán)控制，即當(dāng)影響系統(tǒng)的擾動出現(xiàn)時，按照擾動量的大小直接產(chǎn)生相應(yīng)的校正，抵消擾動的影響

7.2.1

前饋－反饋控制結(jié)構(gòu)

7.2.2

數(shù)字前饋－反饋控制算法7.2.1前饋－反饋控制結(jié)構(gòu)39

擾動量N(s)和被控量Y(s)之間的傳遞函數(shù)為

根據(jù)前饋控制的不變性原理，應(yīng)使上式等于零，即

則前饋補償器GF(s)的傳遞函數(shù)為407.2.2

數(shù)字前饋－反饋控制算法41受控對象和擾動通道一般可描述為因此，前饋調(diào)節(jié)器GF(s)具有如下形式：可得前饋調(diào)節(jié)器的微分方程42若采樣頻率fs足夠高，即T=1/

fs足夠短，可對微分離散化，得到差分方程，設(shè)

=LT，令43計算機前饋－反饋控制算法步驟如下：計算反饋控制的偏差e(k)e(k)=r(k)-y(k)計算反饋控制器（PID）的輸出u1(k)44(3)

計算前饋控制器GF(s)的輸出un(k)(4)計算前饋－反饋控制器的輸出u(k)7.3

Smith預(yù)估控制許多被控對象有嚴重的純滯后時間，其一階近似的傳遞函數(shù)為通常用 值來度量純滯后對系統(tǒng)的影響程度大純滯后對象，常規(guī)PID控制很難獲得良好的控制品質(zhì)Smith提出了一種純滯后補償模型模擬儀表無法實現(xiàn)，只能用計算機實現(xiàn)457.3.1

Smith預(yù)估控制原理具有大純滯后被控對象的傳遞函數(shù)為GP為不包括純滯后項的部分46Smith預(yù)估控制原理，用于補在控制回路內(nèi)部附加一個時間補償器償被控對象的純滯后部分47由圖中可知為了補償對象的純滯后，要求48系統(tǒng)在給定值R作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為經(jīng)過上述補償后，已消除了純滯后項對控制系統(tǒng)的影響497.3.2

具有純滯后補償?shù)臄?shù)字控制器的實現(xiàn)設(shè)被控對象的傳遞的傳遞函數(shù)為控制器Gc(s)采用PID控制，?。ㄕ麛?shù)）50Smith算法計算機實現(xiàn)步驟如下：計算反饋回路的偏差e