計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第4章課件

1、 當(dāng)對(duì)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量要求較高時(shí)，可以根據(jù)被控對(duì)象的特性，按照采樣系統(tǒng)理論進(jìn)行數(shù)字控制器設(shè)計(jì)。有時(shí)被控對(duì)象的特性比較復(fù)雜，數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)就應(yīng)該有針對(duì)性地進(jìn)行。 隨著微機(jī)運(yùn)算速度的提高和內(nèi)存容量的不斷擴(kuò)大，使一些復(fù)雜的數(shù)字控制算法實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)成為可能，從而為提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量創(chuàng)造了條件。第一節(jié) 純滯后系統(tǒng)的 Smith 控制算法一、連續(xù)系統(tǒng) Smith 預(yù)估器工作原理 單回路控制系統(tǒng)，其被控對(duì)象有純滯后環(huán)節(jié)。該圖中 表示控制器的傳遞函數(shù)， 表示被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，其中 為被控對(duì)象不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)， 為對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 由于在 的分母中包含有純滯后環(huán)節(jié) 它

2、降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。的值大到一定程度，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，這就是大純滯后系統(tǒng)難以控制的原因。 為了提高大純滯后系統(tǒng)的控制質(zhì)量，引入一個(gè)與被控對(duì)象并聯(lián)的補(bǔ)償器，稱之為 smith 預(yù)估器，其傳遞函數(shù)為 帶有 smith 預(yù)估器的系統(tǒng)如圖所示。由該圖可知，經(jīng)補(bǔ)償后控制量 與反饋量 之間的傳遞函數(shù)為二、 Smith 預(yù)估器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)當(dāng)大純滯后系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制時(shí)，smith 預(yù)估控制器可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字 Smith 預(yù)估器的輸出為式中，為一中間變量，其算式與對(duì)象模型有關(guān)。三、數(shù)字 smith 預(yù)估控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)應(yīng)完成的計(jì)算任務(wù)是：1) 計(jì)算反饋回路的偏差，2) 計(jì)算中間變量 當(dāng)對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后

3、環(huán)節(jié)時(shí)，按式計(jì)算。3) 求取4) 計(jì)算 smith 預(yù)估器的輸出，5) 計(jì)算 PID 控制器的輸入，6) 進(jìn)行 PID 運(yùn)算，計(jì)算 PID 控制器輸出當(dāng)采用改進(jìn)型 PID 控制器或其他控制算法時(shí)，上面的計(jì)算要作一定的變化。第二節(jié) 串級(jí)控制算法一、串級(jí)控制工作原理計(jì)算主回路的偏差二、串級(jí)控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)5) 計(jì)算副調(diào)節(jié)器的輸出增量3) 計(jì)算主調(diào)節(jié)器的位置輸出4) 計(jì)算副回路的偏差計(jì)算主調(diào)節(jié)器的位置輸出時(shí)，也可采用下面的改進(jìn)算法2) 計(jì)算主調(diào)節(jié)器的輸出增量三、控制系統(tǒng)中副回路的設(shè)計(jì)1) 副回路參數(shù)的選擇應(yīng)該使得副回路的時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏。 2) 副回路中應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要擾動(dòng)。串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副

4、回路干擾有較強(qiáng)的抑制能力。四、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的選型和參數(shù)整定兩步整定法的整定步驟是： 1) 在主回路閉合的情況下，將主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 設(shè)置為1，積分時(shí)間 置 ，微分時(shí)間 然后，按通常的PID控制器參數(shù)整定方法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 2) 把副回路視為控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，用一般的方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主控參數(shù)達(dá)到工藝要求。第三節(jié) 動(dòng)態(tài)矩陣控制算法 這類控制必須基于對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，也就是必須求出對(duì)象的狀態(tài)方程或傳遞函數(shù)。 使得現(xiàn)代控制設(shè)計(jì)方法中，需要精確數(shù)學(xué)模型的前提通常難以保證。 工業(yè)過程具有較大的不確定性，對(duì)象參數(shù)和環(huán)境常常隨時(shí)間發(fā)生變化，引起對(duì)象和模型的不匹配。 基于理想模型的最

5、優(yōu)控制，在實(shí)際的工業(yè)過程中若不加以改進(jìn)，是難以兼顧控制的魯棒性的。一、動(dòng)態(tài)矩陣控制的基本原理與算法(一)控制結(jié)構(gòu)的組成 動(dòng)態(tài)矩陣控制算法是基于被控對(duì)象階躍響應(yīng)的一種算法。其控制算法主要由調(diào)節(jié)、預(yù)測(cè)和校正三部分組成，其中預(yù)測(cè)模型是算法中有特色的部分。1預(yù)測(cè)模型 由于被控對(duì)象的階躍響應(yīng)參數(shù)是比較容易測(cè)到的，因此，這種被控對(duì)象的建模特別適合于特性比較復(fù)雜和難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行描述的對(duì)象。2優(yōu)化策略 動(dòng)態(tài)矩陣控制采用了所謂“滾動(dòng)優(yōu)化”的控制策略，在采樣時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)可取為3反饋校正 為了糾正模型預(yù)測(cè)與實(shí)際的不一致，必須及時(shí)地利用過程的誤差信息對(duì)輸出預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正，而不應(yīng)等到這 個(gè)控制增量都實(shí)施后再

6、作校正。為此，我們?cè)?，時(shí)刻首先實(shí)施 中的第一個(gè)控制作用 整個(gè)動(dòng)態(tài)矩陣控制算法是由調(diào)節(jié)、預(yù)測(cè)和校正三部分組成的，該算法結(jié)構(gòu)可用圖加以描述。圖中粗箭頭表示向量數(shù)據(jù)流，細(xì)箭頭表示標(biāo)量數(shù)據(jù)流。(二) 動(dòng)態(tài)矩陣控制算法的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矩陣控制算法第一是檢測(cè)被控對(duì)象的階躍響應(yīng)特性第二是選擇優(yōu)化策略，第三是選擇校正系數(shù)(1) 離線計(jì)算(2) 初始化(3) 在線計(jì)算二、動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇1) 根據(jù)香農(nóng)采樣定理1采樣周期 2) 根據(jù)對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能的要求采樣周期越小，對(duì)系統(tǒng)的描述就越接近真實(shí)連續(xù)系統(tǒng)，所包含的關(guān)于系統(tǒng)的信息也就越詳盡，故一般可取得較好的跟蹤和整定效果，但相應(yīng)的控制能量將會(huì)增大。 2優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度 1) 在控制時(shí)域長(zhǎng)度 很小時(shí)，并且控制增量不受限制的情況下，我們總可通過增大 得到一