火電廠計(jì)算機(jī)控制幻燈片(第四章-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常規(guī)及新型控制策略)

第四章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常規(guī)及新型控制策略

Chapter4Conventionalandnewtypecontrolstrategyofcomputer-controlledsystem

12/5/20231本章導(dǎo)航12/5/20232計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法模擬設(shè)計(jì)法離散設(shè)計(jì)法〔Z傳遞函數(shù)〕狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法〔狀態(tài)空間模型〕12/5/20233本章主要內(nèi)容第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自適應(yīng)控制第六節(jié)預(yù)測控制第七節(jié)模糊控制12/5/20234第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自適應(yīng)控制第六節(jié)預(yù)測控制第七節(jié)模糊控制12/5/20235一、數(shù)字PID控制算法PID控制是根據(jù)被調(diào)量與給定值之間偏差的比例〔Proportional〕、積分〔Integral〕、微分〔Differential〕進(jìn)行控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。12/5/202361907年，C.J.Tagliabue公司安裝了第一臺(tái)氣動(dòng)比例〔Proportional，P〕控制器，用于控制牛奶巴氏消毒器的溫度。1922年，F(xiàn)oxboroInstrument公司獲得了一項(xiàng)氣動(dòng)控制系統(tǒng)的專利，專利涉及到溫度的控制和測量，從功能的描述中知道，這應(yīng)該是比例控制器。1920年，Leeds＆Northrop公司的創(chuàng)立者M(jìn)orrisELeeds在1920年獲得了一項(xiàng)自動(dòng)控制器專利，該控制器的獨(dú)到之處在于考慮了誤差和誤差的變化率。在此根底上，1929年，該公司生產(chǎn)出氣動(dòng)比例積分控制器。PID的開展歷程〔1〕12/5/20237微分控制器〔Differential〕的創(chuàng)造來源于Taylor儀器公司在人造絲生產(chǎn)過程中的溫度控制器設(shè)計(jì)。生產(chǎn)過程要求溫度保持不變，但絨毛形狀的纖維素不導(dǎo)熱，使得熱交換的時(shí)間延長，采用PI控制器的系統(tǒng)處于不停的震蕩中。Taylor儀器公司的工程師Clarridge觀察發(fā)現(xiàn)，通過約束控制器中比例作用的線性反響，可以使得當(dāng)給定值有一個(gè)突然的變化時(shí)，系統(tǒng)有很大的輸出響應(yīng)。這個(gè)控制器有預(yù)測誤差信號(hào)變化的能力。1935年，微分控制器開始運(yùn)用于生產(chǎn)過程的控制中。PID的開展歷程〔2〕12/5/202381939年，Taylor儀器公司和Foxboro儀器公司制造出完全具有PID控制功能的氣動(dòng)控制器。A.Callender,A.B.Stevenson(1939)AutomaticControlofVariablePhysicalCharacteristic.

U.S.Patent2,175,985.

FiledFebruary17,1936inUnitedStates.

FiledFebruary1935inGreatBritain.

IssuedOctober10,1939inUnitedStates.PID的開展歷程〔3〕12/5/20239在當(dāng)時(shí)，PID控制面臨的有三個(gè)主要問題：尋找一種簡單方法，能夠計(jì)算PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)判斷生產(chǎn)過程是否可控PID控制器的操作不依賴于復(fù)雜易損的機(jī)械元件PID的開展歷程〔4〕12/5/202310J.G.ZieglerandN.B.Nichols〔1942〕developedmathematicalrulesforautomaticallyselectingtheparametervaluesforPIDcontrollers.Intheirinfluentialbook,K.J.AstromandT.Hagglund〔1995〕developedaworld-beatingPIDcontrollerthatoutperformsthe1942Ziegler-Nicholsrulesonanindustriallyrepresentativesetofplants.PID的開展歷程〔5〕12/5/202311現(xiàn)代控制理論飛速開展，取得了一系列引人注目的成果，但在工程應(yīng)用上并沒有取得期望的進(jìn)展?？刂茖?duì)象向多變量、高階、多輸入多輸出的延伸，給控制工程提出一系列的難題。目前，世界上在用的閉環(huán)控制系統(tǒng)中超過90%都包含有PID〔或者PI〕控制回路。PID的開展歷程〔6〕12/5/2023122000年，IFAC數(shù)字控制工作組在西班牙Terrassa舉行了專題為“Past，PresentandFutureofPIDControl〞的PID控制學(xué)術(shù)會(huì)議。PID的開展歷程〔7〕國際著名控制理論學(xué)者K.J.?strom教授在其論文《TheFutureofPIDControl》中指出，PID控制器在未來的控制工程中仍將繼續(xù)扮演重要的角色，同時(shí)將成為各種復(fù)雜控制器的根本單元。12/5/20231312/5/202314在過程控制中，采用如下圖的PID控制：PID控制算式為：對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)形式為：12/5/202315在連續(xù)系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是通過負(fù)反響系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。DDZ－Ⅱ型調(diào)節(jié)器隔離電路手操器輸入電路直流放大器PID運(yùn)算電路偏差指示

指示電路輸入設(shè)定輸出12/5/202316在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律由數(shù)字PID調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算式，必須把PID控制的微分方程轉(zhuǎn)換成差分方程。

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當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用求和來近似積分項(xiàng)，用后向差分來近似微分項(xiàng)。將上式代入PID控制算式，得到PID控制規(guī)律的差分方程。

上式的計(jì)算值提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u〔k〕，如閥門的開度，所以被稱為位置式數(shù)字PID算式。12/5/202318第k時(shí)刻的實(shí)際控制量為

上式的計(jì)算值對(duì)應(yīng)于第k時(shí)刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，所以稱此式為增量式數(shù)字PID算式。積分系數(shù)微分系數(shù)比例增益〔δ為比例帶〕寫出數(shù)字PID控制算式的u〔k〕和u〔k-1〕，將兩式相減，可得：12/5/202319二、數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)12/5/202320積分別離數(shù)字PID算法變速積分?jǐn)?shù)字PID算法抗積分飽和梯形積分消除積分不靈敏區(qū)〔一〕積分算法的改進(jìn)12/5/2023211．積分別離數(shù)字PID算法積分別離系數(shù)積分別離閥值采用積分別離算法，可以顯著降低超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。但積分別離閥值E0須合理選擇。12/5/2023222．變速積分?jǐn)?shù)字PID算法系數(shù)函數(shù)f［e〔k〕］。當(dāng)｜e〔k〕|增大時(shí)，f［e〔k〕］減小，反之增大。變速積分PID控制算法可以消除積分飽和現(xiàn)象，大大減小超調(diào)量，使PID控制的適應(yīng)能力顯著增強(qiáng)。12/5/2023233．抗積分飽和飽和效應(yīng)積分飽和如果由于計(jì)算機(jī)給出的控制量u超出其數(shù)值和變化率的有限范圍，那么實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值，由此將得不到預(yù)期的效果，這種效應(yīng)通常稱為飽和效應(yīng)。這類現(xiàn)象在給定值發(fā)生突變時(shí)特別容易發(fā)生，所以有時(shí)也稱為啟動(dòng)效應(yīng)。在位置式PID控制算法中，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到極限位置或執(zhí)行元件已進(jìn)入飽和區(qū)，仍然不能消除偏差時(shí)，由于積分作用，盡管計(jì)算PID位置算式所得到的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無相應(yīng)的動(dòng)作，這種主要由積分作用引起的飽和現(xiàn)象稱為積分飽和。

12/5/202324〔1〕遇限削弱積分法〔2〕有效偏差法〔3〕給定值變化限制〔4〕增量式PID算法克服積分飽和現(xiàn)象的方法12/5/2023254．梯形積分梯形積分矩形積分12/5/2023265．消除積分不靈敏區(qū)〔1〕增加A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長運(yùn)算字長，提高運(yùn)算精度；〔2〕當(dāng)增量式PID算式的積分項(xiàng)連續(xù)出現(xiàn)小于輸出精度ε情況時(shí)，不要將它們作為“零〞舍掉，而是把它們一次次累加起來。直到累加值Si大于ε時(shí)，才輸出Si，同時(shí)把累加單元清零。12/5/202327〔二〕微分算法的改進(jìn)12/5/202328理想微分理想微分PID控制的實(shí)際控制效果并不理想。由于理想微分作用持續(xù)時(shí)間很短，動(dòng)作幅度很大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不可能按控制器輸出動(dòng)作；理想微分容易引入高頻干擾，且對(duì)過程噪聲有放大作用，致使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁，不利于設(shè)備的長期運(yùn)行。12/5/2023291．實(shí)際微分?jǐn)?shù)字PID算法12/5/202330標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際微分PID算法的傳遞函數(shù)為其中，Kp為比例增益，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，Kd為微分增益?！?〕標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際微分PID算法實(shí)際微分12/5/202331實(shí)際微分PID算法12/5/202332實(shí)際微分的增量式PID算法12/5/202333微分作用容易引入高頻干擾，因此可以在數(shù)字PID控制器中串接低通濾波器〔一階慣性環(huán)節(jié)〕來抑制高頻干擾，這就組成了不完全微分PID控制算法。圖中低通濾波器的傳遞函數(shù)為〔2〕不完全微分?jǐn)?shù)字PID算法12/5/202334不完全微分?jǐn)?shù)字PID算法12/5/202335不完全微分PID的位置式控制算法令：12/5/202336不完全微分?jǐn)?shù)字PID的增量式算法在不完全微分PID算式中，如果令Tf=Td/Kd，那么其中的微分項(xiàng)與前面的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際微分相同。12/5/202337理想微分PID算法與實(shí)際微分PID算法控制效果的比較12/5/202338設(shè)控制器輸入為階躍序列：當(dāng)使用理想微分PID算法時(shí)，微分項(xiàng)輸出為，k＝0，1，2，…將e〔k〕代入上式可得理想微分PID控制算法的控制效果12/5/202339理想微分PID控制算法的控制效果12/5/202340設(shè)控制器輸入為階躍序列：當(dāng)使用不完全微分PID算式時(shí)，微分項(xiàng)的輸出為，k＝0，1，2，…實(shí)際微分PID控制算法的控制效果12/5/202341實(shí)際微分PID控制算法的控制效果12/5/202342當(dāng)k≥0時(shí)，e(k)＝a，由上式可得：實(shí)際微分PID控制算法的控制效果顯然，ud(k)≠0，k＝0，1，2，…，并且：12/5/202343實(shí)際微分PID控制算法的控制效果在第一個(gè)采樣周期里不完全微分?jǐn)?shù)字PID算法的輸出比理想微分?jǐn)?shù)字PID算法的輸出幅度要小得多。12/5/202344①理想微分?jǐn)?shù)字PID算法的控制品質(zhì)較差，其原因是微分作用僅局限于第一個(gè)采樣周期的大幅度輸出，一般的工業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，無法在較短的時(shí)間采樣周期內(nèi)跟蹤較大的微分輸出。兩種數(shù)字PID算法的階躍響應(yīng)比較②實(shí)際微分?jǐn)?shù)字PID算法的控制品質(zhì)較好，其原因是微分作用能緩慢地持續(xù)多個(gè)采樣周期，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠較好地跟蹤控制輸出。12/5/2023452．微分先行數(shù)字PID控制算法

12/5/202346微分先行數(shù)字PID控制算法只對(duì)被調(diào)量y〔t〕進(jìn)行微分，而對(duì)給定值r〔t〕無微分作用。該算法適用于給定值頻繁升降的系統(tǒng)，可以防止因給定值升降所引起的超調(diào)量過大、調(diào)節(jié)閥門動(dòng)作過分劇烈的搖蕩。這種算法對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路不適用。12/5/20234712/5/202348〔三〕帶死區(qū)的數(shù)字PID控制算法12/5/202349可防止控制作用的變化過于頻繁。非線性環(huán)節(jié)帶死區(qū)的數(shù)字PID控制算法12/5/202350〔四〕其他自校正PID控制器自適應(yīng)PID控制器模糊－PID復(fù)合控制器模糊PID控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器

PID專家控制系統(tǒng)12/5/202351第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自適應(yīng)控制第六節(jié)預(yù)測控制第七節(jié)模糊控制12/5/202352模擬PID控制器硬設(shè)備〔模擬電路〕硬接線方式連接多個(gè)單元共同完成特定的控制功能只能控制一個(gè)回路數(shù)字PID控制器軟設(shè)備〔功能塊，即程序〕組態(tài)軟連接可在線調(diào)整參數(shù)可以被多個(gè)控制回路調(diào)用12/5/202353數(shù)據(jù)區(qū)〔參數(shù)表〕PID控制程序數(shù)字PID控制器PID控制功能塊12/5/202354PID控制功能塊的組成12/5/20235512/5/20235612/5/202357一、給定值處理通過選擇給定值方式〔SV＿M(jìn)ODE〕的值為0,1或2，分別對(duì)應(yīng)軟開關(guān)LOC，CAS或SCC，可以構(gòu)成內(nèi)給定、串級(jí)或監(jiān)控狀態(tài)。減少給定值突變對(duì)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)，防止比例〔P〕、微分〔D〕飽和，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制。12/5/202358二、被調(diào)量處理12/5/202359偏差處理主要包括偏差的正反作用計(jì)算、偏差報(bào)警、非線性特性和輸入補(bǔ)償4局部。三、偏差處理12/5/2023601．計(jì)算偏差根據(jù)PID控制器正/反作用方式〔D_R〕計(jì)算偏差DV。當(dāng)D_R＝OFF，代表正作用，此時(shí)偏差即被調(diào)量增加時(shí)，使控制量增加；當(dāng)D_R＝ON，代表反作用，此時(shí)偏差即被調(diào)量增加時(shí)，使控制量減少。12/5/2023612．偏差報(bào)警對(duì)于控制要求較高的對(duì)象，不僅要設(shè)置被調(diào)量PV的高、低限報(bào)警，而且要設(shè)置偏差DV報(bào)警。3．非線性特性為了實(shí)現(xiàn)非線性PID控制或帶死區(qū)的PID控制，設(shè)置了非線性區(qū)－NA至＋NA和非線性區(qū)增益NK。4．輸入補(bǔ)償為了擴(kuò)展PID控制性能，對(duì)偏差進(jìn)行輸入補(bǔ)償。輸入補(bǔ)償方式有無補(bǔ)償、加補(bǔ)償、減補(bǔ)償和置換補(bǔ)償。利用輸入補(bǔ)償，可以組成復(fù)雜的PID控制回路，如前饋控制或純遲延補(bǔ)償控制。12/5/202362PID計(jì)算分為選擇PID計(jì)算的算式〔EQ_MODE〕、微分方式〔DV_PV〕和控制量限幅〔OH，OL〕處理3局部。四、PID計(jì)算12/5/202363為了擴(kuò)展PID控制功能，實(shí)現(xiàn)平安平穩(wěn)操作，必須對(duì)控制量進(jìn)行處理，主要有輸出補(bǔ)償、輸出保持和輸出平安3局部。五、控制量處理12/5/202364自動(dòng)/手動(dòng)切換包括PID工作方式〔OV_MODE〕、輸出跟蹤、輸出控制量變化率限制及限幅4局部。六、自動(dòng)/手動(dòng)切換12/5/202365輸出跟蹤12/5/202366第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)預(yù)測控制第六節(jié)自適應(yīng)控制第七節(jié)模糊控制12/5/202367一、控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差ess＝r－y∞超調(diào)量衰減率調(diào)節(jié)時(shí)間ts12/5/202368二、PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響12/5/2023691、比例系數(shù)Kp對(duì)系統(tǒng)性能的影響加大比例系數(shù)Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差ess，提高控制精度，但是不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。12/5/2023702、積分時(shí)間Ti對(duì)系統(tǒng)性能的影響積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定；Ti偏小時(shí)振蕩次數(shù)較多；Ti太大時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小，但會(huì)導(dǎo)致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。12/5/2023713、微分時(shí)間Td對(duì)系統(tǒng)性能的影響無論Td偏大還是偏小，都會(huì)引起超調(diào)量的增大和調(diào)節(jié)時(shí)間的加長，只有選擇適宜時(shí)，才可能得到滿意的過渡過程。12/5/202372三、采樣周期T的選擇香農(nóng)采樣定理僅從理論上給出了選擇采樣周期的上限。在實(shí)際選擇采樣周期時(shí)，要考慮如下因素：1、對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。2、作用于系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)頻率。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性。4、對(duì)象所要求的控制質(zhì)量。5、性能價(jià)格比。6、控制回路數(shù)。采樣周期T的選擇應(yīng)考慮被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T和純遲延時(shí)間τ。擾動(dòng)信號(hào)的頻率越高，那么采樣頻率也應(yīng)越高，即采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)信號(hào)的周期，以使系統(tǒng)具有良好的抗干擾和快速響應(yīng)特性。過短的采樣周期，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將來不及響應(yīng)；采樣周期過大，保持器跳變加大，控制作用粗糙度增加。控制精度要求越高，那么采樣周期越短。但采樣周期的選擇必須大到使由計(jì)算機(jī)精度造成的“積分殘差〞減小到可以接受的程度?？刂苹芈窋?shù)多，計(jì)算量大，采樣周期要大；反之，可以減小采樣周期。12/5/202373四、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定方法控制器參數(shù)的整定方法理論整定法工程整定法湊試法實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法穩(wěn)定邊界法（臨界比例帶法）衰減曲線法動(dòng)態(tài)特性法基于偏差積分指標(biāo)最小的整定方法PID控制器參數(shù)自整定基于繼電反饋的參數(shù)自整定基于模式識(shí)別的參數(shù)自整定12/5/202374通過調(diào)整PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp、Ti、Td，將系統(tǒng)的閉環(huán)特征根分布在s域左半平面的某一特定域內(nèi)，以保證系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度并滿足給定的性能指標(biāo)。PID整定的理論方法12/5/202375通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以到達(dá)滿意的響應(yīng)，從而確定PID參數(shù)。湊試法確定PID控制器參數(shù)12/5/202376整定比例局部。如果僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，那么需參加積分環(huán)節(jié)。假設(shè)使用比例積分器，能消除靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍達(dá)不到要求，這時(shí)可參加微分環(huán)節(jié)。在湊試時(shí)，可根據(jù)各參數(shù)對(duì)控制過程的影響趨勢(shì)，按先比例，后積分，再微分的整定步驟進(jìn)行：湊試法確定PID控制器參數(shù)12/5/202377常見被控量的PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍12/5/202378臨界比例帶法〔齊格勒—尼柯爾斯1942年提出，Z－N法〕自平衡對(duì)象，對(duì)純比例調(diào)節(jié)器，形成閉環(huán)，逐漸減小比例帶δ(δ=1/Kp〕，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記錄發(fā)生振蕩的臨界比例帶和周期δu及振蕩Tu。試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法確定PID控制器參數(shù)控制規(guī)律KpTiTdP0．5Ku∞0PI0．45KuTu／1．20PID0．6KuTu／20．125Tu12/5/202379是一種閉環(huán)整定方法，試驗(yàn)過程與穩(wěn)定邊界法相似。所不同的是要調(diào)整比例帶δ〔從大到小〕直到被控量y出現(xiàn)4：1的衰減振蕩。然后根據(jù)此時(shí)的比例帶δv及振蕩周期Tv按照經(jīng)驗(yàn)公式確定控制器的參數(shù)?？刂埔?guī)律δTiTdPδv∞0PI1．2δv0．5Tv0PID0．8δv0．3Tv0．1Tv衰減曲線法12/5/202380動(dòng)態(tài)特性法是在系統(tǒng)處于開環(huán)情況下，根據(jù)被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，求得被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)：遲延時(shí)間τ、響應(yīng)速度ε〔無自平衡能力對(duì)象〕或遲延時(shí)間τ、時(shí)間常數(shù)Tc和放大系數(shù)K〔有自平衡能力對(duì)象〕，然后按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算比例帶δ、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td。動(dòng)態(tài)特性法〔階躍響應(yīng)曲線法〕12/5/202381整定參數(shù)尋最正確，從小到大逐步查;先調(diào)比例后積分，微分作用最后加;曲線震蕩很頻繁，比例刻度要放大;曲線漂浮波動(dòng)大，比例刻度要拉小;曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往小降;曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間要加長;曲線震蕩動(dòng)作繁，微分時(shí)間要加長。12/5/202382第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自適應(yīng)控制第六節(jié)預(yù)測控制第七節(jié)模糊控制12/5/202383一、串級(jí)控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)需要滿足三個(gè)條件，一是對(duì)象可以分段；二是中間信號(hào)〔如副參數(shù)〕可測；三是副對(duì)象和主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差較大，通常副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小，因此副回路為快速回路，而主對(duì)象時(shí)間常數(shù)大，相應(yīng)的主回路為慢速回路。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，不管串級(jí)控制有多少級(jí)，計(jì)算機(jī)計(jì)算的順序總是從最外面的回路向內(nèi)回路進(jìn)行。串級(jí)控制系統(tǒng)的控制方式有兩種，一種是異步采樣控制，另一種是同步采樣控制。12/5/202384二、前饋-反響控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)前饋-反響控制算法的步驟是首先計(jì)算反響控制的偏差，第二步計(jì)算反響控制器的輸出，第三步計(jì)算前饋控制器的輸出，最后計(jì)算前饋-反響控制的輸出。12/5/202385

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，普遍存在著時(shí)滯。典型的時(shí)滯工藝過程皮帶輸送過程管道輸送過程大多數(shù)熱力過程時(shí)滯產(chǎn)生的主要原因?qū)ο到y(tǒng)變量的測量系統(tǒng)中設(shè)備的物理性質(zhì)物或信號(hào)的傳遞三、純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)12/5/202386當(dāng)對(duì)象的純滯后時(shí)間與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比大于0.3時(shí)(稱為大時(shí)滯或大滯后過程)，采用常規(guī)控制方法很難獲得滿意的控制性能。12/5/202387自動(dòng)控制界的人士一致公認(rèn)，大時(shí)滯過程是工業(yè)控制中的難題。過程控制專家F.G.Shinskey說：“具有滯后的系統(tǒng)，在輸入作用下不能立刻觀察出它對(duì)輸出的影響，因此，控制問題就變得復(fù)雜了。基于這個(gè)原因，滯后就被認(rèn)為是本來就存在于物理系統(tǒng)中的最難控制的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。〞F.G.Shinskey先生是美國著名的過程控制專家，在Foxboro公司任職期間提出了許多新穎的過程控制系統(tǒng)方案，并將這些方案成功應(yīng)用于各類實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，同時(shí)與E.布里斯頓先生一道開創(chuàng)了多變量過程控制系統(tǒng)的解耦理論，在前饋控制應(yīng)用方面也做出了許多奉獻(xiàn)。12/5/2023881957年，由C.Smith教授首次提出了針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的預(yù)估控制方法。

該方法的根本思路是：預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在根本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被延遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而抵消掉時(shí)滯特性所造成的影響，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加速調(diào)節(jié)過程，提高系統(tǒng)的快速性。12/5/20238912/5/202390等效對(duì)象12/5/20239112/5/202392史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)等效方框圖〔1〕帶純滯后補(bǔ)償?shù)目刂破飨到y(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)缺乏之處：不能很好地消除外部干擾的影響，系統(tǒng)的擾動(dòng)響應(yīng)緩慢；它對(duì)模型誤差較敏感，適應(yīng)對(duì)象參數(shù)變化能力較差。12/5/202393

從理論上分析，Smith預(yù)估器可以完全消除時(shí)滯的影響，從而成為一種對(duì)線性、時(shí)不變和單輸入單輸出時(shí)滯系統(tǒng)的理想控制方案。但是在實(shí)際應(yīng)用中卻不盡人意，主要原因在于：

Smith預(yù)估器需要確知被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而且它只能用于定常系統(tǒng)。這一條件事實(shí)上相當(dāng)苛刻，因而影響了Smith預(yù)估器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能。12/5/202394在Smith預(yù)估器的根底上，許多學(xué)者提出了擴(kuò)展型的或者改進(jìn)型的方案。在Smith方法的根底上提出增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案在Smith補(bǔ)償回路中增加反響環(huán)節(jié)，以到達(dá)抗干擾目的在Smith預(yù)估器結(jié)構(gòu)中參加過濾器來增加系統(tǒng)的魯棒性多變量Smith預(yù)估控制非線性系統(tǒng)的Smith預(yù)估器改進(jìn)的Smith預(yù)估器這些改進(jìn)方法都一定程度地提高了Smith預(yù)估器的適應(yīng)能力，但由于并沒有減小對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的依賴程度，因而同樣也具有很大的局限性。12/5/202395燃料量送風(fēng)量引風(fēng)量電廠鍋爐燃燒對(duì)象汽壓過?？諝庀禂?shù)爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)量被調(diào)量四、解耦控制12/5/202396鍋爐主控指令汽機(jī)主控指令負(fù)荷控制對(duì)象電功率主汽壓力12/5/202397壓力增高開大閥門流量增加關(guān)小閥門壓力控制回路和流量控制回路之間存在耦合12/5/20239812/5/20239912/5/2023100如果系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為一個(gè)對(duì)角矩陣，即：那么，這個(gè)多變量控制系統(tǒng)各控制回路之間是相互獨(dú)立的。12/5/2023101引入解耦補(bǔ)償裝置F〔s〕系統(tǒng)的開環(huán)傳遞矩陣變?yōu)椋嚎刂凭仃囈褳閷?duì)角矩陣只要在設(shè)計(jì)時(shí)使G〔s〕F〔s〕為對(duì)角矩陣就可以使系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為對(duì)角矩陣那么系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為對(duì)角陣那么系統(tǒng)解耦，系統(tǒng)各控制回路之間相互獨(dú)立。12/5/2023102多變量解耦控制的設(shè)計(jì)要求是：根據(jù)對(duì)象的傳遞函數(shù)矩陣G〔s〕，設(shè)計(jì)一個(gè)解耦補(bǔ)償裝置F〔s〕，使得G〔s〕F〔s〕為對(duì)角矩陣。多變量解耦控制的綜合方法主要有對(duì)角線矩陣綜合法、單位矩陣綜合法和前饋補(bǔ)償綜合法等。12/5/2023103第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自適應(yīng)控制第六節(jié)預(yù)測控制第七節(jié)模糊控制12/5/2023104“自適應(yīng)〞〔Adaptive〕最初來源于生物系統(tǒng)，指生物變更自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。人體的體溫、血壓等系統(tǒng)都是典型的自適應(yīng)系統(tǒng)。什么是自適應(yīng)控制？12/5/2023105前蘇聯(lián)學(xué)者Tsypkin在《學(xué)習(xí)系統(tǒng)的理論根底》一書中引用了馬克.吐溫的一段話來說明自適應(yīng)：“一只貓?jiān)跓裏岬脑钌蠣C了一次，這只貓?jiān)僖膊桓以谠钌献?，即使這只灶是冷的。〞說明了自適應(yīng)過程的機(jī)械性。什么是自適應(yīng)控制？12/5/2023106“自適應(yīng)控制〞這個(gè)名詞出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代。大百科全書中定義：能在系統(tǒng)和環(huán)境的信息不完備的情況下改變自身特性來保持良好工作品質(zhì)的控制系統(tǒng)，稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。什么是自適應(yīng)控制？12/5/2023107在反響控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型是的，并且具有線性定常的特性。背景12/5/2023108飛機(jī)控制

近地點(diǎn)和高空的空氣密度不同，飛機(jī)控制特性隨高度、飛行速度的不同而有很大的變化12/5/2023109導(dǎo)彈控制

導(dǎo)彈的質(zhì)量和重心隨燃料的消耗迅速變化12/5/2023110過程控制

連續(xù)生產(chǎn)過程設(shè)備參數(shù)隨著環(huán)境溫度和輸入輸出流量而改變；鍋爐機(jī)組過熱蒸氣溫度的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著負(fù)荷變化而變化

12/5/2023111電力拖動(dòng)

造紙：卷紙筒慣性變化，為保持紙張力不變，馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩需改變12/5/2023112船舶的航線控制 傳遞函數(shù)的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著船載、速度、吃水深度和環(huán)境〔即波浪、風(fēng)速、海潮等〕的變化而變化12/5/2023113自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性〞是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。自適應(yīng)控制和系統(tǒng)辨識(shí)是分不開的。12/5/2023114自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖〔1〕控制器被控對(duì)象自適應(yīng)器參考輸入r(t)控制量u(t)干擾v(t)輸出量y(t)12/5/2023115調(diào)節(jié)器最優(yōu)預(yù)報(bào)參數(shù)辨識(shí)時(shí)變時(shí)滯過程r(t)＋－y(t)自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖(2)12/5/2023116控制器可調(diào)增加了自適應(yīng)回路適用對(duì)象與反響控制系統(tǒng)相比，自適應(yīng)控制系統(tǒng)有三個(gè)顯著特點(diǎn)：12/5/2023117模型參考自適應(yīng)預(yù)估控制自適應(yīng)預(yù)估最優(yōu)控制極點(diǎn)配置最優(yōu)預(yù)報(bào)自校正PID控制器大時(shí)滯系統(tǒng)的自抗擾控制時(shí)滯并聯(lián)自適應(yīng)控制零極點(diǎn)配置的自校正內(nèi)?？刂苿?dòng)態(tài)矩陣控制自適應(yīng)控制由于具有對(duì)時(shí)變參數(shù)的良好的自適應(yīng)能力，因而在時(shí)變時(shí)滯系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)已提出的控制方法包括：12/5/2023118模型參考自適應(yīng)控制12/5/2023119第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第六節(jié)預(yù)測控制第五節(jié)自適應(yīng)控制第七節(jié)模糊控制12/5/2023120預(yù)測控制的根本思想y〔k〕為當(dāng)前的和過去的過程輸出為過程模型預(yù)測的輸出yd為設(shè)定值u〔k＋i〕為優(yōu)化控制規(guī)律12/5/2023121預(yù)測控制系統(tǒng)根本結(jié)構(gòu)預(yù)測模型

滾動(dòng)優(yōu)化

反響校正12/5/2023122預(yù)測模型的功能是根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息和未來的輸入，預(yù)測系統(tǒng)的未來輸出。預(yù)測模型可以是被控過程的脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)等非參數(shù)模型，也可以是微分方程、差分方程等參數(shù)模型。在預(yù)測控制中，大多數(shù)算法都是將脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng)作為預(yù)測模型。1、預(yù)測模型12/5/2023123單位階躍響應(yīng)曲線模型12/5/20231242、滾動(dòng)優(yōu)化通過某一性能指標(biāo)〔該性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來行為〕的最優(yōu)化來確定未來的控制作用，且隨時(shí)間的推移在線優(yōu)化，即每個(gè)采樣時(shí)刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及到從該時(shí)刻起的未來有限時(shí)間；到下一個(gè)采樣時(shí)刻，優(yōu)化時(shí)段同時(shí)向前推移。12/5/20231253、反響校正通過滾動(dòng)優(yōu)化，預(yù)測控制在確定了一系列未來的控制作用后，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對(duì)理想狀態(tài)的偏離，通常的做法并不是將這些控制作用逐一全部實(shí)施，而只是實(shí)施當(dāng)前時(shí)刻的控制作用；到下一采樣時(shí)刻，首先檢測對(duì)象的實(shí)際輸出，并利用這一實(shí)時(shí)測量信息對(duì)基于模型的預(yù)測輸出值進(jìn)行修正，然后進(jìn)行新的優(yōu)化。12/5/2023126第一節(jié)數(shù)字PID控制算法第二節(jié)數(shù)字PID控制器的工程實(shí)現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定第四節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)第五節(jié)自適應(yīng)控制第六節(jié)預(yù)測控制第七節(jié)模糊控制12/5/20231271965年，美國的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國的E.H.Mamdani首先用模糊控制語句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。0、模糊控制概況模糊邏輯控制〔FuzzyLogicControl〕簡稱模糊控制〔FuzzyControl〕，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為根底的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。12/5/2023128ZadehwasborninSovietAzerbaijanin1921.Whenhewas10,hisfamilymovedtoIran,whereheattendedanAmericanPresbyterianmissionaryschool.“Bysixorseven,IalreadyknewIwantedtobeascientistorengineer,〞herecalls.HestudiedelectricalengineeringattheUniversityofTehran,graduatingin1942.Hereceivedhismaster’sfromMIT,hisPh.D.fromColumbia,and,in1959,wasrecruitedtoBerkeleyfromafullprofessorshipatColumbia.ProfessorLotfiZadehknownworldwideasthe“FatherofFuzzylogic,〞12/5/2023129模糊控制的根本思想和主要特點(diǎn)模糊控制的根本思想是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)多是用語言表達(dá)的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)那么。模糊控制的主要特點(diǎn)：模糊控制是一種基于規(guī)那么的控制，不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。12/5/2023130模糊控制研究方向展望模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題沒有解決。其中兩個(gè)重要的問題是:如何獲得模糊規(guī)那么及隸屬函數(shù);如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。12/5/2023131模糊控制研究方向展望在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面的主要課題包括：穩(wěn)定性分析方法；模糊控制規(guī)那么設(shè)計(jì)方法；模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法；模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論；模糊動(dòng)態(tài)模型的辨識(shí)方法；12/5/2023132一、模糊集合和隸屬度函數(shù)在經(jīng)典集合論中，一事物要么屬于某集合，要么不屬于某集合，兩者必具其一，沒有模棱兩可的情況。而對(duì)于“高〞與“低〞，“青年〞、“中年〞和“老年〞，“幾個(gè)〞等這樣的模糊概念，就不能用經(jīng)典集合來描述，因?yàn)樗鼈兊倪吔缍际遣幻鞔_的。12/5/2023133給定論域X，X上的一個(gè)模糊子集A＝｛x｝是指：對(duì)任何x∈X，都有一個(gè)數(shù)μA〔x〕∈［0，1］與之相對(duì)應(yīng)。這里［0，1］表示從0到1的閉區(qū)間。μA〔x〕稱為x屬于模糊子集A的隸屬度函數(shù)。模糊集合的定義例如：給定論域X＝{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}將模糊概念“幾個(gè)〞作為一個(gè)模糊集合。每一個(gè)元素x屬于“幾個(gè)〞這個(gè)模糊集合A的程度叫做x屬于A的隸屬度或隸屬度函數(shù)，記為μA〔x〕。如可設(shè)μA〔1〕＝0，μA〔2〕＝0，μA〔3〕＝0.3，μA〔4〕＝0.7，μA〔5〕＝1，μA〔6〕＝1，μA〔7〕＝0.7，μA〔8〕＝0.3，μA〔9〕＝0，μA〔10〕＝0。12/5/2023134模糊集合的表示方法第一種方法：A∈{〔x，μA〔x〕〕|x∈X}，稱為序偶形式。第二種方法：，稱為“分?jǐn)?shù)〞表示形式。第三種方法：A＝[μA〔x1〕，μA〔x2〕，…，μA〔xn〕]。稱為向量表示形式。A＝{(0，1),(2，0),(3，0.3),(4，0.7),(5，1),(6，1),(7，0.7),(8，0.3),(9，0),(10，0)}A＝[000.30.7110.70.300]12/5/2023135二、模糊控制系統(tǒng)的組成將輸入的精確量〔數(shù)字量〕轉(zhuǎn)換為模糊量模糊控制是語言控制，規(guī)那么庫是用條件語句描述的專家的手動(dòng)控制策略。它可以表示為從誤差論域到控制量論域的模糊關(guān)系矩陣R。通過誤差的模糊量E‘和誤差變化的模糊量EC‘與模糊關(guān)系R的合成進(jìn)行模糊推理。將得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量。12/5/2023136三、模糊控制器的輸入輸出變量及其模糊化1、模糊控制器的輸入輸出變量的選擇一維模糊控制器被控量的誤差E二維模糊控制器被控量的誤差E被控量誤差的變化EC三維模糊控制器被控量的誤差E被控量誤差的變化EC被控量誤差變化的速率ER控制量的增量控制量的增量控制量的增量12/5/20231372、模糊控制器輸入輸出變量的描述三、模糊控制器的輸入輸出變量及其模糊化在模糊控制中，輸入輸出變量大小是以語言形式描述的，因此要選擇描述這些變量的詞匯。一般都選用“大、中、小〞三個(gè)詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)，共有七個(gè)詞匯。｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大｝｛NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB｝

12/5/2023138三、模糊控制器的輸入輸出變量及其模糊化輸入的精確量〔數(shù)字量〕需要轉(zhuǎn)換為模糊量，這個(gè)過程稱為“模糊化〞〔Fuzzification〕；另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確的控制量，這個(gè)過程稱為“清晰化〞或者“反模糊化〞〔Defuzzification

〕。3、模糊控制器輸入、輸出變量的模糊化和清晰化根本論域[a，b]｛－n，－n＋1，…，0，…，n－1，n｝模糊子集論域[－n，n]12/5/2023139

e

μE－6－5－4－3－2－1－0＋0＋1＋2＋3＋4＋5＋6PB00000000000.10.40.81.0PM0000000000.20.71.00.70.2PS00000000.30.81.00.50.100PO00000001.00.60.10000NO00000.10.61.00000000NS000.10.51.00.80.30000000NM0.20.71.00.70.2000000000NB1.00.80.40.10000000000模糊變量E的賦值12/5/2023140

ec

μE－6－5－4－3－2－10＋1＋2＋3＋4＋5＋6PB0000000000.10.40.81.0PM000000000.20.71.00.70.2PS00000000.91.00.70.200O000000.51.00.500000NS000.20.71.00.90000000NM0.20.71.00.70.200000000NB1.00.80.40.1000000000模糊變量EC的賦值12/5/2023141

u

μU－7－6－5－4－3－2－10＋1＋2＋3＋4＋5＋6+7PB000000000000.10.40.81.0PM0000000000.20.71.00.70.20PS000000001.00.80.40.1000O0000000.51.00.50000