火电厂计算机控制幻灯片(第四章 计算机控制系统常规及新型控制策略)

1、第四章第四章 计算机控制系统常规及新型控制策略计算机控制系统常规及新型控制策略Chapter 4 Conventional and new type control strategy of computer -controlled system 2022年6月16日2本章导航2022年6月16日3计算机控制系统的设计方法模拟设计法离散设计法（Z传递函数）状态空间设计法（状态空间模型）2022年6月16日4本章主要内容第一节数字PID控制算法第二节数字PID控制器的工程实现第三节数字PID控制器的参数整定第四节复杂控制系统第五节自适应控制第六节预测控制第七节模糊控制2022年6月16日52022

2、年6月16日6一、数字PID控制算法2022年6月16日7PID的发展历程（1）2022年6月16日8PID的发展历程（2）2022年6月16日9PID的发展历程（3）2022年6月16日10PID的发展历程（4）2022年6月16日11PID的发展历程（5）2022年6月16日12n现代控制理论飞速发展，取得了一系列引人注目的成果，但在工程应用上并没有取得期望的进展。n控制对象向多变量、高阶、多输入多输出的延伸，给控制工程提出一系列的难题。n目前，世界上在用的闭环控制系统中超过90%都包含有PID（或者PI）控制回路。PID的发展历程（6）2022年6月16日13PID的发展历程（7）202

3、2年6月16日142022年6月16日152022年6月16日16隔离电路隔离电路手操器手操器输入电路输入电路直流放大器直流放大器PID运算电路运算电路 2022年6月16日172022年6月16日182022年6月16日19积分系数积分系数ipiTTKK 微分系数微分系数TTKKdpd比例增益比例增益（为比例带）为比例带）1pK 21) 1() 1(10kekeTTjeTTkeKkudkjip 1)()(0kekeTTjeTTkeKkudkjip2022年6月16日202022年6月16日21（一）积分算法的改进（一）积分算法的改进 2022年6月16日221积分分离数字积分分离数字PID算

4、法算法 积分分离系数积分分离系数 积分分离阀值积分分离阀值 采用积分分离算采用积分分离算法，可以显著降法，可以显著降低超调量，缩短低超调量，缩短调节时间。但积调节时间。但积分分离阀值分分离阀值E0须须合理选择。合理选择。 2022年6月16日232变速积分数字变速积分数字PID算法算法系数函数系数函数 fe（k）。当）。当e（k）|增大时，增大时，fe（k）减小，反之增大。）减小，反之增大。变速积分变速积分PID控制算法可以消除积分饱和现象，控制算法可以消除积分饱和现象，大大减小超调量，使大大减小超调量，使PID控制的适应能力显著增强。控制的适应能力显著增强。 2022年6月16日243抗积分

5、饱和抗积分饱和如果由于计算机给出的控制量如果由于计算机给出的控制量u超出其数超出其数值和变化率的有限范围，那么实际执行的控制值和变化率的有限范围，那么实际执行的控制量就不再是计算值，由此将得不到预期的效果，量就不再是计算值，由此将得不到预期的效果，这种效应通常称为饱和效应。这种效应通常称为饱和效应。这类现象在给定值发生突变时特别容易发这类现象在给定值发生突变时特别容易发生，所以有时也称为启动效应。生，所以有时也称为启动效应。 在位置式在位置式PID控制算法中，如果执行机构控制算法中，如果执行机构已到极限位置或执行元件已进入饱和区，仍然已到极限位置或执行元件已进入饱和区，仍然不能消除偏差时，由于

6、积分作用，尽管计算不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID位置算式所得到的运算结果继续增大或减位置算式所得到的运算结果继续增大或减小，而执行机构已无相应的动作，这种主要由小，而执行机构已无相应的动作，这种主要由积分作用引起的饱和现象称为积分饱和。积分作用引起的饱和现象称为积分饱和。 2022年6月16日25克服积分饱和现象的办法克服积分饱和现象的办法2022年6月16日264梯形积分梯形积分2022年6月16日275消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区 2022年6月16日282022年6月16日29理想微分理想微分 理想微分理想微分PID控制的实际控制效果并不理想。控制的实际控制效果并不理想

7、。2022年6月16日302022年6月16日31（1）标准实际微分）标准实际微分PID算法算法 实际微分实际微分2022年6月16日32实际微分实际微分PID算法算法 keKkupp kjipikeTTKku0 11kekeKKkuTTKTkudpddddd kukukukudip2022年6月16日33实际微分的增量式实际微分的增量式PID算法算法 1111kukukukukukukukekeKKkuTTKTkukeTTKkukekeKkudipddddpdddddipipp2022年6月16日34 11sTsGff（2）不完全微分数字）不完全微分数字PID算法算法 2022年6月16日3

8、5不完全微分数字不完全微分数字PID算法算法 ddddd10tututtuTtteTtteTteKtufdtip tteTtteTteKtuttuTdtipfddd1dd02022年6月16日36不完全微分不完全微分PID的位置式控制算法的位置式控制算法 )()1 () 1()(kukuku ddtututtuTf 11kukuTkukuTf 11)(kuTkuTkuTTff 11kuTTTkuTTTkufff令：TTTff ) 1()()()(0kekeTTjeTTkeKkudkjip2022年6月16日37不完全微分数字不完全微分数字PID的增量式算法的增量式算法2022年6月16日382

9、022年6月16日39 ake) 1()()(kekeTTKkudpd，k0，1，2， 0)2(10dddpduuaTTKu理想微分理想微分PID控制算法的控制效果控制算法的控制效果2022年6月16日40理想微分理想微分PID控制算法的控制效果控制算法的控制效果2022年6月16日41 ake，k0，1，2，)(1)(sEsTsTKsUfdpd tteTKttuTtudpdfdd)(dd)(d实际微分实际微分PID控制算法的控制效果控制算法的控制效果ssETKssUTsUdpdfd)()()(2022年6月16日42) 1()() 1()(kekeTTTKkuTTTkufdpdffd实际微分

10、实际微分PID控制算法的控制效果控制算法的控制效果TkekeTKTkukuTkudpddfd) 1()() 1()()() 1()() 1()()(kekeTKkuTkuTTdpdfdf2022年6月16日43) 1()() 1()(kekeTTTKkuTTTkufdpdffd aTTTTKuaTTTTKuaTTTKufdfpdfdfpdfdpd322210实际微分实际微分PID控制算法的控制效果控制算法的控制效果显然，显然，ud(k)0，k0，1，2，并且：并且： aTTKaTTTKudpfdpd02022年6月16日44实际微分实际微分PID控制算法的控制效果控制算法的控制效果在第一个采在

11、第一个采样周期里不完全样周期里不完全微分数字微分数字PID算算法的输出比理想法的输出比理想微分数字微分数字PID算算法的输出幅度要法的输出幅度要小得多。小得多。 2022年6月16日45两种数字两种数字PID算法的阶跃响应比算法的阶跃响应比较较2022年6月16日462微分先行数字微分先行数字PID控制算法控制算法 2022年6月16日472022年6月16日482022年6月16日492022年6月16日50非线性环节非线性环节 时当时当00 0 ekekeekekeke带死区的数字带死区的数字PID控制算法控制算法2022年6月16日51（四）其他（四）其他2022年6月16日522022

12、年6月16日532022年6月16日54数字数字PID控制器控制器2022年6月16日55PID控制功能块的组成控制功能块的组成2022年6月16日562022年6月16日572022年6月16日58一、给定值处理一、给定值处理通过选择给定值方式（通过选择给定值方式（SVMODE）的值为）的值为0,1或或2，分别，分别对应软开关对应软开关LOC，CAS或或SCC，可以构成内给定、串级或监控可以构成内给定、串级或监控状态。状态。减少给定值突变对控制系统的减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例（扰动，防止比例（P）、微分）、微分（D）饱和，以实现平稳控制。）饱和，以实现平稳控制。2022年6月1

13、6日59二、被调量处理二、被调量处理2022年6月16日60 偏差处理主要包括偏差的正反作用计算、偏差报警、非线性偏差处理主要包括偏差的正反作用计算、偏差报警、非线性特性和输入补偿特性和输入补偿4部分。部分。 三、偏差处理三、偏差处理2022年6月16日61 CSVCPVDVCPVCSVDV2022年6月16日622022年6月16日63 四、四、PID计算计算2022年6月16日64 五、控制量处理五、控制量处理2022年6月16日65 六、自动六、自动/手动切换手动切换2022年6月16日66输出跟踪输出跟踪2022年6月16日672022年6月16日68一、控制系统的主要性能指标一、控制

14、系统的主要性能指标稳态误差稳态误差essry超调量超调量衰减率衰减率 112121yyyyy %100yyymp调节时间调节时间ts2022年6月16日692022年6月16日701、比例系数、比例系数Kp对系统性能的影响对系统性能的影响 加大比例系数加大比例系数Kp，在系统，在系统稳定的情况下，可以减少稳态稳定的情况下，可以减少稳态误差误差ess，提高控制精度，但是，提高控制精度，但是不能完全消除稳态误差。不能完全消除稳态误差。2022年6月16日712、积分时间、积分时间Ti对系统性能的影响对系统性能的影响 积分作用通常使系统的稳定性积分作用通常使系统的稳定性下降。下降。Ti太小系统将不稳

15、定；太小系统将不稳定；Ti偏小偏小时振荡次数较多；时振荡次数较多；Ti太大时对系统太大时对系统的稳定性影响较小，但会导致不能的稳定性影响较小，但会导致不能减小稳态误差。减小稳态误差。 2022年6月16日723、微分时间、微分时间Td对系统性能的影响对系统性能的影响 无论无论Td偏大还是偏小，都偏大还是偏小，都会引起超调量的增大和调节时会引起超调量的增大和调节时间的加长，只有选择合适时，间的加长，只有选择合适时，才可能得到满意的过渡过程。才可能得到满意的过渡过程。 2022年6月16日73三、采样周期三、采样周期T的选择的选择采样周期采样周期T的选择应考的选择应考虑被控对象的时间常数虑被控对象

16、的时间常数T和纯迟延时间和纯迟延时间。 扰动信号的频率越高，扰动信号的频率越高，则采样频率也应越高，则采样频率也应越高，即采样周期应远小于对即采样周期应远小于对象的扰动信号的周期，象的扰动信号的周期，以使系统具有良好的抗以使系统具有良好的抗干扰和快速响应特性。干扰和快速响应特性。 过短的采样周期，执行过短的采样周期，执行机构将来不及响应；采机构将来不及响应；采样周期过大，保持器跳样周期过大，保持器跳变加大，控制作用粗糙变加大，控制作用粗糙度增加。度增加。 控制精度要求越高，则控制精度要求越高，则采样周期越短。但采样采样周期越短。但采样周期的选择必须大到使周期的选择必须大到使由计算机精度造成的由

17、计算机精度造成的“积分残差积分残差”减小到可减小到可以接受的程度。以接受的程度。 控制回路数多，计算量控制回路数多，计算量大，采样周期要大；反大，采样周期要大；反之，可以减小采样周期。之，可以减小采样周期。 2022年6月16日74四、数字四、数字PID控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法控制器参数的控制器参数的整定方法整定方法 理论整定法理论整定法 工程整定法工程整定法 凑试法凑试法 实验经验法实验经验法 稳定边界法稳定边界法（临界比例带法）（临界比例带法） 衰减曲线法衰减曲线法动态特性法动态特性法基于基于偏差积分指标偏差积分指标最小的整定方法最小的整定方法PID控制器控制器参数自整定参

18、数自整定 基于继电反馈的基于继电反馈的参数自整定参数自整定 基于模式识别的基于模式识别的参数自整定参数自整定 2022年6月16日75pid PID整定的理论方法整定的理论方法2022年6月16日76凑试法确定凑试法确定PID控制器参数控制器参数2022年6月16日77凑试法确定凑试法确定PID控制器参数控制器参数2022年6月16日78常见被控量的常见被控量的PID参数经验选择范围参数经验选择范围2022年6月16日79临界比例带法（齐格勒尼柯尔斯1942年提出，ZN法）n 自平衡对象，对纯比例调节器，形成闭环，逐渐减小比例带 ( =1/Kp），直到系统发生持续等幅振荡。记录发生振荡的临界比

19、例带和周期u及振荡Tu。试验经验法确定试验经验法确定PID控制器参数控制器参数控制规律KpTiTdP05 Ku0PI045 KuTu120PID06 KuTu20125Tu2022年6月16日80 是一种闭环整定方法，试验过程与稳定边界法相似。所不同的是要调整比例带（从大到小）直到被控量y出现4：1的衰减振荡。然后根据此时的比例带v及振荡周期Tv按照经验公式确定控制器的参数。控制规律TiTdPv0PI12v05Tv0PID08v03Tv01Tv衰减曲线法衰减曲线法 2022年6月16日81动态特性法是在系统处于开环情况下，根据被控对象的阶跃响应曲线，求得被控对象的动态特性参数：迟延时间、响应速

20、度（无自平衡能力对象）或迟延时间、时间常数Tc和放大系数K（有自平衡能力对象），然后按经验公式计算比例带、积分时间Ti和微分时间Td。 动态特性法（阶跃响应曲线法）动态特性法（阶跃响应曲线法）2022年6月16日822022年6月16日832022年6月16日84一、串级控制系统一、串级控制系统 采用串级控制系统需要满足三个条件，一是对象可以采用串级控制系统需要满足三个条件，一是对象可以分段；二是中间信号（如副参数）可测；三是副对象和主对分段；二是中间信号（如副参数）可测；三是副对象和主对象的时间常数相差较大，通常副对象的时间常数小，因此副象的时间常数相差较大，通常副对象的时间常数小，因此副回

21、路为快速回路，而主对象时间常数大，相应的主回路为慢回路为快速回路，而主对象时间常数大，相应的主回路为慢速回路。速回路。 在计算机控制系统中，不管串级控制有多少级，计算在计算机控制系统中，不管串级控制有多少级，计算机计算的顺序总是从最外面的回路向内回路进行。机计算的顺序总是从最外面的回路向内回路进行。串级控制系统的控制方式有两种，一种是异步采样控制，串级控制系统的控制方式有两种，一种是异步采样控制，另一种是同步采样控制。另一种是同步采样控制。2022年6月16日85二、前馈二、前馈-反馈控制系统反馈控制系统2022年6月16日86在现代工业生产过程中，普遍存在着时滞。典型的时滞工艺过程 皮带输送

22、过程 管道输送过程 大多数热力过程时滞产生的主要原因 对系统变量的测量 系统中设备的物理性质 物或信号的传递三、纯滞后补偿控制系统三、纯滞后补偿控制系统2022年6月16日872022年6月16日88F. G. ShinskeyF. G. Shinskey先生是美国著名的过程控先生是美国著名的过程控制专家，在制专家，在FoxboroFoxboro公司任职期间提出了公司任职期间提出了许多新颖的过程控制系统方案，并将这许多新颖的过程控制系统方案，并将这些方案成功应用于各类实际工业生产过些方案成功应用于各类实际工业生产过程中，同时与程中，同时与E. E. 布里斯顿先生一道开创布里斯顿先生一道开创了多

23、变量过程控制系统的解耦理论，在了多变量过程控制系统的解耦理论，在前馈控制应用方面也做出了许多贡献。前馈控制应用方面也做出了许多贡献。2022年6月16日89 预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小超调量，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小超调量，提高系统的稳定性，加速调节过程，提高系统的提高系统的稳定性，加速调节过程，提高系统的快速性。快速性。202

24、2年6月16日902022年6月16日91等效对象等效对象 10ssesGsG2022年6月16日922022年6月16日93史密斯预估控制系统等效方框图（史密斯预估控制系统等效方框图（1）带纯滞后补偿的控制器带纯滞后补偿的控制器系统的闭环传递函数系统的闭环传递函数2022年6月16日942022年6月16日952022年6月16日96四、解耦控制四、解耦控制2022年6月16日972022年6月16日982022年6月16日992022年6月16日1002022年6月16日1012022年6月16日102 ssssakGFGFG控制矩阵已控制矩阵已为对角矩阵为对角矩阵只要在设计时使只要在设计

25、时使G（s）F（s）为）为对角矩阵对角矩阵就可以使系统的就可以使系统的开环传递函数矩开环传递函数矩阵为对角矩阵阵为对角矩阵 ssskkFGFGI12022年6月16日1032022年6月16日1042022年6月16日105什么是自适应控制？什么是自适应控制？2022年6月16日106什么是自适应控制？什么是自适应控制？2022年6月16日107什么是自适应控制？什么是自适应控制？2022年6月16日108背景背景2022年6月16日109n飞机控制 近地点和高空的空气密度不同，飞机控制特性随高度、飞行速度的不同而有很大的变化2022年6月16日110导弹控制 导弹的质量和重心随燃料的消耗迅速

26、变化 2022年6月16日111过程控制 连续生产过程设备参数随着环境温度和输入输出流量而改变；锅炉机组过热蒸气温度的动态参数随着负荷变化而变化 2022年6月16日112电力拖动 造纸：卷纸筒惯性变化，为保持纸张力不变，马达的转矩需改变2022年6月16日113船舶的航线控制传递函数的动态参数随着船载、速度、吃水深度和环境（即波浪、风速、海潮等）的变化而变化2022年6月16日1142022年6月16日115自适应系统的原理框图（1）控制器控制器被控对象被控对象自适应器自适应器参考输入参考输入r(t)控制量控制量u(t)干扰干扰v(t)输出量输出量y(t)2022年6月16日116调节器调节

27、器最优预报最优预报参数辨识参数辨识时变时滞过程时变时滞过程r(t)y(t)自适应系统的原理框图(2)2022年6月16日1172022年6月16日1182022年6月16日119模型参考自适应控制2022年6月16日1202022年6月16日121预测控制的基本思想预测控制的基本思想 y（k）为当前的和）为当前的和过去的过程输出过去的过程输出 为过程模为过程模型预测的输出型预测的输出 )( ikyyd为设定值为设定值 u（ki）为优化）为优化控制规律控制规律 2022年6月16日122预测控制系统基本结构预测控制系统基本结构2022年6月16日1231 1、预测模型预测模型2022年6月16日

28、124单位阶跃响应曲线模型单位阶跃响应曲线模型 2022年6月16日1252 2、滚动优化、滚动优化2022年6月16日1263 3、反馈校正、反馈校正 2022年6月16日1272022年6月16日1280 0、模糊、模糊控制概况控制概况2022年6月16日1292022年6月16日130模糊模糊控制的基本思想和主要特点控制的基本思想和主要特点2022年6月16日131模糊模糊控制研究方向展望控制研究方向展望2022年6月16日132模糊模糊控制研究方向展望控制研究方向展望2022年6月16日133一、模糊集合和隶属度函数一、模糊集合和隶属度函数 2022年6月16日134模糊集合的定义模糊

29、集合的定义2022年6月16日135模糊集合的表示方法模糊集合的表示方法niiiAxxA1)(1009083 . 077 . 0615147 . 033 . 02010A2022年6月16日136二、模糊控制系统的组成二、模糊控制系统的组成 将输入的精确量将输入的精确量（数字量）转换（数字量）转换为模糊量为模糊量 模糊控制是语言控制，规则模糊控制是语言控制，规则库是用条件语句描述的专家库是用条件语句描述的专家的手动控制策略。它可以表的手动控制策略。它可以表示为从误差论域到控制量论示为从误差论域到控制量论域的模糊关系矩阵域的模糊关系矩阵R。通过误差的模糊量通过误差的模糊量E和误差和误差变化的模糊

30、量变化的模糊量EC 与模糊关与模糊关系系R的合成进行模糊推理。的合成进行模糊推理。将得到的模糊控将得到的模糊控制量转化为精确制量转化为精确量。量。 2022年6月16日137三、模糊控制器的输入输出变量及其模糊化三、模糊控制器的输入输出变量及其模糊化 2022年6月16日138三、模糊控制器的输入输出变量及其模糊化三、模糊控制器的输入输出变量及其模糊化 2022年6月16日139三、模糊控制器的输入输出变量及其模糊化三、模糊控制器的输入输出变量及其模糊化 22baxabnyn，n1，0，n1，n Unabbau222022年6月16日140 e E65432100123456PB00000000000.10.40.81.0PM0000000000.20.71.00.70.2PS00000000.30.81.00.50.100PO00000001.00.60.10000NO00000