第7章-南邮-复杂控制技术资料课件

第7章 复杂控制技术南京邮电大学 电气信息工程系1OUTLINE2

7.1串级控制技术

7.2前馈－反馈控制算法

7.3Smith预估控制

7.4本章小结习题7.1

串级控制技术3串级控制的结构和原理数字串级控制算法动态矩阵－PID串级控制串级控制系统概述7.1.1串级控制的结构和原理4为了控制炉出口温度，可以设置一个简单控制系统气开反作用PID5由于炉子的控制通道容量滞后很大，反应缓慢，控制精度低，但是工艺上要求炉出口温度的变化范围为±(1~2)℃上图的单变量单回路控制系统是难以满足的串级控制系统简单控制系统6串级控制系统的组成

串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器(其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定)、一个控制阀组成的双闭环定值系统

串级控制系统中常用的名词主被控变量（Yl）：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为“副控”7主变送器：测量并转换主被控变量的变送器副变送器：测量并转换副被控变量的变送器主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其主要特性的生产设备或过程副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路,又称为“副环”或“内环”主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”8副回路9串级控制系统串级控制系统的典型的方框图副回路主回路

串级控制系统的特点对于进入副回路的干扰，具有较强的抗干扰能力改善了对象特性，使控制过程加快，提高了控制质量串级控制系统的自适应能力101112为了使串级控制系统的性能得到发挥，在设计时必须注意以下几点：1)

必须正确确定一个可测可控的中间变量作为副控被调量（该中间变量也必须是控制主控对象的控制量）2)

系统中的主要扰动应包含在副控回路中，使得该扰动在影响主控被调量之前得到有效的抑制3)副控回路应尽可能包含积分环节，以便减少（该积分

环节）副回路对象引起的相位滞后，有利于改善系统的调节品质137.1.2数字串级控制算法主控制器一般选择PID算法，使系统具有高控制精度和反映灵敏的性能；副控制器一般选用比例控制或数字PI控制，使副控回路具有快速反映的性能图7.3

计算机串级控制系统原理图14T′和T〞的选择一般地，若G2(s)和G1(s)的传递函数均为一阶惯性环节，且时间常数可以比较，则可在采样频率ws>10wc的前提下选择T′＝T〞若G1(s)的时间常数远大于G2(s)的时间常数，为了避免主控回路和副控回路之间发生相对干扰或共振，应选择

T′≥3T〞注意：T′和T〞是否相同，将影响计算机算法的实现方式15一般地，在T′＝T〞情况下的算法步骤如下：对主控被调量采样并计算主控回路的偏差e1(k)=r(k)-y1(k)计算主控调节器D1(z)的位置量输出u1(k)对副控制被调量采样并计算副控回路的偏差e2(k)=u1(k)-y2(k)计算并输出副控调节器D2(z)的位置量输出167.1.3

动态矩阵－PID串级控制17预测控制动态矩阵控制算法（5.4）动态矩阵－PID串级控制预测控制18预测控制由来工业过程的特点多变量、非线性、强耦合、不确定性、约束现代控制理论与方法精确的数学模型、最优的性能指标、系统而精确的设计方法工业过程对控制的要求高质量的控制性能

、对模型要求不高、实现方便

、强鲁棒性预测控制特点一类用计算机实现的最优控制算法建模方便，不需要深入了解过程内部机理非最小化描述的离散卷积模型，有利于提高系统的鲁棒性滚动优化策略，较好的动态控制效果简单实用的模型校正方法，较强的鲁棒性可推广应用于带约束、大纯滞后、非最小相位、多输入多输出、非线性等过程19预测控制预测控制基本原理预测模型滚动优化反馈校正预测控制20模型输出预测21预测控制预测控制22滚动优化优化目的通过使某一性能指标J极小化，以确定未来的控制作用u(k+j|k)。指标J希望模型预测输出尽可能趋近于参考轨迹优化过程滚动优化在线反复进行。优化目标只关心预测时域内系统的动态性能，而且只将u(k|k)施加于被控过程预测控制23滚动优化预测控制24反馈校正每到一个新的采样时刻，都要通过实际测到的输出信息对基

于模型的预测输出进行修正，然后再进行新的优化不断根据系统的实际输出对预测输出值作出修正使滚动优化不但基于模型，而且利用了反馈信息，构成闭环优化预测控制25反馈校正常见预测控制方案动态矩阵控制(Cutler

et

al,1980)（Dynamic

Matrix

Control,

DMC）模型算法控制(Richalet

et

al,1978)（Model

Algorithm

Control,MAC）广义预测控制(Clarke

et

al,1987)（Generalized

Predictive

Control,

GPC）预测函数控制(Adersa

et

al,1987)（Predictive

Functional

Control,

PFC）26预测控制预测控制发展单输入单输出（SISO）多输入多输出（MIMO）无约束有约束27输入输出方系统非方系统线性非线性常规预测控制鲁棒预测控制预测控制商品化预测控制软件预测控制28通过实验方法采集对象的阶跃响应或脉冲响应，分别以

和 表示，如下图所示：动态矩阵控制算法内部模型：被控对象的阶跃响应或脉冲29

响应根据内部模型的信息，预测未来的控制量及响应，即构成预测模型基于阶跃响应的开环预测模型基于脉冲响应的开环预测模型闭环预测模型30DMC：一种基于对象阶跃响应的预测控制算法动态矩阵控制算法被控对象的非参数数学模型31动态矩阵控制算法32动态矩阵控制算法337.1.3

动态矩阵－PID串级控制34在计算机控制系统中，存在着各种不同形式的干扰。可以采用动态矩阵控制算法，利用反馈校正环节作

被动的补偿，即在干扰引起误差后，用误差预测的

方法予以修正这在算法上是通过选择合适的误差校正系数hi来实现的鲁棒性－－抗干扰性DMC的T一般较大，抗干扰性不如T可充分小的PID7.1.3

动态矩阵－PID串级控制35在获得理想的抗干扰性时，DMC存在两个困难：对期望值的跟踪和对干扰的调节采用了同样的T，为顾及控制算法的需要，不得不采用较大的T

抗干扰性差

对模型失配造成的误差和对干扰造成的误差采用同一hi，为增强模型失配时的鲁棒性

降低对干扰的灵敏度借鉴串级控制的思想，把动态矩阵控制结合到串级控制结构中，形成动态矩阵－PID

串级控制算法7.1.3

动态矩阵－PID串级控制367.1.3

动态矩阵－PID串级控制37副回路设计：

应使副对象G2(s)包含系统的主要干扰，并有较小的纯滞后或惯性时间常数选用频率较高的数字PID控制，抑制二次干扰主回路设计：控制对象为广义对象（副回路+G1(s)）

DMC的目的在于实现良好的跟踪，并在模型失配时有较好的鲁棒性7.2

前馈－反馈控制算法38思路：建立按扰动量进行补偿的开环控制，即当影响系统的扰动出现时，按照扰动量的大小直接产生相应的校正，抵消扰动的影响

7.2.1

前馈－反馈控制结构

7.2.2

数字前馈－反馈控制算法7.2.1前馈－反馈控制结构39

扰动量N(s)和被控量Y(s)之间的传递函数为

根据前馈控制的不变性原理，应使上式等于零，即

则前馈补偿器GF(s)的传递函数为407.2.2

数字前馈－反馈控制算法41受控对象和扰动通道一般可描述为因此，前馈调节器GF(s)具有如下形式：可得前馈调节器的微分方程42若采样频率fs足够高，即T=1/

fs足够短，可对微分离散化，得到差分方程，设

=LT，令43计算机前馈－反馈控制算法步骤如下：计算反馈控制的偏差e(k)e(k)=r(k)-y(k)计算反馈控制器（PID）的输出u1(k)44(3)

计算前馈控制器GF(s)的输出un(k)(4)计算前馈－反馈控制器的输出u(k)7.3

Smith预估控制许多被控对象有严重的纯滞后时间，其一阶近似的传递函数为通常用 值来度量纯滞后对系统的影响程度大纯滞后对象，常规PID控制很难获得良好的控制品质Smith提出了一种纯滞后补偿模型模拟仪表无法实现，只能用计算机实现457.3.1

Smith预估控制原理具有大纯滞后被控对象的传递函数为GP为不包括纯滞后项的部分46Smith预估控制原理，用于补在控制回路内部附加一个时间补偿器偿被控对象的纯滞后部分47由图中可知为了补偿对象的纯滞后，要求48系统在给定值R作用下的闭环传递函数为经过上述补偿后，已消除了纯滞后项对控制系统的影响497.3.2

具有纯滞后补偿的数字控制器的实现设被控对象的传递的传递函数为控制器Gc(s)采用PID控制，取（整数）50Smith算法计算机实现步骤如下：计算反馈回路的偏差e