《智能控制系统与工程》课件-4.智能控制系统与工程

智能控制系统与工程再识智能控制系统复习：什么是智能控制自动控制、人工智能、智能控制的关系？智能控制，顾名思义，就是智能化的控制，是人工智能在自动控制领域的应用，有别于常规控制。智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。复习：控制科学的发展过程控制的复杂性进展方向经典控制现代控制智能控制复习：自动控制理论的发展历史自动控制理论的发展通常可分为三个阶段。

1）

经典控制理论（传递函数）经典控制理论产生并发展于20世纪40～60年代。

2）

现代控制理论（状态空间描述）现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。

3）智能控制理论（无模型或各种描述形式）智能控制理论是20世纪70年代后，控制理论向广度和深度发展的结果。复习：智能控制技术与计算机智能控制技术在实际工程系统中的应用，离不开计算机技术。智能控制技术实现的核心是智能控制算法，通过对计算机编程得到。智能控制系统的典型结构也是一个计算机控制系统的典型结构，其中智能控制器部分就是按照智能控制算法编写的计算机软件。复习：计算机控制系统什么是智能控制系统？请初步分析图示中的小口径高炮高精度伺服系统！什么是智能控制系统什么是智能控制系统？什么是智能控制系统？常规PID控制模糊PID控制大棚温室控制器什么是智能控制系统？常规PID控制模糊PID控制大棚温室控制器什么是智能控制系统？支持向量机预测控制什么是智能控制系统？大棚温室各PID控制器分配协调支持向量机预测模型控制感知识别智能控制系统：自动驾驶汽车智能控制系统：自动驾驶结构框图智能控制系统：红旗自动驾驶汽车系统总体结构环境识别子系统驾驶控制子系统系统硬件组成主控计算机及接口执行机构传感器智能控制系统：自动驾驶汽车的结构智能控制系统：自动驾驶的软件结构智能控制系统：本田自动驾驶汽车毫米波雷达检测前方大约150米远处的物体彩色单眼摄像头确定检测到的前方物体是行人还是车辆等用单眼摄像头检测道路标线，以预测前进路线根据行人位置和前进路线等信息，预测汽车偏离车道会撞上路边的行人，就会控制方向盘。智能控制系统：华为自动驾驶解决方案汽车自动打灯、自动升窗、自动雨刷仿真需求分析系统方案设计硬件电路设计软件功能设计先进人机交互脑机接口科普科幻走进现实《自然》杂志2021年发布的一篇封面文章显示，国外有研究团队通过“意念书写”脑机接口，可实现让受试者将脑中想象的“笔迹”转为屏幕文本，准确率超99%，而且受试者可达到每分钟输入90个字符的速度。脑机接口技术脑机接口技术（Brain-Computer

Interface，BCI）是一种通过直接读取人脑活动信号来实现人机交互的技术。它可以将人的意识、思维和意图转化为计算机可以理解的指令，从而实现对计算机、智能设备等的控制。脑机接口是一种在脑与外部设备之间建立直接的通信渠道。其信号来自中枢神经系统，传播中不依赖于外周的神经与肌肉系统。脑机接口技术常用于辅助、增强、修复人体的感觉–运动功能或提升人机交互能力。脑机接口技术的类型1.

依据脑电图（Electroencephalogram，EEG）信号进行控制这种方式通过在头皮上放置电极来记录大脑发出的电信号，并将其转化为计算机可以识别的指令。这种方式比较简单易行，但精度相对较低。脑机接口技术的类型2.

依据功能磁共振成像（Functional

Magnetic

Resonance

Imaging，fMRI）信号进行控制：这种方式通过扫描大脑活动时所产生的血氧水平变化来获取大脑活动信息，并将其转化为计算机可以识别的指令。这种方式精度相对较高，但需要使用昂贵的设备。脑机接口技术的类型3.

依据神经植入物进行控制：这种方式通过将微型电极植入大脑中来记录神经元活动，并将其转化为计算机可以识别的指令。这种方式精度最高，但需要进行手术操作，并且存在一定的风险。脑机接口技术的应用脑机接口技术可以应用于多个领域，例如医疗、军事、娱乐等。在医疗领域中，它可以帮助残疾人士恢复运动能力；在军事领域中，它可以帮助士兵迅速反应并进行战斗；在娱乐领域中，它可以提供更加沉浸式的游戏体验。总之，脑机接口技术是一项非常有前景的技术，在未来将会有更广泛的应用。脑机接口技术的展望环顾世界，美国国防高级研究计划局（DARPA）、脸书、谷歌、亚马逊等商业巨头都在积极布局脑机接口领域，成果不断涌现，已形成较高的技术壁垒。中国“脑计划”，也即“脑科学与类脑研究”作为“科技创新2030重大项目”即将全面启动。随着该计划的推进，脑认知原理解析、认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术研究、类脑计算与脑机智能技术及应用、儿童青少年脑智发育研究、技术平台建设等都将取得不小的进展。其中，脑机接口作为底层核心技术，关乎中国“脑计划”几乎所有关键内容。脑机接口是下一个生命科学和信息技术交叉融合（BTIT）的主战场，代表了一种新兴的、具有潜在破坏性的技术领域。作为一个系统工程，脑机接口包括软硬多个组件，涉及微电子、神经科学、材料学、机器人、临床医学等多个学科，产学研医交叉融合、环环相扣。脑机接口技术面临的挑战一是安全性和有效性难以兼得，这一问题的待解限制了脑机接口技术的大范围运用。二是脑机接口的有效带宽，即到底植入多少个电极足以基本涵盖大脑重要活动或满足特定功能需求，仍是一个未知数。三是海量神经信号的处理仍是难题。四是社会普遍关注的脑机安全与伦理风险。数字控制技术复习：计算机控制系统复习：自动控制系统的组成自动控制系统与人生三个问题：WHHWhat:目标是什么?How:如何去实现?How:结果怎么样?在每个阶段都要设定好人生目标值，把控好人生实际值，做到人生闭环“无误差”或“小误差”控制。无论在什么时期，都要不负韶华，做一个内核稳定的人，为实现自己现阶段的人生目标而努力。今天用知识缝制铠甲，明天用铠甲成就不一样的人生。我是谁？我要什么？我去哪里？宠辱不惊，看庭前花开花落去留无意，望天上云卷云舒数筷子游戏——换个角度看世界典型工业被控对象过程控制系统（过程控制对象）生产过程的参量为被控制量，并使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。一般采用闭环控制。“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。运动控制系统（运动控制对象）被控对象是可运动的机械装置，并使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些机械量的综合控制。运动控制系统（机器人、运输机械、数控机床）包括运动控制器（MotionController）、驱动器（Driver）、电机（Motor），可以是没有反馈信号的开环控制，也可以带有反馈信号的闭环控制（全闭环和半闭环）。开环控制系统控制器传输信号给驱动器，驱动器驱动电机运动，驱动器和控制器都无法知道电机是否达到预期的动作，是属于开环控制。半闭环控制系统对控制要求更准确的系统，在电机侧增加测量器件（如旋转编码器)，反馈信号进入驱动器和控制器中，让驱动器或控制器根据反馈调整电机的动作，使实际与命令的误差降到最小，如普通伺服电机控制系统。全闭环控制系统需要比半闭环更精准的运动系统，在执行端增加位置监测元件，直接测量运动的实际位置，使执行更加准确，如直线电机控制系统。数字控制技术数字控制技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是以微电子技术为基础，以自动化技术和计算机技术为核心，综合机电一体化技术发展起来的。数字程序控制：计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动完成工作的控制方式。（数控机床、机器人）计算机数控系统（CNC）：输入装置、输出装置、控制器和插补器。其中控制器、插补器和部分输入输出功能由计算机承担。数字控制技术的发展数控技术强国：美（哈斯、埃玛克）、德（西门子、kuka）、日（FANUC、三菱）中国发展过程：1/3数字控制的基本原理以计算机绘图为例1.将曲线分段，确定基本点坐标；2.通过插值（补插）确定基本坐标点之间的中间值；3.以脉冲信号控制步进电机带动绘图器具按计算出的各点坐标移动。插补形式直线插补给定的基点间用近似直线逼近。二次曲线插补给定的基点间用近似曲线逼近。步长：每个脉冲移动的相对位置。步数：从起点坐标移动到终点坐标需要的脉冲数。？？应如何选择插补形式才合理？？插补方法逐点比较插补法动点每走一步都需要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看动点是在给定轨迹的上方还是下方，或是给定轨迹的里面还是外面，从而决定下一步的移动方向。如果动点在给定轨迹下方，下一步应该朝哪个方向走？怎么判断动点的位置呢？

1.第一象限内的直线插补

2.四个象限的直线插补

3.直线插补运算的程序实现

4.直线插补举例逐点比较法直线插补偏差计算公式加工出第一象限直线段OA，起点为坐标原点，终点坐标A(xe，ye)是已知的。点m(xm,ym)为加工点（动点），若点m在直线段OA上，则有

ymxe-xmye＝0现定义直线插补的偏差判别式为

Fm＝ymxe-xmye

第一象限内的直线插补

Fm＝ymxe-xmye若Fm＝0，点m在OA直线段上；若Fm＞0，点m在OA直线段的上方，即点m’处；若Fm＜0，点m在OA直线段的下方，即点m”处。第一象限直线逐点比较法插补的原理是：从直线的起点（即坐标原点）出发，当Fm≥0时，沿＋x轴方向走一步；当Fm＜0时，沿＋y方向走一步；当两方向所走的步数与终点坐标(xe,ye)相等时，发出终点到信号，停止插补。第一象限内的直线插补推导简化的偏差计算公式：①设加工点在m点，当Fm≥0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿＋x方向进一步至(m＋1)点，该点的坐标值为

xm+1=xm+1ym+1=ym

该点的偏差为

Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=Fm-ye

第一象限内的直线插补Fm＝ymxe-xmye推导简化的偏差计算公式：②设加工点在m点，当Fm＜0时，表明m点在OA下方，应向＋y方向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为

xm+1=xm

ym+1=ym+1该点的偏差为

Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe

第一象限内的直线插补Fm＝ymxe-xmye

推导简化的偏差计算公式：总结：当Fm≥0时，应沿＋x方向进给一步至(m+1)点，Fm+1=Fm-ye

当Fm＜0时，应向＋y方向进给一步至(m+1)点，Fm+1=Fm+xe简化后偏差计算公式中只有一次加法或减法运算，新的加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差Fm和终点坐标相加或相减得到。注意，加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即F0＝0。第一象限内的直线插补第一象限内的直线插补终点判断方法

①设置Nx和Ny两个减法计数器，在加工开始前，在Nx和Ny计数器中分别存入终点坐标值xe和ye，在x坐标（或y坐标）进给一步时，就在Nx计数器（或Ny计数器）中减去1，直到这两个计数器中的数都减到零时，到达终点。②用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标进给的总步数Nxy，x或y坐标进给一步，Nxy就减1，若Nxy＝0，则就达到终点。（3）插补计算过程第一象限内的直线插补

四个象限的直线插补直线插补的进给方向及偏差计算公式偏差1象限2象限3象限4象限偏差公式Fm≥0（上）+x（上）-x（下）-x（下）+xFm+1=Fm-yeFm＜0（下）+y（下）+y（上）-y（上）-yFm+1=Fm+xe说明：Nxy=Nx+Ny；xoy等于1、2、3、4分别代表第一、第二、第三、第四象限，xoy的值可由终点坐标(xe,ye)的正、负符号来确定；Fm的初值为F0＝0；ZF＝1、2、3、4分别代表+x、-x、+y、-y走步方向。直线插补运算的程序实现内存单元XEYENXYFMXOYZF存放内容终点横坐标xe终点纵坐标ye总步数Nxy加工点偏差Fm所在象限值xoy走步方向数据的输入及存放直线插补运算的程序实现直线插补计算的程序流程计算程序四个步骤:偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断偏差判别、偏差计算、终点判断是逻辑运算和算术运算，通过程序实现,坐标进给是给步进电机的走步脉冲,由步进电机带动机床工作台或刀具移动。例：设加工第一象限直线OA，起点为O(0，0)，终点坐标为A(6，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。解：坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10,xe=6,ye=4,F0=0,xoy=1。直线插补举例步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判断起点F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F1<0+yF2=F1+xe=2Nxy=83F2>0+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F3<0+yF4=F3+xe=4Nxy=65F4>0+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F6<0+yF7=F6+xe=2Nxy=38F7>0+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F8<0+yF9=F8+xe=4Nxy=110F9>0+xF10=F9-ye=0Nxy=0直线插补举例解：坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10,xe=6,ye=4,F0=0,xoy=1。作业1、若加工第一象限直线OA，起点O(0，0)，终点A(4，6)，要求用逐点比较插补法进行列表计算，并作出走步轨迹图。数字程序控制方式点位控制只要求控制刀具行程终点的坐标值，但是路径、移动的速度、方向趋近都无规定，在移动过程中不做任何加工。这类控制用于孔加工机床，如钻床、镗床、冲床等。直线切削控制主要是控制行程的终点坐标值，不过还要求刀具相对于工件平行某一直角坐标轴作直线运动，且在运动过程中进行切削加工。这类控制用于铣床、车床、磨床、加工中心等。轮廓切削控制能够控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。这类控制用于铣床、车床、磨床、齿轮加工机床等。计算机数控系统开环数控系统

没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。

步进电机接收步进电机驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转，把刀具移动到与指令脉冲相当的位置，至于刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，那是不受任何检查的，因此这种控制的可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。计算机数控系统闭环数控系统执行机构多采用直流电机作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器（码盘）、光栅、感应同步器等，该控制方式主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，一些常规的数控系统很少采用。计算机数控系统闭环数控系统开环数控系统请分析两种系统的优缺点！计算机绘图模拟电路1号电机带动x方向2号电机带动y方向逐点比较插补算法什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程？偏差计算公式、终点判断方法圆弧插补计算过程？开环控制系统控制器传输信号给驱动器，驱动器驱动电机运动，驱动器和控制器都无法知道电机是否达到预期的动作，是属于开环控制。全闭环控制系统需要比半闭环更精准的运动系统，在执行端增加位置监测元件，直接测量运动的实际位置，使执行更加准确，如直线电机控制系统。反馈控制原理反馈控制原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。反馈控制的本质：检测偏差再纠正偏差自动控制系统与人生三个问题：WHHWhat:目标是什么?How:如何去实现?How:结果怎么样?在每个阶段都要设定好人生目标值，把控好人生实际值，做到人生闭环“无误差”或“小误差”控制。无论在什么时期，都要不负韶华，做一个内核稳定的人，为实现自己现阶段的人生目标而努力。今天用知识缝制铠甲，明天用铠甲成就不一样的人生。我是谁？我要什么？我去哪里？宠辱不惊，看庭前花开花落去留无意，望天上云卷云舒液位控制系统液位控制系统框图被控对象：储液罐被控量：液位测量元件：液位测量变送器执行机构：调节阀给定量：液位控制器的作用控制器执行器被控对象检测变送装置被控变量干扰给定值＋－控制器+－广义对象补偿因素固定因素

系统校正：在原有系统中有目的的添加某些参数可以根据需要而改变的辅助装置，从而改变系统的结构和性能。稳定快速准确注意：

1不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。

2系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。对自动控制系统的基本要求复习：控制系统的性能指标动态过程指系统受到外加信号（给定值或扰动）作用后，被控量随时间变化的全过程。动态过程可以反映系统内在性能的好坏，评价系统优劣的性能指标也是从动态过程中定义出来的。稳态误差:系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。精确性：控制精度，以稳态误差来衡量。tdtrtptsc(t)Δc(∞)D=0.02或0.05c(tp)r(∞)c(∞)e(∞)1.稳态性能指标延迟时间：输出量达到稳态值一半所需的时间时间指标表征快速性

上升时间：第一次达到稳态值所对应的时间（对有振荡系统）;输出量从输出稳态值的10%到90%的时间（对无振荡系统）过渡过程时间（或称调节时间）：输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。tdtrtptsc(t)Δc(∞)D=0.02或0.05c(tp)r(∞)c(∞)e(∞)2.动态性能指标最大超调量:输出最大值与输出稳态值的相对误差最大超调量表征控制系统的相对稳定性注：通常在阶跃信号作用下测定控制系统的性能指标。tdtrtptsc(t)Δc(∞)D=0.02或0.05c(tp)r(∞)c(∞)e(∞)2.动态性能指标时间域：

微分方程差分方程状态方程主要模型形式及相互关系复数域：

传递函数结构图频率域：

频率特性控制系统数学模型的形式L：拉氏变换F：傅里叶变换常用的校正方法低频段（第一个转折前）表征系统的稳态性能。中频段(w1~10wc)表征系统的动态性能。高频段(10wc

以后的频段)表征系统的抗干扰的能力。

传递函数频率特性

控制系统性能指标（超调量、调节时间、稳态误差）

控制器的

传递函数改造806040200-20-4010-310-210-1100101900-90-180-270[-1][-2]1.5806040200-20-4010-310-210-1100101900-90-180-270[-1][-2]1.5wc0≈2.7,go≈-33owg0=1.41,Kg0=-10.5dBwc=1.5,g=51owg=4.1,Kg=15dBGC(s)H(s)G0(s)串联校正频域设计通常基于Bode图进行，处理起来十分简单（校正后系统Bode图即为原有系统Bode图和校正装置Bode图的直接相加）。对于某些数学模型推导起来比较困难的元件，如液压和气动元件，通常可以通过频率响应实验来获得其Bode图。常用的校正方法PID调节器在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器出现于30年代末期，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，应用广泛。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制规律PID(ProportionalIntegralDerivative)控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的控制规律。P、PI、PD、PIDPID控制原理，看了开头，你就会看到结尾！_哔哩哔哩_bilibili控制器Gc(s)+－广义对象Lc(w)jc0[-1][+1]-20lgbL(w)wwjm20+mw00T1模拟校正装置无源校正装置有源校正装置86输入通道及接口输出通道及接口被控对象外存人机接口计算机数据采集数据处理控制输出计算机控制系统的控制功能是运行在计算机中的程序实现的，不是单纯的硬件功能，但习惯上仍将其称为控制器。计算机控制系统的控制器87计算机系统的控制器属于数字控制器，即控制器的输入和输出均为数字量。而多数被控对象属于模拟系统，计算机控制系统严格的说属于数字模拟混合系统。对于这种混合系统的控制器通常采用两种等效方法进行设计：1）数字控制器直接设计法。2）数字控制器间接设计法。计算机控制系统的控制器计算机控制器对于这种混合系统的控制器通常采用两种方法进行设计：1）将虚线框外部的输入、输出与被控对象用数学方法处理为数字量，各环节等效为数字环节，整个系统等效为数字控制系统，再采用离散系统的理论方法进行数字控制器的设计。这种方法称为数字控制器直接设计法。2）将虚线框内的A/D、D/A和微机控制器都看成模拟量，整个系统等效为模拟控制系统，采用模拟控制系统的理论方法设计模拟控制器，再将模拟控制器离散化后得到数字控制器。这个方法称为数字控制器间接设计法。PID控制规律

Kp，可调节快速性、稳态性能和相对稳定性Ti，可改善稳态性能（准确性）Td，可改善稳定性和快速性，但会放大噪声wc0≈2.7,go≈-33owg0=1.41,Kg0=-10.5dBwc=1.5,g=51owg=4.1,Kg=15dB数筷子游戏——换个角度看世界横看成岭侧成峰，远近高低各不同。

不识庐山真面目，只缘身在此山中。要认识事物的真相与全貌，需要不断拓宽自己的视野和思维方式，从不同的角度去看世界。题西林壁PID调节规律的数字化模拟PID调节器的调节规律是由硬件实现的。在微机中PID调节规律是由软件实现的，为了实现PID调节规律需要对模拟PID调节器的调节规律进行离散化。比较常见的离散化方法为：1）首先采用采样周期T对输入模拟量进行采样，用e(k)表示模拟量e(t)在t=kT时刻的采样值；2）采用矩形法计算积分，用后向差分代替微分。矩形法计算积分后向差分计算微分PID调节规律的数字化

这个控制规律适合计算机编程实现吗？PID调节规律的数字化

直流伺服电机调速系统PID控制器的改进形式前面介绍的PID控制器为理想形式，实际场合为了改善控制效果，针对不同对象和条件，可以对PID算法进行改进，这就形成了PID控制器的改进形式。常用的PID控制器改进形式有：带死区的PID算法积分分离的PID算法带死区的PID算法

积分分离的PID算法

数字PID控制器的参数整定为了使控制系统不仅静态特性好，而且稳定性好、过渡过程快，正确地整定PID控制器的参数KP、TI、TD非常重要。PID参数的整定方法有：理论设计法和实验确定法。用理论设计法确定PID参数需要为被控对象建立精确的数学模型，这在一般的工作过程中是难以做到的。因此，实际主要采用实验确定法来整定PID参数，它的优点是整定参数时不必依赖控制对象的数学模型，另外这类方法是由经验频率法简化而来，虽然粗糙，但很适合现场应用。采样周期的选取数字PID控制器属于“准连续控制”，采样周期的选取对控制效果影响很大，所以数字PID控制器的参数整定除了KP、TI、TD还包括采样周期T。根据香农采样定理，只有采样频率达到系统信号最高频率的两倍或以上，才能使采样信号不失真地复现原来的信号。由于被控对象的物理过程及参数变化比较复杂，因此系统有用信号的最高频率是难以确定的。采样定理仅从理论上给出了采样周期的上限，实际采样周期要受到诸多因素的限制。采样周期的选取实际选取采样周期时，必须要综合考虑。一般应考虑如下因素：1）采样周期应比对象的时间常数小得多，否则，采样信号无法反应瞬变过程2）采样周期应远小于对象扰动信号的周期3）当系统纯滞后占主导地位时，应按纯滞后大小选取采样周期，尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍4）考虑执行器的响应速度，如果执行器的响应速度比较慢，那么过小的采样周期将失去意义采样周期的选取5）在一个采样周期，计算机要完成采样、运算和输出，采样周期必须大于计算机完成这阶段操作所需的时间综上所述，采样周期的选取收到很多因素的制约，而且有些是互相矛盾的，必须视具体情况和主要要求作出折中的选择。以下表格给出了一些常见控制参数的经验采样周期，可供参考。表中给出的是采样周期T的上限，随着计算机技术的发展，一般可以选取更短一点的采样周期。采样周期越短，控制精度越高，数字控制系统更接近连续控制系统。采样周期的选取被控参数采样周期（秒）备注流量1~5优先选用1~2压力3~10优先选用6~8液位6~8温度15~20或者取纯滞后时间成分15~20常用被控参数的经验采样周期试凑法整定PID参数试凑法是通过仿真或者实际运行，观察系统对典型输入信号的响应，根据各控制参数对系统性能的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。各控制参数对系统响应的影响如下：1）增大比例系数KP，一般将加快系统的响应速度，如果是有差系统，则有利于减小静差。但比例系数过大，会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。2）增大积分时间TI，有利于减小超调，使系统稳定性提高，但系统静差的消除将随之减慢。3）增大微分时间常数TD，有利于减小超调量，提高系统稳定性，但系统抗干扰能力变差，对扰动过于敏感。试凑法整定PID参数根据各参数对系统响应的影响，可直接对控制器参数进行整定，并对有关参数进行反复调试，直到系统响应满意为止。具体方法如下：1）先投入比例，整定比例系数先投入纯比例控制器，比例系数从小到大，逐渐增加，观察系统响应，使系统的过渡过程达到4:1的衰减振荡和较小的静差。如果系统静差已小于允许范围，系统响应满意，那么只需要用比例控制器即可，参数整定结束。试凑法整定PID参数2）加入积分时间，整定积分时间如果只用比例控制，系统静差不能满足设计要求，则需加入积分部分。整定时，先将比例系数KP减小10%~20%，以补偿因积分作用加入而引起的系统稳定性下降。然后从大到小调节TI，在保持系统响应良好的情况下，使静差得到消除。3）加入微分，整定微分时间以上两步骤调整后，系统动态过程让不能令人满意。可加入微分部分，构成PID控制器。整定时TD由0开始逐渐增大，同时反复调节KP及TI，直到获得比较满意的控制效果为止。试凑法整定PID参数被控参数KPTITD流量对象时间常数小，并有噪声，故KP较小，TI较小，不用微分1~2.50.1~1湿度对象为多容量系统，有较大滞后，常加入微分1.6~53~100.5~3压力对象为容量系统，滞后不大，不加微分1.4~3.50.4~3温度在允许有静差时，不必采用积分和微分1.25~5常见被控参数的控制器参数的选择范围扩充临界比例法整定PID参数试凑法确定PID控制器参数，需要较多的现场试验，有时候实施起来不方便。利用整定模拟PID调节器时取得的经验，根据一些基本的试验所得数据，由经验公式导出PID控制器参数，从而减少试凑次数。常用的方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。扩充临界比例度法是临界比例度法的扩充，整定步骤如下：1）选取一个较短的采样周期Tmin，一般为对象纯滞后时间的1/102）先投入纯比例控制器，逐渐增大比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态。

系统的临界振荡状态扩充临界比例法整定PID参数扩充临界比例法整定PID参数

扩充临界比例法整定PID参数根据选定的控制度查表，可求得T、KP、TI和TD控制度控制规律TKPTITD1.05PI-PID1.20PI-PID1.50PI-PID2PI-PID扩充响应曲线法整定PID参数某些系统例如锅炉水位控制系统，不允许进行临界振荡实验。对于这样的系统可以采用另一种整定方法：扩充响应曲线法来整定。扩充响应曲线法是响应曲线法的扩充，整定步骤如下：1）断开数字PID控制器，使系统在手动状态下工作，人为地改变手动信号，给被控对象一个阶跃输入信号。2）用仪表记录下被控参数的变化过程，即对象的阶跃响应曲线。扩充响应曲线法整定PID参数

扩充响应曲线法整定PID参数4）选择控制度，根据选择的控制查表，可求得T、KP、TI和TD控制度控制规律TKPTITD1.05PI-PID1.20PI-PID1.50PI-PID2PI-PID串级控制串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制技术。单回路PID控制结构简单，控制参数容易整定。但是当系统中存在多个因素影响同一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。串级控制通过增加一个或多个内回路，用以控制可能引起被控量变化的其他情况，有效控制被控对象的时滞特性，提高系统动态响应的快速性。串级控制TCFC加热炉流量检测温度检测空气进料出料阀门流量控制温度控制煤气炉温控制系统数字串级控制算法

副对象主对象

炉温和煤气流量串级控制结构

数字串级控制算法

数字串级控制算法根据串级控制系统中主回路控制器与副回路控制器的关系，计算顺序应该从外向内进行。计算过程如下：1）计算主回路的偏差2）计算主回路控制器的输出3）计算副回路的偏差4）计算副回路控制器的输出副回路微分先行串级控制算法串级控制通过增加副回路来提高对扰动的抑制能力。与单回路PID控制系统，串级控制的控制器也可以采用改进形式来适应不同的被控对象和控制要求。微分先行PID控制是只对输出量进行微分，而对给定指令不起微分作用，因此它适合于给定指令频繁升降的场合，可以避免指令的改变导致超调过大。串级控制系统中的副回路控制器给定值来自于主控制器的输出，为了防止主回路输出过大引起副回路的不稳定，可以在副回路控制器中采用微分先行控制。微分先行PID控制串级控制的参数整定串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。1）逐步逼近法：逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。2）两步整定法：两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主调节器进行一次参数整定。3）一步整定法：一步整定发就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。前馈控制一般定值控制系统是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节，属于闭环负反馈调节。其特点是在被控变量出现偏差后才进行调节；如果干扰已经发生而没有产生偏差，调节器不会进行工作。因此反馈控制方式的调节作用落后于干扰作用。前馈控制属于开环控制，按照干扰作用来进行调节的。前馈控制将干扰测量出来并直接引入调节装置，对于干扰的克服比反馈控制及时。前馈控制前馈控制反馈控制前馈控制

前馈控制控制类型控制依据检测信号控制作用发生时间反馈控制被控变量的偏差被控变量偏差出现后（亡羊补牢）前馈控制干扰量的大小干扰量偏差出现前（未雨绸缪）前馈控制属于开环控制，控制效果不能通过反馈验证，对控制要求严格。前馈控制算法依被控对象不同而不同，没有像PID的通用控制算法。一种前馈控制只能克服一种干扰作用。实际生产过程中，极少采用前馈控制，一般采用前馈-反馈控制。前馈-反馈控制

前馈-串级控制

汽包H

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+_+++_++++锅炉汽包水位控制系统框图数字前馈-反馈控制算法根据系统结构，数字前馈-反馈控制算法实现步骤如下：1）计算反馈控制的偏差2）计算反馈控制器的输出3）计算前馈调节器的偏差4）计算前馈-反馈调节器的输出复习：计算机控制系统的典型结构直接数字控制系统DirectDigitalControl-DDC计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回检测，经过程输入通道输入计算机。计算机根据规定的控制规律和给定值进行运算，然后发出控制信号通过过程输出通道直接去控制执行机构，使被控量达到规定要求。复习：计算机控制系统的典型结构监督控制系统SupervisoryComputerControl-SCC在SCC中，由计算机按照描述生产过程的数学模型或其他方法，计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC，最后由DDC或模拟调节器控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。复习：计算机控制系统的典型结构集散控制系统DistributedControlSystem-DCS基本思想：分散控制、集中管理。系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级。分散控制，分散危险，提高可靠性；积木式结构，构成灵活，容易扩展；上位机采用显示器，操作、监视方便。控制级监控级管理级复习：计算机控制系统的典型结构现场总线控制系统FieldbusControlSystem-FCS现场总线控制系统采用了两层结构“工作站-现场总线智能仪表”，完成了DSC的三层结构功能，在统一的国际标准下能够真正的开放式互联、互操作，实现了控制的彻底分散。信号传输全数字化，提高了可靠性。网络集成计算机控制系统网络集成计算机控制系统工控网络：与工业自动化相关的计算机网络。计算机集散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）DCS的基本概念集散控制系统（DistributedControlSystem），又称为分布式控制系统，是一种以微处理器为核心部件，实行分散控制和集中显示及操作管理的计算机控制系统。DCS是计算机技术、通信技术、控制技术和图形显示技术相结合的产物。设计思想：分散控制、集中管理。设计原则：分而自治、综合协调。DCS的体系结构综合信息管理级以太网集中操作监控级工业以太网、MAP分散过程控制