第二章集散控制算法

1、分布式控制技術(shù)分布式控制技術(shù) 及其應(yīng)用及其應(yīng)用第二章 集散系統(tǒng)的控制算法本章知識(shí)點(diǎn) 1.PID控制算法 2.開(kāi)環(huán)數(shù)值控制 3.步進(jìn)電機(jī)控制 4.選擇性控制系統(tǒng) 5.前饋控制 6.解耦控制 7.時(shí)滯補(bǔ)償控制 8.推斷控制 9.計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制 第一節(jié) PID 控 制一、模擬PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器是一種線(xiàn)性調(diào)節(jié)器，它是將設(shè)定值與實(shí)際輸出值進(jìn)行比較構(gòu)成控制偏差，并將其比例、積分、微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量。模擬PID1. 比例調(diào)節(jié)器0PuK eu 控制器的輸出 比例系數(shù) 調(diào)節(jié)器輸入偏差 控制量的基準(zhǔn)uPKe0u比例作用：迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過(guò)大容易引起不穩(wěn)定。e(t)y00ttKP e

2、(t)其中：模擬PID2. 比例-積分調(diào)節(jié)器001dtPIuKee tuT積分作用：消除靜差，但容易引起超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩。e(t)y00tty1=KP e(t)K1 KP e(t)y2e(t)y00tt其中： 積分時(shí)間常數(shù)IT模擬PID3. 比例-微分調(diào)節(jié)器0ddPDeuKeTut其中： 微分時(shí)間常數(shù)DT微分作用：減小超調(diào)，克服振蕩，提高穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。模擬PID4. 比例-積分-微分調(diào)節(jié)器001dddtPDIeuKee tTuTte(t)y00tt KP e(t)KP K1 e(t)KP KD e(t)模擬PID二、數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器1. 用數(shù)值逼近的方法實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律。2.

3、 數(shù)值逼近的方法：用求和代替積分、用后向差分代 替微分，使模擬PID離散化為差分方程。3. 兩種形式：位置式、速度、增式。數(shù)字PID1. 位置式PID控制算法100()kDkPkjkkjITTuKeeeeuTT0( )dktjoje ttTe1d ( )dkkeee ttT位置式控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置uk，需要累計(jì)ek數(shù)字PID2. 速度式PID控制算法 增益算式除以采樣周期Ts ( )()( )()()(1)2hKCChCKdKKSSiSUKKVKTTTTTeeee數(shù)字PID3.增量式PID控制算法1111200()kDkPkjkkjITTuKeeeeuTT1112(2)DkkkPkkk

4、kkkITTuuuKeeeeeeTT100()kDkPkjkkjITTuKeeeeuTT增量式控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增量uk，只需要保持現(xiàn)時(shí)以前3個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。數(shù)字PID三種算法比較1. 從執(zhí)行器形式看： 位置算法只能直接用到數(shù)字式控制閥，對(duì)其它控制閥（須用D/A轉(zhuǎn)為模擬量保持電路，把輸出信號(hào)保持到下一個(gè)采樣周期的輸出信號(hào)）。 增量算法只能通過(guò)步進(jìn)電機(jī)等累積機(jī)構(gòu)化為模擬量。 速度算法須給帶有積分機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器。2. 從應(yīng)用方面看： 位置算法易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，同時(shí)難以手/自動(dòng)切換。 增量算法和速度算法可消除積分飽和現(xiàn)象，易實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)切換。數(shù)字PID數(shù)字PID常見(jiàn)被控量的PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇

5、范圍數(shù)字PID常見(jiàn)被控量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期數(shù)字PID三、PID算法改進(jìn)積分改進(jìn)2. 微分改進(jìn)PID算法改進(jìn) 積分算法改進(jìn)-圓整誤差問(wèn)題則運(yùn)算結(jié)果超過(guò)字長(zhǎng)而作為零丟失了 若偏差計(jì)算式：()()()0.16000.16050.0005KKKSPPVe 0.1IK ()0.1 ( 0.0005)0.00005I KU 由于計(jì)算機(jī)采用定點(diǎn)計(jì)算，存在字節(jié)精度問(wèn)題，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超過(guò)機(jī)器字節(jié)時(shí)，計(jì)算機(jī)就作為機(jī)器零將此數(shù)丟掉。PID算法改進(jìn) 積分算法改進(jìn)-積分分離 在小于某一界限（例如|e|），把UI切除。PID算法改進(jìn)一般PID積分分離PID開(kāi)始引入積分作用Y(t)t0P 采用積分分離算法時(shí)，在達(dá)到同樣的衰減比下

6、，顯著地降低了被控變量的起調(diào)量，大大縮短了過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，提高了系統(tǒng)的品質(zhì)。PID算法改進(jìn)PID算法改進(jìn)第二節(jié) 數(shù) 值 控 制返 回 順序控制和數(shù)值控制是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的控制方式 順序控制：控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝按預(yù)先規(guī)定的工藝要求，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，使生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地按預(yù)先規(guī)定的順序動(dòng)作 數(shù)值控制：用計(jì)算機(jī)把輸入的數(shù)字信息按一定的程序進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，去控制一個(gè)或幾個(gè)被控制對(duì)象，使被控制點(diǎn)按照某種軌跡運(yùn)動(dòng) 開(kāi)環(huán)數(shù)值控制 數(shù)字程序控制 就是計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機(jī)械（如各種加工機(jī)床）按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律自動(dòng)地完成工作的

7、自動(dòng)控制。 開(kāi)環(huán)數(shù)值控制利用數(shù)字控制原理實(shí)現(xiàn)的機(jī)械加工,繪圖設(shè)備 數(shù)字控制機(jī)床 線(xiàn)切割機(jī) 數(shù)字繪圖儀 銑床 焊接機(jī) 氣焊機(jī) 能加工形狀復(fù)雜的零件、加工精度高、生產(chǎn)效率高、便于改變加工零件品種，是機(jī)床自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。 開(kāi)環(huán)數(shù)值控制開(kāi)環(huán)數(shù)值控制系統(tǒng)的一般組成： 輸入輸出設(shè)備、控制器、插補(bǔ)器、工作臺(tái) 開(kāi)環(huán)數(shù)值控制1. 數(shù)值控制的基本原理開(kāi)環(huán)數(shù)值控制1).逐點(diǎn)輸入加工軌跡的坐標(biāo)不現(xiàn)實(shí)2).數(shù)控加工輪廓一般由直線(xiàn)、圓弧組成，也可能有一些非圓曲線(xiàn)輪廓，因此可以用分段曲線(xiàn)（曲線(xiàn)基點(diǎn)和曲線(xiàn)屬性）擬合加工輪廓3).輸出裝置為步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)每個(gè)軸以一定距離的步運(yùn)動(dòng)，實(shí)際加工輪廓是以折線(xiàn)軌跡擬合光滑曲線(xiàn)開(kāi)

8、環(huán)數(shù)值控制2. 步驟1)曲線(xiàn)分段： 圖中曲線(xiàn)分為三段，分別為ab、bc、cd，a、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)送計(jì)算機(jī) 分割原則：應(yīng)保證線(xiàn)段所連的曲線(xiàn)與原圖形的誤差在允許范圍之內(nèi)開(kāi)環(huán)數(shù)值控制2)插補(bǔ)計(jì)算： 插補(bǔ)計(jì)算： 給定曲線(xiàn)基點(diǎn)坐標(biāo)，求得曲線(xiàn)中間值的數(shù)值計(jì)算方法 插補(bǔ)計(jì)算原則：通過(guò)給定的基點(diǎn)坐標(biāo)，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點(diǎn)，這些中間點(diǎn)的坐標(biāo)值以一定的精度逼近給定的線(xiàn)段 插補(bǔ)： 直線(xiàn)插補(bǔ)、二次曲線(xiàn)插補(bǔ)（圓弧、拋物線(xiàn)、雙曲線(xiàn)等）開(kāi)環(huán)數(shù)值控制3)折線(xiàn)逼近： - 根據(jù)插補(bǔ)計(jì)算出的中間點(diǎn)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)繪圖筆、刀具等，從而繪出圖形或加工所要求的輪廓 - 步長(zhǎng)：刀具對(duì)應(yīng)于每個(gè)脈

9、沖移動(dòng)的相對(duì)位置，用x, y表示 x方向步數(shù)：Nx(xe-x0)/xy方向步數(shù)：Ny(ye-y0)/y開(kāi)環(huán)數(shù)值控制3.逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 1) 一點(diǎn)一比較，一步步逼近：刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較一次，決定下一步的進(jìn)給方向 2) 用階梯狀折線(xiàn)來(lái)逼近直線(xiàn)或圓弧等曲線(xiàn) 3) 逐點(diǎn)比較法的最大誤差：一個(gè)脈沖當(dāng)量（步長(zhǎng)）開(kāi)環(huán)數(shù)值控制4. 逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)1) 第一象限內(nèi)的直線(xiàn)插補(bǔ)開(kāi)環(huán)數(shù)值控制偏差計(jì)算式： 若點(diǎn) M 在OP直線(xiàn)段上，則有xm/ym= xe/ye，即ymxe - xmye0，因此取偏差計(jì)算式為 Fm= ymxe xmye偏差判別： 若Fm = 0，則點(diǎn) M 在OP

10、直線(xiàn)段上 若Fm 0，則點(diǎn) M 在OP直線(xiàn)段的上方 若Fm 0，則點(diǎn) M 在OP直線(xiàn)段的下方開(kāi)環(huán)數(shù)值控制進(jìn)給方向確定： 當(dāng)Fm 0時(shí)，沿 +x 軸方向走一步 當(dāng)Fm 0，沿 +y 方向走一步 當(dāng)目前坐標(biāo)與終點(diǎn)坐標(biāo)相等，停止插補(bǔ)開(kāi)環(huán)數(shù)值控制偏差計(jì)算的簡(jiǎn)化：111mmmmxxyy- 設(shè)加工點(diǎn)在 M 點(diǎn)，若Fm 0，這時(shí)沿 +x 軸方向走一步至M1點(diǎn)，則走一步的新坐標(biāo)為 該點(diǎn)偏差為： Fm+1 = ym+1 xe - xm+1 ye = ymxe - (xm +1)ye = Fm - ye開(kāi)環(huán)數(shù)值控制- 設(shè)加工點(diǎn)在 M 點(diǎn)，若Fm 0，則 M 點(diǎn)在圓弧外 若Fm 0，則 M 點(diǎn)在圓弧內(nèi)開(kāi)環(huán)數(shù)值控制進(jìn)

11、給方向確定： 對(duì)逆圓弧插補(bǔ)：當(dāng)Fm 0時(shí)，沿 x 軸方向走一步；當(dāng)Fm 0時(shí)，沿 +y 方向走一步 對(duì)順圓弧插補(bǔ)：當(dāng)Fm 0時(shí)，沿 y 軸方向走一步；當(dāng)Fm 0時(shí)，沿 + x方向走一步開(kāi)環(huán)數(shù)值控制偏差計(jì)算的簡(jiǎn)化（以逆圓弧插補(bǔ)為例） ： 當(dāng)Fm 0時(shí)，向 x 方向進(jìn)給一步，新點(diǎn)坐標(biāo)為 （xm+1， ym+1) = ( xm1, ym ) 該點(diǎn)偏差為121mmmFFx 當(dāng)Fm 坐標(biāo)進(jìn)給 - 偏差計(jì)算 -坐標(biāo)計(jì)算- 終點(diǎn)判斷直線(xiàn)插補(bǔ)：偏差計(jì)算使用終點(diǎn)坐標(biāo) xe，ye圓弧插補(bǔ)：偏差計(jì)算使用前一點(diǎn)坐標(biāo) xm，ym開(kāi)環(huán)數(shù)值控制2）四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ)開(kāi)環(huán)數(shù)值控制開(kāi)環(huán)數(shù)值控制開(kāi)環(huán)數(shù)值控制6. 8方向逐點(diǎn)比較法

12、線(xiàn)性插補(bǔ)原理在相鄰兩個(gè)坐標(biāo)軸方向上同時(shí)進(jìn)給脈沖, 不分圓弧或直線(xiàn)。開(kāi)環(huán)數(shù)值控制1）單指令和雙指令 單指令：只沿坐標(biāo)軸方向的進(jìn)給 雙指令：沿兩個(gè)相鄰坐標(biāo)軸方向同時(shí)進(jìn)給開(kāi)環(huán)數(shù)值控制2）偏差值計(jì)算 記網(wǎng)格垂直邊的中點(diǎn) M 的 y 坐標(biāo)值為 h1，OP直線(xiàn)段與該垂直邊交點(diǎn)的縱坐標(biāo)為h0，NTOT進(jìn)給總步數(shù)，則偏差判別式定義為 F = (h1 - h0) NTOT F 0，發(fā)雙指令 F B-C-A相輪流通電，則磁場(chǎng)沿相輪流通電，則磁場(chǎng)沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)360度角，轉(zhuǎn)子沿度角，轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距的位置。方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距的位置。齒數(shù)為齒數(shù)為4，齒距角為，齒距角為90度，即度，即1個(gè)齒

13、距轉(zhuǎn)動(dòng)了個(gè)齒距轉(zhuǎn)動(dòng)了90度度步進(jìn)電機(jī)控制4. 幾個(gè)概念1）步進(jìn)電機(jī)的“ 相”和“ 拍” 相：繞組的個(gè)數(shù) 拍：繞組的通電狀態(tài)，三拍表示一個(gè)周期共有3種通電狀態(tài)，六拍表示一個(gè)周期有6種通電狀態(tài)，每個(gè)周期步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距。2）步進(jìn)電機(jī)的步距角： 步進(jìn)電機(jī)每拍步進(jìn)的角度： 360/(NZ) N：步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù) Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù) 步進(jìn)電機(jī)控制5. 步進(jìn)電機(jī)的工作方式1）單三拍方式： 正向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)?ABCA 反向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)?ACBA步進(jìn)電機(jī)控制2）雙三拍方式： 正向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)?ABBCCAAB 反向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)?ABACCBAB步進(jìn)電機(jī)控制3）三相六拍方式 正向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)?

14、AABBBCCCAA 反向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)?AACCCBBBAA步進(jìn)電機(jī)控制6. 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)電機(jī)控制脈沖發(fā)生器脈沖分配器功率放大器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載方向控制1）步進(jìn)電機(jī)常規(guī)控制系統(tǒng)2）步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)CPU接口驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載步進(jìn)電機(jī)控制3）微機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能(I) 改變輸出脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的走步數(shù)。(II)改變各相繞組的通電順序，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。(III)改變輸出脈沖的頻率，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)控制4)利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制必須解決的問(wèn)題： (I) 脈沖序列的形成 利用軟件形成脈沖序列步進(jìn)電機(jī)控制利用定時(shí)器形成脈沖序列開(kāi) 始設(shè)值高電平延時(shí)計(jì)數(shù)初

15、值設(shè)置脈沖個(gè)數(shù)輸出高電平啟動(dòng)計(jì)時(shí)允許定時(shí)器中斷開(kāi)中斷設(shè)置定時(shí)器工作方式中斷等待開(kāi) 始輸出高電平否？加載低電平延時(shí)計(jì)數(shù)初值禁止定時(shí)器中斷輸出低電平輸出信號(hào)反相加載高電平延時(shí)計(jì)數(shù)初值脈沖數(shù)夠否？返 回否否是是步進(jìn)電機(jī)控制(II) 延時(shí)或定時(shí)時(shí)間的確定 設(shè) Ti 為相鄰兩個(gè)進(jìn)給脈沖之間的時(shí)間間隔，Vi 為進(jìn)給一步后的末速度，a 為進(jìn)給一步的加速度，則有： 步進(jìn)電機(jī)控制5) 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制 (i) 用單片機(jī)的一位輸出口控制步進(jìn)電機(jī)的一相繞組，例如，可以用P1.0、P1.1、P1.2分別控制A、B、C三相繞組。 (ii) 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型和控制方式找出相應(yīng)的控制模型。 (iii) 按照控制方式

16、規(guī)定的順序向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖序列，即可控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電機(jī)控制 三種不同工作方式下的控制模型步步 序序控控 制制 位位通電狀態(tài)通電狀態(tài) 控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1001A01H2010B02H3100C04H 單相三拍方式 雙相三拍方式步步 序序控控 制制 位位通電狀態(tài)通電狀態(tài) 控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1011AB03H2110BC06H3101CA05H步進(jìn)電機(jī)控制 三相六拍方式步步 序序控控 制制 位位通電狀態(tài)通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)PC2/C相相PC1/B相相PC0/A相相1001A01H2011AB03H3

17、010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H步進(jìn)電機(jī)控制6)步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)判斷旋轉(zhuǎn)方向按順序傳送控制脈沖判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢 步進(jìn)電機(jī)控制7)步進(jìn)電機(jī)的變速控制(i)一個(gè)靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)的瞬間采取加速的措施；反之，從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有減速的措施。(ii)變速控制程序：在啟動(dòng)時(shí)以低于響應(yīng)頻率的速度運(yùn)行，然后慢慢加速，加速到一定速率后以此速率恒速運(yùn)行；當(dāng)快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率的速率下運(yùn)行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制(iii)變速控制的方法 改變控制方式 均勻地改變脈沖時(shí)間間隔

18、 改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)步進(jìn)電機(jī)控制第四節(jié) 選擇性控制返 回1 概述2 選擇性控制系統(tǒng)類(lèi)型3 典型應(yīng)用4 選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)必須要保證在非正常工況安全生產(chǎn)，一般采取的處理方法有： 連鎖保護(hù)緊急性停車(chē) 自動(dòng)切換至手動(dòng) 都會(huì)造成生產(chǎn)停止, 要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)生產(chǎn) 選擇性控制系統(tǒng) 當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限制條件時(shí)，一個(gè)用于控制不安全工況的控制方案將取代正常情況下的控制方案，直到生產(chǎn)操作重新回到安全范圍以?xún)?nèi)，恢復(fù)原控制方案為止。選擇性控制 選擇性控制概念 把工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系，疊加到正常的自動(dòng)控制系統(tǒng)上去的一種組合控制方法。 即在一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，設(shè)有兩個(gè)調(diào)節(jié)器(或兩個(gè)以上的變送器

19、)，通過(guò)高、低值選擇器選出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。選擇性控制 從20世紀(jì)60年代以來(lái)，選擇性控制系統(tǒng)發(fā)展很快，這種系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是使用選擇器，可以在兩個(gè)或多個(gè)控制器的輸出端，或幾個(gè)變送器輸出端對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇，以適應(yīng)不同的需要。 Uo=min(U1，U2，.，Um)或 Uo=max(U1，U2，.，Um) 選擇性控制 在正常工況下，輸出參數(shù)不會(huì)超限，所以也不考慮用它進(jìn)行控制； 而在非常工況下，該參數(shù)會(huì)達(dá)到極限值，這時(shí)又要求采取強(qiáng)有力的控制手段，避免超限。選擇性控制的特點(diǎn)選擇性控制選擇性控制 要構(gòu)成選擇性控制，生產(chǎn)操作必須有一定選擇性邏輯關(guān)系。即何種情況下采用何種

20、控制方式。 選擇性控制的實(shí)現(xiàn)：需要具有選擇功能的自動(dòng)選擇器(高值選擇器或低值選擇器)或有自動(dòng)關(guān)切換裝置來(lái)完成。選擇性控制選擇性控制系統(tǒng)的類(lèi)型 按照選擇器在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的位置不同，選擇性控制系統(tǒng)可分為兩類(lèi)： 選擇器放在調(diào)節(jié)器之后，對(duì)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)進(jìn)行選擇控制； 特點(diǎn)：幾個(gè)調(diào)節(jié)器共用一個(gè)調(diào)節(jié)閥選擇性控制選擇性控制選擇器放在調(diào)節(jié)器之前，對(duì)測(cè)量信號(hào)做選擇性控制。 特點(diǎn)：幾個(gè)變送器合用一個(gè)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器對(duì)象2執(zhí)行器對(duì)象3給定-對(duì)象1HS輸出選擇性控制 按照輸出信號(hào)，選擇性控制系統(tǒng)可分為兩類(lèi)： 調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)選擇性控制 特點(diǎn)：選擇器位于調(diào)節(jié)器之后，共用一個(gè)調(diào)節(jié)閥。 正常生產(chǎn)時(shí)，取代調(diào)節(jié)器處于待命備用狀態(tài)。

21、不正常工況出現(xiàn)時(shí)，由選擇器選出能適應(yīng)工況的控制 信號(hào)，用取代調(diào)節(jié)器工作。選擇性控制 測(cè)量信號(hào)的選擇性控制 幾個(gè)變送器合用一個(gè)調(diào)節(jié)器，通過(guò)選擇器選擇變送器輸出信號(hào)。 一般有兩個(gè)目的： 1)選出最高或最低值選擇性控制例：在反應(yīng)器中，由于流體流動(dòng)和觸媒老化，反應(yīng)程度在各個(gè)位置不同。為防止燒壞觸媒，要找出最高溫度點(diǎn)。選擇性控制 2)選出可靠的測(cè)量值 例：在某些反應(yīng)器中，采用成分作為被控量。如果成分傳感器性能不夠，控制失敗可能導(dǎo)致爆炸危險(xiǎn)。 采取冗余技術(shù)，同時(shí)安裝三個(gè)傳感器，取其最可靠的中間值。選擇性控制 例1 鍋爐燃燒系統(tǒng)幾個(gè)控制器共用一臺(tái)執(zhí)行器，這幾個(gè)控制器都是對(duì)同一對(duì)象的不同狀態(tài)進(jìn)行控制。P1C和

22、PT構(gòu)成蒸汽壓力控制系統(tǒng)P2C和PT構(gòu)成燃料壓力過(guò)高保護(hù)系統(tǒng)選擇性控制選擇性控制例2 精餾塔選擇性控制系統(tǒng)例3 利用選擇器實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性控制 選擇性控制例4.帶有邏輯運(yùn)算規(guī)律的選擇性系統(tǒng)鍋爐蒸汽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：增加燃料時(shí)，空氣先行 減少燃料時(shí)，燃料先行 選擇性控制調(diào)節(jié)器正反作用選擇選擇性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 正常調(diào)節(jié)器一般用PI或PID，取代調(diào)節(jié)器一般保證迅速采取措施，防止事故發(fā)生，故采用P控制規(guī)律。 包括高值選擇器、低值選擇器如何選擇要看在何種條件下選擇取代調(diào)節(jié)器，如果是輸出高時(shí)，就采用高值選擇器。否則相反。選擇選擇器選擇性控制(2)選擇器選型 當(dāng)生產(chǎn)處于不正常時(shí)取代調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)應(yīng)減小，故選用低值選擇器

23、。以防止大的開(kāi)度。(1)調(diào)節(jié)器正反作用選擇 對(duì)于正常調(diào)節(jié)器：蒸汽壓力升高，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)應(yīng)減小，故應(yīng)選其為反作用方式。 對(duì)于取代調(diào)節(jié)器：當(dāng)天然氣壓力升高應(yīng)使其輸出壓力減小，故應(yīng)選為反作用方式。(3)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。蒸汽壓力調(diào)節(jié)器用PI，天然氣壓力調(diào)節(jié)器采用P控制規(guī)律。以鍋爐燃燒系統(tǒng)為例選擇性控制第五節(jié) 前饋控制返 回1、問(wèn)題的提出 包括單回路、串級(jí)控制系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)都是反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。 其特點(diǎn)是：當(dāng)被控過(guò)程受到擾動(dòng)后，須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差時(shí)，控制器才動(dòng)作，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響，算是一種“事后”補(bǔ)償。 被控參數(shù)正是因?yàn)橛袛_動(dòng)才產(chǎn)生偏差，若能在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)就進(jìn)行控制，而并非是在偏差發(fā)生后再

24、進(jìn)行控制，這樣的控制方案一定可以更有效地消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。 “前饋控制”正是基于這種思路而提出的。前饋控制所謂前饋控制，實(shí)質(zhì)上是一種按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制的基本概念是測(cè)取進(jìn)入過(guò)程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使受控變量維持在設(shè)定值上。 2. 概念前饋控制3. 特點(diǎn)當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生后，被控變量還未顯示出變化以前，根據(jù)擾動(dòng)作用大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用隊(duì)被控變量的影響。前饋控制4.簡(jiǎn)單換熱器前饋控制前饋控制進(jìn)料處有干擾 F，)(sGf 為擾動(dòng)通道傳函數(shù))(sGd 為前饋補(bǔ)償通道)(sGo 為控制通道傳函數(shù))()()()()(sF

25、sGsGsGsYOdf為了使擾動(dòng)F作用為0，即Y=00fdOGGG0GGGfd，前饋控制前饋控制是有局限性的：對(duì)補(bǔ)償結(jié)果無(wú)法檢測(cè)；難以對(duì)每個(gè)干擾均設(shè)計(jì)一套前饋控制裝置；一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制質(zhì)量。 復(fù)合控制的好處： 既發(fā)揮了前饋校正及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)， 又保持了反饋控制能抑制多個(gè)干擾 并對(duì)被控量始終給予檢驗(yàn)的長(zhǎng)處。 5 復(fù)合控制：前饋+反饋前饋控制例 加熱爐前饋反饋控制由于 dG很難實(shí)現(xiàn)ofGG， 利用前饋減弱F的主要影響，反饋系統(tǒng)克服其余擾動(dòng)及前饋補(bǔ)償不完全部分。 前饋控制前饋控制前饋-反饋控制的優(yōu)點(diǎn) 1. 只需對(duì)主要的干擾采用前饋補(bǔ)償，大大簡(jiǎn)化了原來(lái)的純前饋控制系統(tǒng)。 2. 降低了對(duì)

26、前饋控制精度的要求，為工程上實(shí)降低了對(duì)前饋控制精度的要求，為工程上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的前饋補(bǔ)償創(chuàng)造了條件. 3. 比純反饋控制具有控制精度高、溫度速度快比純反饋 控制具有控制精度高、溫度速度快的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。 因而是前饋控制中廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)。前饋控制6. 前饋補(bǔ)償裝置和控制算法前饋補(bǔ)償裝置的復(fù)雜程度主要取決于前饋通道和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，控制通道和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)可以用具有時(shí)滯一階環(huán)節(jié)來(lái)近似，其傳遞函數(shù)分別為：0( )01OO SSKGT Se( )1fffSKGf ST Se前饋控制前饋補(bǔ)償通道的傳遞函數(shù)為：0f 其中： Kd是靜態(tài)增量， T1和T2分別是超前和滯后的時(shí)間常數(shù)。

27、前饋控制傳函的軟件實(shí)現(xiàn)11)()()(21sTsTKsFsUsGddd把前饋控制的傳函進(jìn)行離散化，變成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式1.直接將作為一整體組態(tài)2.按Ud和f的關(guān)系計(jì)算，將 轉(zhuǎn)化為差分方程。前饋控制第六節(jié) 解耦控制返 回1.系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析一個(gè)生產(chǎn)裝置往往要設(shè)置多個(gè)回路來(lái)穩(wěn)定各個(gè)被控變量，回路之間可能相互關(guān)聯(lián)、相互耦合，相互影響，構(gòu)成多輸入多輸出的相關(guān)系統(tǒng)。 流量壓力控制系統(tǒng)及其方框圖解耦控制 所謂解耦控制系統(tǒng)，就是采用某種結(jié)構(gòu)，尋找合適的控制規(guī)律來(lái)消除系統(tǒng)種各控制回路之間的相互耦合關(guān)系，使每一個(gè)輸入只控制相應(yīng)的一個(gè)輸出，每一個(gè)輸出又只受到一個(gè)控制的作用。典型的解耦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下。-解耦控

28、制器解耦控制器y待解耦系統(tǒng)待解耦系統(tǒng)u耦合程度用“相對(duì)增益”來(lái)表征(cos)(cos)ijijijyutuyytu分子項(xiàng)外的U=cost表示除了Uj以外，其余U都保持不變，即都是開(kāi)環(huán)；分母項(xiàng)外的y=cost表示除了yi以外，其余y都保持不變，即都為閉環(huán)。解耦控制雙變量靜態(tài)耦合系統(tǒng)解耦控制 111211222122GGYUYGUYUGG1111122221122211221122112212211221122111221221YK UK UYK UK UK KKK KK KK KK KK K矩陣形式：解耦控制2.解耦控制的基本原理分析多變量系統(tǒng)的耦合關(guān)系可以看出，控制回路之間的耦合關(guān)系是由于對(duì)象

29、特性中的子傳遞函數(shù)gij(s),i j，i, j=1,2,n造成的。若是一個(gè)非奇異對(duì)角形有理多項(xiàng)式矩陣，則該系統(tǒng)是解耦的。尋找消除耦合的辦法實(shí)際就是使系統(tǒng)傳遞函數(shù)陣對(duì)角化，這樣就在實(shí)際系統(tǒng)中消除了通道間的聯(lián)系，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因而具有實(shí)際意義。解耦控制3.串級(jí)解耦控制 雙輸入雙輸出串接解耦控制系統(tǒng)框圖( )( )( )( )SSSSYG D PD(s)串級(jí)解耦裝置解耦控制(i) 對(duì)角線(xiàn)解耦解耦控制( )( )1112111122122( )11221221212211.1.1SSSGDdiagGGGGGGDGGG GG G (ii)單位矩陣法解耦控制4.前饋補(bǔ)償法11221DD取解耦控制5.

30、反饋補(bǔ)償法 解耦控制第七節(jié) 時(shí)滯補(bǔ)償控制返 回 時(shí)滯：系統(tǒng)輸出的趨勢(shì)不僅依賴(lài)于系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，也依賴(lài)于過(guò)去某一時(shí)刻或若干時(shí)刻的狀態(tài)。 產(chǎn)生原因：被控對(duì)象的物理性質(zhì)、實(shí)際系統(tǒng)變量的測(cè)量、傳遞和處理方面因素等。 時(shí)滯補(bǔ)償控制衡量過(guò)程（對(duì)象）時(shí)滯的大小通常采用過(guò)程時(shí)滯和過(guò)程等效時(shí)間常數(shù)T之比/T。/T之比越大越不易控制，當(dāng)/T 0.3-0.5時(shí)可稱(chēng)為具有大時(shí)滯的系統(tǒng)。對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)采用PID控制規(guī)律，如果控制要求不高，則尚可差強(qiáng)人意，如果希望有良好的控制品質(zhì)，就難于滿(mǎn)足。時(shí)滯補(bǔ)償控制時(shí)滯環(huán)節(jié) se的頻率特性：幅值恒等于1，而相位為-j，一般具有純滯后特性的被控對(duì)象可以用帶純滯后的一階或二階系統(tǒng)來(lái)描述

31、。l 被控對(duì)象如果可以用帶有純滯后環(huán)節(jié)e-s的一階來(lái)近似，則其傳遞函數(shù)為：1( ),1spKeGsNTTs12( ),(1)(1)spKeGsNTTsT sl 如果可以用帶滯后的二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似描述，即其中：K放大系數(shù)；純滯后時(shí)間 T1,T2 慣性時(shí)間常數(shù) 時(shí)滯補(bǔ)償控制幅值隨著頻率的增加而上升。時(shí)滯補(bǔ)償控制 史密斯在1957年提出的一種預(yù)估補(bǔ)償控制方案。 針對(duì)純時(shí)滯系統(tǒng)中閉環(huán)特征方程含有純滯后項(xiàng)，在PID反饋控制基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而使閉環(huán)特征方程不含純時(shí)滯項(xiàng)。1.史密斯預(yù)估器控制方案 其思想是：為使閉環(huán)傳函中不含 se必須利用反饋環(huán)節(jié)予以消除。原系統(tǒng)：()()()()()()

32、()()()()11sSC SP SsSC SP SSFsSC SP SYGGRGGYGFGGeee圖 (a) 時(shí)滯補(bǔ)償控制Gc(s)GP(s)e-se(t)u(t)y(t)r(t)-+Gc(s)GP(s)e-se(t)u(t)y(t)r(t)-+GP(s)(1-e-s)-+yr(t) Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖 Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)為：( )(1)sPGse 時(shí)滯補(bǔ)償控制 由預(yù)估器與Gc(s)組成總的補(bǔ)償控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)補(bǔ)償器） 經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的閉環(huán)傳遞函數(shù) 時(shí)滯補(bǔ)償控制Gc(s)GP(s)e(t)u(t)y(t)r(t)-+e-sy1(t) 經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的閉環(huán)系統(tǒng)，因其滯后特性e-s相當(dāng)于

33、已到了閉環(huán)回路之外，它相當(dāng)于下面的系統(tǒng) 它不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只是將y1(t)后移了一段時(shí)間。其控制性能相當(dāng)于無(wú)滯后系統(tǒng)。 時(shí)滯補(bǔ)償控制2.增益自適應(yīng)時(shí)滯補(bǔ)償器 1977年賈爾斯和巴特利（R.E. Giles和T.M. Bartley）在Smith預(yù)估器的基礎(chǔ)上提出了增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案。時(shí)滯補(bǔ)償控制增加： 一個(gè)除法器：將過(guò)程輸出 除以模型輸出值 一個(gè)乘法器：將預(yù)估器的 輸出乘以導(dǎo)前微分環(huán) 節(jié)的輸出 導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)：1+mS 時(shí)滯補(bǔ)償控制3.觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案 (i) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與觀察器 )(sGM有關(guān)，而與時(shí)滯大小無(wú)關(guān)。 (ii) 若 )()(sGsGPM,則模型同史密斯預(yù)

34、估器，但本方案不需要時(shí)滯環(huán)節(jié)。 時(shí)滯補(bǔ)償控制第八節(jié) 推斷控制返 回1.問(wèn)題提出 生產(chǎn)過(guò)程中的被控變量（過(guò)程輸出）有時(shí)不能直接測(cè)量，因而就難于實(shí)現(xiàn)反饋控制。如果擾動(dòng)可測(cè)，則尚能采用前饋控制。假若擾動(dòng)也不能直接測(cè)得，則可以采用推斷控制推斷控制。生產(chǎn)過(guò)程中的輸入與輸出變量圖推斷控制推斷控制推斷控制是利用數(shù)學(xué)模型由可測(cè)信息將不可測(cè)的輸出變量推算出來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋控制，或?qū)⒉豢蓽y(cè)擾動(dòng)推算出來(lái)以實(shí)現(xiàn)前饋控制。2.概念 2.采用計(jì)算指標(biāo)的控制 在有些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控變量是不能直接測(cè)量出來(lái)的。通過(guò)可測(cè)的輸入與輔助輸出變量推算出來(lái)。不可測(cè)的被控變量，只需要采用可測(cè)的輸入變量或其余輔助變量即可推算出來(lái)，這是推斷控制

35、中最簡(jiǎn)單的情況，習(xí)慣上稱(chēng)這種系統(tǒng)為“采用計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng)”，例如熱焓控制、內(nèi)回流控制、濕含量、轉(zhuǎn)化率控制等等。推斷控制(1) 熱焓控制（煤氣熱值控制） 熱焓反饋控制系統(tǒng)推斷控制(2) 內(nèi)回流控制精餾塔的內(nèi)回流在塔內(nèi)流動(dòng)，很難直接測(cè)量，但內(nèi)回流是外回流量、回流溫度與塔頂溫度的函數(shù)，可通過(guò)計(jì)算方法得到。推斷控制當(dāng)塔頂蒸汽溫度與外回流液溫度相差不大時(shí)，可用外回流的控制方法去滿(mǎn)足內(nèi)回流控制。當(dāng)塔頂冷卻采用風(fēng)冷和水冷時(shí)，受外界溫度影響較大時(shí)，只能用控制內(nèi)回流控制方法。推斷控制估計(jì)器估計(jì)器A(s)輔助輸出輔助輸出(s)不可測(cè)擾動(dòng)不可測(cè)擾動(dòng)u(s)Y(s)主要輸出主要輸出推斷控制推斷控制G1(s)E(s)

36、P(s)C(s)P(s)B(s)估計(jì)模型估計(jì)模型控制輸控制輸入入m(s)過(guò)程過(guò)程推斷控制3.推斷控制系統(tǒng) y(s)=C(s)m(s)+B(s)u(s) (s) = P(s)m(s)+ A(s)u(s) 由于過(guò)程的主要輸出y(s)是不易測(cè)量的被控變量，因此引入易測(cè)量的過(guò)程輔助輸出(s)。它們與不可直接測(cè)量擾動(dòng)u(s)以及控制輸入m(s)的關(guān)系可描述為：推斷控制反饋推斷控制的目的是對(duì)不可測(cè)對(duì)象或?qū)ο罂蓽y(cè)，但測(cè)量滯后帶太大，這時(shí)為了提高推斷精度，可以利用這個(gè)測(cè)量值與設(shè)頂值的偏差通過(guò)適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)修正估計(jì)器參數(shù)。3.反饋推斷控制推斷控制單純的推斷控制系統(tǒng)是一種開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，在可能的條件下，推斷控制常與反饋控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，以構(gòu)成反饋推斷控制系統(tǒng)?？刂茍D關(guān)系式( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )1SSSSSSSSSSSSSSSSYC MB FP MA FPFMAA( )( )( )( )( )( )( )( )( )SSSSSSSSSBBYCPMAA推斷控制第九節(jié) 計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制返 回計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制計(jì)算機(jī)控制分類(lèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)分級(jí)控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) 1.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)