第9章數(shù)字控制器

1、第第9章章 數(shù)字控制器數(shù)字控制器 微機(jī)是數(shù)字系統(tǒng)微機(jī)是數(shù)字系統(tǒng),而工程上多數(shù)被控對象是由而工程上多數(shù)被控對象是由模擬模擬(連續(xù)量連續(xù)量)環(huán)節(jié)組成環(huán)節(jié)組成,微機(jī)控制系統(tǒng)嚴(yán)格地說屬微機(jī)控制系統(tǒng)嚴(yán)格地說屬于數(shù)字模擬混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中不同形式的兩部分于數(shù)字模擬混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中不同形式的兩部分可通過可通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換器連接起來，其結(jié)構(gòu)如圖轉(zhuǎn)換器連接起來，其結(jié)構(gòu)如圖112所示。對于這種混合系統(tǒng)通常采用兩種所示。對于這種混合系統(tǒng)通常采用兩種等效的設(shè)計(jì)方法：一種等效方法是把虛線外的輸?shù)刃У脑O(shè)計(jì)方法：一種等效方法是把虛線外的輸入、輸出量與被控對象用數(shù)學(xué)方法處理為數(shù)字量，入、輸出量與被控對象用數(shù)學(xué)方法處理為數(shù)

2、字量，各環(huán)節(jié)視為數(shù)字環(huán)節(jié)，等效后的系統(tǒng)變?yōu)閿?shù)字控各環(huán)節(jié)視為數(shù)字環(huán)節(jié)，等效后的系統(tǒng)變?yōu)閿?shù)字控制系統(tǒng)?？衫秒x散系統(tǒng)（或采樣系統(tǒng)）的理論制系統(tǒng)?？衫秒x散系統(tǒng)（或采樣系統(tǒng)）的理論方法按數(shù)字指標(biāo)要求進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，這種方法方法按數(shù)字指標(biāo)要求進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，這種方法稱為數(shù)字控制器直接解析設(shè)計(jì)法，在本章稱為數(shù)字控制器直接解析設(shè)計(jì)法，在本章6節(jié)具節(jié)具體介紹，讀者也可查閱有關(guān)書籍。體介紹，讀者也可查閱有關(guān)書籍。 另一種等效方法是把虛線內(nèi)的另一種等效方法是把虛線內(nèi)的A/D、D/A和微和微機(jī)控制器都看作模擬量，現(xiàn)在微機(jī)采樣速度能夠機(jī)控制器都看作模擬量，現(xiàn)在微機(jī)采樣速度能夠滿足此要求。這樣，系統(tǒng)完全等效為一個(gè)模擬

3、系滿足此要求。這樣，系統(tǒng)完全等效為一個(gè)模擬系統(tǒng)。然后，利用模擬系統(tǒng)的理論和方法進(jìn)行分析統(tǒng)。然后，利用模擬系統(tǒng)的理論和方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，得到模擬控制器。再將模擬控制器進(jìn)行和設(shè)計(jì)，得到模擬控制器。再將模擬控制器進(jìn)行離散化（數(shù)字化），得到數(shù)字控制器。這種間接離散化（數(shù)字化），得到數(shù)字控制器。這種間接得到數(shù)字控制器的方法稱之為數(shù)字控制器間接設(shè)得到數(shù)字控制器的方法稱之為數(shù)字控制器間接設(shè)計(jì)法。本章前幾節(jié)主要介紹這種方法，從而使研計(jì)法。本章前幾節(jié)主要介紹這種方法，從而使研究的諸如控制方法選擇、系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制器參究的諸如控制方法選擇、系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制器參數(shù)的設(shè)置與整定等問題大為簡化，最后成為對比數(shù)的設(shè)置與

4、整定等問題大為簡化，最后成為對比較習(xí)慣的模擬系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算和處理。這樣，較習(xí)慣的模擬系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算和處理。這樣，剩下的問題便是離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和模擬剩下的問題便是離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和模擬控制器的數(shù)字化處理方法以及常用數(shù)字控制器控制器的數(shù)字化處理方法以及常用數(shù)字控制器（PID）的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)。需要說明，這里研）的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)。需要說明，這里研究的線性離散系統(tǒng)的差分方程都是常系數(shù)的。這究的線性離散系統(tǒng)的差分方程都是常系數(shù)的。這對于解決多數(shù)工程實(shí)際問題已經(jīng)夠用了。對于解決多數(shù)工程實(shí)際問題已經(jīng)夠用了。 工業(yè)控制中最常用的數(shù)字控制算法是工業(yè)控制中最常用的數(shù)字控制算法是數(shù)字?jǐn)?shù)字PID控制

5、算法。對大多數(shù)控制對象，采控制算法。對大多數(shù)控制對象，采用數(shù)字用數(shù)字PID控制，均可達(dá)到滿意的控制效果?？刂疲蛇_(dá)到滿意的控制效果。但是對于有特殊要求或具有復(fù)雜對象特性但是對于有特殊要求或具有復(fù)雜對象特性的系統(tǒng)，采用數(shù)字的系統(tǒng)，采用數(shù)字PID控制，則很難達(dá)到目控制，則很難達(dá)到目的。在這種情況下，需要從控制對象特性的。在這種情況下，需要從控制對象特性出發(fā)，運(yùn)用系統(tǒng)控制理論來設(shè)計(jì)相應(yīng)的控出發(fā)，運(yùn)用系統(tǒng)控制理論來設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法，或者采用智能控制方法如本章的制算法，或者采用智能控制方法如本章的模糊控制等。模糊控制等。 連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了一套系統(tǒng)的、成連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了一套系統(tǒng)的、成熟

6、的、實(shí)用的設(shè)計(jì)法，并在控制領(lǐng)域?yàn)槿藗兯焓斓?、?shí)用的設(shè)計(jì)法，并在控制領(lǐng)域?yàn)槿藗兯熘驼莆?。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，仍知和掌握。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，仍然經(jīng)常使用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)出連然經(jīng)常使用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)出連續(xù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器續(xù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器D(S)，再將，再將D(S)所描述的連續(xù)調(diào)所描述的連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律，通過某種規(guī)則（即數(shù)字化方法）變?yōu)橛?jì)節(jié)規(guī)律，通過某種規(guī)則（即數(shù)字化方法）變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律D(S)，這種方法稱，這種方法稱為模擬化設(shè)計(jì)方法。而數(shù)字為模擬化設(shè)計(jì)方法。而數(shù)字PID控制算法正是利控制算法正是利用上述方法求得的

7、。不過，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用上述方法求得的。不過，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控控制，不僅僅是簡單地把制，不僅僅是簡單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合起來，使是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合起來，使PID控制更加靈活多樣，更能滿足生產(chǎn)過程提出控制更加靈活多樣，更能滿足生產(chǎn)過程提出的各式各樣的要求。的各式各樣的要求。91 PID（比例（比例積分積分微分）模擬控制器及離散化微分）模擬控制器及離散化 所謂所謂PID控制就是比例（控制就是比例（proportional）、）、積分（積分（integral）和微分（）和微分（differential）控制，）控制，對于實(shí)

8、際的物理系統(tǒng)，其被控對象通常都有貯能對于實(shí)際的物理系統(tǒng)，其被控對象通常都有貯能元件存在，這就造成系統(tǒng)對輸入作用的響應(yīng)有一元件存在，這就造成系統(tǒng)對輸入作用的響應(yīng)有一定的慣性。另外，在能量和信息傳輸過程中，由定的慣性。另外，在能量和信息傳輸過程中，由于管道和傳輸?shù)仍驎胍恍r(shí)間上的滯后，于管道和傳輸?shù)仍驎胍恍r(shí)間上的滯后，往往會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。因此，往往會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。因此，為了改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常在系統(tǒng)中引入偏為了改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常在系統(tǒng)中引入偏差的比例調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性。引入偏差差的比例調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性。引入偏差的積分調(diào)節(jié)以提

9、高控制精度，引入偏差的微分調(diào)的積分調(diào)節(jié)以提高控制精度，引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響，這就形成了按偏差節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響，這就形成了按偏差PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。其控所示。其控制規(guī)律為：制規(guī)律為： A、B、C這三個(gè)參數(shù)可獨(dú)立進(jìn)行選擇，但從這三個(gè)參數(shù)可獨(dú)立進(jìn)行選擇，但從形式上已看不出比例、積分和微分對系統(tǒng)的不同形式上已看不出比例、積分和微分對系統(tǒng)的不同影響，便于系統(tǒng)調(diào)試，在工程上常采用影響，便于系統(tǒng)調(diào)試，在工程上常采用（917）式或（）式或（918）式進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程。）式進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程。PID計(jì)算程序可根據(jù)精度要求和計(jì)算速度選擇定計(jì)算程序

10、可根據(jù)精度要求和計(jì)算速度選擇定點(diǎn)計(jì)算和浮點(diǎn)計(jì)算。定點(diǎn)計(jì)算程序簡單，運(yùn)算速點(diǎn)計(jì)算和浮點(diǎn)計(jì)算。定點(diǎn)計(jì)算程序簡單，運(yùn)算速度快但精度受限。浮點(diǎn)計(jì)算適應(yīng)范圍寬，精度高，度快但精度受限。浮點(diǎn)計(jì)算適應(yīng)范圍寬，精度高，但程序復(fù)雜，運(yùn)算速度慢。但程序復(fù)雜，運(yùn)算速度慢。 在微機(jī)控制中，即要考慮控制器的計(jì)算精度，在微機(jī)控制中，即要考慮控制器的計(jì)算精度，又要考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、通用性，這里給出一種又要考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、通用性，這里給出一種較為實(shí)用的兩字節(jié)定點(diǎn)較為實(shí)用的兩字節(jié)定點(diǎn)PID計(jì)算方法，精度較高，計(jì)算方法，精度較高，程序又比較簡單。總長為程序又比較簡單?？傞L為16位。圖位。圖9-2給出了給出了PID計(jì)算程序框圖和

11、內(nèi)存分配圖。圖計(jì)算程序框圖和內(nèi)存分配圖。圖9-3為兩字節(jié)定點(diǎn)為兩字節(jié)定點(diǎn)數(shù)格式。為編程方便，設(shè)數(shù)格式。為編程方便，設(shè)92 PID控制器的幾種改進(jìn)形式控制器的幾種改進(jìn)形式 前面介紹三種形式的前面介紹三種形式的PID是理想的是理想的PID控制器，控制器，其實(shí)際控制效果并不理想。為了改善控制質(zhì)量，其實(shí)際控制效果并不理想。為了改善控制質(zhì)量，針對不同對象和條件，可以對針對不同對象和條件，可以對PID算式進(jìn)行適當(dāng)算式進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，這就形成了幾種非標(biāo)準(zhǔn)的的改進(jìn)，這就形成了幾種非標(biāo)準(zhǔn)的PID形式。形式。921串有低通濾波器的串有低通濾波器的PID算法算法 由于實(shí)際微機(jī)控制系統(tǒng)的采樣回路都可能存由于實(shí)際微機(jī)控

12、制系統(tǒng)的采樣回路都可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的數(shù)字控制回路都串在高頻干擾，因此幾乎所有的數(shù)字控制回路都串接低通濾波器（一階滯后環(huán)節(jié)或一階慣性環(huán)節(jié)）接低通濾波器（一階滯后環(huán)節(jié)或一階慣性環(huán)節(jié)）來限制高頻干擾的影響。因?yàn)榈屯V波器的傳遞來限制高頻干擾的影響。因?yàn)榈屯V波器的傳遞函數(shù)為函數(shù)為923積分分離的積分分離的PID算法算法 在普通的在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高控節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度，但在過程的啟動、停車或大幅度制精度，但在過程的啟動、停車或大幅度改變給定值時(shí)，由于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大改變給定值時(shí)，由于在短時(shí)

13、間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽合現(xiàn)象，的偏差，往往會產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽合現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長時(shí)間的振蕩。這以致造成很大的超調(diào)和長時(shí)間的振蕩。這是在某些生產(chǎn)過程所不允許的。為了克服是在某些生產(chǎn)過程所不允許的。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可采用積分分離方法，即在被這個(gè)缺點(diǎn)，可采用積分分離方法，即在被控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用；而當(dāng)控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用；而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才將積分作用投被控制量接近給定值時(shí)，才將積分作用投入以消除靜差?？刂扑惴筛膶憺槿胍韵o差?？刂扑惴筛膶憺?25具有純滯后補(bǔ)償?shù)木哂屑儨笱a(bǔ)償?shù)腜ID算法算法(Simith預(yù)估控制預(yù)估控制) 在生產(chǎn)

14、過程中，大多數(shù)工業(yè)對象存在生產(chǎn)過程中，大多數(shù)工業(yè)對象存在著較大的純滯后，純滯后時(shí)間的存在著較大的純滯后，純滯后時(shí)間的存在會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程在會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞。當(dāng)對象的純滯后時(shí)間與對特性變壞。當(dāng)對象的純滯后時(shí)間與對象的慣性時(shí)間常數(shù)象的慣性時(shí)間常數(shù)TM之比大于等于之比大于等于0.5時(shí)時(shí),采用常規(guī)的采用常規(guī)的PID控制器難以取得好的難以獲控制器難以取得好的難以獲得滿意的控制效果。為此史密斯（得滿意的控制效果。為此史密斯（Smith）就這個(gè)問題提出了一種純滯后補(bǔ)償模型就這個(gè)問題提出了一種純滯后補(bǔ)償模型 ，即所謂的即所謂的Smith預(yù)估控制預(yù)估控制。 9.4.2數(shù)字串級

15、控制算法數(shù)字串級控制算法 根據(jù)圖根據(jù)圖9.4.2，D1（s）和）和D2（s）若由計(jì)）若由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)時(shí)，則計(jì)算機(jī)串級控制系統(tǒng)如算機(jī)來實(shí)現(xiàn)時(shí)，則計(jì)算機(jī)串級控制系統(tǒng)如圖圖9-13所示，圖中的所示，圖中的D1（z）和）和D2（z）是由）是由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器，H(s）是零階保）是零階保持器，持器，T為采樣周期，為采樣周期，D1（z）和）和D2（z）通）通常是常是PID控制規(guī)律?？刂埔?guī)律。 串極控制系統(tǒng)中，副回路給系統(tǒng)帶來了一系串極控制系統(tǒng)中，副回路給系統(tǒng)帶來了一系列的優(yōu)點(diǎn)：串級控制較單回路控制系統(tǒng)有更強(qiáng)的列的優(yōu)點(diǎn)：串級控制較單回路控制系統(tǒng)有更強(qiáng)的抑制擾動的能力，通常副回路

16、抑制擾動的能力比抑制擾動的能力，通常副回路抑制擾動的能力比單回路控制高出十幾倍乃至上百倍，因此設(shè)計(jì)此單回路控制高出十幾倍乃至上百倍，因此設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)應(yīng)把主要的擾動包含在副回路中；對象類系統(tǒng)時(shí)應(yīng)把主要的擾動包含在副回路中；對象的純滯后比較大時(shí)，若用單回路控制，則過渡過的純滯后比較大時(shí)，若用單回路控制，則過渡過程時(shí)間長，超調(diào)量大，參數(shù)恢復(fù)較慢，控制質(zhì)量程時(shí)間長，超調(diào)量大，參數(shù)恢復(fù)較慢，控制質(zhì)量較差，采用串級控制可以克服對象純滯后的影響，較差，采用串級控制可以克服對象純滯后的影響，改善系統(tǒng)的控制性能；對于具有非線性的對象，改善系統(tǒng)的控制性能；對于具有非線性的對象，采用單回路控制，在負(fù)荷變化時(shí)，不相

17、應(yīng)的地改采用單回路控制，在負(fù)荷變化時(shí)，不相應(yīng)的地改變控制器參數(shù)，系統(tǒng)的性能很難滿足要求，若采變控制器參數(shù)，系統(tǒng)的性能很難滿足要求，若采用串級控制，把非線性對象包含在副回路中，由用串級控制，把非線性對象包含在副回路中，由于副控回路是隨動系統(tǒng)，能夠適應(yīng)操作條件和負(fù)于副控回路是隨動系統(tǒng)，能夠適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化，自動改變副控調(diào)節(jié)器的給定值，因而荷的變化，自動改變副控調(diào)節(jié)器的給定值，因而控制系統(tǒng)有良好的控制性能。控制系統(tǒng)有良好的控制性能。 在串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器的選在串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器的選型非常重要。對于主控制器，為了減少穩(wěn)型非常重要。對于主控制器，為了減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度

18、，應(yīng)具有積分控制，態(tài)誤差，提高控制精度，應(yīng)具有積分控制，為了使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動作迅速，應(yīng)加入為了使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動作迅速，應(yīng)加入微分控制，因此主控制器應(yīng)具有微分控制，因此主控制器應(yīng)具有PID控制規(guī)控制規(guī)律；對于副控制器，通?？梢赃x用比例控律；對于副控制器，通常可以選用比例控制，當(dāng)副控制器的比例系數(shù)不能太大時(shí)，制，當(dāng)副控制器的比例系數(shù)不能太大時(shí)，則應(yīng)加入積分控制，即采用則應(yīng)加入積分控制，即采用PI控制規(guī)律，控制規(guī)律，副回路較少采用副回路較少采用PID控制規(guī)律?？刂埔?guī)律。9.5前饋前饋反饋控制技術(shù)反饋控制技術(shù) 按偏差的反饋控制能夠產(chǎn)生作用的前提按偏差的反饋控制能夠產(chǎn)生作用的前提是，被控量必須偏離設(shè)

19、定值。就是說，在是，被控量必須偏離設(shè)定值。就是說，在干擾作用下，生產(chǎn)過程的被控量，必然是干擾作用下，生產(chǎn)過程的被控量，必然是先偏離設(shè)定值，然后通過對偏差進(jìn)行控制，先偏離設(shè)定值，然后通過對偏差進(jìn)行控制，以抵消干擾的影響。如果干擾不斷增加，以抵消干擾的影響。如果干擾不斷增加，則系統(tǒng)總是跟在干擾作用之后波動，特別則系統(tǒng)總是跟在干擾作用之后波動，特別是系統(tǒng)滯后嚴(yán)重時(shí)波動就更為嚴(yán)重。前饋是系統(tǒng)滯后嚴(yán)重時(shí)波動就更為嚴(yán)重。前饋控制是按擾動量進(jìn)行控制的，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)控制是按擾動量進(jìn)行控制的，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時(shí)，前饋控制就按擾動量直接產(chǎn)生校擾動時(shí)，前饋控制就按擾動量直接產(chǎn)生校正作用，以抵消擾動的影響。這是一種開正作

20、用，以抵消擾動的影響。這是一種開環(huán)控制形式，在控制算法和參數(shù)選擇合適環(huán)控制形式，在控制算法和參數(shù)選擇合適的情況下，可以達(dá)到很高的精度。的情況下，可以達(dá)到很高的精度。 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化引起蒸汽流量變化時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化引起蒸汽流量變化時(shí)，通過前饋通道和串級內(nèi)回路的補(bǔ)償控制，通過前饋通道和串級內(nèi)回路的補(bǔ)償控制，將迅速改變給水流量，以適應(yīng)蒸汽流量的將迅速改變給水流量，以適應(yīng)蒸汽流量的變化，并減小對水位的影響；流量變化，并減小對水位的影響；流量D2表征表征由于各種原因引起的水流量的擾動，這個(gè)由于各種原因引起的水流量的擾動，這個(gè)擾動主要由內(nèi)回路閉環(huán)反饋控制進(jìn)行補(bǔ)償；擾動主要由內(nèi)回路閉環(huán)反饋控制進(jìn)行補(bǔ)償；不

21、管由于何種原因（包括前饋控制未能對不管由于何種原因（包括前饋控制未能對蒸汽流量變化進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)那闆r），鍋蒸汽流量變化進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)那闆r），鍋爐水位偏離設(shè)定值時(shí)，串級主控回路以閉爐水位偏離設(shè)定值時(shí)，串級主控回路以閉環(huán)反饋控制進(jìn)行總補(bǔ)償控制，使鍋爐水位環(huán)反饋控制進(jìn)行總補(bǔ)償控制，使鍋爐水位維持在設(shè)定值。維持在設(shè)定值。96 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法 從從20世紀(jì)世紀(jì)50年代發(fā)展起來一種新的設(shè)年代發(fā)展起來一種新的設(shè)計(jì)方法，一開始把系統(tǒng)看成是純離散系統(tǒng)計(jì)方法，一開始把系統(tǒng)看成是純離散系統(tǒng)（或數(shù)字系統(tǒng)），然后按一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，（或數(shù)字系統(tǒng)），然后按一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以以Z變換為工具，

22、以脈沖傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模變換為工具，以脈沖傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，直接設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求的數(shù)字控制器型，直接設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求的數(shù)字控制器D（z）。這就是所謂的直接解析法設(shè)計(jì)。）。這就是所謂的直接解析法設(shè)計(jì)。9.6.3大林大林(Dahlin)控制算法控制算法 Simith預(yù)估控制是解決工業(yè)過程控制系預(yù)估控制是解決工業(yè)過程控制系統(tǒng)中純滯后控制對象的間接統(tǒng)中純滯后控制對象的間接設(shè)計(jì)方法，本設(shè)計(jì)方法，本節(jié)介紹的是一種直接節(jié)介紹的是一種直接設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法大林大林(Dahlin)控制算法?？刂扑惴ā?968年，美國年，美國IBM公司公司的大林（的大林（E.B.DALIN）提出了這種控制算）提出了這種控制算法，對

23、具有純滯后被控對象的過程控制系法，對具有純滯后被控對象的過程控制系統(tǒng)，具有良好的效果。統(tǒng)，具有良好的效果。9.7模糊控制器模糊控制器 已學(xué)的自動控制系統(tǒng)，都需要事先建立一個(gè)已學(xué)的自動控制系統(tǒng)，都需要事先建立一個(gè)對象的數(shù)學(xué)模型，且要知道模型的結(jié)構(gòu)，階次和對象的數(shù)學(xué)模型，且要知道模型的結(jié)構(gòu)，階次和參數(shù)等，在此基礎(chǔ)上合理的選擇控制策略進(jìn)行控參數(shù)等，在此基礎(chǔ)上合理的選擇控制策略進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。然而大量的事實(shí)告訴我們，在許多制器的設(shè)計(jì)。然而大量的事實(shí)告訴我們，在許多情況下，被控制對象由于其過程復(fù)雜，機(jī)理有不情況下，被控制對象由于其過程復(fù)雜，機(jī)理有不明之處，缺乏必要的檢測手段或者檢測裝置，不明之處，缺乏

24、必要的檢測手段或者檢測裝置，不能進(jìn)入被測試區(qū)域等各種原因，致使無法建立被能進(jìn)入被測試區(qū)域等各種原因，致使無法建立被控制過程的數(shù)學(xué)模型。這就迫使人們探索新的控控制過程的數(shù)學(xué)模型。這就迫使人們探索新的控制方法和途徑去解決這類問題。在這樣一個(gè)背景制方法和途徑去解決這類問題。在這樣一個(gè)背景下，誕生了基于模糊邏輯的模糊控制算法。下，誕生了基于模糊邏輯的模糊控制算法。9.7.1模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想 模糊控制的基本思想，就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)模糊控制的基本思想，就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)。而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是用語言現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)。而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是用語言來表達(dá)的，這些語言表達(dá)的控制規(guī)則又

25、帶有相當(dāng)來表達(dá)的，這些語言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：?。例如。人工控制水槽水位的?jīng)驗(yàn)可以的模糊性。例如。人工控制水槽水位的經(jīng)驗(yàn)可以表達(dá)為：表達(dá)為：1）若水槽無水或水較少時(shí)，則開大閥；）若水槽無水或水較少時(shí)，則開大閥；2）若水位和要求的水位相差不太大，則把水閥關(guān)）若水位和要求的水位相差不太大，則把水閥關(guān)??；??；3）若水位快接近要求的水位，則把閥門關(guān)的很小；）若水位快接近要求的水位，則把閥門關(guān)的很??； 這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中，這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中，“較少較少”、“不太大不太大”、“接近接近”、“開大開大”、“關(guān)小關(guān)小”等表示水位狀態(tài)等表示水位狀態(tài)和控制閥門動作的概念都帶有模糊性，可以有模和控制閥門動作的概念

26、都帶有模糊性，可以有模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用之間的糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時(shí)刻過程變關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時(shí)刻過程變量的檢測值，用模糊邏輯推理的方法得出此時(shí)的量的檢測值，用模糊邏輯推理的方法得出此時(shí)的控制量，這就是模糊控制的基本思想。也可以說，控制量，這就是模糊控制的基本思想。也可以說，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識模型，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用

27、計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖智能控制。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9-24所示，所示，它與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本相似，只是它的它與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本相似，只是它的控制器是模糊控制器?？刂破魇悄：刂破?。 3推理機(jī)推理機(jī) 推理機(jī)采用某種模糊推理方法，由采樣推理機(jī)采用某種模糊推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出模糊控時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出模糊控制器的控制輸出。模糊控制器的模糊推理制器的控制輸出。模糊控制器的模糊推理機(jī)制的設(shè)計(jì)主要是選擇一種模糊推理算法，機(jī)制的設(shè)計(jì)主要是選擇一種模糊推理算法，當(dāng)模糊控制器采用查表法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可離線當(dāng)模糊控制器采用查表法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可

28、離線設(shè)計(jì)查詢表；當(dāng)模糊控制器采用軟件推理設(shè)計(jì)查詢表；當(dāng)模糊控制器采用軟件推理法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可在線進(jìn)行模糊推理。當(dāng)采用法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可在線進(jìn)行模糊推理。當(dāng)采用模糊控制芯片構(gòu)成硬件模糊控制器時(shí)，它模糊控制芯片構(gòu)成硬件模糊控制器時(shí)，它推理的速度快、控制精度高，處理速度至推理的速度快、控制精度高，處理速度至少比軟件提高一個(gè)數(shù)量級。少比軟件提高一個(gè)數(shù)量級。 4 解模糊接口解模糊接口 與模糊化相反，解模糊是由模糊量到精與模糊化相反，解模糊是由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化過程。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行模糊控制確量的轉(zhuǎn)化過程。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行模糊控制算法時(shí)，它從模糊推理中得到的模糊控制算法時(shí)，它從模糊推理中得到的模糊控制作用必須轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)

29、構(gòu)所能接受的精確作用必須轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接受的精確量。解模糊接口主要有兩個(gè)功能：一是量量。解模糊接口主要有兩個(gè)功能：一是量程轉(zhuǎn)化，二是解模糊。即把輸出作用的域程轉(zhuǎn)化，二是解模糊。即把輸出作用的域轉(zhuǎn)化為輸出物理量的變化范圍，在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)化為輸出物理量的變化范圍，在運(yùn)行時(shí)，解模糊求得的輸出域上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為輸出物解模糊求得的輸出域上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為輸出物理量的值。解模糊常用的策略主要有最大理量的值。解模糊常用的策略主要有最大隸屬度法、取中位數(shù)法和重心法等。隸屬度法、取中位數(shù)法和重心法等。 9.7.3模糊控制模糊控制 的應(yīng)用實(shí)例的應(yīng)用實(shí)例 最早開發(fā)出的模糊家電產(chǎn)品是洗衣機(jī)，洗衣機(jī)最早開發(fā)出的模糊家電產(chǎn)品是洗

30、衣機(jī)，洗衣機(jī)一般要根據(jù)洗衣量的多少、衣物的污濁程度、衣一般要根據(jù)洗衣量的多少、衣物的污濁程度、衣物的質(zhì)料性質(zhì)，水溫的高低等因數(shù)來決定洗滌的物的質(zhì)料性質(zhì)，水溫的高低等因數(shù)來決定洗滌的時(shí)間、水流的強(qiáng)弱、洗滌劑的用量等。時(shí)間、水流的強(qiáng)弱、洗滌劑的用量等。 一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的家庭主婦能夠把衣物洗的干干一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的家庭主婦能夠把衣物洗的干干凈凈又不損害衣料，而且又節(jié)約了水、電。采用凈凈又不損害衣料，而且又節(jié)約了水、電。采用具有模糊控制的全自動洗衣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上述功能。具有模糊控制的全自動洗衣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上述功能。1模糊洗衣機(jī)的基本構(gòu)成模糊洗衣機(jī)的基本構(gòu)成模糊洗衣機(jī)除一般全自動洗衣機(jī)具有的洗滌缸、馬達(dá)、波盤、模糊洗

31、衣機(jī)除一般全自動洗衣機(jī)具有的洗滌缸、馬達(dá)、波盤、給水和排水電磁閥、控制器、水位傳感器等之外，根據(jù)模給水和排水電磁閥、控制器、水位傳感器等之外，根據(jù)模糊控制的需要，一般還要加上光傳感器、負(fù)載傳感器、水糊控制的需要，一般還要加上光傳感器、負(fù)載傳感器、水溫傳感器等。溫傳感器等。 1） 負(fù)載檢測負(fù)載檢測 負(fù)載檢測即檢測所洗衣物的重量，一般采用負(fù)載檢測即檢測所洗衣物的重量，一般采用間接的測量方法，可用電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動間接的測量方法，可用電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動電流來計(jì)量。還有一種方法是用電動機(jī)斷電后反電流來計(jì)量。還有一種方法是用電動機(jī)斷電后反電勢維持的時(shí)間來計(jì)量。一般而言，衣物重負(fù)載電勢維持的時(shí)間來

32、計(jì)量。一般而言，衣物重負(fù)載大，其反電勢跌落也快，反之則跌落慢。大，其反電勢跌落也快，反之則跌落慢。2）質(zhì)料檢測）質(zhì)料檢測 被洗衣物的質(zhì)料可分為軟質(zhì)類、硬質(zhì)類和混被洗衣物的質(zhì)料可分為軟質(zhì)類、硬質(zhì)類和混合類等幾種。一般把絲綢、化纖、薄型花布等歸合類等幾種。一般把絲綢、化纖、薄型花布等歸為軟質(zhì)類，而將牛仔服、呢絨服裝等歸為硬質(zhì)類，為軟質(zhì)類，而將牛仔服、呢絨服裝等歸為硬質(zhì)類，介于他們之間的則為混合類。衣物質(zhì)料檢測也是介于他們之間的則為混合類。衣物質(zhì)料檢測也是采取間接檢測方式。如果測量的是馬達(dá)的驅(qū)動電采取間接檢測方式。如果測量的是馬達(dá)的驅(qū)動電流，那么硬質(zhì)類布料電流波形變化大，有較大的流，那么硬質(zhì)類布料電流波形變化大，有較大的波動，而軟質(zhì)類布料電流相對平穩(wěn)，波動小。波動，而軟質(zhì)類布料電流相對平穩(wěn)，波動小。 3）污濁度檢測）污濁度檢測 被洗衣物的污濁度檢測，是通過水的透光率檢測間接被洗衣物的污濁度檢測，是通過水的透光率檢測間接的實(shí)現(xiàn)的。水的透光率檢測是用光電傳感器實(shí)現(xiàn)的。它被的實(shí)現(xiàn)的。水的透光率檢測是用光電傳感器實(shí)現(xiàn)的。它被安排在排水管出口，發(fā)光二極管和光敏管分別相對安裝在安排在排水管出口，發(fā)光二極管和光敏管分別相對安裝在管子的兩邊。發(fā)光二