第四章集散控制系統(tǒng)的控制算法

1、第第4 4章章 集散控制集散控制系統(tǒng)的控制算法系統(tǒng)的控制算法3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式及控制方式三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3.2 PID控制算法控制算法一、一、PIDPID控制器控制器二、二、PIDPID控制器參數(shù)的確定控制器參數(shù)的確定三、離散三、離散 PIDPID控制算法控制算法3.3 前饋控制前饋控制3.4 解耦控制解耦控制一、解耦控制系統(tǒng)概述一、解耦控制系統(tǒng)概述二、相對(duì)增益二、相對(duì)增益三、解耦控制方法三、解耦控制方法四、解耦控制中的問題四、解耦

2、控制中的問題3.5 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)概述一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)概述二、自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖二、自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖三、自適應(yīng)控制的分類三、自適應(yīng)控制的分類3.6 順序控制順序控制一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 所謂自動(dòng)控制是指在沒有人直接參所謂自動(dòng)控制是指在沒有人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律受控對(duì)象的被控量自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。運(yùn)行。3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 例例1. 水位水位人工控制人工控制裝置如下圖所示?？刂迫蝿?wù)是使水位裝置如下圖所示?？刂迫蝿?wù)是使水位的

3、高度的高度h(t)按一定的要求變化。水位的高低受到進(jìn)水量按一定的要求變化。水位的高低受到進(jìn)水量qi(t)和出水量和出水量q0(t) 的影響，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，可以控制水的影響，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，可以控制水位的高低。采用人工操縱，靠人眼觀察實(shí)際水位和要求水位的高低。采用人工操縱，靠人眼觀察實(shí)際水位和要求水位的差，用手不斷調(diào)節(jié)閥門，以保持水箱內(nèi)水位的高度滿位的差，用手不斷調(diào)節(jié)閥門，以保持水箱內(nèi)水位的高度滿足要求。顯然，這種控制方式是人工控制，控制的足要求。顯然，這種控制方式是人工控制，控制的實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性和和精度精度都難以滿足要求。都難以滿足要求。 例例2. 水位水位自動(dòng)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)如下圖所

4、示。水位高度的系統(tǒng)如下圖所示。水位高度的參考電壓參考電壓為為u(t)，水箱中的水位檢測(cè)裝置將實(shí)際水位高度，水箱中的水位檢測(cè)裝置將實(shí)際水位高度h(t)轉(zhuǎn)換成電轉(zhuǎn)換成電壓壓uh(t) ，控制器輸出，控制器輸出控制信號(hào)控制信號(hào)u(t) u(t) uh(t) ，經(jīng)執(zhí)行機(jī)，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)電磁閥控制進(jìn)水量，從而控制水位的高度。只要構(gòu)調(diào)節(jié)電磁閥控制進(jìn)水量，從而控制水位的高度。只要u(t) ，系統(tǒng)就進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到水位的高度與給定高度相等為，系統(tǒng)就進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到水位的高度與給定高度相等為止，這就實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制。采用電控制系統(tǒng)來控制水位止，這就實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制。采用電控制系統(tǒng)來控制水位的高度能達(dá)

5、到一定的高度能達(dá)到一定速度速度和和精度精度。由例由例2可知，一個(gè)控制系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：可知，一個(gè)控制系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：）被控對(duì)象；）被控制量；）控制器；）被控對(duì)象；）被控制量；）控制器；）執(zhí)行機(jī)構(gòu)；）給定量；）執(zhí)行機(jī)構(gòu)；）給定量； ）檢測(cè)裝置。）檢測(cè)裝置。水位自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖水位自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1. 開環(huán)控制開環(huán)控制 控制裝置與受控對(duì)象之間只有順向作用控制裝置與受控對(duì)象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系時(shí)，稱為開環(huán)控制。而無反向聯(lián)系時(shí)，稱為開環(huán)控制。2. 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，

6、控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，還有反向聯(lián)系，即還有反向聯(lián)系，即有被控量對(duì)控制過程的影響有被控量對(duì)控制過程的影響，這種控制稱為閉環(huán)控制，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為這種控制稱為閉環(huán)控制，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制又常稱為。閉環(huán)控制又常稱為反饋控制反饋控制。三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)2、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)3、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)4、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)1、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 若一個(gè)元件的若一個(gè)元件的輸入與

7、輸出特性是線性輸入與輸出特性是線性的，的，則稱該元件為則稱該元件為線性元件線性元件，否則稱為，否則稱為非線性元件非線性元件。 若一個(gè)系統(tǒng)中所有的元器件均為線性元器若一個(gè)系統(tǒng)中所有的元器件均為線性元器件，則該系統(tǒng)稱為件，則該系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)；若系統(tǒng)中有一個(gè)；若系統(tǒng)中有一個(gè)非線性元器件，則該系統(tǒng)稱為非線性元器件，則該系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)。 線性系統(tǒng)的線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型為線性微分方程或差為線性微分方程或差分方程，即其各項(xiàng)分方程，即其各項(xiàng)系數(shù)均不隨變量的改變而變系數(shù)均不隨變量的改變而變化化。2、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 從系統(tǒng)的從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型來看，若微分方

8、來看，若微分方程的系數(shù)不是程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)時(shí)間變量的函數(shù)，則稱此，則稱此類系統(tǒng)為類系統(tǒng)為定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)，否則稱為，否則稱為時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)。 若系統(tǒng)微分方程的若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)系數(shù)為常數(shù)，則，則稱之為稱之為線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)。3、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng) 從系統(tǒng)中的信號(hào)來看，若系統(tǒng)各部分的信號(hào)從系統(tǒng)中的信號(hào)來看，若系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是時(shí)間的都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)連續(xù)函數(shù)即即模擬量模擬量，則稱此系統(tǒng)為，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)。若系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間。若系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的的離散函數(shù)離散函數(shù)，如，如脈沖脈沖或或數(shù)碼信號(hào)數(shù)碼信號(hào)，則稱之為離散

9、，則稱之為離散系統(tǒng)。若離散系統(tǒng)中既有離散信號(hào)又有模擬量，系統(tǒng)。若離散系統(tǒng)中既有離散信號(hào)又有模擬量，亦稱之為亦稱之為采樣系統(tǒng)采樣系統(tǒng)。3.2 PID控制算法控制算法v所謂所謂PID指的是指的是Proportion-Integral-Differential。翻譯成。翻譯成中文是中文是比例比例-積分積分-微分微分。v在過程控制中，按在過程控制中，按偏差偏差的比例（的比例（P）、積分（）、積分（I）和微分）和微分（D）進(jìn)行控制的）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最應(yīng)用最為廣泛為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于

10、實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)。vPID調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，的一種有效方法，它的參數(shù)確定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（它的參數(shù)確定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、）。）。一、控制器一、控制器.比例控制器比例控制器 比例控制器簡稱控制器，如圖所示?？刂破鞯谋壤刂破骱喎Q控制器，如圖所示?？刂破鞯妮敵鲚敵?)與輸入與輸入()成成比例比例，即，即. 微分控制器微分控制器 由一階微分環(huán)節(jié)組成的控制器簡稱控制器。它的由一階微分環(huán)節(jié)組成的控制器簡稱控制器。它的輸出信號(hào)輸出

11、信號(hào)()與輸與輸入信號(hào)入信號(hào)()的的導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù)成比例成比例，即，即dttdeKtmd)()()()(teKtmp. 積分控制器積分控制器 由積分環(huán)節(jié)組成的積分控制器簡稱為控制器，如圖所示。它的由積分環(huán)節(jié)組成的積分控制器簡稱為控制器，如圖所示。它的輸輸出信號(hào)（）與輸入信號(hào)（）的積分成比例出信號(hào)（）與輸入信號(hào)（）的積分成比例，即，即. 比例、積分控制器比例、積分控制器 比例、積分控制器簡稱控制器，它的輸出信號(hào)（）同時(shí)與輸比例、積分控制器簡稱控制器，它的輸出信號(hào)（）同時(shí)與輸入信號(hào)（）和它的積分成比例，即入信號(hào)（）和它的積分成比例，即tipdtteKteKtm0)()()(tidtteKtm0)()(6

12、. 比例比例-積分積分-微分控制器微分控制器比例比例-積分積分-微分控制器簡稱控制器，其微分方程和傳遞函數(shù)為微分控制器簡稱控制器，其微分方程和傳遞函數(shù)為5. 比例、微分控制器比例、微分控制器 由一階微分環(huán)節(jié)組成的比例、微分控制器簡稱控制器，如圖所示。由一階微分環(huán)節(jié)組成的比例、微分控制器簡稱控制器，如圖所示。它的輸出信號(hào)（）與輸入信號(hào)（）及其導(dǎo)數(shù)成比例，即它的輸出信號(hào)（）與輸入信號(hào)（）及其導(dǎo)數(shù)成比例，即dttdeKdtteKteKtmdtip)()()()(0dttdeKteKtmdp)()()(PIDPID是誤差控制是誤差控制。所謂。所謂“誤差誤差”，就是命令與輸出的差值。，就是命令與輸出的差

13、值。例如希望控制液壓泵轉(zhuǎn)速為例如希望控制液壓泵轉(zhuǎn)速為15001500轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)（“命令電壓命令電壓”=6V=6V），），而事實(shí)上控制液壓泵轉(zhuǎn)速只有而事實(shí)上控制液壓泵轉(zhuǎn)速只有10001000轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)（“輸出電壓輸出電壓”=4V=4V），），則誤差則誤差: e=500: e=500轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)電壓轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)電壓2V2V）。如果泵實(shí)際轉(zhuǎn)速為）。如果泵實(shí)際轉(zhuǎn)速為20002000轉(zhuǎn)，則誤差轉(zhuǎn)，則誤差e=-500e=-500轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)電壓轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)電壓-2V-2V，注意正負(fù)號(hào)）。，注意正負(fù)號(hào)）。該誤差值送到該誤差值送到PIDPID控制器，作為控制器，作為PIDPID控制器的輸入?？刂破鞯妮斎?。PIDPID控制控制器的輸出

14、為器的輸出為KpKp* *e + Kie + Ki* *edt + Kdedt + Kd* *（de/dtde/dt），式中的），式中的t t為為時(shí)間，即誤差對(duì)時(shí)間積分、微分。時(shí)間，即誤差對(duì)時(shí)間積分、微分。上式為三項(xiàng)求和，上式為三項(xiàng)求和，PIDPID結(jié)果后送入電機(jī)變頻器或驅(qū)動(dòng)器。結(jié)果后送入電機(jī)變頻器或驅(qū)動(dòng)器。 如果沒有誤差，即如果沒有誤差，即e=0e=0，則，則KpKp* *e=0e=0，KdKd* *（de/dtde/dt）=0=0，KiKi* *edt =0edt =0，三項(xiàng)之和為，三項(xiàng)之和為0 0?？傊傊?，如果如果“誤差誤差”存在，存在，PIDPID就會(huì)對(duì)變頻器作調(diào)整，直到就會(huì)對(duì)變頻

15、器作調(diào)整，直到誤差誤差=0=0。簡單的簡單的PID控制器的寫法：控制器的寫法： Uo(N)=KpUo(N)=Kp* *e(n)+Kie(n)+Ki* *e(n)+e(n-1)+.+e(0)+Kde(n)+e(n-1)+.+e(0)+Kd* *e(n)-e(n-1)e(n)-e(n-1)ne 誤差。誤差。nKp 比例系數(shù)，改變比例系數(shù)，改變Kp可可提高響應(yīng)速度，減小靜態(tài)誤差提高響應(yīng)速度，減小靜態(tài)誤差，但太大，但太大會(huì)增大超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間。會(huì)增大超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間。nKi 積分系數(shù)，與積分系數(shù)，與Kp的作用基本相似，但要的作用基本相似，但要使靜態(tài)誤差為使靜態(tài)誤差為0，必須，必須使用積分。使用積分。n

16、Kd 微分系數(shù)，與微分系數(shù)，與Kp、 Ki的作用相反，主要是為了的作用相反，主要是為了減小超調(diào)，減小超調(diào)，減小穩(wěn)定時(shí)間減小穩(wěn)定時(shí)間。v三個(gè)比例系數(shù)的確定：三個(gè)參數(shù)要綜合考慮，一般先將三個(gè)比例系數(shù)的確定：三個(gè)參數(shù)要綜合考慮，一般先將Ki、 Kd設(shè)為設(shè)為0，調(diào)好調(diào)好Kp，達(dá)到基本的響應(yīng)速度和誤差，再加上，達(dá)到基本的響應(yīng)速度和誤差，再加上Ki，使誤差為，使誤差為0，這時(shí)再，這時(shí)再加入加入Kd。三個(gè)參數(shù)要反復(fù)調(diào)試，最終才能達(dá)到較好的結(jié)果。不同的控。三個(gè)參數(shù)要反復(fù)調(diào)試，最終才能達(dá)到較好的結(jié)果。不同的控制對(duì)象，調(diào)試的難度相差很大。制對(duì)象，調(diào)試的難度相差很大。二、二、 PIDPID控制器參數(shù)的確定控制器參數(shù)

17、的確定 PID PID控制器參數(shù)的確定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容?？刂破鲄?shù)的確定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 根據(jù)被控過程的特性確定根據(jù)被控過程的特性確定PIDPID控制器的比例系數(shù)、積控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID PID控制器參數(shù)確定的方法很多，概括起來有兩大類：控制器參數(shù)確定的方法很多，概括起來有兩大類：一是一是理論計(jì)算理論計(jì)算確定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)確定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修

18、改。未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程確定方法，它二是工程確定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。被廣泛采用。 vPIDPID控制器參數(shù)的工程確定方法，主要有控制器參數(shù)的工程確定方法，主要有臨界比例法臨界比例法、反反應(yīng)曲線法應(yīng)曲線法和和衰減法衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行確定。但無論采用哪一種方

19、法所得到的控制器參數(shù)，都確定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。v現(xiàn)在一般采用的是現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法臨界比例法。利用該方法進(jìn)行。利用該方法進(jìn)行 PIDPID控控制器參數(shù)的確定步驟如下：制器參數(shù)的確定步驟如下：首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；在一定的控制度下通過公式計(jì)

20、算得到在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PIDPID控制器的參數(shù)?？刂破鞯膮?shù)。v在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。調(diào)節(jié)效果修改。 v連續(xù)連續(xù)PID控制算法是針對(duì)控制算法是針對(duì)模擬量模擬量，離散，離散PID控制是控制是針對(duì)針對(duì)數(shù)字量數(shù)字量。v離散離散PID控制可分為三類：控制可分為三類：位置算法位置算法（以（以P為主）、為主）、增量算法增量算法（以（以I為主）、為主）、速度算法速度算法/微分先行（以微分先行（以D為為主）。主）。v三種算法的選擇，一方面要考慮執(zhí)行器的形式，另三種算法的選擇，一方面要考慮執(zhí)行器的形式，另一方

21、面要分析應(yīng)用時(shí)的方便性。一方面要分析應(yīng)用時(shí)的方便性。三、離散三、離散 PIDPID控制算法控制算法3.3 前饋控制前饋控制v所謂前饋控制，實(shí)質(zhì)上是一種所謂前饋控制，實(shí)質(zhì)上是一種按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。其特點(diǎn)是當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生之后，被控變量還未顯示出變化以前，根其特點(diǎn)是當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生之后，被控變量還未顯示出變化以前，根據(jù)擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影據(jù)擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響。響。v前饋?zhàn)饔帽确答伩刂埔皶r(shí)，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。前饋?zhàn)饔帽确答伩刂埔皶r(shí)，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。v由于前饋建模困難，往往把前饋和反饋控

22、制結(jié)合起來，構(gòu)成前由于前饋建模困難，往往把前饋和反饋控制結(jié)合起來，構(gòu)成前饋反饋系統(tǒng)。饋反饋系統(tǒng)。前饋克服主要擾動(dòng)的影響，反饋控制克服其余擾前饋克服主要擾動(dòng)的影響，反饋控制克服其余擾動(dòng)及前饋補(bǔ)償?shù)牟煌耆糠謩?dòng)及前饋補(bǔ)償?shù)牟煌耆糠帧?解耦控制解耦控制系統(tǒng)一般都是系統(tǒng)一般都是多入多出多入多出系統(tǒng)，而且輸入和輸出之間的系統(tǒng)，而且輸入和輸出之間的關(guān)系是復(fù)雜的關(guān)系是復(fù)雜的耦合耦合，一個(gè)輸入量影響多個(gè)輸出量，一個(gè)輸出量受多，一個(gè)輸入量影響多個(gè)輸出量，一個(gè)輸出量受多個(gè)輸入量的影響。被控對(duì)象不同，輸入、輸出之間的關(guān)系也不同。個(gè)輸入量的影響。被控對(duì)象不同，輸入、輸出之間的關(guān)系也不同。 被控對(duì)象的任意一個(gè)輸出和某

23、個(gè)輸入具有明顯的被控對(duì)象的任意一個(gè)輸出和某個(gè)輸入具有明顯的“一一對(duì)應(yīng)一一對(duì)應(yīng)”的的“依賴依賴”性，而其他輸入和該輸出的相互關(guān)系很弱，可以忽略。性，而其他輸入和該輸出的相互關(guān)系很弱，可以忽略。此時(shí)的多入多出關(guān)系，可以簡化為多個(gè)單入單出的此時(shí)的多入多出關(guān)系，可以簡化為多個(gè)單入單出的單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)，而把其他的影響因素看成干擾。，而把其他的影響因素看成干擾。 當(dāng)多入多出系統(tǒng)中輸入輸出相互耦合較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)不能簡單地當(dāng)多入多出系統(tǒng)中輸入輸出相互耦合較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)不能簡單地簡化為多個(gè)單回路控制系統(tǒng)，此時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的簡化為多個(gè)單回路控制系統(tǒng)，此時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的解耦措施解耦措施，之后再，之后再對(duì)系統(tǒng)采

24、取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?。?duì)系統(tǒng)采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?多入多出系統(tǒng)中，輸入和輸出的耦合程度可用多入多出系統(tǒng)中，輸入和輸出的耦合程度可用相對(duì)增益相對(duì)增益描述。描述。3.4 解耦控制解耦控制一、一、 解耦控制系統(tǒng)概述解耦控制系統(tǒng)概述耦合耦合：控制量與被控量之間：控制量與被控量之間互相影響，一個(gè)控制量的變互相影響，一個(gè)控制量的變化同時(shí)引起幾個(gè)被控制量變化同時(shí)引起幾個(gè)被控制量變化的現(xiàn)象。化的現(xiàn)象。解耦解耦：消除系統(tǒng)之間的相互：消除系統(tǒng)之間的相互耦合，使各系統(tǒng)成為獨(dú)立的耦合，使各系統(tǒng)成為獨(dú)立的互不相關(guān)的控制回路?；ゲ幌嚓P(guān)的控制回路。解耦方法解耦方法：1. 被控量和控制量之間的適被控量和控制量之間的適當(dāng)匹配；當(dāng)匹

25、配；2. 重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)；重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)；3. 附加解耦裝置附加解耦裝置 。鍋爐各控制量對(duì)各被控量的影響鍋爐各控制量對(duì)各被控量的影響 設(shè)多入多出系統(tǒng)中，輸入為設(shè)多入多出系統(tǒng)中，輸入為X=x1, x2, ,xnT ，輸出為，輸出為Y=y1, y2, ,ynT 第一放大系數(shù)第一放大系數(shù)：在：在其它輸入量（控制量）其它輸入量（控制量）xr(rj)均不變均不變的情的情況下，況下，xj發(fā)生改變時(shí)對(duì)輸出量（被控量）發(fā)生改變時(shí)對(duì)輸出量（被控量）yi的影響的開環(huán)靜態(tài)的影響的開環(huán)靜態(tài)放大系數(shù)。即除放大系數(shù)。即除xj 到到y(tǒng)i 通道外，其它通道全部通道外，其它通道全部斷開斷開時(shí)所得到時(shí)所得到的的xj 到到

26、yi 通道的通道的靜態(tài)增益靜態(tài)增益?？杀硎緸椋?。可表示為：第二放大系數(shù)第二放大系數(shù)：在：在其它輸出量（被控量）其它輸出量（被控量） yr(ri)均不變均不變的情的情況下，況下，xj發(fā)生改變時(shí)對(duì)輸出量（被控量）發(fā)生改變時(shí)對(duì)輸出量（被控量） yi的影響的開環(huán)靜的影響的開環(huán)靜態(tài)放大系數(shù)。即除態(tài)放大系數(shù)。即除xj 到到y(tǒng)i 通道外，其它通道全部通道外，其它通道全部閉合閉合時(shí)所得時(shí)所得到的到的xj 到到y(tǒng)i 通道的通道的靜態(tài)增益靜態(tài)增益?？杀硎緸椋?。可表示為：rxjiijxypryjiijxyq二、二、 相對(duì)增益相對(duì)增益相對(duì)增益相對(duì)增益= =第一放大系數(shù)第一放大系數(shù) / / 第二放大系數(shù)第二放大系數(shù)到到

27、這個(gè)通道的相對(duì)增益為這個(gè)通道的相對(duì)增益為rryjixjiijijijxyxyqp 相對(duì)增益反映了輸入對(duì)輸出控制作用的強(qiáng)弱，以及其他相對(duì)增益反映了輸入對(duì)輸出控制作用的強(qiáng)弱，以及其他通道對(duì)該通道的耦合影響作用的強(qiáng)弱。通道對(duì)該通道的耦合影響作用的強(qiáng)弱。因此，相對(duì)增益是多因此，相對(duì)增益是多入多出系統(tǒng)選擇控制通道和解耦控制方法的主要依據(jù)。入多出系統(tǒng)選擇控制通道和解耦控制方法的主要依據(jù)。（1）當(dāng)通道的相對(duì)增益）當(dāng)通道的相對(duì)增益接近于接近于1，如，如1.20.8，則表明其，則表明其它通道對(duì)該通道的關(guān)聯(lián)作用很小它通道對(duì)該通道的關(guān)聯(lián)作用很小,不必采取特別的解耦措施。不必采取特別的解耦措施。（2）當(dāng)相對(duì)增益）當(dāng)相

28、對(duì)增益小于零或接近于零小于零或接近于零，說明使用本通道調(diào)節(jié)，說明使用本通道調(diào)節(jié)器不能得到良好的控制效果。即這個(gè)通道的變量選配不恰當(dāng)，器不能得到良好的控制效果。即這個(gè)通道的變量選配不恰當(dāng)，應(yīng)重新選擇。應(yīng)重新選擇。（3）一般在）一般在 1.3范圍內(nèi)時(shí)，表明系統(tǒng)中存在嚴(yán)范圍內(nèi)時(shí)，表明系統(tǒng)中存在嚴(yán)重的耦合，需進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)。重的耦合，需進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)。相對(duì)增益的確定方法相對(duì)增益的確定方法主要有實(shí)驗(yàn)法、解析法和間接法。主要有實(shí)驗(yàn)法、解析法和間接法。（1 1）實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法: :即是按定義求取相對(duì)增益的方法，該方法的即是按定義求取相對(duì)增益的方法，該方法的求解完全依據(jù)定義進(jìn)行。求解完全依據(jù)定義進(jìn)行。（2 2）解析

29、法解析法: :基于被控過程的工作原理，通過對(duì)輸入、輸基于被控過程的工作原理，通過對(duì)輸入、輸出數(shù)學(xué)關(guān)系的變換和推導(dǎo)，求得相對(duì)增益的方法。出數(shù)學(xué)關(guān)系的變換和推導(dǎo)，求得相對(duì)增益的方法。（3 3）間接法間接法: :通過相對(duì)增益與第一放大系數(shù)的關(guān)系，利用通過相對(duì)增益與第一放大系數(shù)的關(guān)系，利用第一放大系數(shù)求得相對(duì)增益的方法第一放大系數(shù)求得相對(duì)增益的方法. . 利用實(shí)驗(yàn)法求第一放大系數(shù)比較易于實(shí)現(xiàn)。求第二放大利用實(shí)驗(yàn)法求第一放大系數(shù)比較易于實(shí)現(xiàn)。求第二放大系數(shù)時(shí)，要保持某個(gè)輸出變化，其他輸出不變，在大多數(shù)系數(shù)時(shí)，要保持某個(gè)輸出變化，其他輸出不變，在大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)中不可行。因此，實(shí)驗(yàn)法在實(shí)際使用中有較大困實(shí)際

30、系統(tǒng)中不可行。因此，實(shí)驗(yàn)法在實(shí)際使用中有較大困難，甚至在實(shí)際的過程對(duì)象中不易進(jìn)行，難于實(shí)際應(yīng)用難，甚至在實(shí)際的過程對(duì)象中不易進(jìn)行，難于實(shí)際應(yīng)用; ;解解析法由于計(jì)算量較大，在使用中顯得較為煩瑣析法由于計(jì)算量較大，在使用中顯得較為煩瑣; ;間接法相對(duì)間接法相對(duì)較為實(shí)用。較為實(shí)用。 解耦的本質(zhì)解耦的本質(zhì)在于設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，減少或解在于設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，減少或解除耦合，以保證各個(gè)單回路控制系統(tǒng)能獨(dú)立地工作。除耦合，以保證各個(gè)單回路控制系統(tǒng)能獨(dú)立地工作。 解耦常用的方法有三種：解耦常用的方法有三種： 一、串聯(lián)解耦控制一、串聯(lián)解耦控制 1. 1. 對(duì)角矩陣法對(duì)角矩陣法 2. 2. 三角矩陣法三角矩陣法

31、 二、反饋解耦控制二、反饋解耦控制 三、前補(bǔ)償法三、前補(bǔ)償法三、解耦控制方法三、解耦控制方法四、解耦控制中的問題四、解耦控制中的問題2部分解耦問題部分解耦問題3. 解耦系統(tǒng)的簡化解耦系統(tǒng)的簡化一般情況下，解耦補(bǔ)償器要比一般控制器復(fù)雜得多，尤其是過程傳遞一般情況下，解耦補(bǔ)償器要比一般控制器復(fù)雜得多，尤其是過程傳遞函數(shù)越復(fù)雜，階數(shù)越高，則解耦補(bǔ)償器的越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)越困難。函數(shù)越復(fù)雜，階數(shù)越高，則解耦補(bǔ)償器的越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)越困難。在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)的時(shí)變性和不確定性等原因很難辨識(shí)得到系在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)的時(shí)變性和不確定性等原因很難辨識(shí)得到系統(tǒng)的精確傳遞函數(shù)，所以，復(fù)雜的解耦補(bǔ)償控制器并不一定非常

32、實(shí)用。統(tǒng)的精確傳遞函數(shù)，所以，復(fù)雜的解耦補(bǔ)償控制器并不一定非常實(shí)用。設(shè)計(jì)中往往希望所設(shè)計(jì)的解耦控制器既能簡化解耦控制器的結(jié)構(gòu)，又能設(shè)計(jì)中往往希望所設(shè)計(jì)的解耦控制器既能簡化解耦控制器的結(jié)構(gòu)，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。根據(jù)控制理論，過程的簡化主要考慮以下幾方面：根據(jù)控制理論，過程的簡化主要考慮以下幾方面：（1）具備主導(dǎo)極點(diǎn)的系統(tǒng)，用該主導(dǎo)極點(diǎn)代表的環(huán)節(jié)近似代替高階）具備主導(dǎo)極點(diǎn)的系統(tǒng)，用該主導(dǎo)極點(diǎn)代表的環(huán)節(jié)近似代替高階系統(tǒng)。這樣可降低過程模型階數(shù)；系統(tǒng)。這樣可降低過程模型階數(shù)；（2）如果幾個(gè)時(shí)間常數(shù)的值相近，也可取同一值代替，這樣可以簡）如果幾個(gè)時(shí)間常數(shù)的值相近，也可取同一值代替

33、，這樣可以簡化補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；化補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；（3）用靜態(tài)解耦代替動(dòng)態(tài)解耦，簡化補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)。）用靜態(tài)解耦代替動(dòng)態(tài)解耦，簡化補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)。 在反饋控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型在反饋控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型是已知的，并且具有線性定常的特性。實(shí)際上在許多工程中，被控是已知的，并且具有線性定常的特性。實(shí)際上在許多工程中，被控對(duì)象或過程的對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型事先是事先是難以確定難以確定的，即使在某一條件下被確的，即使在某一條件下被確定了的數(shù)學(xué)模型，在工況和條件改變了以后，其動(dòng)態(tài)參數(shù)乃至于模定了的數(shù)學(xué)模型，在工況和

34、條件改變了以后，其動(dòng)態(tài)參數(shù)乃至于模型的結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常發(fā)生變化。型的結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常發(fā)生變化。 在發(fā)生這些問題時(shí)，常規(guī)控制器不可能得到很好的控制品質(zhì)。在發(fā)生這些問題時(shí)，常規(guī)控制器不可能得到很好的控制品質(zhì)。為此，需要設(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠?yàn)榇耍枰O(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化，這就是，這就是自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制。而自。而自適應(yīng)控制器的適應(yīng)控制器的特點(diǎn)特點(diǎn)就是它就是它能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動(dòng)的動(dòng)能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性變化力學(xué)特性變化。3.4 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制一

35、、自適應(yīng)控制系統(tǒng)概述一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)概述 自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性不確定性”是指描述是指描述被被控對(duì)象控對(duì)象及其及其環(huán)境環(huán)境的的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。 自適應(yīng)控制和自適應(yīng)控制和系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)是分不開的。是分不開的。 自適應(yīng)系統(tǒng)主要由自適應(yīng)系統(tǒng)主要由控制器控制器、被控對(duì)象被控對(duì)象、自適應(yīng)自適應(yīng)器器及及反饋控制回路反饋控制回路和和自適應(yīng)回路自適應(yīng)回路組成。組成?？刂破骺刂破鞅豢貙?duì)象被控對(duì)象自適應(yīng)器自適

36、應(yīng)器參考輸入?yún)⒖驾斎雛(t)控制量控制量u(t)干擾干擾v(t)輸出量輸出量y(t)二、自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖二、自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)比較，與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)比較，自適應(yīng)控制系統(tǒng)有三個(gè)顯著特點(diǎn)自適應(yīng)控制系統(tǒng)有三個(gè)顯著特點(diǎn)：控制器可調(diào)控制器可調(diào) 相對(duì)于常規(guī)反饋控制器固定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)反饋控制器固定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器在控制的過程中一般是根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，不斷更的控制器在控制的過程中一般是根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，不斷更改或變動(dòng)的。改或變動(dòng)的。增加了自適應(yīng)回路增加了自適應(yīng)回路 自適應(yīng)控制系統(tǒng)在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)回自適應(yīng)控制系統(tǒng)

37、在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)回路（或稱自適應(yīng)外環(huán)），它的主要作用就是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，路（或稱自適應(yīng)外環(huán)），它的主要作用就是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，自動(dòng)調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化。自動(dòng)調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化。適用對(duì)象廣適用對(duì)象廣 自適應(yīng)控制適用于被控對(duì)象特性未知或自適應(yīng)控制適用于被控對(duì)象特性未知或擾動(dòng)特性變化范圍很擾動(dòng)特性變化范圍很大，同時(shí)又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類系統(tǒng)，大，同時(shí)又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)不需要設(shè)計(jì)時(shí)不需要完全知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型完全知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 v到目前為止，在先進(jìn)的科技領(lǐng)域出現(xiàn)了許多形式不同的自適應(yīng)控制方案。到目前

38、為止，在先進(jìn)的科技領(lǐng)域出現(xiàn)了許多形式不同的自適應(yīng)控制方案。1. 1. 自整定控制自整定控制2. 2. 模型參考自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制(Model Reference Adaptive Control (Model Reference Adaptive Control MRAC) MRAC)3. 3. 自校正控制自校正控制(Self-tuning Regulator (Self-tuning Regulator STR) STR)4. 4. 增益自適應(yīng)控制增益自適應(yīng)控制5. 5. 直接優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)自適應(yīng)控制直接優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)自適應(yīng)控制6. 6. 模糊自適應(yīng)控制模糊自適應(yīng)控制7. 7. 多模型自適應(yīng)控制多模型自適應(yīng)控制8. 8. 自適應(yīng)逆控制自適應(yīng)逆控制v比較成熟并已獲得實(shí)際應(yīng)用的可以概括成兩大類：比較成熟并已獲得實(shí)際應(yīng)用的可以概括成兩大類： 模型參考自適應(yīng)控模型參考自適應(yīng)控制制； 自校正控制自校正控制。三、