《计算机控制》PPT课件

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1、计算机控制系统第6章复杂控制算法第6章复杂控制算法常规PID控制技术最小拍控制纯滞后控制串级控制预测控制模糊控制2第6章复杂控制算法6.1数字控制器设计原理Go(s)是被控对象的连续传递函数，D(z)表示数字控制器，Gh(s)是零阶保持器，采样周期为T。图6-1计算机控制系统框图3第6章复杂控制算法6.1数字控制器设计原理广义对象的脉冲传递函数定义G(z)为则图6-1对应的闭环脉冲传递函数为(6-2)4第6章复杂控制算法6.1数字控制器设计原理与对象结构有关的设计方法，即按照某一期望的闭环传递函数φ(z)来设计数字控

2、制器D(z)。这时，D(z)的结构将依赖于广义对象G(z)的结构。因为G(z)和φ(z)已知，故由式(6-2)可求得(6-3)5第6章复杂控制算法6.1数字控制器设计原理数字控制器的设计步骤如下：1)根据式(6-1)求广义对象的脉冲传递函数G(z)2)根据控制系统的性能指标要求和其他约束条件，确定闭环脉冲传递函数φ(z)3)根据式(6-3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)4)根据D(z)导出控制器的输出u(k)6第6章复杂控制算法6.1数字控制器设计原理设数字控制器的一般形式为(6-4)则(6-5)7第6章复杂控

3、制算法6.1数字控制器设计原理(6-5)由此可得数字控制器输出的时间序列为(6-6)按照式(6-6)，就可编写出控制算法程序。8第6章复杂控制算法6.3纯滞后控制在工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，使得被控对象具有纯滞后性质，对象的这种纯滞后性质对控制性能极为不利。当对象的纯滞后时间τ与对象的时间常数T之比，即τ／T≥0.5时，采用常规的PID控制会使控制过程严重超调，稳定性变差。早在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中的纯滞后对象进行了深入的研究。9第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原

4、理施密斯提出了一种纯滞后补偿模型，但由于模拟仪表不能实现这种补偿，导致这种方法在工程中无法实现，现在人们利用微型计算机可以方便地实现纯滞后补偿。在图6-10所示的单回路控制系统中，D(s)表示调节器的传递函数，G(s)e-τs表示被控对象的传递函数，G(s)为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，e-τs为被控对象纯滞后部分的传递函数。10第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原理闭环传递函数为：(6-19)闭环传递函数的分母中包含有纯滞后环节，它降低了系统的稳定性。当纯滞后时间τ较大时，系统将是不稳定的，这就是大纯滞

5、后过程难以控制的本质。图6-10带纯滞后环节的控制系统11施密斯预估控制器原理：引入一个补偿环节与对象并联，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，该环节称为预估器，其传递函数为G(s)(1－e－τs)，补偿后系统框图如图6-11a所示。实际补偿器的实现是并联在控制器上的，故图6-11a可转换成图6-11b的等效形式。由施密斯预估控制器和调节器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为D'(s)，即(6-20)第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原理12第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原理图6-11带施密斯预估器的控制

6、系统13经补偿后的系统闭环传递函数为(6-21)第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原理14第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原理图6-11带施密斯预估器的控制系统15上式说明，经过补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e－τs在闭环控制回路之外，不影响闭环系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明，e－τs仅仅将控制作用在时间轴上推移了一段时间τ，控制系统的过渡过程及性能指标都与对象特性为时完全相同，如图6-12a所示。第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原理16图6-12b表明，带纯滞后补偿的控制系统就

7、相当于在控制器为D(s)、被控对象为G(s)e－τs的系统的反馈回路串上一个传递函数为eτs的反馈环节，即检测信号通过超前环节eτs后进入控制器。因此，从形式上可把纯滞后补偿视为对输出状态的预估作用，故称为施密斯预估器。第6章复杂控制算法1.施密斯预估控制原理17由图6-13可见，纯滞后补偿的数字控制器由两个部分组成：一部分是数字PID控制器；另一部分是施密斯预估器。第6章复杂控制算法2.具有纯滞后补偿的数字控制器图6-13具有纯滞后补偿的控制系统18第6章复杂控制算法2.具有纯滞后补偿的数字控制器6-14施密斯预估

8、器方框图(1)施密斯预估器施密斯预估器的输出可按图6-14计算，在此取PID控制器前一个采样时刻的输出u(k-1)作为预估器的输入。为了实现滞后环节，在内存中设置N个单元作为存放信号m(k)的历史数据，存储单元的个数N由下式决定：N=τ／T（取整）式中：τ——纯滞后时间；T——采样周期。19在每个采样周期，把第N-1个单元移入第N个单元，第N-