计算机控制技术 教学课件 作者 夏扬 主编 第4章.ppt

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1、第四章复杂数字控制器设计第一节纯滞后系统的Smith控制算法第二节串级控制算法第三节动态矩阵控制算法当对控制系统的控制质量要求较高时，可以根据被控对象的特性，按照采样系统理论进行数字控制器设计。有时被控对象的特性比较复杂，数字控制器的设计就应该有针对性地进行。随着微机运算速度的提高和内存容量的不断扩大，使一些复杂的数字控制算法实时地实现成为可能，从而为提高系统的控制质量创造了条件。第一节纯滞后系统的Smith控制算法一、连续系统Smith预估器工作原理单回路控制系统，其被控对象有纯滞后环节。该图中表示控制器的传递函数，表示被控对象的传递函数，其中为被控对象不包含纯滞后部分

2、的传递函数，为对象纯滞后部分的传递函数。系统的闭环传递函数为由于在的分母中包含有纯滞后环节它降低了系统的稳定性。的值大到一定程度，系统将不稳定，这就是大纯滞后系统难以控制的原因。为了提高大纯滞后系统的控制质量，引入一个与被控对象并联的补偿器，称之为smith预估器，其传递函数为带有smith预估器的系统如图所示。由该图可知，经补偿后控制量与反馈量之间的传递函数为二、Smith预估器的数字实现当大纯滞后系统采用计算机控制时，smith预估控制器可用计算机实现。数字Smith预估器的输出为式中，为一中间变量，其算式与对象模型有关。三、数字smith预估控制系统计算机应完成的计

3、算任务是：1)计算反馈回路的偏差，2)计算中间变量当对象为一阶惯性环节加纯滞后环节时，按式计算。3)求取4)计算smith预估器的输出，5)计算PID控制器的输入，6)进行PID运算，计算PID控制器输出当采用改进型PID控制器或其他控制算法时，上面的计算要作一定的变化。第二节串级控制算法一、串级控制工作原理计算主回路的偏差二、串级控制的数字实现5)计算副调节器的输出增量3)计算主调节器的位置输出4)计算副回路的偏差计算主调节器的位置输出时，也可采用下面的改进算法2)计算主调节器的输出增量三、控制系统中副回路的设计1)副回路参数的选择应该使得副回路的时间常数小，反应灵敏。

4、2)副回路中应包含被控对象所受到的主要扰动。串级系统对副回路干扰有较强的抑制能力。四、控制系统调节器的选型和参数整定两步整定法的整定步骤是：1)在主回路闭合的情况下，将主调节器的比例系数设置为1，积分时间置，微分时间然后，按通常的PID控制器参数整定方法整定副调节器的参数。2)把副回路视为控制系统的一个组成部分，用一般的方法整定主调节器的参数，使主控参数达到工艺要求。第三节动态矩阵控制算法这类控制必须基于对象精确的数学模型，也就是必须求出对象的状态方程或传递函数。使得现代控制设计方法中，需要精确数学模型的前提通常难以保证。工业过程具有较大的不确定性，对象参数和环境常常随时

5、间发生变化，引起对象和模型的不匹配。基于理想模型的最优控制，在实际的工业过程中若不加以改进，是难以兼顾控制的鲁棒性的。一、动态矩阵控制的基本原理与算法(一)控制结构的组成动态矩阵控制算法是基于被控对象阶跃响应的一种算法。其控制算法主要由调节、预测和校正三部分组成，其中预测模型是算法中有特色的部分。1．预测模型由于被控对象的阶跃响应参数是比较容易测到的，因此，这种被控对象的建模特别适合于特性比较复杂和难以用数学表达式进行描述的对象。2．优化策略动态矩阵控制采用了所谓“滚动优化”的控制策略，在采样时刻的优化性能指标可取为3．反馈校正为了纠正模型预测与实际的不一致，必须及时地利

6、用过程的误差信息对输出预测值进行修正，而不应等到这个控制增量都实施后再作校正。为此，我们在，时刻首先实施中的第一个控制作用整个动态矩阵控制算法是由调节、预测和校正三部分组成的，该算法结构可用图加以描述。图中粗箭头表示向量数据流，细箭头表示标量数据流。(二)动态矩阵控制算法的实现动态矩阵控制算法第一是检测被控对象的阶跃响应特性第二是选择优化策略，第三是选择校正系数(1)离线计算(2)初始化(3)在线计算二、动态矩阵控制系统设计参数的选择1)根据香农采样定理1．采样周期2)根据对系统抗干扰性能的要求采样周期越小，对系统的描述就越接近真实连续系统，所包含的关于系统的信息也就越详

7、尽，故一般可取得较好的跟踪和整定效果，但相应的控制能量将会增大。2．优化时域长度1)在控制时域长度很小时，并且控制增量不受限制的情况下，我们总可通过增大得到一个稳定的控制。2)对于任意控制时域，控制回路总可以通过加大控制权矩阵的元素达到稳定，且必须满足条件3)如果的选择使得异号，则不管如何压制控制增量，都有可能使控制回路无法稳定。3．控制时域长度4．误差权矩阵5．控制权矩阵6．误差校正向量本章完