自动控制方法大综述

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1、控制算法李凯天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津微纳制造技术工程中心经典控制特点单输入、单输出的线性定常（参数不随时间而变化）系统特点简单实用，理论不完善采用试探法设计系统经验结果分析自动控制理论的发展过程系统分析：在系统的结构、参数已知的情况下，计算出它的性能。系统校正：在系统分析的基础上，引入某些参数可以根据需要而改变的辅助装置，来改善系统的性能，这里所用的辅助装置又叫校正装置（G1(S))。系统校正系统校正的几种常见方法1、串联校正如果校正元件与系统的不可变部分串联起来，如图所示，则称这种形式的校正为串联校正。+-R(s)C(s)H(s)串联校正系统方框图图中的G0（s）与Gc（

2、s）分别表示不可变部分及校正元件的传递函数。H(s)R(s)C(s)+-+-反馈校正系统方框图2、反馈校正如果从系统的某个元件的输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路内设置传递函数为Gc(s)的校正元件，则称这种校正形式为反馈校正，如下图所示。3、前馈控制如果干扰可测，从干扰向输入方向引入的以消除或减小干扰对系统影响的补偿通道。4、顺馈控制以消除或减小系统误差为目的，从输入方向引入的补偿通道。5、校正类型比较：串联校正:分析简单，应用范围广，易于理解和接受.反馈校正:最常见的就是比例反馈和微分反馈，微分反馈又叫速度反馈。顺馈校正：以消除或减小系统误差为目的。前馈校正：以消除或减小干扰对系

3、统影响。前馈与反馈控制特点比较反馈控制的特点：基于偏差来消除偏差；“不及时”的控制；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用；控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律前馈控制的特点：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；动作“及时”；只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；具有指定性补偿的局限性；控制规律取决于被控对象的特性前馈控制器设计原理不变性原理是实现前馈控制的理论基础。“不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关前馈模型过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：前馈控制属于开环控制方式；完全补偿难以满足，因为：要准确掌握过程扰动通道特性Wf（s）及控制通道

4、特性Wo（s）是不容易的；即使前馈模型Wm（s）能准确求出，有时工程上也难以实现；对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。前馈控制的局限性PID控制器模型比例系数Kp的大小决定系统的快速性，越大，系统响应速度越快，调节精度越高。积分系数Ki作用是消除系统的静态误差。Ki太大，系统振荡次数增加，Ki太小系统调节精度降低。微分系统Kd改善系统的动态特性。Kd过大，则超调量较大，调整时间过长。几种改良的PID控制器1、积分分离PID控制算法2、抗积分饱和PID控制算法3、不完全微分PID控制算法4、微分先行PID控制算法5、带死区的PID控制算法1积分分离P

5、ID控制算法在PID控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除静差，提高控制精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID中积分运算的过度积累，使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围，引起系统较大的超调和振荡，这在生产中是绝对不允许的。积分分离控制基本思路和具体实现的步骤是：1）根据实际情况，人为设定阈值ε＞0；2）当∣error(k)∣＞ε时，采用P或PD控制；3）当∣error(k)∣≤ε时，采用PI或PID控制，以保证系统的控制精度。2抗积分饱和PID控制算法若系统存在一个方向的偏差，PID的输出由于积分作用的不断累加导致u(k)达到极限位置

6、。此后若PID控制器的计算输出继续增大，实际执行装置的控制输出u(k)也不会再增大，即进入了饱和区。当出现反向偏差，u(k)逐渐从饱和区退出。进入饱和区愈深则退饱和时间愈长，此时，系统就像失去了控制。这种现象称为积分饱和现象或积分失控现象。（1）积分饱和现象在计算u(k)时，首先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否己超出限制范围。若超出，则只累加负偏差；若未超出，则按普通PID算法进行调节。这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。（2）抗积分饱和算法在PID控制中微分信号的引入可改善系统的动态特性，但也易引进高频干扰，在误差扰动突变时尤其明显。若在控制算法中加入低通滤波器，则可使系统性能得到

7、改善。3不完全微分PID控制算法不完全微分PID的结构如图。上图将低通滤波器直接加在微分环节上，左图是将低通滤波器加在整个PID控制器之后。微分先行PID控制的特点是只对输出量y(t)进行微分，而对给定值r(t)不进行微分。这种输出量先行微分控制适用于给定值r(t)频繁升降的场合，可以避免给定值升降时引起系统振荡，从而明显地改善了系统的动态特性。结构如下图所示。4微分先行PID控制算法5带死区的P