63计算机控制系统第三章1

第3章复杂控制规律的设计*设计方法基本思路：计算环节控制环节单回路控制复杂控制规律通常包含两个以上控制器或执行机构3.1串级控制串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，加快了系统的快速性并提高了系统的品质。串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环响应速度快得多。1、基本概念加热炉温度—燃油流量单回路控制系统控制效果差：燃料油压力的变化导致流量的变化，而该变化通过温度的反馈延迟较大。加热炉温度与燃油流量串级控制系统控制好：温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，而流量控制的输出去控制燃料油管线上的调节阀。)(1sD)(1sG)(sR)(2sY)(sY)(1sV)(2sV)(2sD)(2sG)(2sR串级控制系统的结构图一个在闭环里面，称为内环。在控制中起“粗调”的作用。一个在闭环外面，称为外环。在控制中起“细调”的作用，最终保证被控量满足控制要求。2、串级控制的特点与性能分析：（1）副控回路具有快速性，能够有效地克服进入副控回路的二次干扰。)(1sD)(1sG)(sR)(2sY)(sY)(2sV)(2sD)(2sG)(2sGv)(2sR)()()()()()(1)()()()(221122122sGsDsGsDsGsDsGsGsVsYv)(sD)(1sG)(sR)(2sY)(sY)(2sV)(2sG)(2sGv21212()()()()1()()()vGsGsYsVsDsGsGs)()()()()()(1)()()()(221122122sGsDsGsDsGsDsGsGsVsYv21212()()()()1()()()vGsGsYsVsDsGsGs增益较大增益大于1串级控制使被控量受二次于扰的影响可以减至原来的l/100～1/10。（2）可以加大主控制器的增益，提高系统的工作频率。内环对象：1)(222sTKsGpp内环控制器：22)(cKsD等效对象：1111)()(1)()()()()('2'22222222222222'2sTKKKsTKKKKsGsDsGsDsRsYsGpppcppcpc其中：2222'21pcpcpKKKKK222'21pcppKKTT由于1+Kc2Kp21因此2'2ppTT对于串级控制系统：（3）使串级系统的自适应能力增强。对于单回路控制系统：控制器参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，超出这个范围，控制质量就会下降。等效对象：'2'22'22()()()1ppKYsGsRsTs其中：2222'21pcpcpKKKKK222'21pcppKKTT内环对象：1)(222sTKsGpp一般Kc2Kp21，对象增益Kp2随负荷变化时，对等效对象的增益K´p2的影响不大。3、串级控制主、副控制的设计（1）设计原则•系统主要的扰动应该包含在副控回路之中•副控回路应该尽量包含积分环节•必须用一个可以测量的中间变量作为副控被控参数•主控、副控回路的采样周期一般选择T1=(3~10)T2（2）主、副控制形式•自主设计主、副控制器（如解析设计方法）•主控制器：PID控制器•副控制器：P或PI控制器。（3）主、副控制器参数的整定•主控制回路开环的情况下，整定副控制器•在投入副控制器的情况下整定主控制器•主、副控制回路闭合的情况下再循环调整主、副控制器参数，直到满足控制要求•即所谓“逐步逼近”整定法3.2前馈控制1、基本概念)(sD)(sR)(sY)(sE)(sV)(sG)(sU)(sDf)(sY)(sV)(sG)(sU负反馈控制系统：靠偏差E(s)来消除扰动影响，控制作用U(s)总是落后于扰动作用。前馈控制：在存在扰动的系统中，可以直接按照扰动进行控制。在理论上，它可以完全消除扰动引起的偏差。换热器前馈控制系统说明：进料流量Q是影响被控量出口温度的主要扰动。22DQD反馈：前馈：2、工作原理)(sDf)(1sY)(sY)(sV)(sG)(sGv)(2sY)(sU扰动通道：扰动作用V(s)通过对象的扰动通道Gv(s)引起输出Y1(s)变化。控制通道：扰动作用V(s)通过前馈控制器Df(s)和对象的控制通道G(s)，使系统输出Y2(s)变化。在有扰动V(s)作用时，希望Y1(s)和Y2(s)的大小相等，方向相反，即0)()()()()()()(21sVsDsGsVsGsYsYfv从而)()()(sGsGsDvf此即为前馈控制器的控制规律。Df(z)：（1）将Df(s)进行离散化处理，得到前馈控制器的离散化传递函数模型；（2）经过零阶保持器法得到的离散化模型Gv(z)和G(z)，从而得到()()()vfGzDzGz3、前馈控制的类型前馈控制系统经常是在对主要扰动设置前馈控制器的基础上与其它控制如反馈控制、串级控制等结合在一起使用。原因：前馈控制器只对被前馈的量V(s)有补偿作用，而对末被引入前馈控制器的其它扰动量没有任何校正作用。前馈控制按照控制规律和控制结构，可以分为多种类型，比较典型的有静态前馈，动态前馈，前馈—反馈和前馈—串级控制等类型。（1）静态前馈控制)()()(sGsGsDvf当对象扰动通道和控制通道的动态特性相同时，则ffKsD)(静态前馈是最简单的控制类型，静态前馈的实现十分方便。（2）动态前馈控制当对象的扰动通道和控制通道的动态特性不相同时，若仍用静态前馈控制，则不能保证过程的完全补偿，此时，应采用动态前馈控制。设svesTKsG1111)(sesTKsG2221)(得到sffesTsTKsD121)1()(21/KKKf2121当时，有sTsTKsDff1211)(其离散化形式为1'11'2'11211)()(zTzTKzDzDfzzTzff其中TTTTKKff/21/2112'TTTTT/21/2122'2TTTTT/21/2111'121当时，令sses2121于是有sssTsTKsDff212111)(12其离散化形式为：1''11''21'11'2'1121111)()(zTzTzTzTKzDzDfzzTzff（3）前馈—反馈控制要完全补偿扰动作用是比较困难的前馈控制是开环控制，很难得到良好控制性能的前馈控制具有控制及时，负反馈控制具有控制精确的特点，两者结合使得前馈—反馈控制具有及时而又精确的特点典型的前馈—反馈控制系统的结构如下：)(sDf)(sY)(sV)(sG)(sGv)(sD)(sR分析扰动作用，设R(s)=0，于是)()(1)()()()()(sGsDsGsDsGsVsYfv（1）不完全补偿，对被控量的影响减小到)()(11sGsD（2）完全补偿时，有Y(s)=0，所以0)()()(sGsDsGfv)()()(sGsGsDvf从而（4）前馈—串级控制)(sDf)(sY)(sV)(1sG)(sGv)(1sD)(sR)(2sG)(2sD（1）前馈—反馈控制的控制性能显然较单纯的前馈控制有很大的提高，但是当有其它扰动作用时，系统的性能仍不理想。（2）前馈—串级控制系统能够及时克服进入前馈回路和串级副控回路的扰动对被控量的影响，对执行机构的要求也可以降低。（3）因此前馈—串级控制可以获得很高的控制精度。)()()(1)()()()()()]()([)()()(122221sGsGsDsGsDsVsDsDsYsRsVsGsYfv对于串级副控回路，有1)()(1)()(2222sGsDsGsD假设R(s)=0的情况下，有)()(1)()()()()(111sGsDsGsDsGsVsYfv当前馈控制器完全补偿时，有Y(s)=0，所以0)()()(sGsDsGfv于是得到前馈—串级控制的前馈控制器模型为)()()(sGsGsDvf（5）前馈控制使用原则系统中存在的扰动幅度大，频率高且可测不可控时当主要扰动无法用串级控制包围在副控回路时当扰动通道和控制通道的时间常数接近的时候扰动通道的时间常数远大于控制通道的时间常数时，一般反馈控制已能获得良好的控制性能，只有在控制性能要求很高时，才有必要引入前馈控制扰动通道的时间常数远远小于控制通道的时间常数时，前馈控制的作用不大在静态前馈能够满足工艺要求的时候，尽量不采用动态前馈第三章1-2节结束