计算机控制技术课程讲义 1 第八章复杂控制系统 前述的PID控制 是着眼于一个物理量的稳定工作 控制方块图也是由一个闭环完成的 将用一个闭环控制一个物理量的系统称为单回路单参数控制系统 而将多闭环或多被控量相关的系统统称为复杂控制系统 因为在实际系统中与一个被控物理量相关的可能有许多因素 各被控量之间也存在相互联系和影响 单回路单参数PID控制是远远不够的 下面介绍几种常用的复杂控制系统 计算机控制技术课程讲义 2 8 1串级控制 一 串级控制的提出与原理 例 水位控制系统在单回路单参数控制时 控制器为TC 运行PID算法 根据e R C 决定x的输出 这时对水位的扰动因素为Qout的变化 计算机控制技术课程讲义 3 该控制调节作用的有效动作建立在如下二个基础条件下 1 x的数值与阀门开度成线性对应关系 2 阀门开度与输入流量Qin成线性对应关系 这样 x实际上是给出了当前需要的输入流量Qin 这个流量用来补偿Qout的变化 从而使水位保持稳定 但是上述第二项对应关系还是较难保证的 因为给水压力是不稳定的 受其它使用者 供水源等因素影响 导致流量与阀门开度不能一一对应 流量的不稳定是一个新的扰动因素 这亦使水位发生变化 再由TC进行调整 然而这个过程的调节作用周期较长 使控制系统的性能变差 即 由于给水压力的变化 使阀门开度与Qin不能一一对应 使x所给定的流量值得实现出现误差 该误差通过水位变化即e的变化反应给TC控制器 再进行调整 该过程周期长 使控制性能下降 且水位不易稳定 计算机控制技术课程讲义 4 为了改善之 我们引入一个新的控制器 FC x输出不再直接驱动阀门 而作为一个流量设定值与实际流量相比较 再由FC决定阀门开度 即 即 引入FC控制器运行PID算法 以TC的输出xt为设定值 以实际流量测量值f为采样值 计算出xf输出控制阀门开度 xt是需要的流量 f是实际流量 由FC进行控制 FC的控制目标 FC系统的输出 是流量Qin 计算机控制技术课程讲义 5 用方块图表示上述控制结构 称这种结构为串级控制 其特征为第一个控制的输出量作为第二个控制的设定值 其外部回路 TC 称之为主控回路 其内部回路 FC 称之为副控回路 即 R副 X主 TC FC 阀门 水槽 R xt xf Qin C 计算机控制技术课程讲义 6 二 串级PID算法 1 算法 一般主回路采用增量式算法 输出 x主 副回路采用位置式算法 输出x副 为限制副回路设定值的过大变化 引入系数 防止振荡的产生 2 参数整定 1 令主回路只保留P控制 Kp 1 用扩充临界比例度法整定副回路参数 2 另副回路只保留P控制 保持 1 步整定值 用扩充临界比例度法整定主回路参数 计算机控制技术课程讲义 7 一 比值控制的引入在多个被控量的系统中 经常要求一个被控量与另一个被控量间保持一定比例关系 如燃烧控制中的燃料空气比 合成反应中的原料比等 将使两种物理量保持一定比例的控制系统统称为比值控制 两个物理量分别称为主控量和副控量 比值控制的特征是 副控量的设定值与主控量的采样值成比例 即 R副 KC主 其中K为常数 二 比值控制的分类1 单闭环比值控制 只控制副控量使之随主控量变化 8 2比值控制 计算机控制技术课程讲义 8 2 双闭环比例控制 方块图 PID 对象 K 主控量采样值 副控量 方块图 计算机控制技术课程讲义 9 3 变比值控制 即 K f t K是时间的函数4 串级 比值复合控制 主 副控制回路均可使用串级而构成复合控制三 参数整定 主 副控制分别独立整定 8 3前馈控制 一 前馈控制的引入与原理PID控制是以偏差为输入量进行调节 当扰动输入出现时 首先引起偏差产生 控制器才开始动作 即控制输出有延迟 若能对干扰信号进行采样 预估其作用 提前产生控制输出 则能减少延迟 提高控制性能 这就是前馈控制 前馈控制原理 利用对扰动信号的采样 预估被控量的变化而提前产生控制输出 以抑制被控量的变化 达到使被控量稳定的目的 特征 以扰动作为控制环节的输入信号 属于开环控制 计算机控制技术课程讲义 10 二 完全补偿条件 设 扰动F s 对被控量C s 的对象扰动通道传递函数为Gpf s 控制输出X s 对被控量的对象控制通道传递函数Gpc 控制器的传递函数为Gff s 则一个典型的前馈控制的方块图为 计算机控制技术课程讲义 11 为达到在有扰动输入条件下使C s 稳定 即完全补偿 三 前馈 反馈控制系统前馈控制的缺陷 1 不可能对所有扰动和干扰进行前馈控制2 对象传递函数的分析也存在误差由此 前馈控制的稳定性可靠度下降 为此再引入反馈控制器形成复合控制系统 方块图如下 计算机控制技术课程讲义 12 F s 其中 GfB s 为反馈控制器传递函数 该系统中 由前馈控制器Gff s 快速抑制F s 扰动 而由反馈控制器GfB s 克服余差等 而达到稳定 计算机控制技术课程讲义 13 四 串级 前馈 反馈控制系统 在前馈反馈控制系统中亦可引入串级控制以如下水位控制系统为例 设 R为设定值 C为采样 f1输入流量 f2输出流量 x控制器综合输出 计算机控制技术课程讲义 14 将f2作为扰动量进行前馈控制 e R C作为反馈调节输入 加入f1的串级控制以稳定流量 稳成的控制器如下 数字控制器 其中 Gf1C Gf2C Gxf1为对象传递函数D1 D2 D3为控制器脉冲传递函数