【精品课件】自动控制方法大综述
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自动控制的基本控制原理与方式 共49页PPT共51页
自动控制的基本控制原理与方式 共49 页
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢！
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢！
自动控制概论PPT资料(正式版)
系统，它由被控对象和控制装置组成。
自动控制系统的基本概念
控制系统的基本组成
1、测量元件：传感器 2、比较元件：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量
或放大元件结合在一起 3、放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率 4、执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量 5、校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震
自动控制系统的基本概念
v 反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统 （或环节）的输入端，称为反馈。 v 偏差：给定输入量与主反馈量之差。 v 误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值 是理想化系统的输出，实际上很难达到，因而用与控制输入量 有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下，希望值就 是系统的输入量，误差量就等于偏差量。 v 扰动：扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的信号。如 果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；反之，当扰动产生 在系统的外部时，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的输 入量。
自动控制系统的基本概念
名词术语：
v 被控量：即系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状 态。 v 控制量：控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或 状态，它将影响被控量的值。通常，被控量是系统的输出量。 控制意味着对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用 于系统，以修正或限制测量值对期望值的偏离。 v 参考输入：是人为给定的，使系统具有预定性能或预定输出 的激发信号，它代表输出的希望值。故又称为给定输入、给定 值、期望输出等。
给定环
比较环节
+
串联校 控制量
节 参考 -偏差 正
-
输入
放大变 换
执行机 构
反馈
被控对 象
输出 被控量
自动控制系统的基本概念
控制系统的基本组成
1、测量元件：传感器 2、比较元件：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量
或放大元件结合在一起 3、放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率 4、执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量 5、校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震
自动控制系统的基本概念
v 反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统 （或环节）的输入端，称为反馈。 v 偏差：给定输入量与主反馈量之差。 v 误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值 是理想化系统的输出，实际上很难达到，因而用与控制输入量 有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下，希望值就 是系统的输入量，误差量就等于偏差量。 v 扰动：扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的信号。如 果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；反之，当扰动产生 在系统的外部时，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的输 入量。
自动控制系统的基本概念
名词术语：
v 被控量：即系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状 态。 v 控制量：控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或 状态，它将影响被控量的值。通常，被控量是系统的输出量。 控制意味着对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用 于系统，以修正或限制测量值对期望值的偏离。 v 参考输入：是人为给定的，使系统具有预定性能或预定输出 的激发信号，它代表输出的希望值。故又称为给定输入、给定 值、期望输出等。
给定环
比较环节
+
串联校 控制量
节 参考 -偏差 正
-
输入
放大变 换
执行机 构
反馈
被控对 象
输出 被控量
自动控制系统的分析方法概述PPT(共 41张)
• 付里叶级数——付里叶变换
第一节 自动控制系统
1.4 系统的传递函数和方块图 一、拉氏变换有关知识
４．适用对象∶适用于线性定常系统的分析
５．性质
① 线性性质
L[Af1(t)士Bf2(t)] = A L[f1(t) ]±B L[f2(t)]
= A F1(s) ± B F2(S)
② 微分性质 d(ft)
2、 系统在控制作用U(t)影响下的强迫运动：
X& AX B u(t)
解的表达式为： X (t)eAX t(0 )teA (t )B u()d 0
对应于区间 t0 t 取积分，则有
X (t)eA (t t0)X (t0)tt0eA (t )B u()d
２．传递函数性质 （1）G(s)描述既适用于元件，也适用于系统。 （2）传递函数仅与系统本身的特性有关。 （3）它不代表系统或元件的物理结构（许多物理性质
不同的系统或元件可以具有相同的传递函数？）。
(4) n≥m。习惯上以传递函数分母中s 的最高阶数n 来定义系统的阶数，常称该系统为n阶系统。
1.4 系统的传递函数和方块图 三、方块图
拉氏变换的物理意义1822年第一节自动控制系统路漫漫其悠远?1非正弦周期信号展开成付里叶级数?2分别求出各次谐波分量正弦信号单独作用于电路的结果?3应用线性电路的迭加性将所有结果迭加起来即为非正弦周期信号的电路分析的结果?非正弦非周期信号非正弦周期信号的电路分析?看成周期为无穷大的周期信号?付里叶级数付里叶变换14系统的传递函数和方块图一拉氏变换有关知识第一节自动控制系统路漫漫其悠远4
临界阻尼
0
j
0＜ ＜1
j
＝0
j 0
自动控制原理课件
自动控制原理课件
自动控制原理是指通过测量和比较系统的实际输出与期望输出之间的差异，并根据差异来调整系统的输入，以实现对系统的自动控制。
自动控制原理主要包括了以下几个方面的内容：
1. 反馈控制：通过测量系统的实际输出，并与期望输出进行比较，从而调整系统的输入，使得系统的实际输出逐渐趋近于期望值。
2. 控制器设计：根据系统的特性和控制要求，设计控制器来实现对系统的自动调节。
控制器可以是简单的比例控制器，也可以是更复杂的PID控制器等。
3. 系统建模：通过对系统进行建模，可以对系统的动态特性进行分析和预测，为控制器的设计和参数调节提供依据。
4. 系统响应分析：对系统的输入和输出进行分析，了解系统的动态响应特性，包括稳态误差、阶跃响应、频率响应等。
5. 鲁棒控制：考虑到系统模型的不确定性和外部扰动的影响，设计鲁棒控制器来提高系统的鲁棒性和稳定性。
自动控制原理广泛应用于各个领域，包括工业控制、机器人控制、航空航天等，以及日常生活中的自动化系统，如空调、洗
衣机等。
通过自动控制的原理，可以提高系统的效率、稳定性和可靠性，减少人工操作和管理的工作量。
第一章自动控制概述精品PPT课件
❖ 输入信号1 ：外加变量。 ❖ 输出信号2 ：系统或元件产生的变量。 ❖ 被控变量3 ：最关注的输出信号。
由某一输入信号产生 的输出信号称为对该 输入信号的响应
❖ 控制变量4 ：控制器输出的信号，作用在对象上。
❖ 反馈信号5 : 被控量经传感器变换并返回到输入端的信号，要与输入信 号比较，产生偏差信号。
自动控制的基本理论 分析、设计控制系统的基本方法
❖ 经典控制理论
以传递函数为工具和基础 以频域法和根轨迹法为核心 研究单变量控制系统的分析与设计 20世纪50年代发展成熟
❖ 现代控制理论
以状态空间方法为标志和基础 研究多变量控制系统的分析与设计
1.2 自动控制的基本概念
基本概念
❖ 室温控制系统元件框图
变送器，敏感元件，检测元件。 4.补偿元件（校正元件） 补充的元件。
❖ 典型功能框图
1.4.2 对控制系统的基本要求
❖ 1.稳定性 受控，正常运行。最基本、最重 要的要求。
❖ 2.准确性 误差小。稳态精度，稳态性能。 ❖ 3.快速性与平稳性 过渡过程快速、平稳。
动态性能。
❖ 习题 1-1 ❖ 习题 1-3 ❖ 习题 1-5
作业
课件下载后可自由编辑，如有不理解
之处可根据本节内容进行提问
Thank you for coming and listening,you can ask questions according to this section and this courseware can be downloaded and edited freely
❖ 指令输入、给定值6 ：被控量的希望值。
❖ 参考输入信号7 ：代表指令输入与反馈信号比较的基准信号。
自动控制基础知识.详解ppt课件
双位控制在给排水工程中采用普遍，如:水池、水箱的液 位控制，实验室恒温箱的温度控制等。
双位控制的特点：控制器只有最大和最小两个输出值，执 行器只有“开”和“关”两个极限位置。被控对象中物料 量或能量总是处于不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡， 得不到比较平衡的控制过程。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
（2）主要特点： 从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的
信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。 从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减
少或消除偏差的方向运动。——偏差控制
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
二、比例控制
定义：使被控量的偏差量与调节阀的开关量对应起来，如 图1.15所示的系统，当液面高于给定值Lo后，阀门不是全 关，而是关小，液面越高，阀关得越小；反之．液面低于 给定值Lo，阀也不是全开，而是开大，液面越低，阀开得 越大。例如，液面低于给定值Lo的10％时，则调节信号也 能使阀门开大10％。这样当对象负荷变化时，调节作用就 会与之相适应。这种控制器的输出与被控量的偏差值成比 例的调节方式称为比例控制，又称P控制。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
被控量——输出量 给定量——输入量
给定输入：决定系统输出量的变化 规律或要求值
扰动输入：系统不希望的外作用
双位控制的特点：控制器只有最大和最小两个输出值，执 行器只有“开”和“关”两个极限位置。被控对象中物料 量或能量总是处于不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡， 得不到比较平衡的控制过程。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
（2）主要特点： 从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的
信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。 从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减
少或消除偏差的方向运动。——偏差控制
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
二、比例控制
定义：使被控量的偏差量与调节阀的开关量对应起来，如 图1.15所示的系统，当液面高于给定值Lo后，阀门不是全 关，而是关小，液面越高，阀关得越小；反之．液面低于 给定值Lo，阀也不是全开，而是开大，液面越低，阀开得 越大。例如，液面低于给定值Lo的10％时，则调节信号也 能使阀门开大10％。这样当对象负荷变化时，调节作用就 会与之相适应。这种控制器的输出与被控量的偏差值成比 例的调节方式称为比例控制，又称P控制。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
被控量——输出量 给定量——输入量
给定输入：决定系统输出量的变化 规律或要求值
扰动输入：系统不希望的外作用
第4章-自动控制系统的基本控制方法PPT课件
结果：输出稳定在设定的85度上，即消除了余差。
2020/3/24
可编辑
13/73
E-3、增加微分作用
➢ 由于温度过程容量滞后大，当出现偏差
时，其数值已经较大
➢ 补充经验：根据偏差变化的速度来开启
阀门，从而抑制偏差的幅度，使控制作
用更加及时。
u( t
)
TD
de( t dt
)
理想PID控制器的运算规律数学表达式：
决策机构
修正机构
辨识机构
输入量
控制器
被控对象 环境条件等
输出量
2020/3/24
可编辑
2020/3/24
可编辑
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4.4 自适应控制
产生背景
（1）系统复杂，很难精确建模和分析（模型不确定性）—— 如化工过程中的反应炉，换热器；
（2）环境变化会引起被控对象的结构和参数发生变化（系统 本身的不确定性）——如人的血压控制；
（3）环境变化对被控系统的干扰——当不可测量时——将直 接导致被控量的不确定性变化，且不能通过前馈控制方 式给以补偿。
拦截导弹最短时间控制
2020/3/24
可编辑
23/73
4.3 最优控制
常见的最优控制问题
⑵ 最小燃料消耗问题：控制量u(t)与燃料消耗量成正比。
J tf u t dt min t0
F xt ，u t ，t u t
2020/3/24
可编辑
导弹最小燃料控制
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4.3 最优控制
常见的最优控制问题
2020/3/24
可编辑
27/73
4.3 最优控制
常见的最优控制性能指标
⑶ 复合型性能指标
【正式版】自动控制基础PPT
3.1 反馈控制 feedback control
目标值
（ＳＰ）
外界影响
室内人员的增减、日照
பைடு நூலகம்
调节器
比较
（ε） 调节装置
操作装置
控制对象
（ＰＶ）
（Ｙ）
室温
检测装置
反馈
根据反馈，将控制量 与目标值相比较，执 行修正动作，使二者 达到一致的控制
取入新风
电动阀
蒸气
H
C
T
凝水器
温度调节器 设定20℃
供气
3.2 前馈控制 feedforward control
乱调。 2 前馈控制 feedforward control
中立带
1 反馈控制 feedback control
所谓手动控制，即由人进行的控制 （引用JISZ8116）
按2 前输馈入控值浮制成比f位ee例df进o动rw行a输r作d出co的n(t又r控ol制称动作为： 单速度动作)虽然也是开闭动作的一种，不同的 是，它可处在不与任何接点闭合的中立带(neutral zone)(或称为
OFF
－设 ＋
定
输入
值
动作间隙 Differential
－设 ＋
定
输入
值
比较控制输入与设定值，执行ON或OFF两个位置的控制输出。
4.2 双位动作的室内温度控制效果
室高
内 温 度
设定值
运行
过调量 动作间隙 １℃
运行
下调量
空调机运行/停止
停止
停止
4.3 浮位动作 floating action
OFF
人观察温度计测出的室温，与希望值相比较，判断打开还是关闭控制阀，然后用手操作阀门，使用蒸气流量产生变化。
自动控制方法大综述-PPT精选文档
Date: 3/26/2019
© MNMT, Tianjin University, 2012 - # 15
几种改良的PID控制器
— 2005 —
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
Date: 3/26/2019
C(s)
图中的G0（s）与Gc（s）分别表示不可变部分及校 正元件的传递函数。
Date: 3/26/2019 © MNMT, Tianjin University, 2012 - # 5
2、反馈校正
— 2005 —
如果从系统的某个元ຫໍສະໝຸດ 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
Date: 3/26/2019
© MNMT, Tianjin University, 2012 - # 10
— 2005 —
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
© MNMT, Tianjin University, 2012 - # 16
1 积分分离PID控制算法
校正元件，则称这种校正形式为反馈校正，如下图 所示。
R(s) + G1 ( s)
+ H(s)
G2 ( s )
C(s)
Gc ( s )
反馈校正系统方框图
Date: 3/26/2019
© MNMT, Tianjin University, 2012 - # 6
3、前馈控制 — 2005 — 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。
【精编版】1自动控制的基本知识PPT共48页
【精编版】1自动控制的基本知识
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心Байду номын сангаас 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心Байду номын сангаас 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
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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
若e0太大，则系统将产生较大的滞后。
现代控制
可控性 可观性 稳定性
建模
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：
WM
(s)
Wf Wo
(s) (s)
前馈控制的局限性
• 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 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。
PID控制器模型
u(t)K pe(t)K I0 te()d K Dd e d (tt)
G(s)KDs2KPsKI s
• 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
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
（1）积分饱和现象
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。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。
控制算法
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
分析
经验
结果
自动控制理论的发展过程
系统校正
•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
（2）抗积分饱和算法
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。
3 不完全微分PID控制算法
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改 善。
5 带死区的PID控制算法及仿真
在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制作 用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用 带死区的PID控制算法，控制算式为：
e(k
)
0 e(k )
e(k ) e0 e(k ) e0
式中，e(k)为位置跟踪偏差，e0是一个可调参数，其具 体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值太小， 会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；
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。
4 微分先行PID控制算法
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。
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。
R(s) +
+
G1 ( s)
-
-
C(s) G2 (s) Gc (s)
H(s) 反馈校正系统方框图
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。
N(s)
Gc(s)
E(s)
G1(s)
G2(s)
H(s)
Gn(s)
C(s)
4、顺馈控制
以消除或减小系统误差为目的，从入方向引入 的补偿通道。
Gc(s)
R(s)
G1(s)
C(s)
G2(s)
H(s)
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。
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PID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。
（G1(S)) 。
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) + -
Gc (s)
G0 (s)
C(s)
H(s)
串联校正系统方框图
图中的G0（s）与Gc（s）分别表示不可变部分及校 正元件的传递函数。
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
前馈校正： 以消除或减小干扰对系统影响。
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
若e0太大，则系统将产生较大的滞后。
现代控制
可控性 可观性 稳定性
建模
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：
WM
(s)
Wf Wo
(s) (s)
前馈控制的局限性
• 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 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。
PID控制器模型
u(t)K pe(t)K I0 te()d K Dd e d (tt)
G(s)KDs2KPsKI s
• 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
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
（1）积分饱和现象
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。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。
控制算法
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
分析
经验
结果
自动控制理论的发展过程
系统校正
•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
（2）抗积分饱和算法
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。
3 不完全微分PID控制算法
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改 善。
5 带死区的PID控制算法及仿真
在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制作 用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用 带死区的PID控制算法，控制算式为：
e(k
)
0 e(k )
e(k ) e0 e(k ) e0
式中，e(k)为位置跟踪偏差，e0是一个可调参数，其具 体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值太小， 会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；
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。
4 微分先行PID控制算法
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。
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。
R(s) +
+
G1 ( s)
-
-
C(s) G2 (s) Gc (s)
H(s) 反馈校正系统方框图
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。
N(s)
Gc(s)
E(s)
G1(s)
G2(s)
H(s)
Gn(s)
C(s)
4、顺馈控制
以消除或减小系统误差为目的，从入方向引入 的补偿通道。
Gc(s)
R(s)
G1(s)
C(s)
G2(s)
H(s)
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。
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PID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。
（G1(S)) 。
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) + -
Gc (s)
G0 (s)
C(s)
H(s)
串联校正系统方框图
图中的G0（s）与Gc（s）分别表示不可变部分及校 正元件的传递函数。
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