计算机控制策略.

计算机控制策略西北工业大学自动化学院

计算机控制策略

控制策略（狭义地也称控制算法）是控制器的核心。在工业应用和理论研究中，经过长期的发展和实践检验，形成了一些有代表性的控制策略。从它们的发展过程和应用特点出发，大体上可以分为三类：传统控制策略，现代控制策略及智能控制策略。在下面的讲述中，从物理概念上简要地介绍它们的基本思想，在总体上对它们有一个把握。在接着的讲述中，再从工程应用的角度对它们进行较详细的研讨。

一、传统控制策略

从模拟控制系统开始，到数模混合控制系统及计算机控制系统的长期发展过程中，形成了许多行之有效的控制方法，得到了广泛的应用。至今，它们仍活跃在各个工业领域中。特别是当它们和现代一些新兴的控制思想结合后，在解决实际工程问题中，更表现出强大的生命力。我们对它们冠以“传统”二字，主要指它们的历史悠久性和应用广泛性。以下介绍PID控制、Smith控制和解耦控制三种主要的控制策略。

1、PID（比例一积分一微分）控制

图1 PID控制原理

这是具有几十年应用经验的一种算法，无论在模拟调节或数字控制中，都得到了广泛的应用。其原理如图1所示。到目前为止，大多数（有资料表明在90％以上)工业控制回路仍采用各种形式的PID控制算法。这是因为该

(1) PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，而且其配置几乎最优。其中，比例(P)代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。微分（D）在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。积分(I)代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。此三作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。

(2)PID控制适应性好，有较强鲁棒性。对各种工业应用场合都可在不同的程度上应用。

(3)PID算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整方法。很容易为工程技术人员所掌握。

(4)许多工业控制回路比较简单，控制的快速性和精度要求不是很高，特别是对于那些1~2阶的系统，PID控制已能得到满意的结果。

(5)PID控制根据不同的要求，针对自身的缺陷进行了不少改进，形成了一系列改进的PID算法。例如，为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等等。这些改进算法，在一些应用场合得到了很好的效果。在一些低阶系统中，特别是伺服系统、电气传动系统中，PI控制应用也很广泛。

正由于PID控制有上述许多优点，使它今天仍跻身于各种新型策略中并和它们结合，形成许多很有实用价值的复合控制策略。 PID控制的显著缺点是不适用于有大时间滞后的控制对象，参数变化较大甚至结构也变化的控制对象，以及系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场合。

2、Smith 控制

1957年Smith 在研究具有时滞的系统控制时提出了这一方法。工业过程中的许多对象具有纯滞后特性。例如，物料经皮带传送到秤体，蒸汽在长管道内流动至加热罐，都要经过一定的时间后才能将控制作用送达被控量，即有纯时间的滞后。这个时间滞后使控制作用不能及时得到反应，扰动作用不能及时被察觉，延误了控制，会引起系统的超调和振荡。分析表明，在这种系统中，时间滞后因素将直接进入闭环系统的特征方程，使系统的设计十分困难，极易引起系统不稳定；如果时间滞后超过对象最大的时间常数的一半，采用PID 控制就很难奏效了。解决大时间滞后

的一个颇有成效的方法是在控制算法中增加Smith 预估器：

()(1)

s

p G s e τ-- 式中Gp(s),τ分别为控制对象的传递函数和纯滞后时间。

将Smith预估器与控制器并联（如图2所示），理论上可以使控制对象的时间滞后得到完全补偿，控制器的设计就可不再考虑对象的时滞了。实际的控制算法作一些近似处理，也能得到很好的补偿效果。因此它在工业上获得了广泛应用。并且也和各种控制算法结合，形成了一些颇有实用价值的复合控制策略。

图2 Smith控制

3、解耦控制

工业应用中的许多系统都是多变量系统，其中各变量间存在耦合关联作用。在复杂的生产设备中，往往需要设置若干个控制回路来稳定各个被控制变量。在许多情况下，这几个控制回路间存在着相互关联，相互耦合，形成了多输入、多输出的相关控制系统。对这些系统，不能将它们当成几个独立的单回路系统而简单地采用单变量控制策略，必须用多变量控制策略来处理。多变量控制的核心是解耦控制，其基本思想是设计一个解耦补偿器（见图3）来消除多变量系统中各有关输入一输出变量间的关联作用，使一个控制输入只对其相应的输出有影响，以把多变量系统分解成几个单变量系统。然后在每个已解耦的控制回路中，认为各控制器只对其相应的被控变量施加控制作用，从而可采用相应的单变量控制策略。

图3 解耦补偿器

解耦补偿器实际上是一种解耦算法，其实质是根据对象的传递矩阵建立一个补偿矩阵，使它们的总和（乘积）为对角线矩阵（完全无耦合）或对角线占优矩阵（松弛耦合）。在控制对象的耦合机理和数学模型比较清楚的系统中，解耦控制颇能奏效，它在许多工业过程控制中有成功的应用，是解决多变量耦合的一个广泛应用的工程方法。

其他一些控制方法：如另一种纯滞后补偿算法—Dalin 算法，以及在过程控制中应用的前馈控制、串级控制，在伺服控制中应用的最小拍控制等。

二、现代控制策略

传统的控制策略隐含着两个前提，一是要求对象的模型是精确的、不变换的，且是线性的；二是操作条件和运行环境是确定的、不变的。一般的工业控制只是粗略的、近似的满足这些条件，在要求不高的情况下是可行的。随着工业应用领域的扩大，控制精度和性能要求的提高，必须考虑控制对象参数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的和不确定因素，才能得到满意的控制效果。在实际应用需求的激励下，在计算机的高速、小型、大容量、低成本所提供的良好物质条件下，一系列新型控制策．略应运而生，并迅速在实际中得到应用、改进和发展。现将研究和工业应用较多的几个有代表性的控制策略介绍如下。其他一些现代控制策略，如推断控制、容错控制等，也有不少研究和应用，在此不一一叙述。