自动控制的基本原理

6
闭环控制系统的基本组成和要求
（6）比较环节 它是将给定量与检测量进行比较的一种装置。在框图上它实际上是信号的相加 点，用一个圆圈内划╳表示，两个以上的信号(同一量纲)可以在一个相加点上相加或相减，如
（7）调节器 调节器是对偏差信号进行比例P、积分I、微分D以及它们的组合PI、PD或PID的运 算处理，实际当中常把给定电位器、比较器、调节器组合在一块，统称为输入调节器。调节器可 以是模拟电路构成，也可以是计算机计算后的数字输出，都有一些模拟电路。影响工作稳定持久 的主要因素是器件飘移。
2020/7/10
5
闭环控制系统的基本组成和要求
（1）被控对象 指的是生产设备或生产过程，如电动机转动、轧钢机轧制、各种容器或管线 温度、流量控制。不同控制对象具有不同特性，基本不能人为改变。但可以改变不同的调节控 制，从而改进响应。
（2）被控量 它是被控对象中要求维持等于或接近于给定值的物理量，通称为被控量(或 被控制量)。例如当以轧机为被控对象时，要求控制其轧件厚度、或压下位置、或轧制速度、或 张力等，那么轧件厚度、压下位置、轧制速度、张力等就是该控制系统的被控量，或称为输出 量。
为适应这种复杂性，产生了智能控制策略。
2020/7/10
25
智能控制策略的发展
20世纪70年代后期，控制理论与人工智能相结 合，产生了智能控制。
随着智能控制理论研究的深入和应用范围的扩大， 出现了三元结构、四元结构和多元结构(自动控 制—人工智能—运筹学—信息论—计算机—生物 学)理论。
瑞典学者K.J.Åström的“模糊逻辑控制” 、神 经网络和专家系统是三种典型的智能控制方法。
2020/7/10
14
2.1.2 Smith控制
系统如图2.2所示
r+
e
u
控制器 G c ( s )
G p ( s )e s
f
-
e s
G p (s)
+
Smith预估器
测量元件 G f ( s )
图2.2 Smith控制算法原理
不失一般性，设测量元件 的传递函数：
y
Gf(s) = 1 在无时滞的情况下：
基本思想：在控制系统的闭环回路之外建立一个由参考模型和自适应机构 组成的附加调节回路。系统用参考模型的输出代表系统的理想输出，当系 统运行过程中发生参数或特性的变化时，输出与期望输出之间的误差进入 自适应机构，由自适应机构进行运算后，制订出改变控制器参数的策略，
或对控制对象产生等效的附加控制，使输出与期望输出趋于一致。
另一个影响调节器使用的是PID调节参数的选择。如调节器的微分设计可以抵消部分大惯性系 统的影响，使系统提高响应速度，减少过渡时间，但对有些敏感系统，稍微的微分作用就能激励 系统进入振荡。
（8）执行控制器 它是用来实现对被控对象执行控制作用的装置，一般是电动执行器或液压执 行器，其本身就是一个单输入单输出的闭环系统。系统中所有阻尼影响执行速度。
f = Gp(s)u
在有时滞并加入Smith预 估器的情况下：
f = Gp(s) (1–e -τs) u+Gp(s)e -τs u = Gp(s) u
当控制Gp将(s失)变效化。时，Smith
2020/7/10
15
2020/7/10
16
2020/7/10
17
2.1.3 解耦控制
工业应用中的许多系统都是多变量系统，各变量 之间存在耦合关系，控制系统各回路之间存在相 互影响，不能将其看成独立回路进行控制。
大多数工业系统只是近似地满足这些条件。对控 制性能要求较高的、时变的、非线性的系统，应 采用一些更有效的控制策略。
由此产生了一些新的控制策略。如最优控制，极 点配置，自适应控制，变结构控制等。称为现代 控制策略。
2020/7/10
19
2.2.1 自适应控制
50年代末，MIT首次提出了模参方案。 70年代后，自适应控制策略研究趋于活跃。 基本思想 ：利用在线辨识，修正控制算法，抵
控制对象：泛指任何被控物体（不含控制器）。 控制：使某个控制对象中一个或多个输出量随着时间的
推移按照某种预期的方式进行变化。 实现：靠控制系统去完成。
2020/7/10
2
控制系统的一般表示方式：
输入
输入 + -
控制器
控制对象
输出
（a） 开环控制系统
控制器
控制对象
输出
测量元件
（b） 闭环控制系统 图1.1 控制系统的一般表示方式
90%以上的工业控 制回路仍采用各种 形式的PID控制
控制原理如图2.1所 示
PID控制器
Kp
输入 + 偏差 -
K is 1 Kds
+
+
输出
控制对象
测量元件 图2.1 PID控制算法原理
2020/7/10
9
PID算法的特点
PID算法综合了系统动态过程中的过去、 现在以 及将来的信息
PID算法适应性好，有较强的鲁棒性 PID算法有一套完整的参数设计与整定方法 PID控制能获得较高的性价比 对PID算法的缺陷进行了许多改良 形成具有实用价值的复合控制策略
2020/7/10
22
自适应控制的适用范围
自适应控制适用于控制对象的参数和特性变化缓 慢的情况。对于参数和特性变化较快的控制对象， 则难以取得很好的控制效果。
2020/7/10
23
＊ 2.2.2 变结构控制
前苏联学者在20世 变结构控制系统如图2.5 纪60年代左右提出。 所示。 属非线性控制。
变结构控制策略与
其它控制策略的根
输入 +
本区别在于：控制
-
器的结构是不固定
的，可根据控制对
象所处的状态改变。
变结构控制器 u+(x)
u-(x) s(x)
变换法则
输出 控制对象
x
图2.5 变结构控制原理
2020/7/10
24
2.3 智能控制策略
20世纪80年代后，控制系统更加复杂。 (1) 对象复杂：高阶 、多变量 、非线性 、时变 、 不确定。 (2) 环境复杂：动态变化，变化规律随机。 (3) 任务复杂：不仅仅限于稳定系统和伺服系统， 监控、优化、诊断、预报、调度、规划、决策。
作用的初始稳态值。
2020/7/10
12
离散实际PID控制算法
数字计算机对数据的处理在时间上是离散的，设采样 周期为T0，则每经过一个采样周期进行一次数据采样、 控制运算、数据输出，控制器输出并通过保持器使数 据在采样间隔时间予以保持。离散理想PID控制算法 可由连续理想PID控制算式直接经离散化导出。数字 PID控制算法可分为三种形式；(1)位置式。位置式是
消控制对象特性变化对系统控制性能的影响。 分类：模型参考自适应控制系统和自校正控制系
统。后者应用更为广范。
2020/7/10
20
＊模型参考自适应控制系统
输入
参输出 误差
自 适 应机 构 附加 控 制
可 变 参数 控 制 器 反馈
控 制 对象
输出
图2. 3 模型参考自适应控制原理
在这种情况下应采用解耦控制策略，即设计解耦 补偿器，消除系统各变量之间的耦合关系，将相 互影响的各回路分解成几个独立回路，使一个多 变量控制系统转变为几个单变量控制系统，简化 设计过程。
2020/7/10
18
2.2 现代控制策略
古典控制策略的应用要满足下面几个条件： (1) 系统应为线性定常系统； (2)系统的数学 模型应比较精确；(3) 系统的运行环境应比较稳 定。
此外，分级递阶智能控制、学习控制和近来颇受 关注的遗传算法也有许多研究和应用。
2020/7/10
26
2.3.1 模糊控制
模糊控制：用语言归纳操作人员的控制策略，运 用语言变量和模糊集合理论形成控制算法。
（5）给定量(或叫给定值) 给定量是希望被控量所能达到或接近的值，例如给定轧机的速 度，就是希望被控量能达到这个速度值。给定量与被控量(或叫反馈量)通常总是电压或电流量。 它是系统的输入量，是由控制系统以外的装置(或叫给定环节)来给定，也可以由计算机来提供， 它可以是数字量，也可以是模拟量。
2020/7/10
2020/7/10
21
自校正控制系统
预期性能
控制器设计
ˆ
辨识器
输入
控制
可变参数控制器 反馈
对象
输出
图2.4 自校正控制原理
辨识器对控制对象的参数进行在线估计，将估计值视为 控制对象的真值送入控制器设计机构，该机构设计出控 制参数后，赋给可变参数控制器。因此，可变参数控制 器可不断地根据控制对象的变化去调整控制参数。
2020/7/10
4
实现闭环控制的三个步骤
一是对被控量(即实际轧出厚度或压下位置)的正确测量与及时报告；
二是将实际测量的被控量与希望保持的给定值进行比较、PID计算和控 制方向的判断；三是根据比较计算的结果，发出执行控制的命令，使 被控量恢复到所希望保持的数值上。根据上述原理，可以概括出闭环 自动控制系统的典型结构原理框图，如图所示。
图示是一种简单的轧件厚度闭环自动控制 系统。它是借助于测厚仪测出实际的轧出厚 度，并转换成相应的电压信号，然后将它与 所要求的目标厚度相当的电压信号进行比较， 得到与厚度偏差相当的偏差信号。偏差信号 经放大器放大，控制可控硅导通角度，调节 电动机通电时间，使压下螺丝向上或向下移 动，从而使辊缝相应的改变，得到所要求的 轧件厚度值。只要测厚仪精度足够，调节器、 执行器或任何外扰因素影响出口厚度时，都 会调节辊缝，自动地使实际轧出厚度保持在 允许的厚度偏差范围内。即无论来料干扰还 是调节执行机构本身的缘故，一旦厚度有偏 差，出口监测装置就会报告出来。故反馈系 统是所有自动控制系统的核心。
材料成形过程控制
2. 自动控制的基本原理
余万华 北京科技大学材料学院
2020/7/10
1
系统与控制的基本概念
系统定义：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合 成的具有特定功能的有机整体。
由定义可知，构成一个系统需要满足三个条件： (1) 包含若干部分； (2) 各个部分之间存在某种联系； (3) 具有特定的功能。
2020/7/10
10
PID控制
完全依靠偏差信号调节会带来很大调节延迟。 对偏差信号进行比例、积分和微分调节运算称为 PID控制，它可以提高控制品质。这是将偏差放大 或通过微分给与短时间的强烈输出，加快启动， 减少死区。积分是将偏差累积起来，进行调整， 达到消除静差的目的。减少比例放大或增加对象 变动的阻尼可以减少震荡幅度，但也降低系统响 应频率。
直接给出控制器输出u(t)。（2）增量式。增量算法
的输出可直接通过步进电动机等具有多阶保持特性的 累积性执行器相连化为模拟量。(3)速度式。速度算 法是增量输出与采样周期之比
2020/7/10
13
PID控制的显著缺点是不适于
具有大时滞的被控系统( G(s)e-s ) 变参数及变结构的被控系统 系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场合。
开环系统：不存在稳 定性问题，控制精度 无法保证。
闭环系统：可实现高 精度控制，但稳定性 是系统设计的一个主 要问题。
闭环系统是在实际生产过程中更常见的形式，体现了控制论 的最基本原理—负反馈控制。根据这一原理，可利用输出与
输入的偏差进行控制，从而实现输出对输入的跟踪。
2020/7/10
3
厚度控制系统
2020/7/10
11
PID控制原理
除比例算法外还有积分控制算法、微分控制作 用，其合成作用可用下式表示：
u(t)
K [e(t) e
1 T
0te(t )dt
T d
dn(t)] dt
u 0
i
式中 Ti——积分时间(s或min)；
Td——微分时间(s或min)；
U0——使偏差趋于零时的稳态控制输出，即控制
（3）干扰量(或叫扰动量) 被控对象被外部作用影响，检测装置、调节控制器、执行机构 本身飘移或阻尼变化都被称为干扰，会引起被控量偏离给定值。例如当轧机稳定运行时，来料 厚度突然不均、抗力突然变化或轧辊表面摩擦条件发生改变等皆为对象扰动，它使轧制力波动， 导致轧机弹跳波动，轧件出口厚度波动。
（4）自动检测装置(或叫自动检测环节) 它是用来测量被控对象中被控量大小，并进一步 将它转换为与给定量同一量纲的一种装置。例如热连轧板带材活套高度控制时，用电位计将机 械转角转换为电压信号表示活套高度的大小。
2020/7/10
7
2. 控制策略
控制策略：向控制对象实施控制时所采用的方法， 是控制器的核心。
控制策略可分为：古典；现代；智能。
2.1 古典控制策略
古典控制策略主要包括：PID控制、Smith控制 和解耦控制。
2020/7/10
8
2.1.1 PID控制
从50年代左右开始 应用
在模拟控制和数字 控制系统中都已形 成了成熟的算法