【導(dǎo)讀】數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)。數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。和G來(lái)設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器D。–由于被控對(duì)象的物理過(guò)程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，致使模擬信號(hào)的最高角頻率ωmax很難確定。雙線性變換或塔斯廷。上式稱為前向差分法或歐拉法的計(jì)算公式。利用級(jí)數(shù)展開(kāi)可將，寫(xiě)成以下形式。因此上式稱為數(shù)字控制器D的控制算法。結(jié)束，否則應(yīng)修改設(shè)計(jì)。–離散化設(shè)計(jì)技術(shù)比連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)更具有一般意義，它完全是根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和綜合，–下圖中，Gc是被控對(duì)象的連續(xù)傳遞函數(shù)，

　　

【正文】 e uc y 擾動(dòng) d uf ub )()()(sGsGsG df ??552 前饋控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 99 ? 前饋 反饋控制算法的流程 –計(jì)算反饋控制的偏差 e(k)； –計(jì)算反饋控制器 (PID)的輸出 ub (k)； –計(jì)算前饋控制器 Gf (s)的輸出 uf (k)； –計(jì)算前饋－反饋調(diào)節(jié)器的輸出 uc (k)。 ? 前饋：快速 、 對(duì)具體干擾；反饋：慢速 、準(zhǔn)確 、 對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 。 前饋 反饋控制系統(tǒng)往往可以取得較好的控制效果 。 實(shí)際中也常采用前饋 串級(jí)控制 。 552 前饋控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 100 552 前饋控制系統(tǒng) 凝液 蒸 汽 QC ? 例：換熱器前饋控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 101 552 前饋控制系統(tǒng) ? 例：精餾塔前饋 反饋控制系統(tǒng) DFBFC FCTCTC第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 102 553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) ? 在工業(yè)過(guò)程控制中，由于物料或能量的傳輸延遲，許多被控對(duì)象具有純滯后。 ? 由于純滯后的存在，被控量不能及時(shí)反映系統(tǒng)變化，即使測(cè)量信號(hào)已到達(dá)調(diào)節(jié)器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)迅速動(dòng)作，也需要純滯后時(shí)候后才能影響到被控量。 ? 具有純滯后的對(duì)象被公認(rèn)為過(guò)程控制的難點(diǎn)之一。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 103 553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) ? 史密斯 (Smith)純滯后補(bǔ)償器基本思想 –建立過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性的模型； –將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了 τ 的被控量； –無(wú)延遲部分反映到調(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而可明顯地減少超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過(guò)程。 ? 預(yù)估 是純滯后控制中的基本方法 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 104 ? 史密斯 (Smith)純滯后補(bǔ)償器 Gc(s) Gp(s) Gp(s) r d u y y39。 Gs(s) 史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)示意框圖 m q e se??y?553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 105 ? 史密斯 (Smith)純滯后補(bǔ)償器 –圖中虛框即為史密斯預(yù)估器 ， 其等效傳遞函數(shù)Gs (s)為 Gs (s)=Gp(s)(1－ ) ? 閉環(huán)傳遞函數(shù)為 se ??spcpc esGsGsGsGsG ????)()(1)()()(553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 106 ? 史密斯 (Smith)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施 ? 純滯后的表示 – 設(shè) 采樣周期為 T，則由于純滯后 τ的存在，信號(hào)要延遲 N 個(gè)周期 – 內(nèi)存中設(shè) N 個(gè)單元存放信號(hào) m(k)的歷史數(shù)據(jù) – 第 N 號(hào)單元里的內(nèi)容即為 m(k)滯后 N 個(gè)采樣周期后的信號(hào) q(q=m(kN))。 TN ??553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 107 ? 史密斯 (Smith)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施 ? 史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)的計(jì)算順序 – 計(jì)算反饋回路的偏差 e(k)： – 控制器的輸出 u(k)： – 史密斯預(yù)估器的輸出： )(?)()()()()( kykykrkykrke ??????)()1()( kukuku ????)()(? Nkmkmy ???553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 108 ? 史密斯 (Smith)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)施 ? 前面式中的 m(k)根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型Gp (s)的差分形式和控制器的輸出 u(k)計(jì)算得到。 ? 教材中給出了對(duì)象為一階加純滯后的 史密斯 (Smith)預(yù)估器 控制算式。 553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 109 553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) ? Smith預(yù)估控制器仿真例 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 110 ? 史密斯 (Smith)預(yù)估器的不足 –對(duì)系統(tǒng)受到的負(fù)荷干擾無(wú)補(bǔ)償作用； –控制效果嚴(yán)重依賴于對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型精度，特別是純滯后時(shí)間。 ? 改進(jìn)算法 –加入自適應(yīng)功能等 ? 多回路控制也可與 PID改進(jìn)算法結(jié)合應(yīng)用 553 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 111 先進(jìn)控制方案 ? 預(yù)測(cè)控制 ? 專家系統(tǒng) Advanced Control Scheme 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 112 561 預(yù)測(cè)控制 ? 預(yù)測(cè)控制由來(lái) ?工業(yè)過(guò)程的特點(diǎn) 多變量、非線性、強(qiáng)耦合 、不確定性、約束 ?現(xiàn)代控制理論與方法 精確的數(shù)學(xué)模型、最優(yōu)的性能指標(biāo) 、系統(tǒng)而精確的設(shè)計(jì)方法 ?工業(yè)過(guò)程對(duì)控制的要求 高質(zhì)量的控制性能 、對(duì)模型要求不高、實(shí)現(xiàn)方便 、強(qiáng)魯棒性 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 113 561 預(yù)測(cè)控制 ? 預(yù)測(cè)控制特點(diǎn) ?一類(lèi)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)控制算法 ?建模方便，不需要深入了解過(guò)程內(nèi)部機(jī)理 ?非最小化描述的離散卷積模型，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性 ?滾動(dòng)優(yōu)化策略，較好的動(dòng)態(tài)控制效果 ?簡(jiǎn)單實(shí)用的模型校正方法，較強(qiáng)的魯棒性 ?可推廣應(yīng)用于帶約束、大純滯后、非最小相位、多輸入多輸出、非線性等過(guò)程 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 114 561 預(yù)測(cè)控制 ? 預(yù)測(cè)控制基本原理 ?預(yù)測(cè)模型 ?滾動(dòng)優(yōu)化 ?反饋校正 + _受控過(guò)程動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型模型輸出反饋校正在線優(yōu)化控制器+_++r ( k ) y ( k )u ( k )d ( k )y ( k | k )y ( k + j| k )第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 115 561 預(yù)測(cè)控制 k k+mk j過(guò)去當(dāng)前未來(lái)控制時(shí)域預(yù)測(cè)時(shí)域k+py ( k j )u ( k j )y1 ( k+j|k )y2 ( k+j|k )u1 ( k+j|k )u2 ( k+j|k )模型輸出預(yù)測(cè) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 116 561 預(yù)測(cè)控制 ? 滾動(dòng)優(yōu)化 ?優(yōu)化目的 通過(guò)使某一性能指標(biāo) J 極小化，以確定未來(lái)的控制作用 u(k+j|k)。指標(biāo) J 希望 模型預(yù)測(cè)輸出盡可能趨近于參考軌跡 ?優(yōu)化過(guò)程 滾動(dòng)優(yōu)化在線反復(fù)進(jìn)行。優(yōu)化目標(biāo)只關(guān)心預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，而且只將 u(k|k)施加于被控過(guò)程 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 117 561 預(yù)測(cè)控制 滾動(dòng)優(yōu)化 k k+mk j過(guò)去當(dāng)前未來(lái)控制時(shí)域預(yù)測(cè)時(shí)域k+py ( k j )u ( k j )y ( k+j| k )u ( k+j| k )設(shè)定值軌跡第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 118 561 預(yù)測(cè)控制 ? 反饋校正 每到一個(gè)新的采樣時(shí)刻，都要通過(guò)實(shí)際測(cè)到的輸出信息對(duì)基于模型的預(yù)測(cè)輸出進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。不斷根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出對(duì)預(yù)測(cè)輸出值作出修正使?jié)L動(dòng)優(yōu)化不但基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 119 561 預(yù)測(cè)控制 反饋校正 kk j k+py ( k j )u ( k j )ym ( k+j| k )u ( k+j )yp ( k+j| k 1 )y ( k )yp( k|k 1 )d ( k )第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 120 ? 常見(jiàn)預(yù)測(cè)控制方案 561 預(yù)測(cè)控制 ? 動(dòng)態(tài)矩陣控制 (Cutler et al, 1980) （ Dynamic Matrix Control, DMC） ? 模型算法控制 (Richalet et al, 1978) （ Model Algorithm Control, MAC） ? 廣義預(yù)測(cè)控制 (Clarke et al, 1987) （ Generalized Predictive Control, GPC） ? 預(yù)測(cè)函數(shù)控制 (Adersa et al, 1987) （ Predictive Functional Control, PFC） 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 121 ? 預(yù)測(cè)控制發(fā)展 561 預(yù)測(cè)控制 ? 單輸入單輸出（ SISO） 多輸入多輸出（ MIMO） ? 無(wú)約束 有約束 ? 輸入輸出方系統(tǒng) 非方系統(tǒng) ? 線性 非線性 ? 常規(guī)預(yù)測(cè)控制 魯棒預(yù)測(cè)控制 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 122 561 預(yù)測(cè)控制 ? 商品化預(yù)測(cè)控制軟件 公司 產(chǎn)品名 產(chǎn)品功能Ad e r s aH ie ConP F C遞階約束控制預(yù)測(cè)函數(shù)控制D MCD MCD MI動(dòng)態(tài)矩陣控制動(dòng)態(tài)矩陣辨識(shí)H on e y we llP r ofim a t icsR MP CAP CT魯棒模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)預(yù)測(cè)控制技術(shù)S e t p oin t S MCA 多變量控制軟件包第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 123 562 專家系統(tǒng) ? 專家系統(tǒng)概述 ? 專家系統(tǒng)應(yīng)用分類(lèi) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 124 ? 專家系統(tǒng)特點(diǎn)： 啟發(fā)性 透明性 靈活性 ? 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 專家 接口 Ⅱ 知識(shí)獲取 知識(shí)庫(kù) 推理機(jī) 數(shù)據(jù)庫(kù) 解釋 接口 Ⅰ 環(huán)境 562 專家系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 125 ? 專家系統(tǒng)建造步驟 ?確認(rèn) ?概念化 ?形式化 ?實(shí)現(xiàn) ?測(cè)試 重新設(shè)計(jì) 精煉 確認(rèn)問(wèn)題特征 找出表示知識(shí)的概念 設(shè)計(jì)組織知識(shí)的結(jié)構(gòu) 形成可 運(yùn)行程序 評(píng)價(jià)建造的系統(tǒng) 需求 概念 結(jié)構(gòu)化 測(cè)試 實(shí)現(xiàn) 重新公式化 562 專家系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 126 本章小結(jié) ? 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)技術(shù) ? 數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理 ? 數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ) ? 數(shù)字 PID控制算法 ? 常規(guī)控制方案 ? 先進(jìn)控制方案 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2020/11/4 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 127