【正文】 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 124 561 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 125 ? 常見預(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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 126 ? 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 127 561 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 128 562 專家系統(tǒng) ? 專家系統(tǒng)概述 ? 專家系統(tǒng)應(yīng)用分類 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 129 ? 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 推理機(jī) 數(shù)據(jù)庫 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 130 ? 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 131 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 132 第 5章 結(jié)束 THE End 。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)化過程 滾動(dòng)優(yōu)化在線反復(fù)進(jìn)行。 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 114 553 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 115 ? 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。 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 112 ? 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 113 ? 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。 ? 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 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 109 ? 史密斯 (Smith)純滯后補(bǔ)償器 Gc(s) Gp(s) Gp(s) r d u y y39。 ? 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 。 –同步采樣控制 ? 即主、副回路的采樣控制周期相同，但因副對(duì)象響應(yīng)速度較快，故應(yīng)以副回路為準(zhǔn)。 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 97 ? 雙回路串級(jí)控制系統(tǒng) 副變送器 主變送器 主參數(shù)給定值 r 通用的計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng)示意框圖 u2 主調(diào)節(jié)器 副調(diào)節(jié)器 e1 e2 u1 副對(duì)象 主對(duì)象 二次擾動(dòng) 一次擾動(dòng) 副參數(shù) 主參數(shù) y1 y2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) D/A A/D A/D 551 串級(jí)控制系統(tǒng) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 98 ? 串級(jí)控制系統(tǒng)在每個(gè)采樣周期的計(jì)算順序 –采樣并獲得當(dāng)前輸出采樣值； –計(jì)算主回路的偏差 e1(k)； –計(jì)算主回路 PID控制器的輸出 u1(k)； –計(jì)算副回路的偏差 e2(k)； –計(jì)算副回路 PID控制器的輸出 u2(k)； –輸出到被控對(duì)象。在整定時(shí)，微分時(shí)間從小變大，相應(yīng)調(diào)整比例增益和積分時(shí)間，逐步試湊，以得到滿意的動(dòng)態(tài)性能。積分時(shí)間從大變小，同時(shí)調(diào)整比例增益，使系統(tǒng)保持良好的動(dòng)態(tài)性能，反復(fù)調(diào)整比例增益和積分時(shí)間，以得到滿意的動(dòng)態(tài)性能。若系統(tǒng)靜差較小，滿足要求可采用純比例控制。 543 數(shù)字 PID控制的參數(shù)整定 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 86 ? 試湊法整定步驟： – （ 1）首先整定比例部分。 – 增大微分時(shí)間 Td，將使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，但對(duì)擾動(dòng)有敏感的響應(yīng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。 543 數(shù)字 PID控制的參數(shù)整定 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 83 控制 規(guī)律 τ /Tτ ≤ ≤ τ /Tτ ≤ δ Ti Td δ Ti Td P Kτ /Tτ PI /Tτ PID /Tτ 2τ + ??ccTTk????ccTTk????ccTTk??543 數(shù)字 PID控制的參數(shù)整定 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 84 ? 常用三種指標(biāo)： ? 最佳 整定參數(shù)應(yīng)使這些積分指標(biāo)最小，不同積分指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出被控變量響應(yīng)曲線稍有差別 ? 一般情況下， ISE指標(biāo)的超調(diào)量大，上升時(shí)間快；IAE指標(biāo)的超調(diào)量適中，上升時(shí)間稍快； ITAE指標(biāo)的超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間也短。 控制規(guī)律 K Ti Td P PI PID 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 82 ? 動(dòng)態(tài)特性法（響應(yīng)曲線法） – 在系統(tǒng)處于開環(huán)情況下，首先做被控對(duì)象的階躍曲線，從該曲線上求得對(duì)象的純滯后時(shí)間 τ、時(shí)間常數(shù) Tτ和放大系數(shù) K。 注： 1） A值需要適當(dāng)選??； 2） Kc應(yīng)根據(jù)積分作用是否起作用而變化 542 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 77 ? 積分分離 PID算法示意圖 y 曲線 2：標(biāo)準(zhǔn) PID 曲線 3： A過小 曲線 1 0 t R A PD PID PD 542 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 78 4. 遇限切除積分 PID算法 –執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械性能與物理性能的約束 –積分飽和 –該算法是抑制積分飽和的方法之一 ?基本思想 ： 一旦計(jì)算出的控制量 u(k)進(jìn)入飽和區(qū) , 一方面對(duì)控制量輸出值限幅；另一方面增加判別程序 , 算法中只執(zhí)行削弱積分飽和項(xiàng)的積分運(yùn)算 , 而停止增大積分飽和項(xiàng)的運(yùn)算 。 ? 特點(diǎn) ： 只對(duì) 測(cè)量值 (被控量 )進(jìn)行微分 , 而不對(duì)偏差微分 , 也即對(duì)給定值無微分作用 。 kuakuaku ???????? ??????? ????????? )1()()()()( 39。 kuakauku ????? ??????? ????? ??)1()()()()( 039。039。 ? 增量 PID算法得到 k 采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的 實(shí)際輸出控制量 為 )]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? kekekeKkeKkekeKku dic)()1()( kukuku ????541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 67 541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 ? PID控制仿真例 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 68 542 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) 1. 實(shí)際微分 PID控制算法 – 微分的作用 – 理想微分的 PID算法 – 模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的微分作用 – 理想微分作用的實(shí)際缺陷 – 實(shí)際微分作用 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 69 ? 理想微分 PID與 實(shí)際微分 PID – 在單位階躍輸入時(shí) , 它們輸出的控制作用 (A) 理想微分 PID 積 分 項(xiàng) 比 例 項(xiàng) u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 微 分 項(xiàng) 比 例 項(xiàng) u 0 1 2 3 4 5 6 7 8 kT 項(xiàng) (B) 實(shí)際微分 PID 微 積 分 分 項(xiàng) 542 數(shù)字 PID控制算法的改進(jìn) 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 70 ? 理想微分 PID與 實(shí)際微分 PID –其區(qū)別在于實(shí)際微分多了個(gè)一階慣性環(huán)節(jié) ，即如圖所示 –圖中 –因?yàn)?u’(t)為理想 PID的輸出 ， Gf(s)是一階慣性環(huán)節(jié) 理想PID U39。在過程控制中，按誤差信號(hào)的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱 PID調(diào)節(jié)器，是技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器 第 5章 數(shù)據(jù)處理與控制策略 2022/2/17 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 62 541 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID控制算法 ? 標(biāo)準(zhǔn)的模擬 PID ? 式中： Kc、 Ti、 Td 分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間 , u0為偏差 e