1、第 3 章 復雜控制規(guī)律的設(shè)計,*設(shè)計方法基本思路：,計算環(huán)節(jié) 控制環(huán)節(jié),單回路控制,復雜控制規(guī)律,通常包含兩個以上控制器或執(zhí)行機構(gòu),3.1 串級控制,串級控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)或多閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為副控對象，外環(huán)為主控對象。 內(nèi)環(huán)的作用是將外部擾動的影響在內(nèi)環(huán)進行處理，而盡可能不使其波動到外環(huán)，加快了系統(tǒng)的快速性并提高了系統(tǒng)的品質(zhì)。 串級控制系統(tǒng)中選擇內(nèi)環(huán)時應考慮其響應速度要比外環(huán)響應速度快得多。,1、基本概念,加熱爐溫度燃油流量單回路控制系統(tǒng),控制效果差：燃料油壓力的變化導致流量的變化，而該變化通過溫度的反饋 延遲較大。,加熱爐溫度與燃油流量串級控制系統(tǒng),控制好：溫度控制器的輸出作為流

2、量控制器的設(shè)定值，而流量控制的輸出去 控制燃料油管線上的調(diào)節(jié)閥。,串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,一個在閉環(huán)里面，稱為內(nèi)環(huán) 。在控制中起“粗調(diào)”的作用 。 一個在閉環(huán)外面，稱為外環(huán) 。在控制中起“細調(diào)”的作用，最終保證 被控量滿足控制要求 。,2、串級控制的特點與性能分析：,（1）副控回路具有快速性，能夠有效地克服進入副控回路的二次干擾。,增益較大,增益大于1,串級控制使被控量受二次于擾的影響可以減至原來的l/1001/10。,（2）可以加大主控制器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。,內(nèi)環(huán)對象：,內(nèi)環(huán)控制器：,等效對象：,其中：,由于,1+Kc2Kp2 1,因此,對于串級控制系統(tǒng)：,（3）使串級系統(tǒng)的自適應能

3、力增強 。,對于單回路控制系統(tǒng)： 控制器參數(shù)只適應于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大， 超出這個范圍，控制質(zhì)量就會下降。,等效對象：,其中：,內(nèi)環(huán)對象：,一般 Kc2Kp21，對象增益Kp2隨負荷變化時，對等效對象的 增益Kp2的影響不大 。,3、串級控制主、副控制的設(shè)計,（1）設(shè)計原則,系統(tǒng)主要的擾動應該包含在副控回路之中 副控回路應該盡量包含積分環(huán)節(jié) 必須用一個可以測量的中間變量作為副控被控參數(shù) 主控、副控回路的采樣周期一般選擇T1=(310)T2,（2）主、副控制形式,自主設(shè)計主、副控制器（如解析設(shè)計方法） 主控制器：PID 控制器 副控制器：P 或 PI 控制器。,（3）主、副

4、控制器參數(shù)的整定,主控制回路開環(huán)的情況下，整定副控制器 在投入副控制器的情況下整定主控制器 主、副控制回路閉合的情況下再循環(huán)調(diào)整主、副控制器參 數(shù)，直到滿足控制要求 即所謂“逐步逼近”整定法,3.2 前饋控制,1、基本概念,負反饋控制系統(tǒng)：靠偏差E(s)來消除擾動影響，控制作用U(s)總是落后 于擾動作用。 前饋控制：在存在擾動的系統(tǒng)中，可以直接按照擾動進行控制。 在理論上，它可以完全消除擾動引起的偏差 。,換熱器前饋控制系統(tǒng),說明：進料流量Q是影響被控量出口溫度 的主要擾動。,反饋：,前饋：,2、工作原理,擾動通道：擾動作用V(s)通過對象的擾動通道Gv(s)引起輸出Y1(s)變化。,控制通

5、道：擾動作用V(s)通過前饋控制器Df(s)和對象的控制通道G(s)， 使系統(tǒng)輸出Y2(s)變化。,在有擾動V(s)作用時，希望Y1(s)和Y2(s)的大小相等，方向相反，即,從而,此即為前饋控制器的控制規(guī)律。,Df(z)： （1）將Df(s)進行離散化處理，得到前饋控制器的離散化傳遞函數(shù)模型； （2）經(jīng)過零階保持器法得到的離散化模型Gv(z)和G(z) ，從而得到,3、前饋控制的類型,前饋控制系統(tǒng)經(jīng)常是在對主要擾動設(shè)置前饋控制器的基礎(chǔ)上與其它控制 如反饋控制、串級控制等結(jié)合在一起使用。 原因：前饋控制器只對被前饋的量V(s)有補償作用，而對末被引入前饋控制 器的其它擾動量沒有任何校正作用。

6、前饋控制按照控制規(guī)律和控制結(jié)構(gòu)，可以分為多種類型，比較典型的有 靜態(tài)前饋，動態(tài)前饋，前饋反饋和前饋串級控制等類型。,（1）靜態(tài)前饋控制,當對象擾動通道和控制通道的動態(tài)特性相同時，則,靜態(tài)前饋是最簡單的控制類型，靜態(tài)前饋的實現(xiàn)十分方便 。,（2）動態(tài)前饋控制,當對象的擾動通道和控制通道的動態(tài)特性不相同時，若仍用靜態(tài) 前饋控制，則不能保證過程的完全補償，此時，應采用動態(tài)前饋控制。,設(shè),得到,當 時，有,其離散化形式為,其中,當 時，令,于是有,其離散化形式為：,（3）前饋反饋控制,要完全補償擾動作用是比較困難的 前饋控制是開環(huán)控制，很難得到良好控制性能的 前饋控制具有控制及時，負反饋控制具有控制精

7、確的特點， 兩者結(jié)合使得前饋反饋控制具有及時而又精確的特點,典型的前饋反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下：,分析擾動作用，設(shè)R(s)=0，于是,（1）不完全補償 ，對被控量的影響減小到,（2）完全補償時，有Y(s)=0，所以,從而,（4）前饋串級控制,（1）前饋反饋控制的控制性能顯然較單純的前饋控制有很大的提高，但是當有其它擾動作用時，系統(tǒng)的性能仍不理想。 （2）前饋串級控制系統(tǒng)能夠及時克服進入前饋回路和串級副控回路的擾動對被控量的影響，對執(zhí)行機構(gòu)的要求也可以降低。 （3）因此前饋串級控制可以獲得很高的控制精度。,對于串級副控回路，有,假設(shè)R(s)=0的情況下，有,當前饋控制器完全補償時，有Y(s)=0，所以,于是得到前饋串級控制的前饋控制器模型為,（5）前饋控制使用原則,系統(tǒng)中存在的擾動幅度大，頻率高且可測不可控時 當主要擾動無法用串級控制包圍在副控回路時 當擾動通道和控制通道的時間常數(shù)接近的時候 擾動通道的時間常數(shù)遠大于控制通道的時間常數(shù)時，