第3章机电一体化设备的控制策略.ppt

第3章 机电一体化设备的控制策略 教学目标 知识目标： 1. 掌握常用的经典控制、现代控制和智能控制方法； 2. 了解各种控制方法的应用。 能力目标： 1. 综合分析问题、解决问题的能力； 2. 科学学习的能力。 学习重、难点 学习重点： 1. 传统控制方法的概念； 2. 现代控制方法的概念； 3. 智能控制及控制方法的融合。 教学难点： 1. 控制的数学表达； 2. 智能控制方法的理解。 本章主要内容 §3.1 传统控制策略 3.1.1 比例-积分-微分(PID)控制 2. PID的参数整定方法 3. 模拟PID和数字PID控制 （2）数字PID控制 对模拟PID控制规律的离散化，就可以得到数字PID的差分方程如下： 3.1.2 串级控制 1.串级控制的概念 串级控制是一种复杂控制系统，它根据系统结构命名，是由两个或以上的控制器（主环、副环、次副环……）串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象。 2.串级控制中副回路的作用 (1)迅速克服进入副回路扰动的影响。 (2)灵活进行回路切换；减少对生产过程的影响。 3．串级控制的组成 串级控制系统组成如图3.2所示，在串级系统中起主导作用的被控变量为主对象，主对象是用主参数（工艺控制指标）表征其特性的生产设备，副对象是用副参数（为了稳定主参数，或为某种需要引入的辅助变量）表征其特性的生产设备。主控制器按主参数与其给定值的偏差工作，其输出为副控制器的给定值，在系统中起主导作用；副控制器按副参数与主控制器来的外给定的偏差工作。 3.1.3 纯滞后对象的控制 1．纯滞后对象的数学模型 大多数工业控制对象可以用惯性加纯滞后环节来描述。 2．纯滞后对象的控制系统结构组成 设某一带纯滞后环节的单回路控制系统的结构图如图3.3所示。 3．纯滞后对象的常用控制方法 对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。纯滞后对象的控制方法常采用大林（Dahlin）算法和纯滞后补偿（Smith预估）控制等。 3.1.4 解耦控制 1．解耦控制的概念 实际系统中往往有多个被调量和多个调节量，若任一调节量对多个被调量都有影响，即系统之间相互关联，这就构成了耦合系统。处理存在相互干扰的多重控制回路时，有必要运用一种相互作用的控制系统将多重回路互相隔离以避免各回路间相互干扰，此类设计称之为解耦控制。 2．解耦控制的结构 图3.6为一简单的耦合系统结构图。 § 3.2 现代控制策略 3.2.1 自适应控制 1．自适应控制的概念 自适应控制（adaptive control）是指能自动地适时地调节系统本身控制规律的参数，以适应外界环境变化、系统本身参数变化、外界干扰等的影响，使整个系统能按某一性能指标运行在最佳状态下的控制。能实现这种控制的系统称为自适应控制系统。 2．适应控制的原理结构 自适应控制一般原理结构如图3.7所示。 3．自适应控制的分类 自适应控制方式大体上分为两类： （1）模型参考自适应控制（MRAC） 模型参考自适应控制（ Model Reference Adaptive Control）系统是由参考模型、被控对象、常规的反馈控制器和自适应控制器构成，其系统结构如图3.8所示。 （2）自适应调节器 自适应调节器的控制对象也是一个未知或部分未知系统，其基本结构如图3.9所示。 3.2.2 变结构控制 1．变结构控制的概念 如果存在一个或几个切换函数，当系统的状态达到切换函数值时，系统从一个结构自动转换成另一个确定的结构，那么这种系统称为变结构系统。如果选择并确定了系统的控制规律后，得到的闭环系统是一个变结构系统，则称此系统为变结构控制系统。 对于某一非线性控制系统 2．变结构控制的分类 从广义上讲, 变结构控制分为滑模变结构控制和非滑模变结构控制两类。一般所说的变结构系统均指前者 。 滑模变结构控制是一种特殊的开关控制，该控制特性可以迫使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即滑模运动。这种滑模与控制对象的参数变化及扰动无关，故系统具有很好的鲁棒性。定义状态轨迹为切换面，而将称为滑模切换函数。 3．滑模变结构控制的切换函数的常见模型 （1）线性模型。 （2）线性对象，二次型切换函数模型。 （3）非线性对象，线性切换函数模型。 3.2.3 鲁棒控制 1．鲁棒控制的概念 控制