第六讲机电一体化的控制算法.ppt

第六讲 主要内容 第1章 概论 第2章 机械系统的部件选择与设计 第3章 执行元件的分类及控制用电机的驱动 第4章 微机控制系统及接口设计 第5章 机电一体化系统中的检测传感器 第6章 机电一体化系统的控制策略 第7章 典型机电一体化系统实例分析 第6章　机电一体化系统的控制策略 6.1 自动控制理论的发展情况 6.2　传统控制策略 6.3　现代控制策略 6.4　智能控制策略 6.1 自动控制理论的发展 6.2 传统控制策略 6.2.1 比例-积分-微分（PID）控制 6.2.2 串级控制 6.2.3 纯滞后对象的控制 6.2.4 解耦控制 PID控制 PID算法包含了动态控制过程中的过去、选择和将来的主要信息 。 微分（D）在信号变化时有超前控制作用代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时较小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。 积分（I）代表了过去的积累信息，它能消除静差，改善静态特性。 比例（P）代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速。 PID控制的数学表达式 工业用的控制器中，最常用控制规律是PID控制，具有比例＋微分＋积分三项作用. 其传递函数为： 式中：e(t)—调节器输入量，即给定量与输出量的偏差；u(t)—调节器输出函数；Kp—比例系数；τ—积分时间常数；TD—微分时间常数； 调节个项调节作用的相应系数，可以保证达到使控制系统具有很好的动态品质。在工业的各部门中广泛使用制成工业产品的PID控制器。 串级控制 串级系统在结构上有两个（或多个）闭环系统，内部一个称为幅环（幅回路），在控制过程中起“粗调”作用；外面的称为主环（主回路），用来完成“细调”任务，最终保证被调量满足控制要求。 主环和幅环都有各自的调节对象、测量变送器和调节器。串级控制系统的优点是：对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。 转速、电流双闭环串级控制系统 解耦控制 工业应用中的许多系统都是多变量系统，其中每个变量之间存在着耦合关系。在复杂的生产设备中，往往需要设置若干个控制回路来稳定各个被控制变量。多数情况下，这几个控制回路间存在着相互关联，相互耦合，形成了多输入、多输出的相关控制系统。不能将它们当成独立的单回路系统而简单地采用单变量控制策略。 解耦控制就是解决这样的控制问题的主要办法。其基本思想是，设计一个解耦补偿器来消除多变量系统中各个输入输出变量间的关联作用，使一个控制输入只对其相应的输出有影响，以把多变量系统分解成几个单变量系统，然后在每个已解耦的控制回路中，认为各控制器只对其相应的被控变量施加控制作用，从而可采用相应的单变量控制策略。 纯滞后对象的控制 工业过程中的许多对象具有纯滞后特性，如蒸汽在长管内流动到加热罐，经过一定的时间后才能将控制作用送到被控量，即有纯时间滞后。这个时间滞后使控制作用不能及时得到反应，扰动作用不能及时被察觉，延误了控制，会引起系统的超调和振荡。 解决大时间滞后的有代表性方法 大林（dalin）算法； Dadlin算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Gc(s)相当于一个延时环节与惯性环节串联，并期望整个闭环系统的纯滞后时间与被控对象的纯滞后时间相同。 纯滞后补偿（Smith预估器）控制； 为了改善控制系统的性能，引入一个与对象并联的补偿器，使得补偿后的等效对象的传递函数不包含纯滞后特性。 6.3 现代控制策略 6.3.1 自适应控制 6.3.2 变结构控制 6.3.3 鲁棒控制 6.3.4 预测控制 6.4 智能控制策略 6.4.1 专家控制 6.4.2 模糊控制 6.4.3 神经网络控制 6.4.4 学习控制 自适应控制 自适应基本思想：针对对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的影响，通过在线辨识使这种影响逐渐降低以至消除。 自适应控制有模型参考自适应控制和自校正控制。 变结构控制 变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略特点在于：系统的“结构”不固定，而是可以在动态过程中根据当时的状态以跃变方式有目的地不断变化，这里的“结构”并非指系统的物理结构，而是系统在状态空间中的状态轨迹的总体几何性质。 鲁棒控制 系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感程度）。鲁棒性可分为稳定鲁棒性和品质鲁棒性，前者指系统在某种扰动下保持稳定性的能力，后者指保持某项品质指标的能力。 鲁棒控制是20世纪70年代初针对模型的不确定性问题提出的。其基本思想是设计中设法使系统对模型的变化不敏感。即使控制系统在模型误差扰