材料成型控制工程基础 第四章.ppt

第4章 材料成型过程控制基本算法 4.1常规控制 4.2 专家系统 4.3 模糊控制 4.4 神经网络控制 4.1常规控制 为了用计算机实现PID控制规律，当采样时间T很小时，可以通过离散化，将这一方程直接化为差分方程。可用矩形或梯形积分来作为连续积分的近似值。用矩形积分时得： 4.1.2 PID算法优化 4.2 专家系统 4.3 模糊控制 4.4 神经网络控制 * * 无级可调或连续可调的空调机可以精确控制温度，但开关控制不能再用了。家用空调机中，连续可调的不占多数，但冲热水淋浴是一个典型的连续控制问题，因为水龙头可以连续调节水的流量。冲淋浴时，假定冷水龙头不变，只调节热水。那温度高了，热水关小一点；温度低了，热水开打一点。换句话说，控制作用应该向减少控制偏差的方向变化，也就是所谓负负反馈。控制方向对了，还有一个控制量的问题。温度高了1度，热水该关小多少呢？ * 经验告诉我们，根据具体的龙头和水压，温度高1度，热水需要关小一定的量，比如说，关小一格。换句话说，控制量和控制偏差成比例关系，这就是经典的比例控制规律：控制量=比例控制增益*控制偏差，偏差越大，控制量越大。控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规律下，偏差反向，控制量也反向。也就是说，如果淋浴水温要求为40度，实际水温高于40度时，热水龙头向关闭的方向变化；实际水温低于40度时，热水龙头向开启的方向变化。但是比例控制规律并不能保证水温能够精确达到40度。在实际生活中，人们这时对热水龙头作微调，只要水温还不合适，就一点一点地调节，直到水温合适为止。这种只要控制偏差不消失就渐进微调的控制规律，在控制里叫积分控制规律，因为控制量和控制偏差在时间上的累积成正比，其比例因子就称为积分控制增益。 * 工业上常用积分控制增益的倒数，称其为积分时间常数，其物理意义是偏差恒定时，控制量加倍所需的时间。这里要注意的是，控制偏差有正有负，全看实际测量值是大于还是小于设定值，所以只要控制系统是稳定的，也就是实际测量值最终会稳定在设定值上，控制偏差的累积不会是无穷大的。这里再啰嗦一遍，积分控制的基本作用是消除控制偏差的余差（也叫残差）。 * 比例和积分控制规律可以应付很大一类控制问题，但不是没有改进余地的。如果水管水温快速变化，人们会根据水温的变化调节热水龙头：水温升高，热水龙头向关闭方向变化，升温越快，开启越多；水温降低，热水龙头向开启方向变化，降温越快，关闭越多。这就是所谓的微分控制规律，因为控制量和实际测量值的变化率成正比，其比例因子就称为比例控制增益，工业上也称微分时间常数。微分时间常数没有太特定的物理意义，只是积分叫时间常数，微分也跟着叫了。微分控制的重点不在实际测量值的具体数值，而在其变化方向和变化速度。微分控制在理论上和实用中有很多优越性，但局限也是明显的。如果测量信号不是很“干净”，时不时有那么一点不大不小的“毛刺”或扰动，微分控制就会被这些风吹草动搞得方寸大乱，产生很多不必要甚至错误的控制信号。所以工业上对微分控制的使用是很谨慎的。比例-积分-微分控制规律是工业上最常用的控制规律。人们一般根据比例-积分-微分的英文缩写，将其简称为PID控制。 * 4.1.1. PID控制器数字化 1. 模拟PID控制器 PID控制器的理想化方程为： PID控制算法的数字实现 采用单片微机作为控制器核心的自动控制系统简化框图，如图4.1所示。 图4.1 单片微机闭环控制系统框图 （4-2） 根据式（4-2）可写出k-1次采样的输出为： 用式（4-2）减去式（4-3）得： 式中， （4-3） （4-4） 如果用梯形积分形式逼近连续积分，则得： （4-6） 减去相应的u(k-1)后，又得到一个如下的递推关系式： （4-7） 式中， 1. PID积分分离控制 在一般的PID控制方式中，在开始或停止工作的瞬间，或者大幅度地给定量时， 由于偏差较大，故在积分项的作用下，将会产生一个很大的超调，如图4.3中曲线2所示。 图4.3 积分分离作用曲线比较 2.模糊PID控制 1）混合型模糊PID控制器 图4.4所示模糊控制器结构是由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器相并联 而构成的。 图4.4 混合型模糊PID控制器 2）误差e模糊积分的PID模糊控制器 它是一种对误差e的模糊值进行积分的PID控制器，这种对误差e的模糊值进行积分的 PID模糊控制器可用来消除大的系统余差。 在模糊PID控制中，为了进一步完善PID控制器的自适应性能， 还有一些其他形式的模糊PID控制器。 图4.5 误差e模糊积分的PID模糊控制器 3.专家PID控制 专家PID控制系统原理框图如图4.6所