現(xiàn)代控制理論-先進(jìn)的控制技術(shù)

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1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的先進(jìn)控制技術(shù)1.內(nèi)?？刂萍夹g(shù)2.模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)主要內(nèi)容7．1內(nèi)?？刂萍夹g(shù)內(nèi)?？刂剖且环N基于過(guò)程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略。它與史密斯預(yù)估控制很相似，有一個(gè)被稱為內(nèi)部模型的過(guò)程模型，控制器設(shè)計(jì)可由過(guò)程模型直接求取。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制性能好、魯棒性強(qiáng)，并且便于系統(tǒng)分析。圖6－1內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖——實(shí)際對(duì)象；——對(duì)象模型；——給定值；——系統(tǒng)輸出；——在控制對(duì)象輸出上疊加的擾動(dòng)。內(nèi)模控制器的設(shè)計(jì)思路是從理想控制器出發(fā)，然后考慮了某些實(shí)際存在的約束，再回到實(shí)際控制器的。1.什么是內(nèi)?？刂?？討論兩種不同輸入情況下，系統(tǒng)的輸出情況：（1）當(dāng)時(shí)：假若模型準(zhǔn)確，即由圖可

2、見(jiàn)假若“模型可倒”，即可以實(shí)現(xiàn)可得不管如何變化，對(duì)的影響為零。表明控制器是克服外界擾動(dòng)的理想控制器。則令（2）當(dāng)時(shí)：假若模型準(zhǔn)確，即又因?yàn)?，則表明控制器是跟蹤變化的理想控制器。當(dāng)模型沒(méi)有誤差，且沒(méi)有外界擾動(dòng)時(shí)其反饋信號(hào)——內(nèi)模控制系統(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。2.內(nèi)模控制器的設(shè)計(jì)步驟1因式分解過(guò)程模型式中，包含了所有的純滯后和右半平面的零點(diǎn)，并規(guī)定其靜態(tài)增益為1。為過(guò)程模型的最小相位部分。步驟2設(shè)計(jì)控制器這里f為IMC濾波器。選擇濾波器的形式，以保證內(nèi)?？刂破鳛檎娣质健！麛?shù)，選擇原則是使成為有理傳遞函數(shù)。對(duì)于階躍輸入信號(hào)，可以確定Ⅰ型IMC濾波器的形式對(duì)于斜坡輸入信號(hào)，可以確定Ⅱ型IM

3、C濾波器的形式為——濾波器時(shí)間常數(shù)。因此，假設(shè)模型沒(méi)有誤差，可得設(shè)時(shí)表明：濾波器與閉環(huán)性能有非常直接的關(guān)系。濾波器中的時(shí)間常數(shù)是個(gè)可調(diào)整的參數(shù)。時(shí)間常數(shù)越小，對(duì)的跟蹤滯后越小。事實(shí)上，濾波器在內(nèi)?？刂浦羞€有另一重要作用，即利用它可以調(diào)整系統(tǒng)的魯棒性。其規(guī)律是，時(shí)間常數(shù)越大，系統(tǒng)魯棒性越好。討論（1）當(dāng),,時(shí)，濾波時(shí)間常數(shù)取不同值時(shí)，系統(tǒng)的輸出情況。（2）當(dāng),，由于外界干擾使由1變?yōu)?.3，取不同值時(shí)，系統(tǒng)的輸出情況。例7－1過(guò)程工業(yè)中的一階加純滯后過(guò)程（無(wú)模型失配和無(wú)外部擾動(dòng)的情況）。則在單位階躍信號(hào)作用下，設(shè)計(jì)IMC控制器為1～4曲線分別為取0.1、0.5、1.2、2.5時(shí)，

4、系統(tǒng)的輸出曲線。圖6－2過(guò)程無(wú)擾動(dòng)圖6－3過(guò)程有擾動(dòng)例7－2考慮實(shí)際過(guò)程為內(nèi)部模型為(a)IMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（b）Smith預(yù)估控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6－4存在模型誤差時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖比較IMC和Smith預(yù)估控制兩種控制策略。不存在模型誤差仿真輸出存在模型誤差時(shí)IMC仿真存在模型誤差時(shí)Smish預(yù)估控制仿真(a)(b)(c)3內(nèi)模PID控制圖6－6內(nèi)?？刂频牡刃ё儞Q圖中虛線方框?yàn)榈刃У囊话惴答伩刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖中虛線方框?yàn)閮?nèi)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)用IMC模型獲得PID控制器的設(shè)計(jì)方法反饋系統(tǒng)控制器為即因?yàn)樵跁r(shí)，得：可以看到控制器的零頻增益為無(wú)窮大。因此可以消除由外界階躍擾動(dòng)引起的余差。這表明盡管內(nèi)?？刂破?/p>

5、本身沒(méi)有積分功能，但由內(nèi)模控制的結(jié)構(gòu)保證了整個(gè)內(nèi)?？刂瓶梢韵嗖睢＠?－3設(shè)計(jì)一階加純滯后過(guò)程的IMC－PID控制器。⑴對(duì)純滯后時(shí)間使用一階Pade近似⑵分解出可逆和不可逆部分⑶構(gòu)成理想控制器⑷加一個(gè)濾波器這時(shí)不需要使為有理，因?yàn)镻ID控制器還沒(méi)有得到，容許的分子比分母多項(xiàng)式的階數(shù)高一階。由：展開分子項(xiàng)①選PID控制器的傳遞函數(shù)形式為②比較①②式，用乘以②式與常規(guī)PID控制器參數(shù)整定相比，IMC－PID控制器參數(shù)整定僅需要調(diào)整比例增益。比例增益與是反比關(guān)系，大，比例增益小，小，比例增益大。得：4.內(nèi)?？刂频碾x散算式圖6－7離散形式的內(nèi)模控制式中，為過(guò)程非最小相位部分，包含純滯

6、后，包含單位圓外的零點(diǎn)，和的靜態(tài)增益均為1。如果過(guò)程包含N個(gè)采樣周期的純滯后，則在過(guò)程沒(méi)有純滯后的情況下，。反映采樣過(guò)程的固有延遲。步驟1因式分解過(guò)程模型如果過(guò)程模型中包含有單位圓外的零點(diǎn)式中，是的零點(diǎn)，而且如果系統(tǒng)沒(méi)有零點(diǎn)步驟2設(shè)計(jì)控制器是可調(diào)整參數(shù)，當(dāng)很小，能改善閉環(huán)性能，但對(duì)模型誤差變得敏感；而當(dāng)較大時(shí)，則相反?！蓸又芷?，——濾波器的時(shí)間常數(shù)7．2模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)模型預(yù)測(cè)控制算法是以模型為基礎(chǔ)，同時(shí)包含有預(yù)測(cè)的原理；另外，作為一種優(yōu)化控制算法，它還具有最優(yōu)控制的基本特征。模型預(yù)測(cè)控制不管其算法形式如何，都具有以下三個(gè)基本特征；即模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。⑴模型預(yù)測(cè)

7、模型預(yù)測(cè)控制算法是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預(yù)測(cè)模型。系統(tǒng)在預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上根據(jù)對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸入預(yù)測(cè)其未來(lái)的輸出，并根據(jù)被控變量與設(shè)定值之間的誤差確定當(dāng)前時(shí)刻的控制作用。其預(yù)測(cè)模型的結(jié)構(gòu)形式可為狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)這類傳統(tǒng)的模型。對(duì)于線性穩(wěn)定對(duì)象，甚至階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模型也可直接作為預(yù)測(cè)模型使用。而對(duì)于非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)的模型，只要具備上述功能，也可作為預(yù)測(cè)模型使用。⑵滾動(dòng)優(yōu)化模型預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法，它通過(guò)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來(lái)確定未來(lái)的控制作用。這一