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自动控制 Automatic Control 主讲人：马银龙 © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering 简单的水位自动控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 较完善的水位自动控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 蒸汽杠杆套筒圆锥形齿轮蒸汽机负载阀门 n n n1 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering • 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 • 输出量对控制量没有影响。 • 输入输出间没有反馈回路。控制器被控对象输入量控制量输出量定时器设定的时间烤箱的加热系统面包的颜色 © 2010 Department of Electrical Engineering 1. 结构简单、造价低。 2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。 3. 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。开环控制系统由于没有反馈回路，不能根据系统输出自动地进行控制，因此不是自动控制系统。 © 2010 Department of Electrical Engineering 将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响，形成闭环控制系统。 Mc↑→n↓→u f ↓→u e (=u r -u f )↑→u a ↑→n↑ 直流电动机转速闭环控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 直流电动机转速闭环控制系统方块图前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。比较环节：输出量为各输入量的代数和。输入量：ur 输出量：n 反馈量：uf 控制量：ua 偏差量(ue)＝给定量 (ur )－反馈量(uf ) © 2010 Department of Electrical Engineering 1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差．甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。 © 2010 Department of Electrical Engineering 反馈信号与输入信号相减若为正反馈？…… 直流电动机转速闭环控制系统方块图负反馈 © 2010 Department of Electrical Engineering 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。 1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。 2. 由偏差产生控制作用。 3. 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。 © 2010 Department of Electrical Engineering 串联校正元件放大元件执行元件控制对象并联校正元件测量元件输入信号 r(t) + + - - 比较元件 e(t) 偏差信号主反馈信号局部反馈主反馈扰动输出 C(t) 典型自动控制系统方块图 © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering 垂直陀螺仪给定装置放大器舵机飞机反馈电位器 θ0 扰动俯仰角控制系统方块图 © 2010 Department of Electrical Engineering 1. 按给定信号的形式恒值系统 / 随动系统 2. 按系统是否满足叠加原理线性系统 / 非线性系统 3. 按系统参数是否随时间变化定常系统 / 时变系统 4. 按信号传递的形式连续系统 / 离散系统 5. 按输入输出变量的多少单变量系统 / 多变量系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 19世纪初经典控制理论 • 时域法 • 复域法 (根轨迹法) • 频域法 20世纪60年代经典控制理论 • 线性系统 • 自适应控制 • 最优控制 • 鲁棒控制 • 最佳估计 • 容错控制 • 系统辨识 • 集散控制 • 大系统复杂系统 20世纪70年代智能控制理论 • 专家系统 • 模糊控制 • 神经网络 • 遗传算法 © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering 即稳定性，是指系统重新恢复平衡状态的能力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。即准确性，是对系统稳态（静态）性能的要求。它是衡量系统控制精度的重要指标。即快速性，是对系统动态性能（过度过程性能）的要求。快速性是衡量系统质量高低的重要指标之一。 © 2010 Department of Electrical Engineering 系统的典型阶跃响应及动态性能指标 h(t) t 0 1 𝝈% 允许误差：0.05 ts tp 0.5 td 0.1 0.9 tr Td：延迟时间 Tr：上升时间 Tp：峰值时间 Ts：调节时间 𝝈%：超调量 © 2010 Department of Electrical Engineering 延迟时间td：阶跃响应第一次达到终值的50％所需的时间。上升时间tr：阶跃响应从终值的10％上升到终值的90％所需的时间。有振荡时，可定义为从0到第一次达到终值所需的时间。峰值时间tp：阶跃响应越过终值达到第一个峰值所需的时间。调节时间ts：阶跃响应到达并保持在终值5％误差带内所需的最短时间。超调量σ ％：峰值超出终值的百分比。 ( ) ( ) % ( ) ph t h h      © 2010 Department of Electrical Engineering 连续系统离散系统 • 时域分析与校正（基于传递函数） • 根轨迹法 • 频域分析与校正（基于Bode图、 Nyquist图） • z 变化方法（基于脉冲传递函数） • 离散系统的数字校正离散化采样、保持 © 2010 Department of Electrical Engineering 系统中有一处或几处信号是脉冲串或数码 (1)控制计算由程序实现，便于修改，容易实现复杂的控制律； (2)抗干扰性强； (3)一机多用，利用率高； (4)便于联网，实现生产过程的自动化和宏观管理。 (1)采样点间信息丢失，与相同条件下的连续系统相比，性能会有所下降； (2)需附加A/D, D/A转换装置。 © 2010 Department of Electrical Engineering 计算机控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering ② 字长足够认为 •采样 — 时间上离散 •量化 — 数值上离散 ① t <记录

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四个历史数据，即e(k-2),e(k-1),e(k)和 u(k-1)，占用内存少，计算方便；  避免了计算误差和计算精度造成的累加误差的影响；在实际系统中，如执行机构为步进电机，则可以自动完成数字 PID的增量式的计算功能。 © 2010 Department of Electrical Engineering 离线计算设置PID参数置e(k-1),e (k-2)为0 将A/D结果赋给y(k) 计算e(k)=r (k) -y(k) 按式(4.3)计算△u(k) 将△u (k)输出到D/A e(k-2) =e(k-1),e(k-1) =e(k) 采样时刻到否？ N Y A/D D/A 检测通道执行机构被控对象增量式PID控制算法程序框图 © 2010 Department of Electrical Engineering 在系统启动/停车以偏差较大时，由于积分项的作用，将会产生很大超调，甚至长时间振荡，这种情况在温度、液面等缓慢变化过程中影响尤为严重。积分分离PID控制算法，设置积分分离阈值β，即偏差e(k)的门限值。   0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1) 0 ( ) PD 1 ( ) PID k P L I D j L u k K e k K K e j K e k e k e k K e k               ，采用控制，采用控制 β－积分分离阈值，与对象的惯性大小和对控制质量的要求有关。 © 2010 Department of Electrical Engineering 在e(k)较大时，取消积分作用，采用PD控制，可使超调量大幅度降低；在e(k)较小时，投入积分作用，采用PID控制，可保证系统的控制精度。超调量减小；振荡次数减少；过渡时间减小。控制效果如右图所示。 © 2010 Department of Electrical Engineering PID参数选取的好坏直接决定控制器的控制品质，根据公式，需要确定的参数主要有采样周期T，以及三个PID系数。 P I DK K K T       系统试验初选，，，进行开环调试经验数据根据控制效果修改参数确定最优参数值 0 0 ( ) [ ( ) ( ) ( ( ) ( 1))] ( ) ( ) ( ) k d P i j k P I D j TTu k K e k e j e k e k T T K e k K e j K e k              © 2010 Department of Electrical Engineering 采样周期应满足香农采样定理，即－信号的上限频率。0 0 00 , 1 , 2 1 f f TTT  T尽可能短（考虑计算机的计算时间）。最短采样时间Tmin为计算机执行控制程序和数据输入输出所耗费的时间之和；一般，可取控制回路自然振荡频率。 11 ,) 10 1 ~ 8 1 ( TTT © 2010 Department of Electrical Engineering 采样周期T的选择还与下列一些因素有关： ① 扰动频率：扰动频率越高，则T要越小，以捕捉实际扰动信号，并加以控制； ② 对象特性：慢速系统T可大，快速系统T要小； ③ 控制算法：运算越复杂，T要大； ④ 执行机构：惯性↑T↑，否则来不及动作，输出失真； ⑤ 扫描控制的回路数：n↑T ↑， ⑥ 所要求的控制质量：要求↑T ↓ ⑦ 给定值的变化频率高，则T要小，能迅速反映给定值的变化。 © 2010 Department of Electrical Engineering Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快；太大，振荡次数加多，调节时间加长，系统会趋于不稳定；太小，使系统的动作缓慢。 Kp加大，在系统稳定的情况下，可减小静态误差，提高控制精度，不能完全消除静态误差。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1pK 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 10pK © 2010 Department of Electrical Engineering 积分控制通常使系统的稳定性降低。TI太小系统将不稳定；偏小，振荡次数较多；太大，对系统性能的影响减小；合适，过渡特性比较理想。积分控制能消除系统的静态误差，提高控制系统的控制精度。但是若TI太大，积分作用太弱，不能减小静态误差。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 01.0,5.0  Ip KK 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 05.0,5.0  Ip KK © 2010 Department of Electrical Engineering 微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短。TD偏大时，超调量较大，调节时间较长；TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程。微分控制允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1,01.0,5.0  DIp KKK 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 1.5 100,01.0,5.0  DIp KKK © 2010 Department of Electrical Engineering PID控制器由于算法简单，计算量小，得到了非常普遍的应用。使用中应根据对象特性、负荷情况，合理选择控制规律，一般来说： ① 对于一阶惯性的对象，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用比例(P)控制。例如，用于压力、液位、串级副控回路等。 ② 对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，要求控制精度较高，可采用比例积分(PI)控制。例如，用于压力、流量、液位的控制。 ③ 对于纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用比例积分微分(PID)控制。例如，用于过热蒸汽温度控制， PH值控制。 ④ 当对象为高阶（二阶以上）惯性环节又有纯滞后，负荷变化较大，控制性能要求也高时，应采用串级控制，前馈-反馈，前馈-串级或纯滞后补偿控制。例如，用于原料气出口温度的串级控制。 © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering 自动控制马银龙 ievol@vip.qq.com

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