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1、数字控制器连续化设计第1页，本讲稿共96页D(z)的设计方法常见有两种：的设计方法常见有两种：（1）连续化设计方法间接设计方法）连续化设计方法间接设计方法 思想：先设计控制器的传递函数思想：先设计控制器的传递函数D(s)D(s)，然后采用某种离散，然后采用某种离散化方法，将它变成计算机算法。化方法，将它变成计算机算法。（2）离散化设计方法直接设计方法）离散化设计方法直接设计方法 思想：已知被控对象的思想：已知被控对象的Z Z传递函数传递函数G(Z)，根据所要求的根据所要求的性能指标，设计数字控制器。性能指标，设计数字控制器。第2页，本讲稿共96页 定义：定义：将连续控制器将连续控制器 离散化为
2、数字控制器离散化为数字控制器 的的方法称为数字控制器的连续化设计。方法称为数字控制器的连续化设计。设计思想：设计思想：忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在器，在s s域中按连续系统进行初步设计，求出连续控域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器制器 ，然后通过某种离散化近似，将连续控制器，然后通过某种离散化近似，将连续控制器离散化为数字控制器离散化为数字控制器 ，并由计算机实现。，并由计算机实现。4.1.1 数字控制器的连续化设计方法数字控制器的连续化设计方法 第3页，本讲稿共96页设计步骤：数字控制器的连续化设计方法一般按五步进行：第1步：用连续系
3、统的理论确定期望的连续控制器D(s)；第2步：选择合适的采样周期；第3步：用合适的离散化方法将D(s)转化为D(z)；第4步：将D(z)变为差分方程，并编制计算机程序；第5步：仿真检验，检查系统的设计与程序编制是否正确。第4页，本讲稿共96页第一步：第一步：设计期望的连续控制器设计期望的连续控制器D(s)根据用户对输出响应的性能指标要求，根据用户对输出响应的性能指标要求，利用连续系利用连续系统的频率特性法、根轨迹等方法设计上图中期望的统的频率特性法、根轨迹等方法设计上图中期望的连续控制器连续控制器D(s)。第5页，本讲稿共96页设计举例：设计举例：-+上图中，已知对象传递函数 ,设计使系统的输
4、出响应满足下列性能指标：(1)当斜坡输入时，稳态误差 (2)阶跃响应为二阶最佳响应。第6页，本讲稿共96页解：分析原对象：该对象为典型的I型系统，开环放大系数为0.5。该系统的稳态误差为：当输入为斜坡信号时，第7页，本讲稿共96页求满足要求的期望开环传递函数求满足要求的期望开环传递函数设设由由性性能能指指标标确确定定的的系系统统所所期期望望的的开开环环传传递递函函数数为为 。由指标由指标(2)(2)知，系统期望的开环传递函数为知，系统期望的开环传递函数为由自控原理知：当 时，二阶系统达到最佳响应。第8页，本讲稿共96页从而得理想开环传递函数故，控制器由指标(1)知，第9页，本讲稿共96页第二步
5、：第二步：选择采样周期选择采样周期T香农（香农（Shannon）采样定理）采样定理 如果对一个具有有限频谱的连续如果对一个具有有限频谱的连续信号信号f(t)进行连续采样，当采样频率满足：进行连续采样，当采样频率满足：则采样信号f*(t)能无失真地复现原来的连续信号f(t)。，其中：连续信号连续信号f(t)的最高频率，的最高频率，采样频率，采样频率，第10页，本讲稿共96页第三步：第三步：将模拟控制器将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器离散化为数字控制器D(z)有很多种方法：双线性变换法、后向差分法、前向差分法、冲击响应有很多种方法：双线性变换法、后向差分法、前向差分法、冲击响应不变法、零极点
6、匹配法、零阶保持法等等。不变法、零极点匹配法、零阶保持法等等。为方便讨论，设相应微分方程为1）双线性变化法(梯形积分法)(41)对式(41)在0kT和0(k1)T积分第11页，本讲稿共96页将式(4-3)代入(4-2)消除积分,并对两边取z变换，整理可得(4-2)梯形积分公式将以上两式相减得(4-3)第12页，本讲稿共96页比较，则两式右边相等，则两式右边相等由上式得：则有：则有：和若令为为s到到z平面的双线性变换。平面的双线性变换。称称书上：由定义第13页，本讲稿共96页2）前向差分法前向差分法由由Z变换的定义变换的定义，利用级数展开可得，由上式得：则有：利用微分前向差分定义利用微分前向差分
7、定义则有：将上式代入(4-1),并对两边z变换得第14页，本讲稿共96页3）后向差分法）后向差分法由微分后向定义由微分后向定义则:由由Z变换的定义变换的定义，利用级数展开可得，得：则有：将上式代入(4-1),并对两边z变换得第15页，本讲稿共96页从上面离散化方法看出，采样周期与离散化方法对从上面离散化方法看出，采样周期与离散化方法对离散化后的数字调节器离散化后的数字调节器D(z)有很大影响，通过实验有很大影响，通过实验比较，总结出以下几个结论：比较，总结出以下几个结论：前向差分变换法易使系统不稳定，不宜采用；前向差分变换法易使系统不稳定，不宜采用；后向差分变换法会使后向差分变换法会使D(z)
8、的频率特性发生畸变；的频率特性发生畸变；双线性变换法最好双线性变换法最好；所有离散化方法采样周期的选择必须满足所有离散化方法采样周期的选择必须满足第16页，本讲稿共96页v设计举例设计举例例题：用双线性变换法将模拟积分控制器例题：用双线性变换法将模拟积分控制器离散化为数字控制器，并分别写出位置型和增量型控制算法。解：双线性变换公式为：第17页，本讲稿共96页v设计举例设计举例例题：用双线性变换法将模拟积分控制器例题：用双线性变换法将模拟积分控制器离散化为数字控制器，并分别写出位置型和增量型控制算法。解：双线性变换公式为：所以第18页，本讲稿共96页由上式得差分方程其中，u(k)，e(k)分别是
9、kT时刻D(z)的输出量和输入量。u(k),其增量型控制算法为：该式即为控制量的递推控制算法，也称为位置型控制算法第19页，本讲稿共96页第四步：第四步：设计由计算机实现的控制算法设计由计算机实现的控制算法其中，其中，nm，ai，bi为实数，有为实数，有n个极点和个极点和m个零点。个零点。则上式可写为：则上式可写为：在计算机控制系统结构图中，设数字控制器D(z)的一般形式为：第20页，本讲稿共96页用时域表示为：上式即可实现计算机编程，称之为数字控制器上式即可实现计算机编程，称之为数字控制器D(z)的控制算法。的控制算法。第21页，本讲稿共96页第五步：校验控制器D(z)设计完并求出控制算法后
10、，用计算机控制系统的数字仿真来验证，是否满足设计要求。不满足，需要进行修改。特点：由于绝大部分工程技术人员对s平面比z平面更为熟悉，因此数字控制器的连续化设计技术被广泛使用。第22页，本讲稿共96页作业作业:P144 4.2 4.4P144 4.2 4.41、某系统的连续控制器设计为、某系统的连续控制器设计为试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求出数字控制器D(z)，并分别给出三种方法的递推控制算法。2、已知模拟调节器的传递函数为试写出相应数字控制器的位置型和增量型的控制算式，设采样周期T0.2s。第23页，本讲稿共96页4.1.2 标准准数字数字PID控制器的设计控制器的设计lPID
11、控制原理及特点控制原理及特点lPID的离散形式的离散形式(数字数字PID)第24页，本讲稿共96页 1、原理 PID控制是根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行调整的一种控制规律。数学表达式如下：一、原理4.1.2.1 PID控制原理控制原理其中：u(t)为控制器输出，e(t)为控制器输入，Kp为控制器的比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数第25页，本讲稿共96页各部分控制作用如下：(1)比例：迅速反映误差，减少误差，但不能消除稳态误差。比例作用太强会引起系统不稳定(2)积分：最终消除稳态误差，作用太强会使系统超调加大，响应时间变长，动态响应变缓。(3)微分：超前控制，克
12、服系统惯性，加快动态响应速度，减少超调，提高系统稳定性。太强会引起输出失真，对高频噪音有放大作用。其传递函数为第26页，本讲稿共96页u是在连续系统中技术最为成熟，应用最为广泛的一种调节器。u PID调节器结构简单、参数易于调整，当被控对象精确数学模型难以建立、系统的参数又经常发生变化时，应用PID控制技术，在线整定最为方便。u 在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模拟PID调节器。二、特点第27页，本讲稿共96页1用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用计算机进行数字模拟，这种方法称为模拟化设计方法。2应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一种直接设计方法（或称离散
13、化设计）数字PID控制器的设计是按照 1 进行的。连续生产过程中,设计数字控制器的两种方法:第28页，本讲稿共96页模拟PID调节器 图l 模拟PID控制 PID控制器是一种线性控制器；根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。第29页，本讲稿共96页PID调节器的基本结构1.比例调节器 2.比例积分调节器3.比例微分调节器 4.比例积分微分调节器 第30页，本讲稿共96页控制规律：其中：为比例系数；为控制量的基准。比例调节的特点：比例调节器对于偏差是即时反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。只有当偏差发生变化时，控制量才变
14、化。（1）比例调节器缺点：不能消除静差；过大，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。图2 P调节器的阶跃响应 第31页，本讲稿共96页（2）比例积分调节器控制规律：积分调节的特点：调节器的输出与偏差存在的时间有关。只要偏差不为零，输出就会随时间不断增加，并减小偏差，直至消除偏差，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。其中：为积分时间常数。缺点：降低响应速度。图3 PI调节器的阶跃响应00upKpK0tiTut110t0et第32页，本讲稿共96页（3）比例微分调节器控制规律：其中：为微分时间常数。微分调节的特点：在偏差出现或变化的瞬间，产生一个正比于偏差变化率的控制作用，它总是反对
15、偏差向任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越强。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。缺点：太大，易引起系统不稳定。图 4 理想 PD调节器的阶跃响应101et0t00tutpK0u第33页，本讲稿共96页一、背景一、背景4.1.2.2 数字数字 PID控制器控制器连续PID控制规律为：当用计算机来实现PID控制时，计算机本身无法来直接实现算法中的积分、微分。因此必须用数值逼近的方法来将模拟PID离散化为能用程序来实现的差分方程形式。第34页，本讲稿共96页二、措施二、措施当采样周期相当短时，用求和代替积分
16、，用后向差分代替微当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分即可将连续分即可将连续PID离散化为数字离散化为数字PID.对控制量有：对控制量有：比例比例比例比例积分积分矩形外推矩形外推求和求和微分微分后向差商后向差商第35页，本讲稿共96页1、位置型PID（全量式）三、离散化形式三、离散化形式第36页，本讲稿共96页从上式看出：从上式看出：采样周期采样周期T T越大，积分作用越强，微分作用越弱。越大，积分作用越强，微分作用越弱。预预求求K K时时刻刻控控制制器器得得输输出出必必须须知知道道0 0K K时时刻刻的的误误差差值值，故故称为全量算法。称为全量算法。u(k)u(k)表表示示
17、控控制制总总量量，表表示示执执行行机机构构的的位位置置，如如阀阀门门当当前总开度，故又称位置型前总开度，故又称位置型PIDPID算法。算法。第37页，本讲稿共96页特点：特点：v与与各各次次采采样样值值有有关关，需需知知道道所所有有历历史史值值，占占用用较较多多存存贮空间；贮空间；v需需做做误误差差值值的的累累加加，容容易易产产生生较较大大的的累累加加误误差差，易易产产生累加饱和现象；生累加饱和现象；v控制量以全量输出，误动作较大。控制量以全量输出，误动作较大。第38页，本讲稿共96页每步控制增量因为2、增量型PID故第39页，本讲稿共96页在在增增量量算算法法中中，只只要要知知道道当当前前值
18、值和和两两个个历历史史输输入入就就可可求求出出当当前前的的控控制制增增量量。如如步步进进电电机机的的步步进进量量，当当控控制制器器给给出出一一个个控控制制量量时时，步步进进电电机机就就在在原原来来的的位位置置上上前前进进或或者者后后退退一一步步。只只有有当当执执行行器器具具有有记记忆忆保保持持功功能能时时，控控制制器器PIDPID才才能能选选择择用增量型。用增量型。第40页，本讲稿共96页特点：特点：v增增量量仅仅与与最最近近几几次次采采样样值值有有关关，累累加加误误差差较较小小，且且节节省存贮空间；省存贮空间；v控控制制器器以以增增量量形形式式输输出出，仅仅影影响响本本次次的的输输出出，误误
19、动动作较小，且不会产生积分饱和现象；作较小，且不会产生积分饱和现象；v容容易易实实现现手手动动到到自自动动无无扰扰切切换换。机机器器故故障障时时，还还能将信号保持到原位。能将信号保持到原位。注注意意：位位置置式式和和增增量量式式在在数数学学上上本本质质是是等等效效的的，但但在在物物理理上上却却代代表表不不同同的的实实现现方方法法。不不同同执执行行器器应选用不同形式的控制算法。应选用不同形式的控制算法。第41页，本讲稿共96页第42页，本讲稿共96页MATLAB的语句如下，的语句如下，%(5-5)PID digital controllersigmae=sigmae+ekuk=Kp*ek+Ki*
20、sigmae+Kd*(ek-ek1)ek1=ek上述程序中，上述程序中，uk=u(k)，ek=e(k)，ek1=e(k-1)这里为简单起见，假设各变量都是全局变量，并且这里为简单起见，假设各变量都是全局变量，并且在主程序初始化时令初值在主程序初始化时令初值sigmae=0，ek1=0。第43页，本讲稿共96页 利利用用增增量量型型控控制制算算法法，也也可可得得出出位位置置型型控控制算法：制算法：u(k)=u(k-1)+u(k)u(k)=u(k-1)+u(k)=u(k-1)+q =u(k-1)+q0 0e(k)+qe(k)+q1 1e(k-1)+qe(k-1)+q2 2e(k-2)e(k-2)第
21、44页，本讲稿共96页一、积分项的改进积分作用：积累误差，最终消除稳态误差，同时使系统响应变慢。1、积分分离法背景：偏差较大时，积分的滞后作用影响系统的响应速度，从而引起较大的超调及加长过渡时间，尤其对时间常数较大、有时间滞后的被控对象（温度），更加剧了系统的振荡过程。措施：偏差较大时，取消积分作用；偏差较小时投入积分作用,以便消除静差,提高控制精度。4.1.3 PID算法的改进第45页，本讲稿共96页算法：引入积分分离系数第46页，本讲稿共96页仿真实例采样时间20s，输入rin=40，程序脚本见I-separation.m仿真现象见程序运行波形图第47页，本讲稿共96页脚本：clear a
22、ll;close all;ts=20;sys=tf(1,60,1,inputdelay,80);dsys=c2d(sys,ts,zoh);num,den=tfdata(dsys,v);u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;error_1=0;error_2=0;ei=0;for k=1:1:200time(k)=k*ts;yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;第48页，本讲稿共96页%I separationrin(k)=40;error(k)=rin(k)-yout(k);ei=ei+error(k)*ts;M
23、=1;if M=1%Using integration separation if abs(error(k)=30&abs(error(k)=20&abs(error(k)=10&abs(error(k)=110 u(k)=110;endif u(k)=-110 u(k)=-110;endu_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);error_2=error_1;error_1=error(k);end第50页，本讲稿共96页figure(1);plot(time,rin,b,time,yout,r)
24、;xlabel(time(s);ylabel(rin,yout);figure(2);plot(time,u,r);xlabel(time(s);ylabel(u);第51页，本讲稿共96页2、抗积分饱和法背景：PID控制器的输出由于积分作用不断累加而加大,从而导致执行机构达到极限位置(如阀门全开),若控制器输出继续增大,阀门开度不可能再增大,此时就称计算机输出超出了正常运行范围而进入了饱和区.系统进入饱和后，饱和越深，退饱和时间越长，系统超调就越大。措施：对输出进行限幅，同时切除积分作用。算法：第52页，本讲稿共96页仿真实例:第53页，本讲稿共96页二、微分项的改进微分作用：按变化趋势超前
25、控制，加快动态响应速度，减少超调量,改善系统的动态特性；但易对高频干扰敏感，使系统受噪声干扰。1、不完全微分PID背景：用于有高频扰动的生产过程，抑制控制过程由于扰动产生的剧烈振荡。措施：在标准PID中加入一个一阶惯性环节(低通滤波器)。其传递函数为第54页，本讲稿共96页不完全微分PID结构有如下图(a)(b)两种结构形式：图(a)所示结构是将滤波器加在整个PID控制器之后：PID传递函数第55页，本讲稿共96页对图(b)所示不完全微分结构图(b)将低通滤波器直接加在微分环节上.第56页，本讲稿共96页用后向差商离散化得其中微分项分量：第57页，本讲稿共96页则不完全微分中微分项为:而标准P
26、ID中微分项为:第58页，本讲稿共96页仿真实验,采用图(b)结构的不完全微分,对象为仿真中对象输出端加幅值为0.01的随机信号.输入信号为阶跃信号.对象在不完全微分PID和标准PID作用下的 输 出 响 应 分 别 见 仿 真 程 序 D_partial.m和partialD.mdl第59页，本讲稿共96页背景：给定值频繁升或降给系统带来冲击，引起超调过大，执行机构动作剧烈。措施：将PID控制器中的微分作用移到反馈回路上，即是说只对输出量进行微分，对给定值不作微分，从而减少了给定值的升降对系统的直接影响,改善系统的动态特性.结构如图:2、微分先行PID-+第60页，本讲稿共96页其闭环传递函
27、数为而标准PID控制结构为：-+第61页，本讲稿共96页比较两图的闭环传递函数得：相同点：两系统的特征多项式（分母）相同，表明两系统过渡过程的动态稳定性相同。不同点：不完全微分PID控制中闭环传递函数的分子标准PID控制中闭环传递函数的分子少了微分环节传递函数，即少了一个闭环零点。由反馈控制原理知，闭环零点将引起系统的动态波动。因此少一个闭环零点可改善动态品质。故微分先行PID控制的动态特性要优于常规PID控制的动态特性。第62页，本讲稿共96页在实际过程实现中，微分先行项一般为：微分项输出为-+第63页，本讲稿共96页仿真举例：设被控对象为输入信号为带有高频干扰的方波信号:第64页，本讲稿共
28、96页对象在微分先行PID作用和标准PID控制器作用下输入输出见仿真程序D_advance.m通过结构图的仿真见advanceD.mal第65页，本讲稿共96页举例2：设被控对象为输入信号是脉宽20s、周期50s的脉冲信号。假设常规PID控制器为：采用微分先行PID控制器，并设其中的系统采用两种控制器的原理图如下：第66页，本讲稿共96页第67页，本讲稿共96页系统采用两种控制器的输出响应波形如下：第68页，本讲稿共96页背景：有的生产过程控制精度不高，控制过程要求尽量平稳，不希望执行机构动作过于频繁，防止由于频繁工作引起振荡。措施：设置控制死区，在死区内控制器不动作。算法：三、带死区的PID
29、控制算法四、砰砰PID复合控制背景：有的控制过程响应速度太慢。措施：在根据误差大小范围，定控制器的输出第69页，本讲稿共96页算法：第70页，本讲稿共96页 在工业过程控制中，目前采用最多的控制器方式依然是PID控制方式，PID控制原理简单，实现容易，但系统控制效果的好坏直接受控制器参数整定好坏的影响，因此，PID控制方式中，难点就在于其参数整定是否良好。PID控制器参数整定方法主要有：阶跃响应曲线法、频率响应法以、衰减曲线法以及试凑法。4.1.4 PID控制器参数的整定第71页，本讲稿共96页 该方法是由齐格勒（Ziegler）与尼科尔斯（Nichols）提出的一种基于系统的开环阶跃响应曲线
30、来整定参数的一种方法，该方法将受控对象大多近似为：对象的阶跃响应曲线如下图，该曲线由两个过程特性参数 和 描述，如图中所示。一、阶跃响应曲线法第72页，本讲稿共96页 首先确定阶跃响应曲线上最大斜率的点，然后由过该点的切线分别与横轴和纵轴的交点得到参数 与 控制器 P PI PID控制器参数如右表第73页，本讲稿共96页 频率响应曲线法基于过程传递函数的Nyquist曲线与负实轴的交点的信息，该点可由两个特性参数 和 来表示,其中 称为临界增益，称为临界周期。它们的值可由如下实验获取，具体步骤如下：v置调节器积分时间到最大值（），微分时间为零（），比例增益 置较小值，使控制系统投入运行。二、频
31、率响应法第74页，本讲稿共96页v待系统运行稳定后，逐渐增大比例系数增益，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程(如下图)，记录下此时的比例系数（临界增益），并计算两个波峰间的时间（临界周期）。ty(t)第75页，本讲稿共96页控制器类型 P PI PID由实验获得 和 的值后，再根据下表可得PID控制器参数的值。第76页，本讲稿共96页 衰减曲线法与频率响应法类似，区别在于本方法采用衰减比为4:1时设定值扰动的衰减振荡实验数据。其步骤相似：v置调节器积分时间到最大值（），微分时间为零（），比例增益 置较小值，使控制系统投入运行。三、衰减曲线法第77页，本讲稿共96页v待系统运行稳定后，逐渐增大
32、比例系数增益，直到系统出现4:1的衰减振荡（如下图)，记录下此时的比例系数 和振荡周期 第78页，本讲稿共96页控制器类型 P PI PID由实验获得 和 的值后，再根据下表可得PID控制器参数的值。第79页，本讲稿共96页 试凑法试一种凭借经验整定参数的方法，让系统闭环，改变给定值以给系统施加干扰信号，一边按 顺序调节，一边观察过渡过程，直到满意为止。其过程如下：(1)先调 :让系统闭环，使积分和微分不起作用（，），观察系统的响应，若反映快、超调小，静差满足要求，则就用纯比例控制器。四、试凑法第80页，本讲稿共96页 (2)调 :若静差太大，则加入 ，且同时使 略下降（如降至原来的80，因加
33、入积分会使系统稳定性下降，故减小 ），由大到小，直到满足静差要求。(3)调 :若系统动态特性不好，则加入 ，同时使 稍微提升一点，由小到大，直到动态满意。第81页，本讲稿共96页 工程实际中，以上几步反复操作，直到满意为止。常见被调量的PID调节器参数选择范围如下表：被调量 特点 (m)(m)流量对象时间常数并有噪声 12.50.11温度多容系统，有较大滞后1.653100.53压力多容系统，滞后不大1.43.50.43液位允许有静差，1.255第82页，本讲稿共96页优点：算法简单、容易实现，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。缺点：参数整定难，参数不能实时修改，系统的鲁棒性较差（适应工
34、况的能力）。特点应用现状由于PID具有算法简单，实现容易，且对一般的工业过程中的被控对象都能达到比较好的控制效果，因此它仍然是目前广泛采用的一种控制器。但由于其自身的缺点，在实际的工业控制过程中，采用常规PID控制越来越少，尤其随着计算机技术以及智4.1.5 PID控制器应用现状控制器应用现状第83页，本讲稿共96页智能控制技术的发展,更多的是将该种算法与其它算法结合起来使用，以达到更好的控制效果。其它算法表现为：与模糊控制相结合、与神经网络控制相结合。1、模糊控制与PID相结合的常见几种形式（1）混合型模糊PID控制背景：由于模糊控制器具有不依赖对象数学模型、鲁棒性强等特点，目前已经得到广泛
35、应用。但通常设计的二维模糊控制器往往不能实现系统的无差控制。措施：在算法中引入积分器来达到消除静差的目的。第84页，本讲稿共96页特点：可以完全消除系统的静差，提高系统的稳态精度，同时还可以改善系统的动态特性。-e(t)+r(t)二维模糊控制器ufG(s)y(t)I或者PI+ui该种控制方式是由一个常规二维模糊控制器（PD）与一个常规PI控制器或者积分器I并联组成。如图所示（2）砰砰控制-e(t)+r(t)二维模糊控制器ufG(s)y(t)PIDui第85页，本讲稿共96页（3）常规PID参数的模糊自整定背景：常规PID控制器的参数在不同的工况下应该具有不同的值，才能使系统取得较好的控制效果。
36、故要求PID控制器具有参数自整定的功能。措施：利用模糊控制规则来在线修改PID参数。其结构如图所示思想：在不同阶段采用不同的控制算法，在误差较大阶段采用模糊控制算法，在误差很小范围采用PID控制，提高系统精度。第86页，本讲稿共96页模糊规则确定的关键是找出PID三个参数与误差以及误差变化之间的关系。然后根据关系以及相关原则对PID参数在线修正以满足不同的工况下对三个参数的不同要求，最终获得良好的动态和稳态性能。-e(t)+r(t)PIDG(s)y(t)参数自整定模糊规则第87页，本讲稿共96页2、神经网络控制与PID相结合神经网络控制具有不依赖对象数学模型，可逼进任何非线性函数，因此在系统建
37、模、系统辨识以及数据测量领域得到广泛的应用。神经网络技术与PID相结合主要表现在利用神经网络来在线调整PID控制器的参数以适应不同的工况（提高PID控制器的适应能力）。-e(t)+r(t)PIDG(s)y(t)神经元校正器第88页，本讲稿共96页五、纯滞后控制技术背景：由于物料传输及能量传输带来的延迟使得许多被控对象带有纯滞后环节,对象的纯滞后性质往往会使控制过程超调严重、稳定性差，甚至产生振荡。措施：采用smith预估控制和dahlin算法.第89页，本讲稿共96页1、smith 预估控制分析:一般单回路系统如图闭环传递函数为:-+特征方程:特征方程中出现了纯滞后环节特征方程中出现了纯滞后环
38、节,使系统使系统稳定性降低稳定性降低,当滞当滞后时间后时间足够大时足够大时,系统将不稳定系统将不稳定,因此含有纯滞因此含有纯滞后环节的对象难控后环节的对象难控.第90页，本讲稿共96页思想：采用基于模型的补偿方法,如下图:-+-+根据补偿原理，要求实际上,预估模型不是并联在对象上,而是反向并联在控制器上的,如下图所示:第91页，本讲稿共96页补偿后的控制器补偿后闭环传递函数为结论结论:补偿后滞后环节在闭环控制回路之外补偿后滞后环节在闭环控制回路之外,不不影响系统的稳定性影响系统的稳定性,仅仅是控制作用在时间坐仅仅是控制作用在时间坐标上推移了时间标上推移了时间,系统的过度过程以及其他性系统的过度
39、过程以及其他性能指标都与对象能指标都与对象Gp(s)Gp(s)一样一样,消除了纯滞后部分对消除了纯滞后部分对系统的影响系统的影响.第92页，本讲稿共96页数字控制器实现:-+步骤:其中主要是(2)和(4)步的计算,推导如下:第93页，本讲稿共96页第(2)步:令 ,离散化得第94页，本讲稿共96页第(4)步:当控制器采用PID控制时:仿真程序见smith.m:第95页，本讲稿共96页2、dahlin 算法分析:一般单回路系统如图闭环传递函数为:-+特征方程:特征方程中出现了纯滞后环节特征方程中出现了纯滞后环节,使系统使系统稳定性降低稳定性降低,当当滞后时间滞后时间足够大时足够大时,系统将不稳定系统将不稳定,因此含有纯滞因此含有纯滞后环节的对象难控后环节的对象难控.第96页，本讲稿共96页