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1、计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第六章 计算机控制系统中的控制策略计算机控制系统中的控制策略(4)Control Strategy of Computer SystemControl Strategy of Computer System Department of Control Science Department of Control Science&Engineering,&Engineering,ZhejiangZhejiang University University4/9/20231第六章 计算机控制系统中的控制策略计算机控制系统计算机控制系统计算机控制
2、系统计算机控制系统第六节第六节 Unit 6控制策略的工程实现控制策略的工程实现控制策略的工程实现控制策略的工程实现The Implementation of Control Strategy The Implementation of Control Strategy in The Engineering Projectin The Engineering Project4/9/20232第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章本节内容本节内容uu给定值处理给定值处理给定值处理给定值处理uu被控量处理被控量处理被控量处理被控量处理uu偏差处理偏差处理偏差处理偏差处理uu控制
3、策略的实现控制策略的实现控制策略的实现控制策略的实现uu控制量处理控制量处理控制量处理控制量处理uu自动自动自动自动-手动切换手动切换手动切换手动切换4/9/20233第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6 控制策略的工程实现控制策略的工程实现uu模拟模拟模拟模拟PIDPID与数字与数字与数字与数字PIDPID的异同的异同的异同的异同uu调节器本身及其功能的实现方式调节器本身及其功能的实现方式调节器本身及其功能的实现方式调节器本身及其功能的实现方式给定值处理给定值处理被控量处理被控量处理偏偏 差差处处 理理控控 制制算算 法法控制量控制量处处 理理自动手自动手动动处理
4、处理MVCMVukCDVCSVCPVSVPV数字调节器数字调节器(PID)的控制模块示意图的控制模块示意图4/9/20234第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-1 给定值处理（给定值处理（1）uu给定值处理包括给定值处理包括给定值处理包括给定值处理包括 选择给定值选择给定值选择给定值选择给定值SVSV 给定值变化率限制给定值变化率限制给定值变化率限制给定值变化率限制SRSRCASSCCCRCLSVCSVSSVLSRCSVSVSV给定值处理示意图给定值处理示意图外给定外给定/内给定内给定变化率限制变化率限制 串级串级/SCC来自操作员的给定来自操作员的给定4/9/2
5、0235第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-1 给定值处理（给定值处理（2）uu内给定状态：软开关内给定状态：软开关内给定状态：软开关内给定状态：软开关CL/CRCL/CR切向切向切向切向CLCL位置，选择位置，选择位置，选择位置，选择操作员设置的给定值操作员设置的给定值操作员设置的给定值操作员设置的给定值SVLSVLuu外给定状态：软开关外给定状态：软开关外给定状态：软开关外给定状态：软开关CL/CRCL/CR切向切向切向切向CRCR位置位置位置位置 SCCSCC控制控制控制控制 串级控制串级控制串级控制串级控制uu给定值变化率的限制给定值变化率的限制给定值变化
6、率的限制给定值变化率的限制 通过选择通过选择通过选择通过选择SRSR值防止给定值的突变值防止给定值的突变值防止给定值的突变值防止给定值的突变4/9/20236第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-1 给定值处理（给定值处理（3）uu给定值处理部分给定值处理部分给定值处理部分给定值处理部分 3 3个输入量（个输入量（个输入量（个输入量（SVLSVL、SVCSVC、SVSSVS）2 2个输出量（个输出量（个输出量（个输出量（SVSV、CSVCSV）2 2个开关量（个开关量（个开关量（个开关量（CL/CRCL/CR、CAS/SCCCAS/SCC）1 1个变化率（个变化率（
7、个变化率（个变化率（SRSR）uu为了方便控制算法程序调用这些量为了方便控制算法程序调用这些量为了方便控制算法程序调用这些量为了方便控制算法程序调用这些量,需要给每个需要给每个需要给每个需要给每个回路的控制模块提供一段内存数据区回路的控制模块提供一段内存数据区回路的控制模块提供一段内存数据区回路的控制模块提供一段内存数据区,用于存放用于存放用于存放用于存放以上变量。以上变量。以上变量。以上变量。4/9/20237第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-2 被控量处理（被控量处理（1）uu被控量处理部分被控量处理部分被控量处理部分被控量处理部分 主要是出于对安全考虑的上
8、下限报警主要是出于对安全考虑的上下限报警主要是出于对安全考虑的上下限报警主要是出于对安全考虑的上下限报警 上限值为上限值为上限值为上限值为PHPH，上限报警上限报警上限报警上限报警状态状态状态状态为为为为PHAPHA；下限值为下限值为下限值为下限值为PLPL，下限报警下限报警下限报警下限报警状态状态状态状态为为为为PLAPLA；被控量为被控量为被控量为被控量为PVPV 当当当当PVPVPHPH时，时，时，时，PHAPHA为为为为“1”“1”；当当当当PVPVPLPL时，时，时，时，PLAPLA为为为为“1”“1”。4/9/20238第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-
9、6-2 被控量处理（被控量处理（2）uu被控量处理部分被控量处理部分被控量处理部分被控量处理部分被控量处理示意图被控量处理示意图tPHPLPHAPLAHYHYPV10被控量变化率被控量变化率高限报警高限报警PHAPHPLHYPR被控量被控量PVCPV低限报警低限报警PLA4/9/20239第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-2 被控量处理（被控量处理（3）uu被控量处理部分被控量处理部分被控量处理部分被控量处理部分uu为平衡控制，有时需要对参与控制的被控量的变化为平衡控制，有时需要对参与控制的被控量的变化为平衡控制，有时需要对参与控制的被控量的变化为平衡控制，有时
10、需要对参与控制的被控量的变化率率率率PRPR加以限制，且要取得适中。加以限制，且要取得适中。加以限制，且要取得适中。加以限制，且要取得适中。uu被控量处理的数据区共需存放被控量处理的数据区共需存放被控量处理的数据区共需存放被控量处理的数据区共需存放 1 1个输入量个输入量个输入量个输入量PVPV 3 3个输出量个输出量个输出量个输出量PHAPHA、PLAPLA和和和和CPVCPV 4 4个参数个参数个参数个参数PHPH、PLPL、HYHY和和和和PRPR。4/9/202310第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（1）uu偏差处理偏差处理偏差处
11、理偏差处理 计算偏差、偏差报警、非线性补偿及输入补偿计算偏差、偏差报警、非线性补偿及输入补偿计算偏差、偏差报警、非线性补偿及输入补偿计算偏差、偏差报警、非线性补偿及输入补偿计计 算算偏偏 差差D/RDL非线性非线性 特特 性性输输 入入补补 偿偿ICMDLACDVDVCDV 给定值给定值CSV 测量值测量值CPV输入补偿量输入补偿量ICV偏差处理部分示意图偏差处理部分示意图偏差报警偏差报警输入补偿方式输入补偿方式正正/反作反作用方式用方式4/9/202311第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（2）uu计算偏差计算偏差计算偏差计算偏差 根据正
12、根据正根据正根据正/反作用方式开关反作用方式开关反作用方式开关反作用方式开关（D/RD/R）计算偏差计算偏差计算偏差计算偏差值值值值DVDV。uu偏差报警偏差报警偏差报警偏差报警 当偏差的绝对值大于某个极限值当偏差的绝对值大于某个极限值当偏差的绝对值大于某个极限值当偏差的绝对值大于某个极限值DLDL时，则时，则时，则时，则给出报警信息（报警状态给出报警信息（报警状态给出报警信息（报警状态给出报警信息（报警状态DLADLA为为为为“1”“1”）4/9/202312第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（3）uu非线性特性补偿非线性特性补偿非线性特
13、性补偿非线性特性补偿 设置设置设置设置非线性非线性非线性非线性增益增益增益增益KK，非线非线非线非线性区性区性区性区-A A至至至至+A A 实现实现实现实现非线性非线性非线性非线性PIDPID控制或带控制或带控制或带控制或带死区的死区的死区的死区的PIDPID控制。控制。控制。控制。DVCDV+A-AK450450非线性特性示意图非线性特性示意图K=0K=0，带死区的带死区的带死区的带死区的PIDPIDK=1K=1，正常正常正常正常PIDPID0 0KK1 1时，则为非线性时，则为非线性时，则为非线性时，则为非线性PIDPID4/9/202313第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章
14、第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（4）uu输入补偿输入补偿输入补偿输入补偿 由由由由ICMICM决定偏差决定偏差决定偏差决定偏差DVCDVC与输入补偿量与输入补偿量与输入补偿量与输入补偿量ICVICV之间的之间的之间的之间的关系关系关系关系 当当当当ICM=0ICM=0，表示不考虑输入补偿；表示不考虑输入补偿；表示不考虑输入补偿；表示不考虑输入补偿；当当当当ICM=1ICM=1，表示加补偿；表示加补偿；表示加补偿；表示加补偿；当当当当ICM=2ICM=2，表示减补偿；表示减补偿；表示减补偿；表示减补偿；当当当当ICM=3ICM=3，表示置换补偿。表示置换补偿。表示置换补偿。表示置换补
15、偿。4/9/202314第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（5）uu输入补偿输入补偿输入补偿输入补偿 利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与SmithSmith纯滞后补偿控制。纯滞后补偿控制。纯滞后补偿控制。纯滞后补偿控制。uu偏差处理数据区偏差处理数据区偏差处理数据区偏差处理数据区 1 1个输入补偿量个输入补偿量个输入补偿量个输入补偿量ICVICV 2 2个输出量个输出量个输出量个输出量DLADLA和和和和CDVCDV 2 2
16、个状态量个状态量个状态量个状态量D/RD/R和和和和ICMICM 4 4个参数个参数个参数个参数DLDL、-A-A、+A+A和和和和KK。4/9/202315第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-4 控制策略的实现（控制策略的实现（1）uu由偏差进行控制算法计算并限幅由偏差进行控制算法计算并限幅由偏差进行控制算法计算并限幅由偏差进行控制算法计算并限幅控制策略实现的示意图控制策略实现的示意图偏差值偏差值 CDVDPVDV测量值测量值 CPVMHMLUkU限幅限幅控制算法控制算法开关切向开关切向DV位置时，选用位置时，选用偏差徽分偏差徽分切向切向PV位置时，选用位置时，
17、选用测量值测量值(被控量被控量)微分微分4/9/202316第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（2）u计算偏差计算偏差根据正根据正/反作用方式开关反作用方式开关（D/R）计算偏差计算偏差值值DV。u偏差报警偏差报警当偏差的绝对值大于某个极限值当偏差的绝对值大于某个极限值DL时，则给出时，则给出报警信息（报警状态报警信息（报警状态DLA为为“1”）4/9/202317第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（3）uu非线性特性补偿非线性特性补偿非线性特性补偿非线性特性补偿 设置设置设置设置非线性
18、非线性非线性非线性增益增益增益增益KK，非线非线非线非线性区性区性区性区-A A至至至至+A A 实现实现实现实现非线性非线性非线性非线性PIDPID控制或带控制或带控制或带控制或带死区的死区的死区的死区的PIDPID控制。控制。控制。控制。DVCDV+A-AK450450非线性特性示意图非线性特性示意图K=0K=0，带死区的带死区的带死区的带死区的PIDPIDK=1K=1，正常正常正常正常PIDPID0 0KK1 1时，则为非线性时，则为非线性时，则为非线性时，则为非线性PIDPID4/9/202318第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（
19、4）uu输入补偿输入补偿输入补偿输入补偿 由由由由ICMICM决定偏差决定偏差决定偏差决定偏差DVCDVC与输入补偿量与输入补偿量与输入补偿量与输入补偿量ICVICV之间的之间的之间的之间的关系关系关系关系 当当当当ICM=0ICM=0，表示不考虑输入补偿；表示不考虑输入补偿；表示不考虑输入补偿；表示不考虑输入补偿；当当当当ICM=1ICM=1，表示加补偿；表示加补偿；表示加补偿；表示加补偿；当当当当ICM=2ICM=2，表示减补偿；表示减补偿；表示减补偿；表示减补偿；当当当当ICM=3ICM=3，表示置换补偿。表示置换补偿。表示置换补偿。表示置换补偿。4/9/202319第六章 计算机控制系
20、统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-3 偏差处理（偏差处理（5）uu输入补偿输入补偿输入补偿输入补偿 利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与利用加、减补偿，可以分别实现前馈控制与SmithSmith纯滞后补偿控制。纯滞后补偿控制。纯滞后补偿控制。纯滞后补偿控制。uu偏差处理数据区偏差处理数据区偏差处理数据区偏差处理数据区 1 1个输入补偿量个输入补偿量个输入补偿量个输入补偿量ICVICV 2 2个输出量个输出量个输出量个输出量DLADLA和和和和CDVCDV 2 2个状态量个状态量个状态量个状态量D/RD/R
21、和和和和ICMICM 4 4个参数个参数个参数个参数DLDL、-A-A、+A+A和和和和KK。4/9/202320第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-4 控制策略的实现（控制策略的实现（1）uu由偏差进行控制算法计算并限幅由偏差进行控制算法计算并限幅由偏差进行控制算法计算并限幅由偏差进行控制算法计算并限幅控制策略实现的示意图控制策略实现的示意图偏差值偏差值 CDVDPVDV测量值测量值 CPVMHMLUkU限幅限幅控制算法控制算法开关切向开关切向DV位置时，选用位置时，选用偏差徽分偏差徽分切向切向PV位置时，选用位置时，选用测量值测量值(被控量被控量)微分微分4/
22、9/202321第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-4 控制策略的实现（控制策略的实现（2）uu在控制策略的数据区，需要存放在控制策略的数据区，需要存放在控制策略的数据区，需要存放在控制策略的数据区，需要存放 各种控制参数各种控制参数各种控制参数各种控制参数 采样周期采样周期采样周期采样周期 微分方式微分方式微分方式微分方式DV/PVDV/PV 控制量上限限值控制量上限限值控制量上限限值控制量上限限值MHMH和下限限值和下限限值和下限限值和下限限值MLML 控制输出量控制输出量控制输出量控制输出量U Uk k 递推计算所需的历史数据等递推计算所需的历史数据等递推计
23、算所需的历史数据等递推计算所需的历史数据等4/9/202322第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-5 控制量的处理（控制量的处理（1）uu控制量实际输出前的处理控制量实际输出前的处理控制量实际输出前的处理控制量实际输出前的处理 以扩展控制功能，实现安全平稳操作。以扩展控制功能，实现安全平稳操作。以扩展控制功能，实现安全平稳操作。以扩展控制功能，实现安全平稳操作。控制量控制量CMV控制量处理部分示意图控制量处理部分示意图FHNHUR前前 次次 控控制量制量Uk-1FSNS安全输出量安全输出量MSUH安全输出安全输出输出保持输出保持变化率限制变化率限制控制量控制量Uk
24、输出补偿输出补偿OCV输输 出出补补 偿偿OCMUcMR输出补偿方式输出补偿方式4/9/202323第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-5 控制量的处理（控制量的处理（2）uu输出补偿输出补偿输出补偿输出补偿 决定控制量决定控制量决定控制量决定控制量U Uk k与输出补偿量与输出补偿量与输出补偿量与输出补偿量OCVOCV之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系 利用输入补偿与输出补偿，利用输入补偿与输出补偿，利用输入补偿与输出补偿，利用输入补偿与输出补偿，可以灵活地组成各种可以灵活地组成各种可以灵活地组成各种可以灵活地组成各种复杂的数字控制算法复杂的数字控制算法复
25、杂的数字控制算法复杂的数字控制算法uu变化率限制变化率限制变化率限制变化率限制 MRMR的设置是为了限制控制量变化率的设置是为了限制控制量变化率的设置是为了限制控制量变化率的设置是为了限制控制量变化率uu输出保持输出保持输出保持输出保持 FH/NHFH/NH的状态一般来自系统的安全报警开关的状态一般来自系统的安全报警开关的状态一般来自系统的安全报警开关的状态一般来自系统的安全报警开关4/9/202324第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-5 控制量的处理（控制量的处理（3）uu安全输出安全输出安全输出安全输出 软软软软开开开开关关关关FS/NSFS/NS切切切切向
26、向向向NSNS位位位位置置置置时时时时，现现现现时时时时该该该该的的的的控控控控制制制制量量量量等等等等于于于于预预预预置置置置的的的的安安安安全全全全输输输输出出出出量量量量MSMS。软软软软开开开开关关关关FS/NSFS/NS状状状状态态态态一一一一般般般般也也也也来来来来自系统的安全报警开关。自系统的安全报警开关。自系统的安全报警开关。自系统的安全报警开关。uu控制量处理数据区存放量控制量处理数据区存放量控制量处理数据区存放量控制量处理数据区存放量 输出补偿量输出补偿量输出补偿量输出补偿量OCVOCV和补偿方式和补偿方式和补偿方式和补偿方式OCMOCM 变化率限制值变化率限制值变化率限制
27、值变化率限制值MRMR 软开关软开关软开关软开关FH/NHFH/NH和和和和FS/NSFS/NS 安全输出量安全输出量安全输出量安全输出量MSMS，以及控制量以及控制量以及控制量以及控制量CMVCMV。4/9/202325第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-6 自动手动切换（自动手动切换（1）uu设置自动设置自动设置自动设置自动/手动切换部分的目的手动切换部分的目的手动切换部分的目的手动切换部分的目的自控自控自控自控CMVCMVSASASMSM自动自动自动自动/手动切换处理示意框图手动切换处理示意框图手动切换处理示意框图手动切换处理示意框图HAHAHMHMMHMH
28、MLMLD/AD/AA/DA/D执执执执 行行行行机机机机 构构构构手动操作器手动操作器手动操作器手动操作器软操软操软操软操SMVSMV软软软软 自自自自 动动动动/软软软软 手手手手动动动动MVMVU US S控制量限幅控制量限幅控制量限幅控制量限幅 HA/HMHA/HM自动自动自动自动/手动手动手动手动VMVM4/9/202326第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-6 自动手动切换（自动手动切换（2）uu自动自动自动自动/手动切换部分的功能手动切换部分的功能手动切换部分的功能手动切换部分的功能软自动软自动软自动软自动/软手动软手动软手动软手动 SASA位置时，
29、正常的自动状态位置时，正常的自动状态位置时，正常的自动状态位置时，正常的自动状态 SMSM位位位位置置置置时时时时，控控控控制制制制量量量量直直直直接接接接由由由由操操操操作作作作键键键键盘盘盘盘或或或或上上上上位位位位计计计计算算算算机给出，称为计算机手动机给出，称为计算机手动机给出，称为计算机手动机给出，称为计算机手动控制量限幅控制量限幅控制量限幅控制量限幅 对控制量对控制量对控制量对控制量USUS进行上、下限限幅进行上、下限限幅进行上、下限限幅进行上、下限限幅自动自动自动自动/手动手动手动手动无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换4/9/202327第六章 计算
30、机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章6-6-6 自动手动切换（自动手动切换（3）自动自动自动自动/手动手动手动手动 HAHA位置时，称为自动状态位置时，称为自动状态位置时，称为自动状态位置时，称为自动状态(HAHA状态状态状态状态)；HMHM位位位位置置置置，通通通通过过过过手手手手操操操操对对对对执执执执行行行行机机机机构构构构进进进进行行行行遥遥遥遥控控控控操操操操作作作作，称之为手动状态称之为手动状态称之为手动状态称之为手动状态无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换 手动到自动手动到自动手动到自动手动到自动 每个采样周期跟踪有关的数据每个采样周期跟踪有
31、关的数据每个采样周期跟踪有关的数据每个采样周期跟踪有关的数据 自动到手动自动到手动自动到手动自动到手动4/9/202328第六章 计算机控制系统中的控制策略第六章第六章第六章第六章本章主要内容本章主要内容uu数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理数字滤波和数据处理uu数字数字数字数字PIDPID控制算法控制算法控制算法控制算法uu基于数字基于数字基于数字基于数字PIDPID控制的多回路控制系统控制的多回路控制系统控制的多回路控制系统控制的多回路控制系统uu模型预测控制模型预测控制模型预测控制模型预测控制uu模糊控制模糊控制模糊控制模糊控制uu控制策略的工程实现控制策略的工程实现控制策略的工程实现控制策略的工程实现4/9/202329第六章 计算机控制系统中的控制策略计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第六章第六章 结束结束The End4/9/202330第六章 计算机控制系统中的控制策略