第9章數(shù)字控制器

第9章數(shù)字控制器

微機(jī)是數(shù)字系統(tǒng),而工程上多數(shù)被控對(duì)象是由模擬(連續(xù)量)環(huán)節(jié)組成,微機(jī)控制系統(tǒng)嚴(yán)格地說屬于數(shù)字模擬混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中不同形式的兩部分可通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換器連接起來，其結(jié)構(gòu)如圖1．1．2所示。對(duì)于這種混合系統(tǒng)通常采用兩種等效的設(shè)計(jì)方法：一種等效方法是把虛線外的輸入、輸出量與被控對(duì)象用數(shù)學(xué)方法處理為數(shù)字量，各環(huán)節(jié)視為數(shù)字環(huán)節(jié)，等效后的系統(tǒng)變?yōu)閿?shù)字控制系統(tǒng)。可利用離散系統(tǒng)（或采樣系統(tǒng)）的理論方法按數(shù)字指標(biāo)要求進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，這種方法稱為數(shù)字控制器直接解析設(shè)計(jì)法，在本章6節(jié)具體介紹，讀者也可查閱有關(guān)書籍。

另一種等效方法是把虛線內(nèi)的A/D、D/A和微機(jī)控制器都看作模擬量，現(xiàn)在微機(jī)采樣速度能夠滿足此要求。這樣，系統(tǒng)完全等效為一個(gè)模擬系統(tǒng)。然后，利用模擬系統(tǒng)的理論和方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，得到模擬控制器。再將模擬控制器進(jìn)行離散化（數(shù)字化），得到數(shù)字控制器。這種間接得到數(shù)字控制器的方法稱之為數(shù)字控制器間接設(shè)計(jì)法。本章前幾節(jié)主要介紹這種方法，從而使研究的諸如控制方法選擇、系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制器參數(shù)的設(shè)置與整定等問題大為簡(jiǎn)化，最后成為對(duì)比較習(xí)慣的模擬系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算和處理。這樣，剩下的問題便是離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和模擬控制器的數(shù)字化處理方法以及常用數(shù)字控制器（PID）的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)。需要說明，這里研究的線性離散系統(tǒng)的差分方程都是常系數(shù)的。這對(duì)于解決多數(shù)工程實(shí)際問題已經(jīng)夠用了。工業(yè)控制中最常用的數(shù)字控制算法是數(shù)字PID控制算法。對(duì)大多數(shù)控制對(duì)象，采用數(shù)字PID控制，均可達(dá)到滿意的控制效果。但是對(duì)于有特殊要求或具有復(fù)雜對(duì)象特性的系統(tǒng)，采用數(shù)字PID控制，則很難達(dá)到目的。在這種情況下，需要從控制對(duì)象特性出發(fā)，運(yùn)用系統(tǒng)控制理論來設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法，或者采用智能控制方法如本章的模糊控制等。

連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了一套系統(tǒng)的、成熟的、實(shí)用的設(shè)計(jì)法，并在控制領(lǐng)域?yàn)槿藗兯熘驼莆?。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，仍然經(jīng)常使用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)出連續(xù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器D(S)，再將D(S)所描述的連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律，通過某種規(guī)則（即數(shù)字化方法）變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律D(S)，這種方法稱為模擬化設(shè)計(jì)方法。而數(shù)字PID控制算法正是利用上述方法求得的。不過，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，不僅僅是簡(jiǎn)單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合起來，使PID控制更加靈活多樣，更能滿足生產(chǎn)過程提出的各式各樣的要求。9．1PID（比例—積分—微分）模擬控制器及離散化

所謂PID控制就是比例（proportional）、積分（integral）和微分（differential）控制，對(duì)于實(shí)際的物理系統(tǒng)，其被控對(duì)象通常都有貯能元件存在，這就造成系統(tǒng)對(duì)輸入作用的響應(yīng)有一定的慣性。另外，在能量和信息傳輸過程中，由于管道和傳輸?shù)仍驎?huì)引入一些時(shí)間上的滯后，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。因此，為了改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常在系統(tǒng)中引入偏差的比例調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性。引入偏差的積分調(diào)節(jié)以提高控制精度，引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響，這就形成了按偏差PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。其控制規(guī)律為：

A、B、C這三個(gè)參數(shù)可獨(dú)立進(jìn)行選擇，但從形式上已看不出比例、積分和微分對(duì)系統(tǒng)的不同影響，便于系統(tǒng)調(diào)試，在工程上常采用（9．1．7）式或（9．1．8）式進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程。PID計(jì)算程序可根據(jù)精度要求和計(jì)算速度選擇定點(diǎn)計(jì)算和浮點(diǎn)計(jì)算。定點(diǎn)計(jì)算程序簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快但精度受限。浮點(diǎn)計(jì)算適應(yīng)范圍寬，精度高，但程序復(fù)雜，運(yùn)算速度慢。在微機(jī)控制中，即要考慮控制器的計(jì)算精度，又要考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、通用性，這里給出一種較為實(shí)用的兩字節(jié)定點(diǎn)PID計(jì)算方法，精度較高，程序又比較簡(jiǎn)單?？傞L為16位。圖9-2給出了PID計(jì)算程序框圖和內(nèi)存分配圖。圖9-3為兩字節(jié)定點(diǎn)數(shù)格式。為編程方便，設(shè)9．2PID控制器的幾種改進(jìn)形式前面介紹三種形式的PID是理想的PID控制器，其實(shí)際控制效果并不理想。為了改善控制質(zhì)量，針對(duì)不同對(duì)象和條件，可以對(duì)PID算式進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，這就形成了幾種非標(biāo)準(zhǔn)的PID形式。9．2．1串有低通濾波器的PID算法由于實(shí)際微機(jī)控制系統(tǒng)的采樣回路都可能存在高頻干擾，因此幾乎所有的數(shù)字控制回路都串接低通濾波器（一階滯后環(huán)節(jié)或一階慣性環(huán)節(jié)）來限制高頻干擾的影響。因?yàn)榈屯V波器的傳遞函數(shù)為9．2．3積分分離的PID算法

在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度，但在過程的啟動(dòng)、停車或大幅度改變給定值時(shí)，由于在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽合現(xiàn)象，以致造成很大的超調(diào)和長時(shí)間的振蕩。這是在某些生產(chǎn)過程所不允許的。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可采用積分分離方法，即在被控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用；而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才將積分作用投入以消除靜差?？刂扑惴筛膶憺?．2．5具有純滯后補(bǔ)償?shù)腜ID算法(Simith預(yù)估控制)

在生產(chǎn)過程中，大多數(shù)工業(yè)對(duì)象存在著較大的純滯后，純滯后時(shí)間的存在會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞。當(dāng)對(duì)象的純滯后時(shí)間與對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)TM之比大于等于0.5時(shí),采用常規(guī)的PID控制器難以取得好的難以獲得滿意的控制效果。為此史密斯（Smith）就這個(gè)問題提出了一種純滯后補(bǔ)償模型

，即所謂的Smith預(yù)估控制。

9.4.2數(shù)字串級(jí)控制算法

根據(jù)圖9.4.2，D1（s）和D2（s）若由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)時(shí)，則計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng)如圖9-13所示，圖中的D1（z）和D2（z）是由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器，H(s）是零階保持器，T為采樣周期，D1（z）和D2（z）通常是PID控制規(guī)律。串極控制系統(tǒng)中，副回路給系統(tǒng)帶來了一系列的優(yōu)點(diǎn)：串級(jí)控制較單回路控制系統(tǒng)有更強(qiáng)的抑制擾動(dòng)的能力，通常副回路抑制擾動(dòng)的能力比單回路控制高出十幾倍乃至上百倍，因此設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)應(yīng)把主要的擾動(dòng)包含在副回路中；對(duì)象的純滯后比較大時(shí)，若用單回路控制，則過渡過程時(shí)間長，超調(diào)量大，參數(shù)恢復(fù)較慢，控制質(zhì)量較差，采用串級(jí)控制可以克服對(duì)象純滯后的影響，改善系統(tǒng)的控制性能；對(duì)于具有非線性的對(duì)象，采用單回路控制，在負(fù)荷變化時(shí)，不相應(yīng)的地改變控制器參數(shù)，系統(tǒng)的性能很難滿足要求，若采用串級(jí)控制，把非線性對(duì)象包含在副回路中，由于副控回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化，自動(dòng)改變副控調(diào)節(jié)器的給定值，因而控制系統(tǒng)有良好的控制性能。

在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副控制器的選型非常重要。對(duì)于主控制器，為了減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，應(yīng)具有積分控制，為了使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速，應(yīng)加入微分控制，因此主控制器應(yīng)具有PID控制規(guī)律；對(duì)于副控制器，通常可以選用比例控制，當(dāng)副控制器的比例系數(shù)不能太大時(shí)，則應(yīng)加入積分控制，即采用PI控制規(guī)律，副回路較少采用PID控制規(guī)律。9.5前饋—反饋控制技術(shù)

按偏差的反饋控制能夠產(chǎn)生作用的前提是，被控量必須偏離設(shè)定值。就是說，在干擾作用下，生產(chǎn)過程的被控量，必然是先偏離設(shè)定值，然后通過對(duì)偏差進(jìn)行控制，以抵消干擾的影響。如果干擾不斷增加，則系統(tǒng)總是跟在干擾作用之后波動(dòng)，特別是系統(tǒng)滯后嚴(yán)重時(shí)波動(dòng)就更為嚴(yán)重。前饋控制是按擾動(dòng)量進(jìn)行控制的，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，前饋控制就按擾動(dòng)量直接產(chǎn)生校正作用，以抵消擾動(dòng)的影響。這是一種開環(huán)控制形式，在控制算法和參數(shù)選擇合適的情況下，可以達(dá)到很高的精度。

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化引起蒸汽流量變化時(shí)，通過前饋通道和串級(jí)內(nèi)回路的補(bǔ)償控制，將迅速改變給水流量，以適應(yīng)蒸汽流量的變化，并減小對(duì)水位的影響；流量D2表征由于各種原因引起的水流量的擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)主要由內(nèi)回路閉環(huán)反饋控制進(jìn)行補(bǔ)償；不管由于何種原因（包括前饋控制未能對(duì)蒸汽流量變化進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)那闆r），鍋爐水位偏離設(shè)定值時(shí)，串級(jí)主控回路以閉環(huán)反饋控制進(jìn)行總補(bǔ)償控制，使鍋爐水位維持在設(shè)定值。9．6數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法

從20世紀(jì)50年代發(fā)展起來一種新的設(shè)計(jì)方法，一開始把系統(tǒng)看成是純離散系統(tǒng)（或數(shù)字系統(tǒng)），然后按一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以Z變換為工具，以脈沖傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，直接設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求的數(shù)字控制器D（z）。這就是所謂的直接解析法設(shè)計(jì)。9.6.3大林(Dahlin)控制算法

Simith預(yù)估控制是解決工業(yè)過程控制系統(tǒng)中純滯后控制對(duì)象的間接`設(shè)計(jì)方法，本節(jié)介紹的是一種直接`設(shè)計(jì)方法——大林(Dahlin)控制算法。1968年，美國IBM公司的大林（E.B.DALIN）提出了這種控制算法，對(duì)具有純滯后被控對(duì)象的過程控制系統(tǒng)，具有良好的效果。9.7模糊控制器

已學(xué)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都需要事先建立一個(gè)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且要知道模型的結(jié)構(gòu)，階次和參數(shù)等，在此基礎(chǔ)上合理的選擇控制策略進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。然而大量的事實(shí)告訴我們，在許多情況下，被控制對(duì)象由于其過程復(fù)雜，機(jī)理有不明之處，缺乏必要的檢測(cè)手段或者檢測(cè)裝置，不能進(jìn)入被測(cè)試區(qū)域等各種原因，致使無法建立被控制過程的數(shù)學(xué)模型。這就迫使人們探索新的控制方法和途徑去解決這類問題。在這樣一個(gè)背景下，誕生了基于模糊邏輯的模糊控制算法。9.7.1模糊控制的基本思想

模糊控制的基本思想，就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)。而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是用語言來表達(dá)的，這些語言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：?。例如。人工控制水槽水位的?jīng)驗(yàn)可以表達(dá)為：1）若水槽無水或水較少時(shí)，則開大閥；2）若水位和要求的水位相差不太大，則把水閥關(guān)??；3）若水位快接近要求的水位，則把閥門關(guān)的很??；這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中，“較少”、“不太大”、“接近”、“開大”、“關(guān)小”等表示水位狀態(tài)和控制閥門動(dòng)作的概念都帶有模糊性，可以有模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時(shí)刻過程變量的檢測(cè)值，用模糊邏輯推理的方法得出此時(shí)的控制量，這就是模糊控制的基本思想。也可以說，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9-24所示，它與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本相似，只是它的控制器是模糊控制器。

3．推理機(jī)推理機(jī)采用某種模糊推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出模糊控制器的控制輸出。模糊控制器的模糊推理機(jī)制的設(shè)計(jì)主要是選擇一種模糊推理算法，當(dāng)模糊控制器采用查表法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可離線設(shè)計(jì)查詢表；當(dāng)模糊控制器采用軟件推理法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可在線進(jìn)行模糊推理。當(dāng)采用模糊控制芯片構(gòu)成硬件模糊控制器時(shí)，它推理的速度快、控制精度高，處理速度至少比軟件提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4．

解模糊接口與模糊化相反，解模糊是由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化過程。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行模糊控制算法時(shí)，它從模糊推理中得到的模糊控制作用必須轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接受的精確量。解模糊接口主要有兩個(gè)功能：一是量程轉(zhuǎn)化，二是解模糊。即把輸出作用的域轉(zhuǎn)化為輸出物理量的變化范圍，在運(yùn)行時(shí)，解模糊求得的輸出域上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為輸出物理量的值。解模糊常用的策略主要有最大隸屬度法、取中位數(shù)法和重心法等。

9.7.3模糊控制

的應(yīng)用實(shí)例最早開發(fā)出的模糊家電產(chǎn)品是洗衣機(jī)，洗衣機(jī)一般要根據(jù)洗衣量的多少、衣物的污濁程度、衣物的質(zhì)料性質(zhì)，水溫的高低等因數(shù)來決定洗滌的時(shí)間、水流的強(qiáng)弱、洗滌劑的用量等。一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的家庭主婦能夠把衣物洗的干干凈凈又不損害衣料，而且又節(jié)約了水、電。采用具有模糊控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上述功能。1．模糊洗衣機(jī)的基本構(gòu)成模糊洗衣機(jī)除一般全自動(dòng)洗衣機(jī)具有的洗滌缸、馬達(dá)、波盤、給水和排水電磁閥、控制器、水位傳感器等之外，根據(jù)模糊控制的需要，一般還要加上光傳感器、負(fù)載傳感器、水溫傳感器等。

1）

負(fù)載檢測(cè)負(fù)載檢測(cè)即檢測(cè)所洗衣物的重量，一般采用間接的測(cè)量方法，可用電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流來計(jì)量。還有一種方法是用電動(dòng)機(jī)斷電后反電勢(shì)維持的時(shí)間來計(jì)量。一般而言，衣物重負(fù)載大，其反電勢(shì)跌落也快，反之則跌落慢。2）質(zhì)料檢測(cè)被洗衣物的質(zhì)料可分為軟質(zhì)類、硬質(zhì)類和混合類等幾種。一般把絲綢、化纖、薄型花布等歸為軟質(zhì)類，而將牛仔服、呢絨服裝等歸為硬質(zhì)類，介于他們之間的則為混合類。衣物質(zhì)料檢測(cè)也是采取間接檢測(cè)方式。如果測(cè)量的是馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電流，那么硬質(zhì)類布料電流波形變化大，有較大的波動(dòng)，而軟質(zhì)類布料電流相對(duì)平穩(wěn)，波動(dòng)小。

3）污濁度檢測(cè)被洗衣物的污濁度檢測(cè)，是通過水的透光率檢測(cè)間接的實(shí)現(xiàn)的。水的透光率檢測(cè)是用光電傳感器實(shí)現(xiàn)的。它被安排在排水管出口，發(fā)光二極管和光敏管分別相對(duì)安裝在管子的兩邊。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)聚焦后，透過水被光敏管接收，接收的光強(qiáng)度就反映了水的透明度，也就反映了被洗衣物的污濁程度。

4）

水位及溫度檢測(cè)

作為洗衣機(jī)工作條件之一的水位檢測(cè)，是由一根與缸體等高的空管連通器而實(shí)現(xiàn)