第六章 计算机控制策略与实现
?6.1 串级控制
?6.2 前馈控制
?6.3 大纯滞后控制
?6.4 计算指标控制
?6.5 超驰控制系统
?6.6 Bang-Bang控制
?6.7 预测控制
本章主要内容
? 串级控制
? 前馈控制
? 大纯滞后控制
? 计算指标控制
? 超驰控制系统
? Bang-Bang控制
? 预测控制
参考文献
? 1,微型计算机控制技术, 潘新民编著, 人民邮电出版社
? 2,PC总线工业控制系统精粹，凌澄主编，清华大学出版
社
? 3,工业控制计算机实时操作系统，蔡德聪
? 4,数据采集与处理技术，马明建等编著，西安交通大学
出版社
? 5,8098单片机原理与应用技术，方建淳编著，天津科学
技术出版社
6.1 串级控制
?串级控制是在单回路 PID控制基础上发展
起 来 的 一 种 控 制 方 式 。
?在串级控制中, 有主, 副回路之分 。 主
回路一般只有一个, 而副回路可以是一
个或几个 。 主回路的输出是修正副回路
给定值的依据, 副回路的输出作为控制
量 作 用 于 对 象 。
6.1 串级控制
?例题,
?图 6-1表示了以煤气为燃料的加热炉炉温和煤气流
量的串级控制系统 。 控制的目的是保持炉温恒定 。
6.1 串级控制
?如果采用单回路控制，煤气压力的变化
会引起其流量的变化，随之会引起炉温
的变化。只有炉温偏离给定值后才会引
起调节，因此系统的时间滞后很大。
?如果采用主、副回路相配合，将会获得
较好的控制品质。
6.1 串级控制
?串级控制系统原理框图如图 6-2所示。
图 6-2
6.1 串 级 控 制,
计算顺序为,
? 1, 计 算 主 回 路 的 偏 差 e1 (k)
? 2, 计算主回路控制器的输出 u1 (k)
? 3, 计 算 副 回 路 的 偏 差 值 e2 (k)
? 4, 计 算 副 回 路 控 制 器 的 输 出 u2 (k)
)()()(1 kTkTke sp ??
)]}1()([)()({)( 111
0
1
1
111 ????? ?
?
keke
T
Tdje
Ti
TkeKcku k
j
)()()( 12 kFkuke ??
)]}1()([)()({)( 222
0
2
2
222 ????? ?
?
keke
T
Td
je
Ti
T
keKcku
k
j
例题分析
6.1 串级控制
?采用增量式 PID算式
?主回路输出只作为修正副回路给定值 fsp (k)的依据
?常用的算式
?式中 k,k-1对应于本次和上次的采样序号,
?δ总是选择小于 1,δ与 ε都是根据具体对象而确定的
系数。引入这两个系数的目的是使副回路给定值的
变化不要过于激烈,
主ukfkf spsp ???? )1()(
?
?
?
?
?
???
)(
)(
)1()(
ku
ku
kfkf spsp
主
主?
?
?
??
??
)(
)(
ku
ku
主
主
6.2 前馈控制
6.2.1 基本概念
?前馈控制是根据对扰动的补偿原理设计的。它可以
在偏差产生之前通过前馈补偿环节去抵消扰动产生
的不良影响
?图 6-3是一种典型的前馈控制系统
6.2 前 馈 控 制
6.2.1 基本概念,补偿的条件
?下列不变性方程,
Y(z) = GPN (z) N(z) +Gff (z) GPC (z) N (z)
= [GPN (z) +Gff (z) +GPC (z)] N (z)
? 求得完全补偿的条件为,
N(z)≠ 0,Y(z)≡ 0
GPN (z) + Gff (z) GPC (z)=0
? ∴
)(
)()(
zG
zGzG
PC
PN
ff ??
6.2 前 馈 控 制
6.2.1 基本概念,补偿条件
?1、静态前馈
?当扰动通道与控制通道的动态特性相同时
f
PC
PN
ff KzG
zG
zG ???
)(
)(
)(
下面以热交换器为例说明之,
?换热器的的静态前馈控制方程为,
?
)( 1?? ?? SP
S
P
S H
CQG
6.2 前 馈 控 制
6.2.1 基本概念,动态前馈
?2、动态前馈控制,换热器的的 动态 前馈
控制方程为？
6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
?常压塔的单变量前馈控制,
例题分析
例题分析
L
PC
PN
ff zaz
az
H
zG
zG
zG ?
?
?
???
1
2
)(
)(
)(
6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
?对控制通道 R-d(回流量 — 比重 )扰动通道 P-d(压
力 — 比重 )分别进行动态测试，处理成具有纯滞后
的一阶惯性环节,
?前馈控制方程表示为
)()()1( 22222 knRbnDanD ????
2
2
22
)(
)( k
PC zaz
b
zR
zDG ?
???
6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
? 相应的差分方程为
? 偏差形式表示为
? 串级控制的主副调节器控制算式分别为
)]()1([)()1( 21 LnPaLnPHnRanR ffff ???????
)]1()([)1()( 21 LnPaLnPHnRanR ffff ???????????
)]}2()1(2)([)()({)( 11111
1
????????? nEnEnE
T
TjE
T
TnEKnR d
i
CfB
)}()]1()({[)( 222
2
2
nE
T
T
nEnEKnu
i
C ?????
例题分析
6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
?控制系统框图
6.3 大纯滞后控制
?在炼油、化工生产过程中，不少对象有
严重的纯滞后时间
?一阶近似的传递函数为
?τ 在对象整个反应时间里起主导作用 (≥0.5 时 )则
在设计控制系统中就应该认真对待
1
)(
1 ?
?
?
sT
e
KsG
S
PP
?
6.3 大纯滞后控制
6.3.1 Smith预估时间补偿
? 对象特性为
? 式中, GP(s)— 对象传函中不包括纯滞后项的
部分。
? 调节器的传递函数为 GC(s),则相应的反馈系
统如图 6-13所示,
s
PPC esGsG
??? )()(
6.3 大纯滞后控制
6.3.1 Smith预估时间补偿
? 在控制回路内部附加一个时间补偿器 G
τ (s)
?则
?为了补偿对象的纯滞后,要求,
?由后式即可推导出,
)()(
)(
)(' sGesG
sU
sY s
P ?
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)(
)(
图 6-14(b) 对象的纯 滞后补偿简化框图
闭环传递函数为,
6.3 大纯滞后控制
6.3.1 Smith预估时间补偿
? 精馏塔借控制再沸器的加热蒸汽量来保持其提
馏段温度的恒定。
?由于再沸器的热量传递和精馏塔的传质过程，对象
的等效纯滞后时间 τ 颇长，因此应用 Smith时间补
偿法
图 6-15
6.4 计算指标控制
? 假设计算指标的函数关系一般表示为,
?d — 扰动量,y — 对象输出变量,u — 控制变量
?d,y,u均应该为可测变量，以 J为被控变量的反馈
控制系统示于图 6-20。
),,,,,,,,( 2121 uyyydddfJ kn ???
6.5 超驰控制系统
? 驰控制又称之谓选择性控制。
? 超驰控制由, 预测事故 —— 逻辑判断 —— 自动
取代, 三个基本环节所组成。一个典型的两参
数超驰控制系统示于图 6-25。
图 6-25
6.5 超驰控制系统
?正常工况,
?PI调节器在线控制。
?事故边界工况,
?通过 HS自动取代 PI，进行事故校正。
?系统恢复,
?PI又恢复在线控制
6.6 Bang-Bang控制
6.6.1 概念
?Bang— Bang控制又叫开关控制或快速控制。
6.6.3 双模调节
?工程中 Bang— Bang控制很少单独应用，多数
采用双模调节方法。
?即将 Bang— Bang控制与 PID控制结合起来使
用。在 (为某一常数 )时，实行 PID调节，以
消除系统的调节偏差，当，实行 Bang— Bang
控制，以最快的速度使被调节参数逼近给定
值。
第六章 小结
? 前馈控制是根据对扰动的补偿原理设计的 。 它可以在
偏差产生之前通过前馈补偿环节去抵消扰动产生的不
良影响 。 但前馈控制依赖模型的准确度 。
? 对纯滞后系统, 可采用 Smith预估时间补偿 。 大纯滞后
对象还可以采用串级, 前馈, 达林算法以及智能控制
等控制方式, 均有一定效果 。
? 超驰控制又称之选择性控制, 是一种按照生产工况实
现被控参数, 控制规律和控制参数, 自动选择控制器
的方法 。 Bang— Bang控制又叫开关控制, 实质上是最
优控制的一种特殊形式 —— 时间最优控制 。 工程中一
般采用双模调节方法, 即将 Bang— Bang控制与 PID控制
结合起来使用 。
? 预测控制利用预测模型来预估过程未来的输出状态与
设定值之间的偏差，采用滚动优化策略计算当前的控
制输入。模型算法控制 (MAC)是一种基于系统脉冲响
应的控制算法，它的控制对象是渐近稳定的线性系统。
动态矩阵控制 (DMC)是一种基于系统阶跃响应的预测
控制算法。预测控制算法的确定是较复杂。
?6.1 串级控制
?6.2 前馈控制
?6.3 大纯滞后控制
?6.4 计算指标控制
?6.5 超驰控制系统
?6.6 Bang-Bang控制
?6.7 预测控制
本章主要内容
? 串级控制
? 前馈控制
? 大纯滞后控制
? 计算指标控制
? 超驰控制系统
? Bang-Bang控制
? 预测控制
参考文献
? 1,微型计算机控制技术, 潘新民编著, 人民邮电出版社
? 2,PC总线工业控制系统精粹，凌澄主编，清华大学出版
社
? 3,工业控制计算机实时操作系统，蔡德聪
? 4,数据采集与处理技术，马明建等编著，西安交通大学
出版社
? 5,8098单片机原理与应用技术，方建淳编著，天津科学
技术出版社
6.1 串级控制
?串级控制是在单回路 PID控制基础上发展
起 来 的 一 种 控 制 方 式 。
?在串级控制中, 有主, 副回路之分 。 主
回路一般只有一个, 而副回路可以是一
个或几个 。 主回路的输出是修正副回路
给定值的依据, 副回路的输出作为控制
量 作 用 于 对 象 。
6.1 串级控制
?例题,
?图 6-1表示了以煤气为燃料的加热炉炉温和煤气流
量的串级控制系统 。 控制的目的是保持炉温恒定 。
6.1 串级控制
?如果采用单回路控制，煤气压力的变化
会引起其流量的变化，随之会引起炉温
的变化。只有炉温偏离给定值后才会引
起调节，因此系统的时间滞后很大。
?如果采用主、副回路相配合，将会获得
较好的控制品质。
6.1 串级控制
?串级控制系统原理框图如图 6-2所示。
图 6-2
6.1 串 级 控 制,
计算顺序为,
? 1, 计 算 主 回 路 的 偏 差 e1 (k)
? 2, 计算主回路控制器的输出 u1 (k)
? 3, 计 算 副 回 路 的 偏 差 值 e2 (k)
? 4, 计 算 副 回 路 控 制 器 的 输 出 u2 (k)
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例题分析
6.1 串级控制
?采用增量式 PID算式
?主回路输出只作为修正副回路给定值 fsp (k)的依据
?常用的算式
?式中 k,k-1对应于本次和上次的采样序号,
?δ总是选择小于 1,δ与 ε都是根据具体对象而确定的
系数。引入这两个系数的目的是使副回路给定值的
变化不要过于激烈,
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6.2 前馈控制
6.2.1 基本概念
?前馈控制是根据对扰动的补偿原理设计的。它可以
在偏差产生之前通过前馈补偿环节去抵消扰动产生
的不良影响
?图 6-3是一种典型的前馈控制系统
6.2 前 馈 控 制
6.2.1 基本概念,补偿的条件
?下列不变性方程,
Y(z) = GPN (z) N(z) +Gff (z) GPC (z) N (z)
= [GPN (z) +Gff (z) +GPC (z)] N (z)
? 求得完全补偿的条件为,
N(z)≠ 0,Y(z)≡ 0
GPN (z) + Gff (z) GPC (z)=0
? ∴
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6.2 前 馈 控 制
6.2.1 基本概念,补偿条件
?1、静态前馈
?当扰动通道与控制通道的动态特性相同时
f
PC
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下面以热交换器为例说明之,
?换热器的的静态前馈控制方程为,
?
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CQG
6.2 前 馈 控 制
6.2.1 基本概念,动态前馈
?2、动态前馈控制,换热器的的 动态 前馈
控制方程为？
6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
?常压塔的单变量前馈控制,
例题分析
例题分析
L
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?
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6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
?对控制通道 R-d(回流量 — 比重 )扰动通道 P-d(压
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的一阶惯性环节,
?前馈控制方程表示为
)()()1( 22222 knRbnDanD ????
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???
6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
? 相应的差分方程为
? 偏差形式表示为
? 串级控制的主副调节器控制算式分别为
)]()1([)()1( 21 LnPaLnPHnRanR ffff ???????
)]1()([)1()( 21 LnPaLnPHnRanR ffff ???????????
)]}2()1(2)([)()({)( 11111
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例题分析
6.2 前馈控制
6.2.2 应用举例
?控制系统框图
6.3 大纯滞后控制
?在炼油、化工生产过程中，不少对象有
严重的纯滞后时间
?一阶近似的传递函数为
?τ 在对象整个反应时间里起主导作用 (≥0.5 时 )则
在设计控制系统中就应该认真对待
1
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?
6.3 大纯滞后控制
6.3.1 Smith预估时间补偿
? 对象特性为
? 式中, GP(s)— 对象传函中不包括纯滞后项的
部分。
? 调节器的传递函数为 GC(s),则相应的反馈系
统如图 6-13所示,
s
PPC esGsG
??? )()(
6.3 大纯滞后控制
6.3.1 Smith预估时间补偿
? 在控制回路内部附加一个时间补偿器 G
τ (s)
?则
?为了补偿对象的纯滞后,要求,
?由后式即可推导出,
)()(
)(
)(' sGesG
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图 6-14(b) 对象的纯 滞后补偿简化框图
闭环传递函数为,
6.3 大纯滞后控制
6.3.1 Smith预估时间补偿
? 精馏塔借控制再沸器的加热蒸汽量来保持其提
馏段温度的恒定。
?由于再沸器的热量传递和精馏塔的传质过程，对象
的等效纯滞后时间 τ 颇长，因此应用 Smith时间补
偿法
图 6-15
6.4 计算指标控制
? 假设计算指标的函数关系一般表示为,
?d — 扰动量,y — 对象输出变量,u — 控制变量
?d,y,u均应该为可测变量，以 J为被控变量的反馈
控制系统示于图 6-20。
),,,,,,,,( 2121 uyyydddfJ kn ???
6.5 超驰控制系统
? 驰控制又称之谓选择性控制。
? 超驰控制由, 预测事故 —— 逻辑判断 —— 自动
取代, 三个基本环节所组成。一个典型的两参
数超驰控制系统示于图 6-25。
图 6-25
6.5 超驰控制系统
?正常工况,
?PI调节器在线控制。
?事故边界工况,
?通过 HS自动取代 PI，进行事故校正。
?系统恢复,
?PI又恢复在线控制
6.6 Bang-Bang控制
6.6.1 概念
?Bang— Bang控制又叫开关控制或快速控制。
6.6.3 双模调节
?工程中 Bang— Bang控制很少单独应用，多数
采用双模调节方法。
?即将 Bang— Bang控制与 PID控制结合起来使
用。在 (为某一常数 )时，实行 PID调节，以
消除系统的调节偏差，当，实行 Bang— Bang
控制，以最快的速度使被调节参数逼近给定
值。
第六章 小结
? 前馈控制是根据对扰动的补偿原理设计的 。 它可以在
偏差产生之前通过前馈补偿环节去抵消扰动产生的不
良影响 。 但前馈控制依赖模型的准确度 。
? 对纯滞后系统, 可采用 Smith预估时间补偿 。 大纯滞后
对象还可以采用串级, 前馈, 达林算法以及智能控制
等控制方式, 均有一定效果 。
? 超驰控制又称之选择性控制, 是一种按照生产工况实
现被控参数, 控制规律和控制参数, 自动选择控制器
的方法 。 Bang— Bang控制又叫开关控制, 实质上是最
优控制的一种特殊形式 —— 时间最优控制 。 工程中一
般采用双模调节方法, 即将 Bang— Bang控制与 PID控制
结合起来使用 。
? 预测控制利用预测模型来预估过程未来的输出状态与
设定值之间的偏差，采用滚动优化策略计算当前的控
制输入。模型算法控制 (MAC)是一种基于系统脉冲响
应的控制算法，它的控制对象是渐近稳定的线性系统。
动态矩阵控制 (DMC)是一种基于系统阶跃响应的预测
控制算法。预测控制算法的确定是较复杂。
