機(jī)械電子工程原理第十三章機(jī)械電子系統(tǒng)中的微機(jī)控制控制對象的分類數(shù)字程序控制以邏輯形狀作為控制對象，實(shí)際根底是數(shù)字邏輯或布爾代數(shù)，最常見的是順序控制和數(shù)值控制。順序控制是指以預(yù)先規(guī)定好的時間或條件為根據(jù)，使機(jī)械電子系統(tǒng)按正確的順序自動地“運(yùn)動〞或“停頓〞。數(shù)值控制是利用計(jì)算機(jī)把輸入的數(shù)字值按一定程序處置后，轉(zhuǎn)換為控制信號去控制一個或幾個被控對象，使被控點(diǎn)按所要求的軌跡運(yùn)動。模擬控制以模擬量作為控制對象，實(shí)際根底是自動控制實(shí)際。213.1順序控制和數(shù)值控制順序控制順序控制器根據(jù)運(yùn)用場所和工藝要求，劃分各種不同的工步，然后按預(yù)先規(guī)定好的“時間〞和“條件〞，依次序完成各工步。各工步動作所需求的繼續(xù)時間因產(chǎn)品類型或消費(fèi)過程的不同而異，通?？梢越?jīng)過操作員來設(shè)定或調(diào)整定時器的時間常數(shù)；“條件〞是指被控安裝中運(yùn)動部件挪動到一個預(yù)定的位置，或者管道、容器中的液體或氣體壓力到達(dá)了某個預(yù)定值，或者加熱部件的溫度到達(dá)了某個預(yù)定點(diǎn)。3數(shù)值控制數(shù)值控制隨著微處置機(jī)的開展得到了廣泛的運(yùn)用，如數(shù)控機(jī)床、線切割機(jī)及低速小型繪圖儀等，都是利用數(shù)值控制原理實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)械電子設(shè)備。根本的數(shù)值控制原理的實(shí)現(xiàn)步驟1〕把一條復(fù)雜的曲線分成假設(shè)干段直線或二次曲線；2〕求出各分段直線(或曲線)的中間值，這個過程稱為插值，或稱為插補(bǔ)；3〕對插補(bǔ)運(yùn)算過程中求出的各點(diǎn)，用脈沖信號去控制x、y方向上的步進(jìn)電動機(jī)，帶動刀具或畫筆運(yùn)動，從而加工出或繪出要求的線段來。4直線插補(bǔ)偏向定義比如有一條直線段OP在第一象限，且線段的起點(diǎn)就位于坐標(biāo)原點(diǎn)，如下圖，可以構(gòu)成三個點(diǎn)集：位于直線段OP上一切的點(diǎn)；位于直線段OP上方一切的點(diǎn)A+；位于直線段OP下方一切的點(diǎn)A-。知起點(diǎn)位于原點(diǎn)，終點(diǎn)的坐標(biāo)為P(xe,ye),那么OP線的斜率為tanα=ye/xe由于tanα〞>tanα，即yi〞/xi〞>ye/xe，所以xeyi〞-yexi〞>0;由于tanα’<tanα，即yi’/xi’<ye/xe，所以xeyi’-yexi’<05直線插補(bǔ)偏向定義設(shè)第一象限內(nèi)恣意點(diǎn)M的坐標(biāo)為(xi,yi)，用Fi代表M點(diǎn)的偏向，并定義為Fi=xeyi-yexi當(dāng)Fi=0時，M點(diǎn)在線上；當(dāng)Fi＞0時，M點(diǎn)在A+區(qū)；當(dāng)Fi＜0時，M點(diǎn)在A-區(qū)。6插補(bǔ)規(guī)劃例如可以采用如下直線插補(bǔ)規(guī)那么：當(dāng)Fi＞0時向右運(yùn)動一步，當(dāng)Fi＜0向左運(yùn)動一步，分別可以獲得由M’和M〞點(diǎn)開場的插補(bǔ)途徑如圖(a)、(b)中所示。713.2開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng):只靠輸入量對輸出量一方向控制閉環(huán)控制系統(tǒng)：普通是基于誤差的負(fù)反響控制輸入安裝控制安裝驅(qū)動安裝被控對象Ui干擾Uo輸入安裝控制安裝驅(qū)動安裝被控對象Ui丈量安裝Uo8開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例可以把變頻器－電動機(jī)看作對象，負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都思索在對象之內(nèi)。電動機(jī)轉(zhuǎn)速n是被控量。變頻器輸出的交流電壓頻率正比于u，并且能在規(guī)定范圍內(nèi)輸出適當(dāng)?shù)碾妷汉妥銐虻墓β蕘眚?qū)動電動機(jī)，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速正比于u。當(dāng)負(fù)載增大引起轉(zhuǎn)速n下降而設(shè)定轉(zhuǎn)速r未變，電動機(jī)轉(zhuǎn)速無法自動恢復(fù)到設(shè)定值。假設(shè)變頻器輸出頻率漂移，電動機(jī)轉(zhuǎn)速也會偏離設(shè)定值，同樣無法自動恢復(fù)。9閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例引入了比較環(huán)節(jié)和偏向，轉(zhuǎn)速丈量系統(tǒng)把被控量轉(zhuǎn)速n的信息以信號y的方式送到比較環(huán)節(jié)，在比較環(huán)節(jié)中得到被控量y與設(shè)定值r的差，稱為偏向e，e=r-y?？刂破鞲鶕?jù)偏向e生成控制信號u。10閉環(huán)控制系統(tǒng)任務(wù)原理反響通道的作用是把被控量信號送到比較環(huán)節(jié)。它的作用是求取偏向e=r-y。把偏向送入控制器，假設(shè)反響信號y偏離設(shè)定值r，就有偏向，控制器就會根據(jù)偏向e產(chǎn)生控制造用u來減小偏向。當(dāng)負(fù)載增大致使轉(zhuǎn)速n降低時，反響信號y隨之降低，偏向e就會增大，控制器根據(jù)偏向e給出控制信號u，變頻器輸出的頻率f就會升高，轉(zhuǎn)速n隨之上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值r改動時，由于負(fù)載和電動機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速n不能立刻跟隨r，也會出現(xiàn)偏向e，控制器根據(jù)偏向e給出控制信號u，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速n較快地跟上當(dāng)前的設(shè)定值r。11模擬量的計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)代工程實(shí)踐中，越來越多地采用計(jì)算機(jī)作控制器，組成自動控制系統(tǒng)。設(shè)定值r、被控量y和控制信號u都是模擬量，但是在計(jì)算機(jī)中都用數(shù)字量表示，所以需求D/A通道和A/D通道。1213.3控制系統(tǒng)的質(zhì)量和性能目的控制系統(tǒng)性能的質(zhì)量有快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性三個方面。快速性是希望被控量迅速到達(dá)設(shè)定或跟隨設(shè)定值變化；穩(wěn)定性是指被控量不發(fā)生大幅度、長時間的振蕩，即使有小幅振蕩也應(yīng)盡快衰減至零；假設(shè)系統(tǒng)被控量與設(shè)定值之間的偏向較小，就說系統(tǒng)的準(zhǔn)確性較好?？刂葡到y(tǒng)質(zhì)量可以用典型設(shè)定信號下的性能目的來表示，階躍信號是最常用的典型設(shè)定信號之一。上升時間tr和峰值時間tp可以表示系統(tǒng)的快速性。穩(wěn)態(tài)誤差ess可以表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以用超調(diào)量Mp或者進(jìn)入誤差帶前的振蕩次數(shù)表示。13綜合性能目的1——絕對誤差積分絕對誤差積分〔IntegralofAbsoluteError，IAE〕是常用的綜合目的之一絕對誤差積分包含了系統(tǒng)從t＝0時辰起的全部偏向絕對值的累積〔積分上限∞可以選擇足夠大的T來取代〕，快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性中任何一項(xiàng)性能不好，都會使絕對誤差積分增大。絕對誤差積分越小，控制系統(tǒng)的質(zhì)量越好。14絕對誤差積分絕對誤差積分的幾何意義是圖中陰影的面積。15綜合性能目的2平方誤差積分(IntegralofSquaredError，ISE)：該目的著重思索大的偏向而不太思索小的偏向信號。在控制工程中，這個準(zhǔn)那么代表以能量耗費(fèi)作為系統(tǒng)性能的評價。按照這種誤差性能目的設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，經(jīng)常具有較快的呼應(yīng)速度和較大的振蕩，相對穩(wěn)定性差。時間加權(quán)絕對誤差積分(IntegralofTimeweightedAbsoluteError，ITAE)時間加權(quán)平方誤差積分(IntegralofTimeweightedSquaredError，ITSE)這兩項(xiàng)誤差性能目的的特點(diǎn)是著重思索瞬態(tài)呼應(yīng)后期出現(xiàn)的誤差，較少思索呼應(yīng)中大的初始誤差。1613.4閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及PID控制閉環(huán)系統(tǒng)是借助輸出信號的反響，可以在存在擾動的情況下，力圖減小輸出與參考輸入〔或恣意變化的希望形狀〕之間的偏向。閉環(huán)系統(tǒng)控制器的任務(wù)也正是基于這一偏向進(jìn)展的。按偏向的比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，即PID控制是閉環(huán)控制中運(yùn)用最廣泛的一種控制規(guī)律。17常規(guī)PID控制Kp是對偏向e(t)進(jìn)展比例〔Proportional〕運(yùn)算的系數(shù)；Ki是對偏向e(t)進(jìn)展積分〔Integral〕運(yùn)算的系數(shù)；Kd是對偏向e(t)進(jìn)展微分〔Differential〕運(yùn)算的系數(shù)PID控制的比例、積分和微分三種運(yùn)算都是針對偏向e(t)進(jìn)展的。PID控制戰(zhàn)略歸結(jié)為這三個參數(shù)的選取。18模擬PID調(diào)理器模擬PID調(diào)理器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：在實(shí)踐工業(yè)過程中調(diào)理器的性能主要靠整定增益Kp、積分時間常數(shù)Ti、微分時間常數(shù)Td這三個參數(shù)來完成。19比例控制的作用比例控制的作用是對當(dāng)前的偏向信號e(t)進(jìn)展比例運(yùn)算后作為控制信號u(t)輸出。比例控制的特點(diǎn)是，只需偏向e(t)存在，比例控制器就能即時產(chǎn)生與偏向成正比的控制信號。比例系數(shù)Kp越大，比例控制造用越強(qiáng)。在階躍呼應(yīng)早期，偏向e(t)很大，所以控制信號u(t)很大，可以使被控量y(t)上升加快，改善系統(tǒng)的快速性。但是，被控量上升過快能夠產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至引起振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性劣化。20比例控制在穩(wěn)態(tài)時段的作用控制信號u與偏向成比例：被控量y成為：解出被控量y：代入靜差ess的公式：21比例控制在穩(wěn)態(tài)時段的作用可見，假設(shè)增大比例控制參數(shù)Kp，可以使靜差ess減小，但僅僅有比例控制Kp無法消除靜差ess。假設(shè)Kp過大，使u(t)=Kpe(t)超出控制器的允許范圍，不能輸出更大的控制信號u(t)。u(t)超出控制器允許范圍這一景象稱為控制器飽和。當(dāng)控制器飽和時，無法起到減小偏向的作用，偏向能夠很大并且在控制器退出飽和之前繼續(xù)存在。比例系數(shù)Kp必需適當(dāng)。22積分控制的作用積分控制可以累積系統(tǒng)從t＝0時辰到當(dāng)前時辰的偏向e(t)的全部歷史過程。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，靜差ess往往很長時間不變號，經(jīng)過足夠長的時段，靜差ess的積分結(jié)果終將可以輸出足夠大的控制信號u來消除靜差ess。因此，引入積分控制的目的是消除靜差。但是，假設(shè)對象的呼應(yīng)較慢，在階躍呼應(yīng)早期，能夠出現(xiàn)長時間不變號的大偏向，產(chǎn)生過大的偏向積分值，導(dǎo)致控制器飽和。要適中選取積分控制參數(shù)Ki。23微分控制的作用微分控制正比于偏向信號e(t)的當(dāng)前變化率de/dt，由當(dāng)前的偏向變化率可以預(yù)見未來的偏向，決議控制信號的符號和大小。對于設(shè)定值的階躍變化，微分控制能減小超調(diào)，抑制振蕩，改良系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，當(dāng)系統(tǒng)遭到高頻干擾時，對于快速變化的偏向e(t)，微分控制的作用能夠過于劇烈，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。假設(shè)u(t)中的微分項(xiàng)過大，還能夠使控制器飽和，系統(tǒng)階躍呼應(yīng)能夠很緩慢。動用微分控制應(yīng)非常謹(jǐn)慎，參數(shù)Kd取值不宜很大。24數(shù)字PID控制器〔位置式〕將模擬PID調(diào)理器方程式離散化，有式中，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；T為采樣周期；e(k)為第k次采樣所獲得的偏向信號；△e(k)為本次和上次丈量值偏向的差。在給定值r不變時25增量式PID控制器算式思索到：有那么式中，Ki為積分系數(shù)，；

Kd為微分系數(shù)，。26數(shù)字式的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以進(jìn)一步將增量式PID控制器算式簡化如下式中，A=Kp+Ki+Kd；B=-Kp-2Kd；C=Kd。27分別式PID控制在階躍擾動下，系統(tǒng)在短時間內(nèi)會產(chǎn)生很大的偏向，此時往往引起積分飽和、微分項(xiàng)急劇添加的景象，控制系統(tǒng)很容易產(chǎn)生振蕩，調(diào)理性能很差。為抑制這一缺陷，可采用分別式的PID控制方法。即當(dāng)偏向很大時，減小積分與微分的加權(quán)系數(shù)。這樣既能迅速減小偏向，又能堅(jiān)持調(diào)理過程平穩(wěn)，詳細(xì)的做法是判別偏向e能否大于臨界值em，并使得e>em時Ki=K1×Ki，Kd=K2×Kde≤em時Ki=Ki，Kd=Kd式中，0<K1<1；0<K2<1。2813.5PID參數(shù)整定采樣周期的選擇普通對于呼應(yīng)快或信號變化較快的系統(tǒng)，采樣周期該當(dāng)較小。但是，采樣周期遭到A/D、D/A通道速率和計(jì)算機(jī)處置速度的限制，必需保證運(yùn)用程序在一個采樣周期內(nèi)能完成所需求的運(yùn)算和輸入輸出操作。為此，除了選用適當(dāng)?shù)挠布猓覀兺ǔ＿€希望數(shù)據(jù)通道和控制算法高效，程序簡約。對于呼應(yīng)慢或信號變化較慢的系統(tǒng)，不用用過小的采樣周期。假設(shè)采樣周期過小，相鄰兩次采樣信號數(shù)值過于接近。A/D、D/A和計(jì)算機(jī)的分辨才干受數(shù)字量位數(shù)的限制，能夠無法分辨相鄰兩次采樣信號數(shù)值，反而不能起控制造用。29PID參數(shù)整定的方法經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整Kp、Ki和Kd三個參數(shù)值，使系統(tǒng)的質(zhì)量到達(dá)稱心，或者使某個綜合目的到達(dá)最優(yōu)，譬如使IAE最小，這個過程稱為PID參數(shù)整定。常用的實(shí)驗(yàn)調(diào)整方法有調(diào)試法和閱歷法。近年來開展了多種仿生物智能的尋優(yōu)算法。30調(diào)試法調(diào)試通常在階躍設(shè)定下進(jìn)展。調(diào)試步驟大致如下1〕Ki和Kd置為0，只將比例控制系數(shù)Kp逐次由小變大，每一次察看系統(tǒng)的階躍呼應(yīng)，兼顧上升快、超調(diào)小、振蕩衰減快、靜差小。假設(shè)比例控制不能使靜差到達(dá)要求，必需參與積分控制來消除靜差。先給一個不大的Ki值，再將第一步所得的Kp值略微減小，然后逐漸減小Ki，直到消除靜差同時堅(jiān)持良好的動態(tài)質(zhì)量。假設(shè)參與積分控制后動態(tài)質(zhì)量劣化，可以參與微分控制。31閱歷法閱歷法也稱為工程法。工程界已總結(jié)出一些閱歷方法，有擴(kuò)展臨界比例度法、擴(kuò)展呼應(yīng)曲線法、歸一參數(shù)法等等。不同的方法適用于不同類型的工業(yè)系統(tǒng)，必需正確選擇運(yùn)用。這些閱歷方法在適用中仍不能完全擺脫現(xiàn)場調(diào)試，但是可以減少盲目性，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高參數(shù)整定和調(diào)試任務(wù)的效率。32數(shù)字PID控制程序流程圖Kp、Ki和Kd三個參數(shù)的值不依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以用于得不到數(shù)學(xué)模型的對象，因此PID控制是運(yùn)用最廣泛的一種控制戰(zhàn)略。3313.6PID控制的改良控制器飽和:無論比例、積分或微分，PID控制器都能夠計(jì)算出很大的控制信號u，能夠在一段時間內(nèi)超出D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍[umin，umax]，這種景象稱為控制器飽和。當(dāng)電動機(jī)拖動大慣性負(fù)載起、停時，或溫度系統(tǒng)中要求溫度迅速升、降時，設(shè)定值往往要大幅度地增、減，初期會出現(xiàn)很大偏向。當(dāng)系統(tǒng)遇到較大的尖峰擾動時，不僅會出現(xiàn)很大偏向，并且偏向變化率也很大。這些情形下，PID控制器容易出現(xiàn)飽和景象。34防止控制器飽和的根本措施控制信號限幅當(dāng)u(k)＜umin時，取u(k)＝umin；當(dāng)u(k)＞umax時，取u(k)＝umax。

積累補(bǔ)償法假設(shè)PID計(jì)算得到的u(k)超出D/A轉(zhuǎn)換器的輸出范圍[umin，umax]，將那些因控制器飽和而未能執(zhí)行的增量控制信號Δu(k)積累起來，一旦控制器退出飽和，立刻補(bǔ)充執(zhí)行這些未能執(zhí)行的增量控制信號Δu(k)。35積分項(xiàng)的改良積分分別法在e(k)較大時段，取消積分控制造用，而在e(k)較小的時段，投入積分控制造用。逾限減弱積分法在計(jì)算u(k)前，先判別先前一次的控制信號u(k－1)能否逾限，假設(shè)u(k－1)已逾限，應(yīng)判別逾上限還是逾下限，再判別偏向是正還是負(fù)，采用以下戰(zhàn)略假設(shè)u(k－1)≥umax，但e(k)＜0，積分可減小e(k)；假設(shè)u(k－1)≥umax，而e(k)＞0，取消積分；假設(shè)u(k－1)≤umin，但e(k)＞0，積分可減小e(k)；假設(shè)u(k－1)≤umin，而e(k)＜0，取消積分。36微分項(xiàng)的改良不完全微分法在PID控制器輸出端串聯(lián)一個一階慣性環(huán)節(jié)。一階慣性環(huán)節(jié)的低通濾波作用可以濾除高頻信號，僅允許低頻信號經(jīng)過。微分先行法在被控量y(t)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)之前先單獨(dú)對y(t)求微分，不至于計(jì)算出很大的變化率dy(t)/dt。不對偏向e(t)求微分，也就是不對設(shè)定信號r(t)求微分。這對于設(shè)定值r(t)頻繁大幅度改動的系統(tǒng)，可以顯著地改善動態(tài)質(zhì)量。37不完全微分法當(dāng)一個短時快速變化的偏向發(fā)生期間，微分控制幅度先急劇增大，隨后又急劇減小，信號u'(t)中含有豐富的高頻成分。信號u'(t)的高頻成分被一階慣性環(huán)節(jié)濾除，這樣u(t)中的微分控制造用可以適中而且繼續(xù)。這種方法稱為不完全微分法。38微分先行法在被控量y(t)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)之前先單獨(dú)對y(t)求微分，不至于計(jì)算出很大的變化率dy(t)/dt。不對偏向e(t)求微分，也就是不對設(shè)定信號r(t)求微分。這對于設(shè)定值r(t)頻繁大幅度改動的系統(tǒng)，可以顯著地改善動態(tài)質(zhì)量。3913.7智能型自順應(yīng)PID控制智能(或仿智能)型PID控制器的重要優(yōu)點(diǎn)是不需求在線辨識被控系統(tǒng)的準(zhǔn)確模型，對系統(tǒng)的階數(shù)沒有限制，又能進(jìn)展比較準(zhǔn)確的在線控制。該方法的中心是：根據(jù)控制器輸入信號(即系統(tǒng)誤差)的大小、方向及變化趨勢等特征而作出相應(yīng)決策，選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)展控制。20世紀(jì)60年代中期，一些學(xué)者把人工智能技術(shù)引進(jìn)控制系統(tǒng)，傅京孫教授首先題出“人工智能控制〞的概念，1967年初次正式運(yùn)用“智能控制〞一詞。40二方式PID二方式(即開關(guān)方式與PID方式)PID控制的控制效果比起普通PID控制來有較大的改良。二方式PID的兩種控制方式是根據(jù)兩種不同的條件來確定的，也是一種控制規(guī)那么。：1〕假設(shè)滿足|e(n)|>M1的條件，那么采用開關(guān)方式進(jìn)展控制〔非線性控制〕，使誤差迅速減??；2〕假設(shè)誤差趨勢增大，那么加大控制量以便迅速糾正偏向，此時應(yīng)采用比例方式；3〕假設(shè)誤差經(jīng)過極值而減小，那么減小控制量，采用堅(jiān)持方式2；4〕假設(shè)誤差為零或很小〔在允許的誤差帶內(nèi)〕，系統(tǒng)已處于平衡形狀，那么堅(jiān)持原有的控制輸出，即堅(jiān)持方式1。41二方式PID這種控制算法既有IF……THEN……這種人工智能的推理邏輯運(yùn)算，又有等數(shù)學(xué)的解析運(yùn)算，控制功能早就超出了普通的PID控制規(guī)律的范圍，充分發(fā)揚(yáng)了計(jì)算機(jī)速度快、精度高、存儲信息容量大和邏輯判別功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。從中仍可以看到常規(guī)PID控制中的思想：除比例方式外，堅(jiān)持方式具有類積分的功能；在判別中用誤差的差分含有對誤差微分的作用。因此雖然其內(nèi)容和方式都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)PID調(diào)理器的范圍，仍采用了(智能)PID的稱號。42PID得到廣泛運(yùn)用的根本緣由PID控制有才干對閉環(huán)傳送函數(shù)產(chǎn)生影響，經(jīng)過極點(diǎn)的配置實(shí)現(xiàn)稱心的系統(tǒng)呼應(yīng)。由PID控制器的傳送函數(shù)發(fā)現(xiàn)，PID控制規(guī)律除可使系統(tǒng)的精度添加以外，還能提供兩個負(fù)實(shí)數(shù)零點(diǎn)。這與PI控制規(guī)律相比較，除了堅(jiān)持提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)外，由于多提供一個負(fù)實(shí)數(shù)零點(diǎn)，所以在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性，這便是PID控制規(guī)律在控制系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用的根本緣由所在。43經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制實(shí)際與智能控制的對比與智能控制相比，經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制實(shí)際著力研討被控對象而不是控制器，它們要求可以在常規(guī)實(shí)際規(guī)定的框架下，用數(shù)學(xué)模型嚴(yán)厲模擬被控對象，其控制才干依賴被控對象數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確程度，因此，難以順應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜性添加的需求。智能控制是以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型表示相結(jié)合的混合控制實(shí)際，為處理那些用傳統(tǒng)的方法難以處理的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題提供了新的更有效的方法。44自動控制的開展過程隨著科學(xué)技術(shù)的開展，對自動化設(shè)備性能的要求越來越高?？刂茖?shí)際也相應(yīng)由經(jīng)典、現(xiàn)代控制開展到智能控制。4513.8模糊控制器及其特點(diǎn)經(jīng)典控制實(shí)際的開展及其運(yùn)用經(jīng)典控制實(shí)際在20世紀(jì)50年代曾經(jīng)到達(dá)相當(dāng)成熟的程度，與此相應(yīng)而開展起來的控制器以PID調(diào)理器為代表。按偏向的比例、積分和微分控制是過程控制中運(yùn)用最廣泛的一種控制率。實(shí)踐運(yùn)用閱歷及實(shí)際分析充分證明，這種控制率在對相當(dāng)多的工業(yè)對象進(jìn)展控制時可以得到較稱心的結(jié)果。但PID控制也遭到一些限制，如PID控制要求被控系統(tǒng)模型在控制過程中堅(jiān)持不變，并且為了滿足控制系統(tǒng)的性能要求，最好應(yīng)求出各個組成部分的數(shù)學(xué)模型。此外，PID控制器只能用于固定參數(shù)的系統(tǒng)，且在某一條件能到達(dá)穩(wěn)定的系統(tǒng)能夠在另一種操作條件下完全無法運(yùn)用。46經(jīng)典和現(xiàn)代控制實(shí)際的開展及其運(yùn)用最優(yōu)控制用形狀變量對系統(tǒng)進(jìn)展了完全的描畫。由于采用了形狀反響，比起經(jīng)典控制實(shí)際中采用的輸出反響方法能得到更多的系統(tǒng)信息，因此使系統(tǒng)的呼應(yīng)更快，控制質(zhì)量最優(yōu)。但實(shí)踐系統(tǒng)中的有些形狀是很難觀測的，因此要設(shè)計(jì)相應(yīng)的形狀觀測器。47經(jīng)典和現(xiàn)代控制實(shí)際的開展及其運(yùn)用自順應(yīng)控制在一定程度上處理了非線性和時變問題，但它要求在控制過程中獲得較多的有關(guān)系統(tǒng)信息。但證明一種算法比其它算法更優(yōu)是一大課題，建立算法的收斂條件也是一個難點(diǎn)。一切這些問題可以歸結(jié)為一點(diǎn)：自順應(yīng)控制的計(jì)算量大、算法復(fù)雜。一些文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)闡明：在對確定性信號〔即不滿足繼續(xù)鼓勵條件〕進(jìn)展跟隨控制時，自順應(yīng)控制方法較PID控制方法的效果要差；在負(fù)載階躍擾動下，自順應(yīng)控制的效果也較PID控制要差。48經(jīng)典和現(xiàn)代控制實(shí)際的開展及其運(yùn)用PID控制算法簡單、所用存貯量少，計(jì)算量小，占用嵌入式微處置器的資源少，但要處理參數(shù)自順應(yīng)的問題；自順應(yīng)控制雖能處理參數(shù)變化的問題，但算法復(fù)雜、計(jì)算量大，需有很高的運(yùn)算速度和很大的存貯容量，這是大多嵌入式微處置器較難滿足的。49模糊控制實(shí)際的開展及其運(yùn)用自從美國控制實(shí)際專家查德(L.A.Zadeh)教授1965年關(guān)于模糊集合的論文發(fā)表以來，模糊數(shù)學(xué)及模糊控制實(shí)際的運(yùn)用越來越廣泛。模糊控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它不需求對被控系統(tǒng)有非常準(zhǔn)確的了解，而主要把留意力放在控制器的設(shè)計(jì)上。模糊控制的本質(zhì)是非線性的，因此對一些不易獲取準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)或過程及非線性系統(tǒng)來說，采用模糊控制的方法可以得到用常規(guī)控制方法難以獲得的效果。50模糊控制實(shí)際的開展及其運(yùn)用在經(jīng)典控制實(shí)際中，我們靠微分方程(Equations)來獲取系統(tǒng)的有關(guān)知識；在模糊控制實(shí)際中，靠閱歷(Experience)來獲取系統(tǒng)的有關(guān)知識；而以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的其它智能控制方法那么是根據(jù)事例(Examples)、經(jīng)過學(xué)習(xí)來獲取系統(tǒng)的有關(guān)知識。模糊控制和其它人工智能方法經(jīng)常結(jié)合在一同運(yùn)用，因此對系統(tǒng)有關(guān)知識的獲取，也是根據(jù)事例并結(jié)合閱歷得到的。51模糊量及模糊控制假設(shè)采用模糊控制的方法對某個液壓系統(tǒng)的流量進(jìn)展控制：首先可以測定一下輸入〔如閥的開口量〕和輸出〔如流量〕的范圍〔即所謂的“論域〞〕，由于人經(jīng)常將相比較的同類事物分為三個等級，如溫度分為高、中、低，速度分為快、中、慢等。對系統(tǒng)的偏向也可分為大、中、小這樣三個等級。這樣，當(dāng)系統(tǒng)的流量偏離了目的值時，根據(jù)偏向的大小，相應(yīng)地調(diào)理閥門〔大或小〕就可以使流量趨向目的值。上述的大和小、快和慢不是用數(shù)值、而是用言語來描畫的，它們之間的邊境并不明晰。由于人的言語具有很大的模糊性，所以這些量被稱為模糊變量。52模糊量及模糊控制模糊控制不需求系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而只需根據(jù)人的閱歷，組成一些控制規(guī)那么就能進(jìn)展有效的控制。我們知道，人在處理實(shí)踐問題時經(jīng)常是只求稱心解，而不求最優(yōu)解。對于那些難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型非常粗略的工業(yè)系統(tǒng)，依然是以人的操作閱歷為根底，進(jìn)展人工控制。而在人的思想、言語及信息處置中，表現(xiàn)出許多模糊概念，可見對一些不明晰的系統(tǒng)，就是要把模糊信息綜合起來加以分析。用模糊數(shù)學(xué)實(shí)際與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)成模糊控制器，來替代有閱歷的操作者的人工控制，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的智能控制。53模糊集合和隸屬函數(shù)的概念在康托〔Contor〕創(chuàng)建的集合論中，論域中的任一元素，要么屬于某個集合，要么不屬于某個集合。假設(shè)元素x∈A，那么其特征函數(shù)XA(x)=1，假設(shè)，那么XA(x)=0。如左圖所示。查德(L.A.Zadeh)教授初次提出了模糊集(FuzzySets)的概念，他把模糊集合的特征函數(shù)稱為“隸屬函數(shù)〞〔它在[0,1]閉區(qū)間里延續(xù)取值〕，某個元素x隸屬于某一模糊集合A的程度可用它的隸屬函數(shù)來表示。如右圖所示。54模糊集合和隸屬函數(shù)的概念就一個人的年齡來說，用特征函數(shù)的概念，可以說或者是年青人，或者不是年青人。而用隸屬函數(shù)的概念，那么可以說他“年青〞、“不太年青〞、“不年青〞等，假設(shè)我們思索詳細(xì)問題的范圍論域?yàn)椋篣={x1,x2,x3,x4,x5}={40,60,25,28.5,32}模糊集合A表示年青人的集合，那么隸屬函數(shù)55模糊集合和隸屬函數(shù)的概念采用查德表示法描畫上述的年齡問題：A=0.2/x1＋0/x2＋1/x3＋0.8/x4＋0.34/x5式中，“＋〞表示列舉，xi表示模糊集合的元素，0.2,0,1,0.8,0.34表示相應(yīng)元素的隸屬度，那么有：那么我們說x1不太年青，x2不年青，x3年青，……等。56模糊集合和隸屬函數(shù)的概念對于一個控制系統(tǒng)來說，輸出誤差E可用同樣的方法來表示。通常在控制時不僅要思索到誤差E的模糊子集，而且經(jīng)常要思索誤差變化率C=dE/dt的模糊子集。系統(tǒng)的給定值和系統(tǒng)的輸出經(jīng)過比較環(huán)節(jié)后得到系統(tǒng)的偏向E，由偏向E可求出偏向的變化率C。在此，E和C都是準(zhǔn)確量。由于在日常生活中，人們習(xí)慣于把相比較的同類事物分為三個等級，如高、中、低；大、中、??；快、中、慢等，所以我們把偏向E和偏向變化率C也分為三級。因此，偏向和偏向變化率可以從一個準(zhǔn)確量轉(zhuǎn)化成如“偏向大〞或“偏向小〞這樣的言語變量。57模糊集合和隸屬函數(shù)的概念——實(shí)例假設(shè)我們察看到偏向E的實(shí)踐變化范圍在[a,b]之間，可以經(jīng)過變換式把在[a,b]區(qū)間變化的e轉(zhuǎn)化為在[-6,+6]之間變化的E。再將在[-6,+6]之間延續(xù)變化的E分為如下8檔： 正大(PL)──+6附近 正中(PM)──+4附近 正小(PS)──+2附近 正零(PO)──比零稍大 負(fù)零(NO)──比零稍小 負(fù)小(NS)──-2附近 負(fù)中(NM)──-4附近 負(fù)大(NL)──-6附近58模糊集合和隸屬函數(shù)的概念——實(shí)例偏向E模糊子集表59模糊集合和隸屬函數(shù)的概念——實(shí)例用查德表示法表示偏向的某個模糊子集(如偏向的負(fù)大)，可寫成：E1=1/-6+0.8/-5+0.4/-4+0.1/-3+0/-2+0/-1+0/-0+0/1+0/2+0/3+0/4+0/5+0/6比起用數(shù)學(xué)解析表達(dá)式建立系統(tǒng)的模型來說，用言語變量來描畫一個系統(tǒng)，對任何人都很容易了解，不需求對某個系統(tǒng)有高深的實(shí)際知識，但確定這些言語變量相對應(yīng)的模糊子集的隸屬度卻要根據(jù)閱歷來完成?！按蟥暫汀靶〃暯K究取多少最適宜，有時需求多次調(diào)整才干得到稱心的效果。60模糊集合和隸屬函數(shù)的概念——實(shí)例偏向變化率C模糊子集表61模糊集合和隸屬函數(shù)的概念——實(shí)例控制輸出u模糊子集表6213.9模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器的設(shè)計(jì)需求處理以下三個方面的問題：準(zhǔn)確量的模糊化；模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成；輸出信息的模糊判決。63準(zhǔn)確量的模糊化對一個實(shí)踐系統(tǒng)來說，假設(shè)察看到它的偏向e在[a，b]之間延續(xù)地變化，而我們希望把偏向e分為大、中、小和零這樣幾檔，那么可以經(jīng)過變換式把在[a,b]之間延續(xù)變化的準(zhǔn)確量e轉(zhuǎn)化為在[-6,+6]之間變化的模糊量E，其中： 正大(PL)──+6附近 正中(PM)──+4附近 正小(PS)──+2附近 正零(PO)──比零稍大 負(fù)零(NO)──比零稍小 負(fù)小(NS)──-2附近 負(fù)中(NM)──-4附近 負(fù)大(NL)──-6附近64模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成最常用的模糊控制器是兩維輸入、一維輸出的，如下圖。該控制器的言語規(guī)那么為：假設(shè)偏向?yàn)镋且偏向變化率為C那么進(jìn)展控制操作U，或?qū)懗桑篒FEANDCTHENU65模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成在經(jīng)典控制實(shí)際中，經(jīng)過系統(tǒng)的輸入和輸出可以求得系統(tǒng)的傳送函數(shù)，而在模糊控制實(shí)際中，經(jīng)過系統(tǒng)的輸入輸出可以求得系統(tǒng)的模糊關(guān)系。如：知系統(tǒng)的偏向控制量那么與這條規(guī)那么相對應(yīng)的模糊關(guān)系是一個二維的模糊集，被定義為66模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成詳細(xì)算法如下式中，運(yùn)算符“〞表示“交〞，即在上述運(yùn)算中取較小的數(shù)。67模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成假設(shè)模糊關(guān)系R知，當(dāng)偏向?yàn)闀r，那么控制量=(0.8,0.8,0.5,0)即68模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成最常用的模糊控制器是二維的，其言語推理式為IFE=EiANDC=CjTHENU=Uiji=1,2,...,mj=1,2,...,n其中，Ei，Cj與Uij分別為定義在X，Y，Z上的模糊集。這些模糊條件語句可歸結(jié)為一個模糊關(guān)系R，即根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的實(shí)際，運(yùn)算符“〞的含義由下式定義69模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成假設(shè)偏向、偏向變化率分別取E和C，根據(jù)模糊推理和成規(guī)那么，輸出的控制量該當(dāng)是模糊集U即這樣，假設(shè)知E、C和輸出控制量U，可以根據(jù)式求出模糊關(guān)系R；反之，假設(shè)知系統(tǒng)的模糊關(guān)系，那么可以根據(jù)系統(tǒng)的輸入E和C求出輸出控制量U。70模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成通常，對一個工業(yè)過程可以總結(jié)出許多條規(guī)那么： IFE1ANDC1THENU11 IFE1ANDC2THENU12 … IFEiANDCjTHENUij …對任何一條規(guī)那么都可以推出相應(yīng)的模糊關(guān)系，即：R1，R2，……，Rn，因此系統(tǒng)總的控制規(guī)那么為71模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成系統(tǒng)的偏向E、偏向變化率C和控制量U之間的模糊關(guān)系R可以用下表來表示。72模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成模糊控制規(guī)那么的調(diào)整從模糊控制誕生之日就使人們對它產(chǎn)生了廣泛的興趣，有的文獻(xiàn)引見了一些調(diào)整的方法，然而這些調(diào)整方法都是根據(jù)操作人員的閱歷進(jìn)展的，通用性較差，只能是公用的模糊控制器。還有的文獻(xiàn)為模糊控制規(guī)那么的自調(diào)整問題奠定了必要的實(shí)際根底，并提出了一種有效而又簡單的方法，詳細(xì)作法如下：73模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成關(guān)于運(yùn)算符<·>的闡明：用<A>表示一個與A符號一樣而其絕對值是大于或等于|A|的最小整數(shù)，例如： <0>=0<0.5>=1<-0.5>=-1 <1>=1<-1>=-1<1.5>=2<-1.5=>-2……采用一種帶修正因子的控制規(guī)那么：式中，α是介于0,1之間的實(shí)數(shù)很明顯，只需調(diào)整系數(shù)α，就可以對控制規(guī)那么進(jìn)展修正。74模糊控制規(guī)那么的構(gòu)成以α作為調(diào)整參數(shù)不僅簡單易行，而且物理意義也是很明顯的，它直接表示對偏向E和偏向變化率C的加權(quán)程度。在被控對象的階次較高時，對偏向變化率C的加權(quán)值就應(yīng)該大于對偏向E的加權(quán)值，因此α要取小些；相反，當(dāng)被控對象階次較低時，對偏向變化率C的加權(quán)值應(yīng)小于對偏向E的加權(quán)值，即α要取大些。這種方法抑制了單憑閱歷來選擇控制規(guī)那么的缺陷，是合理并可行的。75輸出信息的模糊判決模糊控制的輸出是一個模糊子集，它反響的是不同控制言語所取值的一種組合。但對一個實(shí)踐系統(tǒng)來說，被控對象只可以接受一個控制量，這就需求從輸出的模糊子集判決出一個控制量。即要推導(dǎo)出一個由模糊集合到普通集合的映射，這個映射通常被稱為模糊判決，只需經(jīng)過判決才干得到控制量的準(zhǔn)確值。一種常用的方法是最大隸屬度法。即在要判決的模糊子集Ui中取隸屬度最大的元素umax作為執(zhí)行量。這種方法雖然簡單，但它所概括的信息量太少。76輸出信息的模