当前课程知识点：自动化专业概论 > 第四章 自动控制系统设计 > 第三节 自动控制系统结构设计(2) > 自动控制系统结构设计(2)
现在是第十四讲
让我们继续来讲述
自动控制系统结构的设计方法
在前一讲里
我们已经讲述了
单回路控制系统结构
双回路控制系统的结构
以及前馈加反馈
控制系统的结构的设计方法
那么对于一般的系统来说
有这三种方法 足够了
但是对有些被控对象
这种方法还不能满足
我们的控制品质要求
必须进行一些其他的处理
在工业生产过程中
最难控制的
是具有大纯迟延特性的被控对象
对于这种对象
我们可以用下列的传递函数
来描述
在该式中
τ表达的是纯迟延时间
它的意思是
当被控对象的输入发生变化时
被控对象的输出
要经过τ时间段内才能产生变化
那么这种特性
就会对你的控制
产生不良的影响
因为当你的控制器的输出
发生变化时
你并不知道被控对象
将要怎样变化
要变化多少
所以说我们应该寻找另外的方法
来提高我们的控制品质
史密斯先生发明了一种方法
他的方法如下
看这个方框图
在该方框图当中
Gc就是常规的控制器
它可以是PID控制律或者是其他
那么Gs应该等于什么呢
那我们先看一下
加入Gs的目的
我们加入Gs以后
应该让其输出Us
与系统的输出Y之和
等于什么呢
等于没有纯迟延部分的
被控对象的特性
也就是说
我们应该让Gs
加上K/（1+Ts)^n
乘以e的-τs
应该等于K/（1+Ts）^n
这样的话
我们最终的反馈回去的结果
就是没有纯迟延部分了
由此我们可以解出Gs
它就等于1减去e的-τs括号乘以K/（1+Ts）^n
这显然我要是按照
补偿以后的对象进行控制
那么控制作用可以增强
因为这个对象已经没有纯迟延了
我可以加大控制作用
如果有纯迟延
你就不能加大作用
就必须的放慢调节速度
所以说
当加了史密斯补偿器以后
我们的控制作用可以加强
控制品质也就可以变好
看一个实例
这是一个真实的系统
假如我的控制器就使用PI控制器
被控对象有纯迟延120秒
那么我设计出来的
史密斯预估器
就是这样的一个传递函数
那么按照这个方框图
优化出控制器的参数是
δ等于1.4
Ti等于134
看看我们的控制效果
从下边这些图中
我们可以看到
加入史密斯预估器后
同样使用PID控制
那么它的控制效果
大大地优于PID
其原因是有了史密斯预估器以后
可以加大PID的控制作用
根据史密斯预估控制原理
又发明了一种内模控制
下面我们来看一下内模控制原理
看 这个方框图
同样
我们还要加一个预估器
叫做W
这个W带星号
它表达的是
W的近似
也就是说
我预测一下被控对象的模型
然后呢我把控制器
改为内模控制器
这就不是我们说的常规控制器了
常规的
我们可以选择PID的任何一种
现在不是
我们要通过这样一种需求
来推出内模控制器
到底应该是什么呢
根据这个方框图
我们可以得到
Y与希望值R
内扰R1 外扰R2
之间的关系
从这个关系式当中
我们也可以看到
如果我们让分子括号内的
值等于0
那么就可以解出来
Gimc这个控制器
就等于
这个式子说明什么呢
说明如果你让分子当中的
括号内那一项等于0
那么系统的输出
就与内扰和外扰都没有关系
这是我们最希望的
也就是说
我们这样设计内模控制器
就会使得无论内扰和外扰
发生怎样的变化
我系统的输出
一直跟随希望值而变化
那么我们来看一下
如果被控对象
是这样一个形式
这是一个标准的形式
那么我们的内模控制器
应该是什么呢
那显然就应该等于
这个式子的倒数
这个倒过去以后
就变成了这样一个式子
看看这是一个什么式子
这个式子首先有纯微分项
还是n阶的
我们从这个内模控制器的
传递函数可以看到
还有超前环节
也就是说
我们那个e在指数上
不是负的 而是正的
那么这样的环节
我们是没法实现的
因为我们今天永远不知道
我们明天会发生什么
而微分环节
它表达的是
当输入为阶跃函数时
输出它为无穷大
我们也实现不了
所以说内模控制
是一个理想控制器
怎样才能在工程上应用呢
为了使用它
我们必须得在它的输出
再接上一个阻尼器
这个阻尼器
可以是一阶的 二阶的 三阶的
都可以
但是本来要想提前控制
可是呢你又加了阻尼器
你又要想让它滞后
这样就削弱了
内模控制器的作用么
所以说在工程上
要想实现内模控制
还是需要做一些工作的
这些内容会在你们
后续课程当中讲到
下边我们来看一个
实际内模控制系统的例子
在这里
我们可以根据被控对象的
传递函数
求出内模控制器的传递函数
在该传递函数里
含有一个二阶纯微分的环节
因此它在工程上是不能实现的
我们必须在它的前面或者说后面
串入一个阻尼器
这个阻尼器也应该是二阶的
这样可以抵消
二阶纯微分环节的作用
由此我们可以得到
我们内模控制系统的方框图
在这种情况下
我得到的控制结果如下图所示
我们可以看到
内模控制显然优于
一般的PID控制
-第一节 绪论
--绪论
--1.1 课件
--第一节 绪论--作业
-第一节 自动控制系统基本结构
--2.1课件
-第二节 闭环控制系统的稳定性概念
--2.2课件
-第三节 闭环控制系统的品质指标及自动控制系统设计任务
--2.3课件
-习题--作业
-第一节 控制系统的数学模型——差分方程模型
--差分方程模型
--3.1课件
-第二节 控制系统的数学模型——微分方程模型与传递函数模型
--3.2课件
-第三节 控制系统的数学模型——方框图模型及状态方程模型
--3.3课件
-第四节 PID控制策略
--PID控制策略
--3.4课件
-第五节 微分方程的数值解
--微分方程的数值解
--3.5课件
-第六节 目标函数设计
--目标函数设计
--3.6课件
-第七节 最优化理论及方法
--最优化理论及方法
--3.7课件
-习题--作业
-第一节 建立被控对象的数学模型
--4.1课件
-第二节 自动控制系统结构设计(1)
--4.2课件
-第三节 自动控制系统结构设计(2)
--4.3课件
-第四节 自动控制系统结构设计(3)
--4.4课件
-习题--作业
-第一节 先进控制策略
--先进控制策略
--5.1课件
-习题--作业
-第一节 自动化装备的技术支撑
--6.1课件
-第二节 检测理论及方法——检测仪表
--6.2课件
-第三节 控制装置与系统——模拟、数字控制仪表及PLC
--6.3课件
-第四节 控制装置与系统——DCS、FCS
--6.4课件
-习题--作业
-第一节 信息化技术
--信息化技术
-第二节 虚拟现实技术
--虚拟现实技术
-习题--作业
-期末考试--期末考试
