浅析控制算法理论和网络图计算机算法显示
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控制算法 ppt课件
某系统： 1
s2 10s 20
Step Response 1.5
Step Response 1.5
Amplitude Amplitude
1
Kp=500
0.5
KI=1
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Time (sec)
1
Kp=500
0.5
KI=10
0
0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
1 t
de(t)
u(t)Kpe(t)Ti
e(t)dtTd
0
dt
(3.5)
3.2.1 PID控制算法
式中，称为微分时间。理想的PID控制器对偏差阶跃变化的响 应如图3.4所示，它在偏差变化的瞬间处有一个冲激式的瞬态 响应，这就是由微分环节引起的。
图3.4 理想PID控制器的阶跃响应
3.2.1 PID控制算法
甚至导致闭环系统不稳定。
比例控制器-阶跃响应 0.35
Step Response
0.3
某系统： 1
s2 10s 20
Step Response 0.05
0.045
0.04
0.035
Amplitude
0.03
0.025
开环
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
0.5
1
1.5
2
Time (sec)
控制算法
3.2 控制算法
1
3.2.1 PID控制算法
2
3.2.2 模糊控制算法
3
3.2.3 其它智能 控制算法
s2 10s 20
Step Response 1.5
Step Response 1.5
Amplitude Amplitude
1
Kp=500
0.5
KI=1
0
0
0.5
1
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2
2.5
3
Time (sec)
1
Kp=500
0.5
KI=10
0
0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
1 t
de(t)
u(t)Kpe(t)Ti
e(t)dtTd
0
dt
(3.5)
3.2.1 PID控制算法
式中，称为微分时间。理想的PID控制器对偏差阶跃变化的响 应如图3.4所示，它在偏差变化的瞬间处有一个冲激式的瞬态 响应，这就是由微分环节引起的。
图3.4 理想PID控制器的阶跃响应
3.2.1 PID控制算法
甚至导致闭环系统不稳定。
比例控制器-阶跃响应 0.35
Step Response
0.3
某系统： 1
s2 10s 20
Step Response 0.05
0.045
0.04
0.035
Amplitude
0.03
0.025
开环
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
0.5
1
1.5
2
Time (sec)
控制算法
3.2 控制算法
1
3.2.1 PID控制算法
2
3.2.2 模糊控制算法
3
3.2.3 其它智能 控制算法
第四章 计算机控制系统的控制算法
信号通过零阶保持器后存在幅值衰减和相位滞后。 但如果采样周期T足够小，即采样频率足够高时，可以忽 略这一影响。对于小的采用周期，用幂级数展开，用T/2 的时间滞后环节来近似：
设相位裕量减少5-15度，则采样周期应选为：
2020-10-19
信息与电气工程学院
山东科技大学
12
计算机控制系统
间接设计方法得以实现的重要依据是： (1) 采样周期要满足香农采样定理； (2) 采样周期足够小，达到零阶保持器的相位
因此，计算机控制系统也可以称为数字控制系统、离 散控制系统或采样控制系统。
模拟控制系统称为连续控制系统。
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信息与电气工程学院
山东科技大学
5
计算机控制系统
2. 离散(数字)控制系统与连续(模拟)控制系统的本质 区别在于：模拟系统中的给定量、反馈量和被控量都是连 续型的时间函数，而在离散系统中，通过计算机处理得给 定量、反馈量和被控量是在时间上离散的数字信号。
把计算机引入连续控制系统中作为控制器使用，便 构成了计算机控制系统。
由计算机构成的控制系统，在本质上是一个离散系统。
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计算机控制系统
传递函数的定义
1. 连续系统中传递函数的定义是：零初始条件下， 一个环节(系统)的输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变 换之比。
第四章 计算机控制系统的 控制算法
第八讲-第十三讲
2020-10-19
信息与电系统
概述
第八讲
计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能 指标的条件下，设计控制器的控制规律和相应的数 字控制算法。
数字控制器的设计方法按其设计特点分为三大 类：
计算机网络图及控制算法研究
计算机网络图及控制算法研究
刘立岩
【期刊名称】《数字技术与应用》
【年(卷),期】2017(000)011
【摘要】随着我国科学技术的不断发展,计算机技术已经应用到各个领域中,计算机技术和网络图的融合,使计算机技术的优势得到了更大的发挥,控制算法在计算机网络图中的应用,使计算机的控制算法以现代化的方式显示出来.本文对计算机网络图及控制算法进行深入的研究和分析,积极的发现其中存在的一些问题,并根据实际的问题提出相应的解决措施,使其在各个领域中能够发挥出更大的优势.
【总页数】2页(P117,119)
【作者】刘立岩
【作者单位】中国船舶重工集团第七二三研究所,江苏扬州 225001
【正文语种】中文
【中图分类】TP301.6
【相关文献】
1.计算机网络图显示与控制算法研究 [J], 王希军;邰伟民
2.基于网络图的计算机算法研究 [J], 刘明
3.基于控制算法理论及网络图的计算机算法研究 [J], 赵敏
4.计算机网络图及控制算法研究 [J], 刘立岩[1]
5.一种基于网络图的计算机算法研究 [J], 敖卓缅
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控制算法设计
控制算法设计控制算法设计是指针对某个系统或过程，设计出一种合适的控制算法，以实现对其运行状态的监测、调节和优化。
在工业控制、自动化、机器人等领域中，控制算法设计是非常重要的一环。
本文将从以下几个方面进行讲解：一、控制算法的基本概念二、控制算法设计的步骤三、常用的控制算法四、控制算法评估方法五、控制算法在实际应用中的案例一、控制算法的基本概念1. 控制系统：由被测量对象、传感器、执行器和控制器组成，用于对被测量对象进行监测和调节。
2. 控制器：对被测量对象进行监测，并根据设定值和反馈信号来调节执行器输出信号。
3. 反馈：指将被测量对象输出信号与设定值进行比较，并将比较结果反馈给控制器。
4. 设定值：指需要被调节到达的目标值。
5. 执行器：根据来自于控制器的输出信号，对被测量对象进行调节。
二、控制算法设计的步骤1. 确定被控对象：首先需要确定需要进行控制的对象，例如温度、湿度、流量等。
2. 建立数学模型：对被控对象建立数学模型，用于描述其运行状态和特性。
3. 设计控制策略：根据数学模型和设定值，设计出合适的控制策略。
4. 实现控制算法：将设计好的控制策略转化为具体的计算机程序或电路。
5. 调试和优化：对实现好的控制算法进行调试和优化，以确保其能够正常运行并达到预期效果。
三、常用的控制算法1. 比例-积分-微分（PID）控制算法：是一种经典的反馈控制算法，根据误差信号进行比例、积分和微分运算，并根据结果输出执行器信号。
2. 模糊逻辑控制（FLC）算法：是一种基于模糊逻辑理论的非线性反馈控制方法，可以应用于复杂系统中。
3. 预测控制（MPC）算法：通过对未来状态进行预测来实现对系统状态的优化调节，适用于多变量、非线性系统。
4. 自适应控制（AC）算法：根据被控对象的实时状态，自动调整控制参数以实现最佳控制效果。
5. 神经网络控制（NNC）算法：通过神经网络对被控对象进行建模，并利用反向传播算法来实现对其的优化控制。
计算机控制系统的控制算法
• 另一途径是根据数字控制器用直接程序设计法、 串联实现法等将其变为差分方程。
D(z)
b0 b1z1 b2 z2 L 1 a1z1 a2 z2 L
bn zm an zn
U (z) (a1z1 a2 z2 L an zn )U (z) (b0 b1z1 b2 z2 L bn zm )E(z)
❖
●PID算法比较简单，计算工作量小，容易实现多回路控制
●现场工程技术人员较熟悉，较易掌握，并已积累了丰富 的经验，但使用中要根据对象特性，负载情况，合理选择 控制规律以达到较佳效果。
4.2.1 PID控制规律及基本作用
❖ 1. 比例控制规律 ❖ 比例调节器的微分方程为：
u(t) Kp e(t) u0
s 2 z 1 T z 1
D(z) D(s) s 2 z1 T z1
双线性变换的特点：
(1)应用方便。可用计算机算出D(z)的系数。 (2)双线性变换不会引起高频混迭现象。 (3)如果D(s)稳定，则D(z)亦稳定。 (4)它不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
i
2) 前向差分法
z esT 0 sT L 1 sT
分代替微分，这样就可以化连续的PID控制为数字 PID控制。
t e(t)dt ≈ k Te( j) 0 j0
de(t) ≈ e(k) e(k 1)
dt
T
Tk
e(k) e(k 1)
u(k)
Kp
e(k
)
TI
e( j) TD
❖ S平面和Z平面的差分变换
❖ 根据A.本茨和M.普里斯勒的研究可知最好的 离散化方法是双线性变换法.
4. 求出与对应的差分方程
为了用计算机实现数字控制器，必须求出相应的
控制系统中的控制算法与算法设计
控制系统中的控制算法与算法设计控制系统是指通过对特定对象的输入信号进行调节和控制，以使对象按照预定要求进行运动或保持特定状态的系统。
而控制算法则是控制系统中的重要组成部分，它决定了系统如何根据测量信号和目标要求来产生控制信号。
本文将探讨控制系统中的控制算法，并重点关注算法设计的重要性。
一、控制系统中的控制算法概述控制算法是控制系统的核心。
它根据控制系统的要求和目标，通过对测量信号的处理和分析，以及经验法则的应用，生成相应的控制信号，从而实现对被控对象的控制。
控制算法的设计，既需要考虑控制效果，又需要考虑计算复杂度和实时性。
控制算法主要通过数学模型、传感器反馈和控制器的组合来实现。
常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法、遗传算法、最优控制算法等。
二、控制算法设计的重要性控制算法设计的好坏直接决定了控制系统的性能和稳定性。
一个优秀的控制算法能够快速、准确地响应系统的变化，并通过对控制信号的调节，使系统达到预期的控制效果。
在控制算法设计中，需要考虑以下几个方面：1. 系统的稳定性：控制算法要能确保系统的稳定性，避免系统出现不稳定、振荡或超调等问题。
2. 控制精度：控制算法要能保证系统输出与目标值的偏差尽可能小，以实现精确的控制。
3. 响应速度：控制算法要能够迅速地对系统的变化做出响应，以实现快速的控制。
4. 鲁棒性：控制算法要能适应不同的工作环境和参数变化，保持对外界干扰的抵抗能力。
5. 计算复杂度和实时性：控制算法需要根据实际应用场景，考虑计算资源的限制和实时性要求。
三、常见的控制算法1. PID控制算法PID控制算法是最常见的一种控制算法。
它通过比较目标值与实际值的误差，计算出比例、积分和微分三个控制量的加权和，从而产生控制信号。
PID控制算法具有简单实用、性能稳定的特点，在工业控制中得到广泛应用。
2. 模糊控制算法模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制方法。
它通过模糊化输入信号和输出信号，建立模糊规则库，并通过模糊推理和解模糊化的方法，产生控制信号。
计算机控制技术控制算法
计算机控制系统的控制算法
2.模拟化设计具体步骤
（1）假想的连续控制器D(S) 设计的第一步就是找一种近似的结构，来设计一种假想的连 续控制器D(S)，这时候我们的结构图可以简化为：
r(t) + _ e(t) u(t) y(t)
D(s)
G(s)
已知G(S)来求D(S)的方法有很多种，比如频率特性法、根轨 迹法等。
缺点：不能消除静差；K P 过大，会使动态质量 变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。
t0
t
u
Kp
u0
0
t0
图3 P调节器的阶跃响应
t
计算机控制系统的控制算法
（2）积分环节 控制规律： uI ( t ) 特点：1）控制力反比于积分时间常数 2）响应滞后使得相位滞后，会减小系统的相位裕度 3）只要偏差不为零，积分控制力就不为零，所以能消除静差 4）提高了系统型别，故可以提高系统抗高频干扰的能力 结论：选择尽量小的积分时间常数，且一般不单独使用 （3）微分环节 控制规律：ud (t ) Td
（4）一阶后向差分离散化方法： D(Z ) D(s)
1 z 1 s T
该方法实质是将连续域中的微分用一阶向后差分替换 （5）一阶前向差分离散化方法： D( Z ) D( s)
s
z 1 T
该方法实质是将连续域中的微分用一阶向前差分替换 这两种方法实际上是一种矩形积分近似法，前向差分所累加的
2 2
j T
j T
j T
2
)
从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移(滞后)。 对于小的采样周期，可把零阶保持器H(S)近似为：
计算机控制系统的控制算法
1 e sT H (s) s
计算机控制技术控制算法
直角坐标系
采样和 Z变换
拉氏 变换
复平面坐标系
z e ST
极坐标系
计算机控制系统的控制算法
4.零阶保持器法（阶跃响应不变的Z变换）
基本思想：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列，
必须与模拟调节器的阶跃响应的采样值相等
即 D( Z )
1 Z [ D( S ) 1 ] S 1 Z 1
因此有
我们能从上式得出什么结论呢？ 上式表明，当T很小时，零阶保持器H(S)可用半个采样周期的 时间滞后环节来近似。它使得相角滞后了。而在控制理论中，大家 都知道，若有滞后的环节，每滞后一段时间，其相位裕量就减少一 部分。我们就要把相应减少的相位裕量补偿回来。假定相位裕量可 减少5°～15°，则采样周期应选为：
2.PID控制器各环节对系统性能的影响： （1）比例环节
e
控制规律：
u(t ) K Pe(t ) u0
1 1 0
其中： K P 为比例系数；
u0 为控制量的基准。
比例调节的特点：比例调节器对于 偏差是即时反应，偏差一旦产生， 调节器立即产生控制作用使被控量 朝着减小偏差的方向变化，控制作 用的强弱取决于比例系数。只有当 偏差发生变化时，控制量才变化。
三、数字控制器的模拟化设计方法
四、模拟系统的离散化方法
计算机控制系统的控制算法
一、数字控制器的概念
1.什么是控制器？
按照给定的系统性能指标和系统的原始数学模型，依据闭环
控制结构，设计出的使原有系统满足控制要求的功能模块。
设定值 +
--
控制器
被控对象
被控参数
计算机控制系统的控制算法
2.什么是模拟控制器？ 设计出的控制器用模拟器件实现 优点：结构简单、参数易于在线整定 缺点：调节范围有限、当控制器模型复杂时难以实现 典型的模拟控制器：模拟PID控制器 3.什么是数字控制器？ 设计出的控制器用计算机算法实现 优点：无需硬件、参数调节范围大、可以实现复杂控制 缺点：参数整定需要较多的时间 典型的数字控制器：数字PID模块
控制系统的复杂网络控制理论与方法
控制系统的复杂网络控制理论与方法控制系统的复杂网络控制理论与方法在近年来得到了广泛的研究和应用。
复杂网络控制理论与方法通过对网络拓扑结构和动力学行为的建模，可以实现对控制系统的有效控制。
本文将从理论和方法两个方面来探讨控制系统的复杂网络控制。
一、理论基础1. 复杂网络的基本概念复杂网络是由大量节点和它们之间的连接构成的，呈现出复杂的结构特征。
节点可以代表真实世界中的各种对象，连接可以代表节点之间的相互作用。
常见的复杂网络有小世界网络和无标度网络等。
了解复杂网络的基本概念对于控制系统的复杂网络控制理论和方法至关重要。
2. 复杂网络的控制特性复杂网络的控制特性包括可控性、可观测性和稳定性等。
可控性指的是通过选择一部分节点进行控制，可以使得整个网络达到某种预定的状态。
可观测性指的是通过观测一部分节点的状态，可以推断出整个网络的状态。
稳定性指的是网络在外界干扰下，仍能保持某种稳定的状态。
掌握复杂网络的控制特性可以为实际控制问题的解决提供理论依据。
二、方法研究1. 基于节点的控制方法基于节点的控制方法是指通过对网络中的特定节点进行控制，并通过节点间的相互作用实现对整个网络的控制。
节点可以是选择性地进行控制，也可以通过节点自身的动力学行为来实现控制。
这种方法在实际应用中具有较高的可操作性和可行性。
2. 基于链路的控制方法基于链路的控制方法是指通过对网络中的连接进行调控，以实现对网络的控制。
关键是对网络拓扑结构和链路的权重进行调整，以达到所需的控制目标。
这种方法相对复杂，需要更强的计算能力和理论支持，但在一些特定的应用中具有很好的效果。
三、应用领域1. 交通运输系统复杂网络控制理论和方法在交通运输系统中有着广泛的应用。
通过对交通网络的建模和分析，可以实现对交通流的调度和控制。
例如，在城市交通系统中，可以通过调控交通信号灯和优化交通流动来减少拥堵和提高通行效率。
2. 电力系统电力系统是一个复杂网络，包括发电、输电和配电等环节。
计算机控制系统的控制算法
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第3章 计算机控制系统的控制算法
3.1 数字控制器的模拟化设计方法
本节主要内容 一、数字控制器的概念 二、数字控制器的设计方法分类
三、数字控制器的模拟化设计方法
四、模拟系统的离散化方法
检测变送 元件
广义被控对象
图1 计算机控制系统结构图
结论：计算机控制系统是数字信号与连续信号并存的
“混合系统”。
河南机电高等专科学校
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第3章 计算机控制系统的控制算法
2.数字控制器的设计方法
若从A-B向下看，可以看成一个连续系统，若从A’-B’从 上看，则可等效为一个离散系统。由于这两种不同的理解， 在设计方法上可分为模拟化设计方法和离散化设计方法。
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第3章 计算机控制系统的控制算法
四、模拟系统的离散化方法
离散化方法的实质是求原连续传递函数D(s)的等效离散传递函数D(Z)。 “等效”是指D(s) 、D(Z)具有相同的时域和频域响应特性。设计人员必须 明确，与连续控制器性能相比，期望离散的数字控制器应具有什么性能。 表征模拟校正装臵的重要参数是： ① 极点与零点的个数； ② 频带宽度与截止频率； ③相位裕度、增益裕度； ④超调量、闭环频率响应峰值等。
应注意：在离散化过程中，上述特性都要保持下来是不大可能的。不同 离散化方法所具有的特性不同。因此，在选择模拟控制器的离散化方法时， 设计者必须了解各个方法的特点，确定哪种特性对系统最重要，以保证模拟 校正装臵的主要特性能得到保持。 河南机电高等专科学校