中科大版--现代控制系统（最新版）精品电子教案第四章反馈控制系统特性.ppt

本例重点研究闭环反馈控制降低系统对被控过程变化的灵敏度 火星漫游车开环控制系统传递函数为： 4.8 设计实例 开环系统对增益K的灵敏度为： 火星漫游车闭环控制系统传递函数为： 4.8 设计实例 闭环系统对增益K的灵敏度为： 4.8 设计实例 当R(s)=0、Td(s)=1/s，开环系统输出稳态值： 4.8 设计实例 当R(s)=0、Td(s)=1/s，闭环系统输出稳态值： 对于闭环系统，K值越大，扰动的影响越小； K值越大，系统对参数变化的灵敏度也越低； 但K值太大，系统瞬态响应会变差。 例4.4 麻醉中血压控制 手术中麻醉师需监测多种生命参数，如：麻醉 深度、血压、心率、体温、血氧、呼气中二氧 化碳浓度等，并将它们控制在适当的范围内。 能够自动测量、控制某些生命参数，能够提高 受术者的安全。 目标：开发自动调节麻醉深度的系统，病人 的安全是最终目标。 如何测量麻醉深度？许多麻醉师将平均动脉 压作为麻醉深度最可靠的度量。根据临床经验 和麻醉师所遵从的程序，被控变量确定为平均 动脉压。 4.8 设计实例 确立控制目标 确定被控变量 给出设计指标 确立系统结构 建立过程、执行机构、传感器的模型 确定控制器并选取需要调整的关键参数 优化关键参数并分析系统性能 系统性能不满足设计指标则重新选择系统结构 系统性能满足设计指标结束设计 调节平均动脉压到任意设定值 4.8 设计实例 平均动脉压 五个设计指标： DS1：调整时间 DS2：相对超调量 DS3：跟踪误差 DS4：扰动抑制 DS5：系统灵敏度 控制器、泵、患者、传感器 见方程 给出三个PID控制器 本章仅做分析 血压控制系统设计过程中的要素 控制目标：调节平均动脉压到任意期望的设定值，出现扰动时能够维持在规定的设定值 平均动脉压（MAP）mean arterial pressure：一个心动周期中各瞬间动脉血压的平均值。 平均动脉压是在一个心动周期中持续地推动血液向前流动的平均推动力，能更精确地反映心脏和血管的机能状态，其正常值约为96mmHg 平均动脉压≈舒张压+1/3脉压差 ＝ 1/3收缩压+2/3舒张压 被控变量：平均动脉压（MAP）。 4.8 设计实例 控制设计指标：在满足控制指标的前提下，控制系统复杂性要低，要尽可能简单，系统越简单，可靠性越高，成本越低 麻醉师改变MAP设定值时，闭环系统响应要又快又平稳，并且超调量不能大 闭环系统要使扰动的影响最小。手术扰动，如切开皮肤会使MAP快速上升10mmHg；测量误差，例如校准误差、随机噪声 要能够处理个体差异。同一个控制系统要用于许多不同的患者，又不可能给每一个患者建立单独的模型，因此闭环系统对被控过程参数变化的灵敏度要低 4.8 设计实例 DS1：MAP设定值阶跃变化10％，调整时间少于20分钟 DS2：MAP设定值阶跃变化10％，相对超调量小于15％ DS3：MAP设定值阶跃变化，稳态跟踪误差为零 DS4：对阶跃的手术扰动输入（ ），稳态跟踪误差为零，同时，输出响应的最大偏差小于MAP设定值的±5％ DS5：对过程参数变化的灵敏度最小 4.8 设计实例 血压控制系统结构 R(s)是期望的平均动脉压变化 Y(s)是实际的平均动脉压变化 两者的偏差被控制器用于确定对泵/蒸发器的阀 门给定值，泵/蒸发器给患者输送麻醉药蒸气 4.8 设计实例 泵/蒸发器模型：输出蒸气的变化率等于输入阀门给定值 4.8 设计实例 泵的传递函数： 泵的脉冲响应： 患者模型：患者的生理学系统很难建模，即使建立，也是非线性、时变、多输入多输出模型，很难用于实际的控制系统 因而采用黑箱建模方法，如脉冲响应法。 4.8 设计实例 对实验脉冲响应拟合得到模型的脉冲响应： 4.8 设计实例 不同的患者，参数p的值是不一样的。 由模型的脉冲响应得到传递函数模型： 传感器模型：假定没有测量噪声，传感器的传递函数为： 单位负反馈系统。 PID控制器：proportional-integral-derivative controller 4.8 设计实例 选择关键调整参数：控制器增益 4.8 设计实例 采用PID控制器，系统对阶跃输入的稳态跟踪误差为零，满足设计指标DS3 幅值D0的阶跃扰动，对稳态输出的影响为零 4.8 设计实例 闭环传递函数对参数p的变化的灵敏度： 4.8 设计实例 频率不同，灵敏度函数是 不同的，在低频段灵敏度函数近似为： 4.8 设计实例 增大积分增益Kp，可以减小系统对参数p变化的灵敏度 P=2时，PID增益与系统性能： PID Kp KI KD 输入响应超调量(%) 调整时间(min、2%) 扰动响应超调量(%) 1 6 1