计算机控制系统的模拟化设计.ppt

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1、第六章数字控制器的连续化设计引言自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。本章主要知识点:数字控制器的连续化设计步骤数字PID控制算法数字PID的改进数字PID的参数整定一、数字控制器的连续化设计步骤基本设计思想设计假想连续控制器离散化连续控制器离散算法的计算机实现与校验连续化设计的基本思想把整个控制系统看成是模拟系统，利

2、用模拟系统的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后再通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。D(s)设计假想连续控制器1.原则上可采用连续控制系统中各种设计方法工程上常采用已知结构的PID控制算法2.零阶保持器的处理方法（1）采样周期足够小时，可忽略保持器，（2）W变换设计法：利用下面公式离散化后再进行W变换,按G(w)进行连续化设计?连续控制器的离散化根据连续控制器的传递函数，离散化方法有：1.双线性变换法：其中：2.后向差分法：其中,利用级数展开写成以下形式：3.前向差分法：其中：前向差分法也可由数值微分中得到，用差分代替微分。设微分控制规律为两边

3、求拉氏变换后可推导出控制器为采用前向差分近似可得上式两边求Z变换后可推导出数字控制器为4.零极点匹配法：离散算法的计算机实现设计性能校验：常采用数字仿真方法验证二、数字PID控制算法根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID控制)，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。PID调节器之所以经久不衰，主要有以下优点：1.技术成熟，通用性强2.原理简单，易被人们熟悉和掌握3.不需要建立数学模型4.控制效果好，P、I、D三个参数的优化配置，兼顾了动态过程的现在、过去与将来的信息，使动态过程快速、平稳和准确；1．模拟PID调节器对应的模拟PID调节器的传递函数为

4、PID控制规律以微分方程形式表示为：KP为比例增益，KP与比例带δ成倒数关系即KP=1/δTi为积分时间，Td为微分时间u(t)为控制量，e(t)为偏差2.数字PID控制器由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。这样就得到两种算式：(1)数字PID位置型控制算法(2)数字PID增量型控制算法（1）.数字PID位置型控制算法一般连续形式（模拟形式）：有微分方程和传递函数两种形式离散等效：在微分方程中，以求和

5、替代积分，向后差分替代微分得到位置算式其中：（2）.数字PID增量型控制算法根据控制器的传递函数，利用后向差分法离散化化成差分方程形式理想PID的增量差分形式（递推算式）其中（4—33）（3）数字PID控制算法实现方式比较控制系统中：①如执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置式控制算法；②如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法；图两种PID控制算法实现的闭环系统（a）位置型（b）增量型控制算法的比较：(1)增量算法不需要做累加，控制量增量的

6、确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。(2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中、只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。(3)采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。（4）数字PID控制算法流程位置型控制算式的递推算法：利用增量型控制算法，也可得出位置型控制算法：u(k)=u(k-1)+Δu(k)=u(k-1)+q0e(k)+q1e(k-1)+q2e

7、(k-2)三、数字PID控制器的改进（1）积分项的改进（2）微分项的改进（3）时间最优+PID控制（4）带死区的PID控制算法（1）积分项的改进积分分离变速积分抗积分饱和梯形积分消除积分不灵敏区积分的作用？消除误差，提高精度积分分离算法现象：一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差普通分离算法：大偏差时不积分当时，