计算机控制技术 教学课件 作者 夏扬 主编 第3章.ppt

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1、第三章常用数字控制器设计第一节数字控制器连续化设计技术第二节数字PID控制第三节最少拍控制器第五节控制算法仿真第四节达林(Dahlin)算法第一节数字控制器连续化设计技术一、数字控制器的两类设计法数字控制器D(z)的设计要分两步走：先设计一个模拟控制器D(s)，然后采用某种离散化方法应用于模拟控制器，获得对应的数字控制器D(z)。这种方案称为连续化设计法，也称为间接设计法。数字控制器D(z)就可直接用z传递函数来设计，也就是在z域中直接按离散控制理论设计数字控制器。这种方案称为离散化设计法，也称为直接设计法。二、数字控制器的连续化设计(一)数字控制器的连续化设计步骤1．设计

2、假想的模拟控制器D(s)2．选择合适的采样周期3．将D(s)离散化为D(z)4．用仿真的方法检查系统性能是否满足设计要求5．求得计算机编程算法(二)模拟控制器的离散化模拟控制器的离散化，就是利用某种离散化方法，由D(s)求出相应的D(z)，并使D(z)的动态特性近似于D(s)的动态特性。下面介绍工程上实用的近似离散化方法。1．后向差分变换法后向差分变换法的主要特点如下：1)变换计算简单，不要对D(s)进行z变换。2)D(s)稳定，D(z)也稳定。3)D(z)不能保持和D(s)相同的频率响应。2．双线性变换法双线性变换法的主要特点如下：1)变换计算简单，不要对D(s)进行z变

3、换。2)离散化精度高于差分变换法。3)D(s)稳定，D(z)也稳定。4)D(z)不能保持和D(s)相同的频率响应。3．零极点匹配法D(s)到D(z)的变化法则如下：(1)极点和有限零点(2)无限零点(3)低频增益得零极点匹配法的主要特点如下：1)要求对D(s)进行零极点分解，计算相对复杂些。2)D(s)稳定，D(z)一定稳定。3)当D(s)分子阶次比分母低时，在D(z)分子上匹配(z+1)因子，可获得双线性变换的效果。(三)由计算机实现的编程算法设数字控制器D(z)的一般形式为第二节数字PID控制一、数字PID控制器(一)模拟PID控制器在工业控制系统中，常常采用的单回路模

4、拟PID控制系统，其控制规律为（二）数字PID控制算法鉴于增量型算法的优点，我们可以对位置型算式作些改进。利用增量的概念，将式改写成式便是位置型PID控制算式的递推算法。(三)数字PID算法实施中的问题1．算法编程2．输出限幅3．积累整量化误差二、数字PID控制器的改进(一)积分项的改进1．积分分离法2．抗积分饱和法(二)微分项的改进1．不完全微分PID控制算法2．微分先行PID控制算式三、数字PID控制器的参数整定(一)采样周期的选择1．三个基本条件2．具体考虑的因数(1)给定值的变化频率(2)被控对象的特性(3)执行机构的类型(4)控制算法的类型(5)控制的回路数(三)

5、带死区的PID控制算法(二)凑试法确定PID控制器参数1．各参数对系统性能的影响2．整定步骤(1)先整定比例部分(2)加入积分控制(3)加入微分控制(三)按简易工程法整定PID参数1．扩充临界比例度法4)根据选定的控制度5)在PID控制器中设定所得参数，将系统投入运行并观察控制效果。2．扩充响应曲线法1)数字控制器不接人控制系统，手动突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。2)用记录仪表记录对象阶跃输入下的输出飞升曲线(s形曲线)。3)选择控制度Q2)用选定的采样周期使系统工作，去掉积分作用(T1取很大的数)和微分作用,仅保留比例作用。1)选择一个足够短的采样周期，具体地说

6、就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的1／10以下。4)在PID控制器中设定所得参数，将系统投入运行并观察控制效果。根据效果可适当微调参数，以获得满意的控制效果。(四)归一参数整定法3)在曲线最大斜率处作切线，按图示求得滞后时间，被控对象时间常数以及它们的比值，即可得数字控制器的参数：及采样周期T。一、最少拍控制器的设计(一)闭环脉冲传递函数的确定三种不同输入时对应的输出：(1)阶跃输入时(2)等速输入时(3)等加速输入时对于上述三种情况，进行z反变换后得到三种输入相对应的输出响应第三节最少拍控制器(二)最少拍控制器的可实现性问题(三)最少拍控制系统的稳定性问题(四)一般情

7、形最少拍控制器的设计（五）最少拍控制的存在问题(1)对不同输入信号类型的适应性差(2)对系统参数变化敏感(3)控制易于超过允许范围(4)在采样点之间存在纹波二、最少拍无纹波控制器的设计(一)最少拍无纹波系统对积分环节的要求(二)最少拍控制器稳态输出不波动的条件1)阶跃输入，当时，有常数。2)速度输入，当时，有常数。3)加速度输入，当时，有常数。(三)最少拍无纹波控制器确定的方法三、非最少拍控制(一)惯性因子法(二)非最少有限拍控制第四节达林(Dahlin)算法一、达林算法数字控制器的形式IBM公司的达林(Dahli