计算机控制技术教学课件 刘福荣 第3章.ppt

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1、《计算机控制技术》第3章计算机控制系统的控制算法二五四3.1数字控制器的模拟化设计方法3.2数字PID控制算法3.3数字PID调节器参数的整定3.4数字控制器的直接设计方法3.5施密斯(Smith)预估控制3.6大林算法3.1数字控制器的模拟化设计方法计算机控制属于离散控制，可采用直接设计系统控制器的方法。当采样周期相对于对象的时间常数来说足够短，离散控制与模拟控制的性能接近时，系统控制器亦可采用模拟控制器数字化的方法来设计，也就是将描述系统调节规律的微分方程近似为差分方程，导出控制算法，用计算机实现。一、模拟化设计方法图3-1计算

2、机控制系统的典型结构图二、模拟化设计步骤第一步：用连续系统理论设计；第二步：选择采样周期T；第三步：用合适的离散化方法求出；第四步：将变为差分方程或状态空间方程；第五步：编写计算机程序。3.2数字PID控制算法PID控制器出现在20世纪30年代，其主要是根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制的控制规律，简称PID控制。PID控制具有原理简单，易于实现，参数调整方便，结构改变灵活，适用性强，鲁棒性强等优点。一、基本PID算法1.比例控制器（P）比例控制器的控制规律为比例调节器对于偏差是即时反应，根据误差进行调节，使系统沿

3、着减小误差的方向运动。误差大则控制作用也大。比例调节器一般不能消除稳态误差。2.比例积分(PI)控制器消除静差的有效的方法是在比例控制的基础上加积分控制，构成比例积分控制。比例积分控制器的控制规律为：积分调节的引入，可以消除或减少控制系统的稳态误差。但是积分的引入，有可能使系统的响应变慢，并有可能使系统不稳定。3.比例积分微分(PID)控制器微分的作用是在误差刚出现且误差值尚不大时，根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用，使误差尽快消除。比例积分微分控制器的控制规律为：微分作用的增加有助于加速系统的动态响应，使系统超调减少，系统

4、趋于稳定。但微分作用有可能放大系统的噪声，减低系统的抗干扰能力。二、数字PID算法1.PID算法的离散化3.位置式PID和增量式PID的功能比较(1)位置式需要由机器外部引入执行机构的初始位置，而增量式是不需要的。(2)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，使工艺生产在计算机故障时不受大的干扰，而位置式本身不具备这种功能。(3)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，容易产生较大的累积计算误差；而增量型算式中由于消去了积分项，容易取得较好的控制效果。(4)为实现手动——自动无扰切

5、换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度，若采用增量式，其输出对应于阀门位置的变化部分，易于实现从手动到自动的无扰动切换。三、数字PID改进算法1.不完全微分PID算法由于理想的微分对高频噪声有很大的放大作用，容易引起控制过程振荡，降低调节品质，因此考虑对理想的微分环节进行改进，在数字控制器中串接入低通滤波器来抑制高频干扰，不完全微分PID调节器框图如上图所示。2.积分分离PID算法积分分离算法的思想是在较大时，取消积分作用；而在较小时将积分作用投入。3.防积分饱和PID算法(1)给定值变化限制。(2)积分停止算法。(3)

6、增量式算法。(4)反向计算。4.微分先行PID算法图3-2微分先行PID控制框图5.消除积分不灵敏区的PID控制图1-5DDC系统原理框图为了消除这种积分不灵敏区，除增加A/D转换器位数，以加长字长，提高运算精度外，还可以将小于输出精度的积分项累加起来，而不将其丢掉，直到累加值大于，才输出累加和。6.带死区的PID算法在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时采用带有死区的PID控制系统。带死区的PID控制，就是在标准数字PID调节器前面增加一个非线性环节。3.3数字PID调节器参数的

7、整定数字PID调节器参数的整定，需要确定，及系统的采样周期T。控制效果的好坏，在很大程度上取决于参数的选择是否恰当。一、PID参数对系统控制性能的影响1.比例控制对控制性能的影响2.积分控制对控制性能的影响3.微分控制对控制性能的影响4.控制规律的选择5.采样周期的选择二、扩充临界比例度法整定PID参数1.选择一个足够短的采样周期T；2.逐渐加大比例系数，使控制系统出现临界振荡；3.选择控制度；4.根据控制度，查表；5.按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。三、扩充响应曲线法整定

8、PID参数1.断开数字调节器，让系统处于手动操作状态；2.用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线；3.在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ、被控对象的时间常数，查表。四、试凑法整定PID参数1.首先只整定比例部分；2.如果