数字控制器的设计.ppt

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1、计算机控制技术1第5讲数字控制器的设计计算机控制技术2数字控制器概述数字控制器的模拟化设计数字控制器的离散化设计数字PID控制算法常规控制方案先进控制方案本讲主要内容计算机控制技术35.1数字控制器概述本节主要内容数字控制器概念数字控制器的设计方法模拟系统的离散化方法一、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。控制器设定值被控参数被控对象+-计算机控制技术42.什么是模拟控制器？3.什么是数字控制器？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

2、、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模块计算机控制技术5二、数字控制器的设计方法1.计算机控制系统的结构特点结论：计算机控制系统是数字信号与连续信号并存的“混合系统”。计算机控制技术6图5-1计算机控制系统结构图计算机控制技术72.数字控制器的设计方法两种设计方法：模拟设计方法、离散设计方法（1）模拟设计方法（间接设计法）思路：先将系统看作连续系统，用经典控制理论设计出模拟控制器的数学模型，再将其离散化为数字控制器算法

3、模型特点：方法简单、但采样周期会影响系统的稳定性及动态特性（2）离散设计方法（直接设计法）思路：直接将系统离散化为离散系统，用采样控制理论设计数字控制器算法模型特点：方法复杂，控制品质好，多用于随动系统设计（1）基本的差分方法：——前向差分和后向差分前向差分：（下一时刻采样值—当前时刻采样值）/采样周期后向差分：（当前时刻采样值—前一时刻采样值）/采样周期后向差分利用编程实现！（2）一阶后向差分：（3）二阶后向差分：计算机控制技术8三、模拟系统的离散化方法两种常用方法：差分变换法和Z变换法1.差分变换法：主要用于对模拟控制器的离散化计算机控制技术92.Z变换法：主要用于对连续

4、系统的离散化Z变换的定义式（1）Z变换的思想：对采样后的信号进行拉式变换设被采样信号为，采样后的信号为则有：对上式进行拉式变换，有引入积分因子则有：计算机控制技术10（2）Z变换的重要定理初值定理：终值定理：（3）Z平面与S平面的映射关系设则有所以计算机控制技术113.零阶保持器法（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因此有其中，为零阶保持器的传递函数所以式（5-1）5.2数字控制器的模拟化设计本节主要内容模拟PID控制器数字PID控制器的基本算法数字PID控制器的改进算法数字PID控制器的参数整定数字

5、PID控制器的工程实现计算机控制技术12计算机控制技术13一、模拟PID控制器PID控制器1.结构及特点：特点：1）PID控制器是一种线性控制器2）根据对象的特性和控制要求可以灵活地改变其结构3）无需建立数学模型，控制效果好PID控制器是实际工业控制过程中应用最广泛、最成功的一种控制方法。图5-2模拟PID控制器结构图控制规律：特点：1）响应及时，控制力正比于比例系数2）随着比例系数的增大，静差减小，过渡过程缩短，稳定程度变差，且仅靠比例环节不能消除静差结论：应选择尽量大的比例系数计算机控制技术142.PID控制器各环节对系统性能的影响：（1）比例环节（2）积分环节控制规律：

6、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计算机控制技术15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3.PID控制器的常用控制规律P调节器、PI调节器、PD调节器和PID调节器控制规律：特点：1）响应及时，控制力正比于微分时间常数2）随着微分时间常数的增大，会增大截至频率和相角裕度，减小超调和调节时间，提高快速性和平稳性3）降低了系统的型别，会放大系统的高频干扰结论：应选择合适的微分时间常数，且一般不单独使用（1）

7、PI调节器调节规律：特点：1）提高系统的型别，消除稳态误差2）提高系统抗高频干扰的能力3）增加了相位滞后，减小了相角裕度4）降低系统频带宽度，增大了调节时间计算机控制技术16图5-3模拟PI调节器阶跃响应曲线（2）PD调节器调节规律：计算机控制技术17特点：1）微分的加入使得系统频带加宽，调节时间缩短，超调减小2）改善了相位裕度，增大了阻尼，提高了稳定性，加快了响应速度3）微分的加入同时降低了系统抗高频干扰的能力4）微分时间常数过大会使得系统不稳定图5-4模拟PD调节器阶跃响应曲线计算机控制技术18（3