计算机控制系统的模拟化课件.ppt

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1、第五章计算机控制系统的模拟化设计5．1概述调节器被控对象测量环节给定值被控变量典型的连续控制系统数字调节器被控对象测量环节典型的计算机控制系统A/D执行器保持器MUX采样保持器计算机接口板二者：计算机控制系统：多路开关，采样保持，A/DD/A转换，数字调节器是不同于连续系统的。经过转换的信息既不会带来大的误差，也不会带来大的滞后，当信息经过保持器时，将会发生幅值衰减和相角滞后。是以采样角频率ws为周期的连续频谱。零阶保持器输出的频率特性：当采样频率足够高时，由于保持器的低通滤波特性，除了主谱以外高频部分

2、都被滤掉。当信号U0（jw）的截止频率wm<

3、由L(w)G(s)(即D(z))P148例5.15.3数字PID控制：在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制原理框图如图所示：PID------线性控制器e(t)=r(t)-c(t)微分方程模型：PID调节器的广框图传递函数形式：式中：——比例系数；——积分时间常数；——微分时间常数。PID中各环节作用如下：比例环节（P）：即时成比例地反映控制系统偏差信号e(t),控制作用立即产生，以减少偏差。积分作用（I）：消除静差，提高系统的误差度，积分作用强弱取决于积分时间常数Ti。

4、微分环节（D）：能反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID和增量式PID。位置式PID算法按模拟PID控制算法的算式，现以一系列采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则工作如下近似变换：T-----采样周期可见，上述离散化过程中，采样周期T必须足够高，才能保证有足够的精度。*为书写方便，将e(kT)简化表示成e（k）等，即省去T。因为：数

5、字PID调节器的方框图式中：PID控制中，比例作用Kp加大会减小稳态误差，提高系统的动态响应速度。P150例5.2P-比例控制。P152例5.3比例(P)-积分（I）控制。P153例5.4比例(P)-积分(I)-微分(d)控制。PIPIDP10位置式PID缺点：1、全量输出，每次输出均与进去的状态有关，计算机要对e（k）进行累加，运算量大。2、u（k）个对应执行机构的位置，若计算故障，u（k）的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化。可能造成生产事故。增量式PID：当执行机构需要的是控制量增量（例如

6、驱动步进电动机）时，可导出供增量PID控制式：增量式PID的算法流程图优点：1、数字调节器只输出增量，计算机误动作时，造成的误动作的影响小。2、手-自动切换的冲击小；3、算式不需要作累加，容易获得较好的控制效果。5.4数字PID控制的改进在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大；在模拟PID控制中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的需要。几种典型改进算法：•积分分离PID控制算法；•遇限削弱积分PID控制算

7、法；•不完全微分PID控制算法；•微分先行PID控制算法；•带死区的PID控制算法。5.4.1积分分离PID控制算法积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高精度。但在过程的启动，结束或大幅度增减设定值时，短时间由系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，可能使控制量超过执行机构可能的最大动作的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。引进积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。实现：⑴、根据实际情况，人为设定一阈值ε>0；⑵、当

8、e(k)

9、

10、>εPD控制（避免过大的超调，使系统有较快的响应。）⑶、当

11、e(k)

12、<=εPID控制（保证系统控制精度）位置式PID积分分离形式：PID积分分离PID积分分离PID的算法流程图输入r(kT),采样y(kT)是否5.4.2遇限削弱积分PID控制算法分离PID控制算法在开始时不积分，遇限削弱积分PID控制算法则正好与之相反，一开始就积分，进行限制范围后即停止积分，而遇限削弱积分PID控制算法的基本思想是：当控制进入饱和区以后，便不再积分项的累