计算机控制技术西电版第6章计算机控制系统的控制规律ppt课件.ppt

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1、第6章计算机控制系统的控制规律6.1概述6.2被控对象的传递函数与性能指标6.3数字PID控制器6.4直接数字控制器的设计方法6.5大林算法6.6史密斯预估补偿6.7数字控制器的计算机实现在计算机控制系统中，计算机代替了传统的模拟调节器，成为系统的数字控制器。它可以通过执行按一定算法编写的程序，实现对被控对象的控制和调节。由于控制系统中的被控对象一般多为模拟装置，具有连续的特性，而计算机却是一种数字装置，具有离散的特性，因此计算机控制系统是一个既有连续部分，又有离散部分的混合系统。6.1概述在计算机控制系

2、统中，数字控制器通常采用两种等效的设计方法。一种方法是，在一定的条件下，将计算机控制系统近似地看成是一个连续变化的模拟系统，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，然后再将模拟控制器进行离散化，得到数字控制器。这种设计方法称为连续化设计方法（间接设计法）。另一种是假定对象本身就是离散化模型或者用离散化模型表示的连续对象，再把计算机控制系统经过适当的变换，变成纯粹的离散系统，然后以Z变换为工具进行分析设计，这种方法称为离散化设计方法（直接设计法）。6.2.1计算机控制系统被控对象的传递函数1.

3、放大环节放大环节的传递函数为G(s)=K2.惯性环节n阶惯性环节的传递函数为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中，T1，T2,…,Tn为时间常数。若T1=T2=…=Tn=T，则为6.2被控对象的传递函数与性能指标3.积分环节n阶积分环节的传递函数为4.纯滞后环节纯滞后环节的传递函数为实际被控对象的数学模型就是由这些放大环节与惯性环节、积分环节或纯滞后环节的某几个共同组成。这样实际被控对象可记为6.2.2计算机控制系统的性能指标1.系统的稳定性当一个实际的系统处于一个平衡的状态时，如果受到外

4、来作用的影响时，系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，我们称这个系统就是稳定的，否则称系统不稳定。当然系统的稳定性只是对系统的一个基本要求，一个另人满意的控制系统必须还要满足许多别的指标，例如过渡时间、超调量、稳态误差、调节时间等。一个好的系统往往是这些方面的综合考虑的结果。性能指标：动态指标、稳态指标。动态指标：能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性。超调量σ，调节时间tS，峰值时间tP，衰减比η(或衰减率ψ)，振荡次数N。稳态指标：是衡量控制系统精度的指标。稳态误差ess2.性

5、能指标ess6.2.3对象特性对控制系统性能的影响被控对象用传递函数来表征时，其特性可以用放大系数K、时间常数T和纯滞后时间τ来描述。针对控制通道的被控对象特性对控制系统性能的影响进行描述：1.放大系数K对控制性能的影响控制通道的放大系数K越大，系统调节时间越短，稳态误差ess越小，但K偏小时对系统的性能没有影响，因为K完全可以由调节器D(s)的比例系数KP来补偿。2.惯性时间常数T对控制性能的影响控制通道惯性时间常数T越小，系统反应越灵敏，控制越及时，控制性能越好，但T过小会导致系统的稳定性下降。3.对

6、象纯滞后时间对控制性能的影响控制通道纯滞后时间τ的存在，使被控量不能及时反映系统所承受的扰动。因此这样的系统必然会产生较明显的超调量σ，使超调量σ增大，调节时间ts加长，这类系统是工程界公认的较难控制的过程，其控制难度将随着纯滞后τ占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。纯滞后时间τ越大，控制性能越差。概述PID控制是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种控制规律(调节方式)。PID控制的实质是根据输入的偏差值，按比例P、积分I、微分D的函数关系进行运算，然后将其运算结果通过线性组合构成控制量用于输出控制

7、。在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制，如P、PI或PD控制器。6.3数字PID控制器（间接设计法）1.比例(P)控制器比例控制是数字控制中最简单的一种控制方法，实质上是一个具有可调增益的放大器。其特点是控制器的输出与控制偏差e成线性比例关系。比例系数KP的大小决定了比例控制器控制的快慢程度，KP大控制器控制的速度快，但KP过大会使控制系统出现超调或振荡现象。KP小控制器调节的速度慢，但KP过小又起不到控制作用。2.比例积分(PI)控制器比例控制器的主要缺点是存在无法

8、消除的静差值，影响了控制精度。为了消除静差值，在比例控制器的基础上加入一个积分控制器构成比例积分PI控制器。这可以提高系统的性能，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。3.比例微分(PD)控制器PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，因此PD控制器有助于改善系统的动态性能。在模拟调节系统中，PID控制算法的模拟表达式为：式中：y(t)—