第5章1--常用的微机控制技术.ppt

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1、第五章常用微机控制技术5.1数字PID控制器5.2串级控制技术5.3前馈-反馈控制技术5.4顺序控制技术5.5模糊控制技术5.6神经网络控制技术5.1数字PID控制器一、数字控制器二、PID三量的控制作用三、PID控制规律的数字化实现算法四、数字PID控制器的改进五、数字PID控制器的参数整定一般工业控制对象都是连续系统，而计算机是处理数字信号的，这样的系统中既有连续信号又有离散信号，称为混合系统。一、数字控制器见下页图示。1.数字控制器的两类设计方法从A’B’两点向左看，即把D/A转换器、数字控制器、A/D转换器看作一个整体，可等效成一个模拟控制器D(s)，加上对象G0(s)，这时整个系统

2、可看作连续系统，见下页图a。若从AB两点向右看，即把D/A转换器、被控对象、A/D转换器看为一体，等效成一个离散对象G(z)，加上数字控制器D(z)，这时整个系统可看作离散系统，见下页图b。所以对于混合系统，控制器有两种设计方法，一是先按连续系统设计出模拟的控制器，然后再离散化。二是直接设计出数字控制器。所谓设计数字控制器，就是在已知对象数学模型和要求达到的性能指标基础上，设计出满足要求的计算机编程算法。2.数字控制器的连续化设计（1）按给定的对象G0(s)和要求的性能指标，用连续系统的设计方法设计出模拟控制器D(s)；（2）选择合适的采样周期；（3）将D(s)离散化为D(z)；根据选定的采

3、样周期，选用一种方法，由D(s)求出D(z)；（4）仿真检查系统性能是否满足设计要求；（5）按算法编程。返回本节1.比例控制器设比例控制器控制规律为二、PID三量的控制作用比例控制器阶跃响应曲线比例控制能迅速反映偏差，调节作用及时，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差；当Kp调得太大时，可能引起系统的不稳定。2.比例积分控制器设积分控制器控制规律为积分控制器阶跃响应曲线为积分时间常数，表示积分速度的大小，越小，积分速度越快，作用越强。积分控制的作用是，只要系统存在偏差，积分控制作用就不断地积累，积分项对应的控制量不断增大，以消除误差。积分控制是靠对偏差积累进行控制的，控制起作用缓慢。如果

4、积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。设比例积分控制器控制规律为比例积分控制器阶跃响应曲线比例积分控制器可以使系统的响应快速性和稳态精度得以改善。3.比例、积分、微分控制器微分控制器阶跃响应曲线设微分控制器控制规律为微分作用与偏差信号的变化率成正比，有助于减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性。微分控制具有预测误差变化趋势的作用，具有超前控制作用，可以加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。缺陷是容易引入高频噪声，在存在严重干扰的情况下不宜引入微分控制作用。则PID控制器控制规律为返回本节三、PID控制规律的数字化实现算法1.模拟PID控制器在工业控制系统中

5、，常常采用如图所示的单回路PID控制系统。单回路PID控制系统拉氏变换并整理后可得PID控制器的传递函数其控制规律为:即由计算机软件来实现PID控制律，可将模拟PID控制规律通过离散化方法获得数字PID控制算法。2.数字PID控制算法对应的差分方程为：此式称为位置式PID算式，其控制系统图如下。位置式PID控制算法程序框图PIDPI由此位置式PID算式可推导出增量式PID算式：其中：为比例增益，为积分系数，为微分系数。为了编程方便，可按偏差项合并整理成如下形式：此式称为增量式数字PID算式，其中：增量式PID控制算法程序框图采用增量式数字PID算式计算得到的是控制量的增量。增量型算法具有以下

6、优点。(1)不需要做累加，增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关。计算精度对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去的偏差的累加值，容易产生大的累加误差。(2)增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置型算法是控制量的全量输出，误动作影响大。(3)采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。在手动到自动切换时，增量型算法不需要知道切换时刻前的执行机构位置，只要输出控制增量就可以做到无扰切换。而位置型算法实现无扰手动到自动切换，必须知道切换时刻前的执行机构的位置，无疑增加了设

7、计的复杂性。鉴于增量型算法的优点，可对位置型算式做下面改进：这是位置型PID控制算式的递推算法，它克服了计算偏差累计和的弊端,成为实用的位置式PID控制算式。下图为51单片机PID增量型控制算法的流程图，算法以子程序调用的形式出现。q0、q1、q2提前算好，e(k-1)和e(k-2)在程序初始化阶段置零。程序的入口参数：给定值r测量值y偏差e(k)、e(k-1)、e(k-2)这5个参数均为3字节的浮点数，低字