最新第4章 常规控制技术PPT课件.ppt

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1、第4章常规控制技术第4章常规控制技术计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。本章主要介绍计算机控制系统的常规及复杂控制技术。常规控制技术介绍数字控制器的连续化设计技术和离散化设计技术；对大多数系统，采用常规控制技术均可达到满意的控制效果。4.1数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在s域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。2006COLLEGEOFELECTRICALE

2、NGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY4.1数字控制器的连续化设计技术4.1.1数字控制器的连续化设计步骤在图4.1所示的计算机控制系统中G(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器，D(z)是数字控制器。现在的设计问题是：根据已知的系统性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。1.设计假想的连续控制器D(s)由于人们对连续系统的设计方法比较熟悉，因此，可先对图4.2所示的假想的连续控制系统进行设计，如利用连续系统的频率特性法、根轨迹法等设计出假想的连续控制器D(s)。2006COLLEGEOFELECTRICALENG

3、INEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY4.1数字控制器的连续化设计技术4.设计由计算机实现的控制算法设数字控制器D(z)的一般形式为：(4.1.24)式中n≥m，各系数ai，bi为实数，且有n个极点和m个零点。式（4.1.24）又可写为：上式用时域表示为：(4.1.25)利用上式即可实现计算机编程，因此上式称为数字控制器D(z)的控制算法。5.校验控制器D(z)设计完并求出控制算法后，须按图4.1所示的计算机控制系统检验其闭环特性是否符合设计要求，可由计算机控制系统的数字仿真计算来验证。2006COLLEGEOFELECTRICALE

4、NGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY4.1数字控制器的连续化设计技术4.1.2数字PID控制器的设计根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。不过，用计算机实现PID控制，不是简单地模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，是PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。1.模拟PID调节器在工业控制系统中，常常采用如图4.3所示的PID控制，其控制规律为：(4.1.26)对应的模拟PID调节器的传递函数为：(4.1.27)其中Kp为比

5、例增益，Kp与比例度δ成倒数关系即KP=1/δ，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(t)为控制量，e(t)为偏差。2006COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY4.1数字控制器的连续化设计技术2.数字PID控制器在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。（1）数字PID位置型控制算法为了便于计算机实现，必须把控制规律式变换成差分方程，为此可作如下近似：(4.1.28)(4.1.

6、29)式中，T为采样周期，k为采样序号。由式（4.1.26）（4.1.28）（4.1.29）可得数字PID位置型控制算式为：(4.1.30)式（4.1.30）表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k)，如阀门的开度，所以被称为数字PID位置型控制算式。（2）数字PID增量型控制算法由式（4.1.30）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i)，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此可对上式进行改进。2006COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY4.1数字控制器的连

7、续化设计技术根据式（4.1.30）不难写出u(k-1)的表达式，即：(4.1.31)将以上两式相减，即得:(4.1.32)其中称为比例增益；称为积分系数；称为微分系数。为了编程方便，将上式整理成如下形式：(4.1.33)其中(4.1.34)2006COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY4.1数字控制器的连续化设计技术3.数字PID控制算法实现方式比较在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置式控制算型，如图4.4所示。如

8、执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID