最新第4章 常规及复杂控制技术 计算机控制技术课件幻灯片.ppt

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1、第4章常规及复杂控制技术计算机控制技术课件设计方法: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。4.1.1数字控制器的连续化设计步骤4.1.2数字PID控制器的设计4.1.3数字PID控制器的改进4.1.4数字PID控制器的参数整定4.1 数字控制器的连续化设计技术计算机控制系统的结构框图:这是一个采样系统的框图:控制器D(Z)的输入量是偏差,U(k)是控制量H(S)是零阶保持器G

2、(S)是被控对象的传递函数4.1.1数字控制器的连续化设计步骤3.将D(S)离散化为D(Z)(1)双线性变换法(2)前向差分法(3)后向差分法(1)双线性变换法双线性变换或塔斯廷(Tustin)近似双线性变换也可从数值积分的梯形法对应得到。设积分控制规律为两边求拉氏变换后可推导得出控制器为当用梯形法求积分运算可得算式如下上式两边求Z变换后可推导得出数字控制器为(2)前向差分法利用级数展开可将Z=esT写成以下形式Z=esT=1+sT+…≈1+sT由上式可得前向差分法也可由数值微分中得到。设微分控制规律

3、为两边求拉氏变换后可推导出控制器为采用前向差分近似可得上式两边求Z变换后可推导出数字控制器为(3)后向差分法利用级数展开还可将Z=esT写成以下形式4.设计由计算机实现的控制算法数字控制器D(Z)的一般形式为下式,其中n≥m,各系数ai,bi为实数,且有n个极点和m个零点。U(z)=(-a1z-1-a2z-2-…-anz-n)U(z)+(b0+b1z-1+…+bmz-m)E(z)上式用时域表示为u(k)=-a1u(k-1)-a2u(k-2)-…-anu(k-n)+b0e(k)+b1e(k-1)+…+bm

4、e(k-m))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,这一步可由计算机控制系统的数字仿真计算来验证,如果满足设计要求设计结束,否则应修改设计。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。PID调节器之所以经久不衰,主要有以下优点:1.技术成熟,通用性强2.原理简单,易被人们熟悉和掌握3.不需要建立数学模型4.控制效果好1.模拟PID调节器对应的模

5、拟PID调节器的传递函数为PID控制规律为KP为比例增益,KP与比例带δ成倒数关系即KP=1/δTI为积分时间,TD为微分时间u(t)为控制量,e(t)为偏差2.数字PID控制器由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。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(2)数字PID增量型控制算法(1)数字PID位置型控制算法怎么得来的呢?(2)数字PID增

6、量型控制算法3、数字PID控制算法实现方式比较控制系统中:①如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位置式控制算法;②如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增量式控制算法;增量式控制算法的优点:(1)增量算法不需要做累加,控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关,计算误差或计算精度问题,对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值,容易产生大的累加误差。(2)增量式算法得出

7、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。而位置算法的输出是控制量的全量输出,误动作影响大。(3)采用增量算法,易于实现手动到自动的无冲击切换。4.数字PID控制算法流程位置型控制算式的递推算法:利用增量型控制算法,也可得出位置型控制算法:u(k)=u(k-1)+Δu(k)=u(k-1)+q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)4.1.3数字PID控制器的改进1.积分项的改进2.微分项的改进3.时间最优+PID

8、控制4.带死区的PID控制算法1.积分项的改进(1)积分分离(2)抗积分饱和(3)梯形积分(4)消除积分不灵敏区积分的作用?消除残差,提高精度(1)积分分离在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出有很大的偏差,会造成PID运算的积分积累。由于系统的惯性和滞后,在积分累积项的作用下,往往会产生较大的超调和长时间的波动。特别对于温度、成份等变化缓

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