《计算机控制系统》PPT课件

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1、计算机控制系统2008年4月第5章计算机控制系统的经典设计方法-21第5章计算机控制系统的经典设计方法5.1连续域—离散化设计5.2数字PID控制器设计5.3控制系统z平面设计性能指标要求5.4z平面根轨迹设计5.5w’变换及频率域设计25.2数字PID控制器设计根据偏差的比例(Proportional)，Kp积分(Integral)，1/s微分(Derivative),s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。优点：原理简单通用性强便于调试3PID控制的基本原理比例控制器：u(t)=kpe(t

2、)kp,增益增大，调节作用强，输出易产生振荡比例积分（PI）控制器：滞后网络，消除静差比例微分（PD）控制器：超前网络，改善动特性提高系统频带PID调节器：综合调节动、静态特性适用于一般工业过程控制，对象模型参数模糊，依据经验调试；航空航天对象，控制更为精确，仅靠PID不够45.2.1数字PID基本算法1．模拟PID控制算法的离散化模拟PID控制器的基本规律：离散化kT均用k简化表示向后差分：5位置式算法的问题U(k)对应于执行机构的位置，叫位置式算法U(k)与e(i)，i=0,1,2,…k有关，需要所有k个点上的值，计

3、算费时，存储量大U(k)对应于执行机构的位置，生产上不安全如果出现计算机故障，U(k)=0，位置突然变为0，不安全62．PID的增量式算法仅对应执行机构（如阀门）位置的改变量算法优点：（1）较为安全。因为一旦计算机出现故障，输出控制指令为零时，执行机构的位置（如阀门的开度）仍可保持前一步的位置，不会给被控对象带来较大的扰动。（2）计算时不需进行累加，仅需最近几次误差的采样值。主要问题：执行机构的实际位置（控制指令全量的累加）需要用计算机外的其他的硬件(如步进电机)实现。7图5-21PID计算机控制系统a－位置式算法b－增量

4、式算法85.2.2数字PID控制算法改进1、抗积分饱和算法(1)积分饱和的原因及影响如果长时间出现偏差或偏差较大，计算输出的控制量很大，超出D/A转换器所能表示的数值范围。执行机构已到极限位置，仍不能消除偏差，且由于积分作用，尽管PID控制器所得的运算结果继续增大，但执行机构已无相应的动作，这就称为积分饱和。当控制量达到饱和后，控制不起作用，闭环控制系统相当于被断开。9小信号控制下，积分器没有饱和的响应曲线。控制饱和值不变，但系统给定值加大，使控制作用出现饱和时的仿真曲线在同样给定值时，控制作用没有饱和限制时的仿真曲线。1

5、01.抗积分饱和算法(2)积分饱和抑制①积分分离法：基本控制思想：规定门限值;误差e(k)>，=0（取消积分）；误差e(k)<=，=1（引入积分）无积分分离的响应曲线有积分分离的响应曲线图5-23积分分离法11(2)积分饱和抑制②遇限削弱积分法：基本思想：当控制量进入饱和区后，只执行削弱积分项的累加，不进行增大积分项的累加。即系统在计算u(k)时，先判断u(k-1)是否超过门限值。若超过某个方向门限值时，积分只累加反方向的e(k)值。具体算式为：若且不进行积分累加；进行积分累加。若且不进行积分累加；若进行积分累加

6、。若12(2)积分饱和抑制③饱和停止积分法：基本思想：当控制作用达到饱和时，停止积分器积分，而控制器输出未饱和时，积分器仍正常积分。特点：简单易行，但不如上一种方法容易使系统退出饱和具体算式为：若不进行积分运算；进行积分运算。若13(2)积分饱和抑制④反馈抑制积分饱和法：基本思想：测量执行机构的输入与输出，并形成误差es，将该信号经过增益1/Tt反馈至积分器输入端，降低积分器输出。当执行机构未饱和时，es=0；当执行机构饱和时，附加反馈通道使误差信号es趋于零，使控制器输出处于饱和极限。图5-24反馈抑制积分饱和法方案要求

7、：系统可以测量执行机构的输出。若无法测量执行机构的输出，可以在执行机构之前加入执行机构带饱和限幅的静态数学模型，利用该模型形成误差es，并构成附加反馈通道。142.微分算法的改进(1)不完全微分的PID算式（采用带惯性环节的实际微分器）引入微分改善了系统的动态特性，但由于微分放大噪声的作用也极易引进高频干扰。微分环节难于实现不完全微分PID位置算法15不完全微分PID与基本PID控制作用比较在e(k)发生阶跃突变时，完全微分作用仅在控制作用发生的一个周期内起作用；不完全微分作用则是按指数规律逐渐衰减到零，可以延续几个周期，

8、且第一个周期的微分作用减弱。图5-26不完全微分的阶跃响应162.微分算法的改进(2)微分先行PID图5-27微分先行结构图对给定值和输出量都有微分作用。只对输出量微分。适用于给定值频繁升降的场合，可以避免因输入变动而在输出上产生跃变175.2.3PID调节参数的整定1）扩充临界比例度法（临界放大系数法