数字控制器的连续化设计

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1、数字控制器设计本章要点1.连续化设计方法重点：数字PID设计2.直接离散化设计方法重点：最少拍控制算法3.大林算法与纯滞后控制4.模糊控制基础本章主要内容引言9.1数字控制器的连续化设计9.2数字控制器的离散化设计9.3模糊控制技术本章小结思考题引言自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上

2、，即数字控制器的设计上。9.1数字控制器的连续化设计主要知识点:9.1.1数字控制器的连续化设计步骤9.1.2数字PID控制算法9.1.3数字PID的改进9.1.4数字PID的参数整定9.1.1数字控制器的连续化设计步骤基本设计思想设计假想连续控制器离散化连续控制器离散算法的计算机实现与校验连续化设计的基本思想把整个控制系统看成是模拟系统，利用模拟系统的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后再通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。D(s)设计假想连续控制器1.原则上可采用连续控制系统中各种设计方法

3、工程上常采用已知结构的PID控制算法2.零阶保持器的处理方法（1）采样周期足够小时，可忽略保持器，（2）W变换设计法：利用下面公式离散化后再进行W变换,按G(w)进行连续化设计连续控制器的离散化离散化方法：3.零极点匹配法：1.双线性变换法：2.向后差分法：离散算法的计算机实现设计性能校验：常采用数字仿真方法验证9.1.2数字PID控制算法PID控制算法的优越性：c.算法简单，易于掌握；a.P、I、D三个参数的优化配置，兼顾了动态过程的现在、过去与将来的信息，使动态过程快速、平稳和准确；b.适应性好，鲁棒性强；动画链接理想PI

4、D控制算法连续形式离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分位置算式动画链接理想PID的递推算式向后差分法离散化动画链接理想PID的增量差分形式其中动画链接实际微分PID控制算法实际微分PID的一种连续形式理想微分PID的不足：（1）干扰作用下机构动作频繁（2）微分输出常越限,不能充分发挥作用动画链接实际微分的离散化差分形式理想微分PID与实际微分PID阶跃响应对比实际微分PID与理想微分PID对比（1）理想微分PID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一个大幅度的输出，在实际使用这会产生两方面的问题。一是控制输出可能超过执行

5、机构或D/A转换的上下限，二是执行机构的响应速度可能跟不上，无法在短时间内跟踪这种较大的微分输出。这样在大的干扰作用情况下，一方面会使算法中的微分不能充分发挥作用，另一方面也会对执行机构产生一个大的冲击作用。相反地，实际微分PID算法由于惯性滤波的存在，使微分作用可持续多个采样周期，有效地避免了上述问题的产生，因而具有更好的控制性能。（2）由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易在系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机构的使用寿命。而实际微分PID算法中包含有一阶惯性环节，具有低通滤波的能力，抗干扰能力较

6、强。其它形式的实际微分PID手动/自动跟踪与无扰动切换（1）自动到手动主要由手动操作器的硬件实现手动操作器：自动状态下----跟随器切换过程中----保持器手动状态下----操作器（2）手动到自动起主要作用的是计算机PID算法的软件需硬件支持，采样手动器或执行机构输出的所谓阀位值，即获得手动/自动跟踪与无扰动切换（续）（2）手动到自动目的：使手动状态下：使算法中等历史状态清零切换过程中：目的使1）SP跟踪PV：完全无扰，缺点SP须重新设定2）SP不跟踪PV：无须重设SP,切自动时偏差不能过大，以利减小切换扰动9.1.3数字PI

7、D算法的改进常用改进算法：积分分离算法抗积分饱和算法微分项改进带死区的算法积分分离算法现象：一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差普通分离算法：大偏差时不积分当时，采用PID控制当时，采用PD控制积分分离值的确定原则图9-3不同积分分离值下的系统响应曲线变速积分0BA+B-B-A-Be(k)tPID变速积分变速积分PDPD抗积分饱和措施现象：由于控制输出与被控量不是一一对

8、应的，控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态，当需要控制量返回正常值时，无法及时“回头”，使控制品质变差。抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分当时，采用PD控制当时，采用PD控制其他情况，正常的PID控制串级系统抗积分饱和副调节