控制技术电子教案(第6课)ppt课件.ppt

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1、东南大学计算机学院计算机控制技术主讲教师：徐造林第6章数字控制器的模拟化设计技术6.1数字控制器的连续化设计方法计算机控制系统的设计：根据系统的性能指标，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法；两种设计方法：离散化设计方法和连续化设计方法；本章主要讲述连续化设计方法。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，通过近似离散为数字控制器，由计算机程序来实现。设计的问题是根据系统的性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。图6.1◆设想的连续控制器图6.2◆选择采样周期T计算机控制系统中的零阶保持

2、器H(s)完成连续信号的恢复；零阶保持器的传递函数：对H(s)作一定的化简处理上式表明零阶保持器H(s)可用半个采样周期的时间滞后环节来近似。采样周期选择：◆将D(s)离散化为D(z)1）双线性变换法上式可由积分梯形法求得2）前向差分法上式可由数值微分法求得3）后向差分法上式可由后向差分得到例：求连续环节D(s)=K/[s(T1s+1)]的离散化传递函数D(z)和差分方程。差分方程为：后向差分差分方程为：采用前向差分法双线性变换法？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：在时域表示为u(k)，

3、它是计算机编程的依据。5）用计算机仿真，验证其设计的正确性。PID控制：根据偏差的比例、积分、微分进行控制。图6.3◆模拟PID调节器6.2数字PID控制器的设计◆三种基本的控制规律—PID作用▼比例作用比例控制是一种非常直观的控制规律，具有三个基本特性。1）偏差为正时，控制作用发生某一方向的变化，其效果应能使操纵变量朝向消除偏差的方向移动。2）在一定界限内，控制作用的变化量与偏差的大小成比例。3）比例控制作用的变化范围是有界限的，在控制作用到达上下限后，即使偏差进一步扩大，控制作用也不再变化。KP大KP小KP中KP大KP小KP中给定值

4、变化扰动作用下纠偏及时，动作猛烈。运动迟缓，但很平衡。图6.4比例控制作用下的系统存在残差。单纯比例（P）控制作用适合于控制精确要求不高或负荷变化不大的过程。好多液位控制系统采用P作用控制器较为合适。▼积分作用1）偏差为正与为负时，控制作用的变化方向是不同的。2）在一定界限内，控制作用的变化量与偏差对时间的积分值成正比，即，控制作用的变化速度与偏差成正比。3）积分控制作用的变化范围也是有界限的，在控制作用到达上下限后，即使偏差进一步加大，控制作用也不再变化。▼积分作用的稳定特性图6.5图6.6图6.7图6.8积分作用具有时间滞后性质

5、积分作用主要取其“有差即动，无差便停”的特点，用以消除残余偏差。图6.9积分饱和：执行结构已到极限位置，仍然不能消除偏差，由于积分作用，PID差分方程所得的运算结果仍在增大或减小，但执行结构已无相应动作。▼微分作用1）偏差上升或下降时，控制作用按不同方向变化。2）在一定界限内，控制作用的变化量与偏差变化速度（即对时间的导数）成正比。3）微分控制作用的变化范围也是有界限的。4）偏差变化一停止，微分控制作用就不复存在，所以微分作用不能单独使用，它总与P或PI作用相结合，构成PD或PID作用方式。▼微分作用的稳定性图6.10图6.11▼微分作用

6、的引入有时会带来一些问题1）如果急速调整给定值，将引起偏差发生突变，输入接近阶跃函数形式，此时控制器输出会出现大起大落。2）若测量值中存在噪声，即杂有小幅值的高频波动时，微分作用会放大这些波动分量，使控制器输出也产生激烈波动。3）对于过程真正的时滞，在时滞(τ)的这段时间内，被控变量不起响应，变化趋势也不显现，这时引入微分作用起不到改善品质的作用。图6.12▼PID控制作用的响应曲线◆数字PID控制器1）数字PID位置型控制算法T为采样周期，k为采样序列号。数字PID位置型控制算式：2）数字PID增量型控制算法式中：KP=1/δ为比例

7、增益；KI=KPT/TI为积分系数；KD=KPTD/T为微分系数。编制程序时常用下式：3）数字PID控制算法实现方式比较对类似于控制量为调节阀的开启度，它表征了执行结构的位置，应采用数字PID位置型控制算法。图6.13若执行结构为步进电机，输出控制量是上一次控制量的增加，应采用数字PID增量型控制算法。图6.14Δu▼数字PID增量型控制算法的优点：增量型算法不需要做累加，可消除累积误差；增量型算法只输出控制量的增量部分，误动作影响小；增量型算法易实现手动到自动的无冲击切换；利用增量型算法可实现位置型算法。4）数字PID增量型

8、控制算法流程图6.1516.3数字PID控制器的改进采用改进的PID算法可发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活的优势。◆积分项的改进▼积分分离：偏差e(k)较大时，取