最新2数字控制器的设计数字控制器的PID设计方法1课件PPT.ppt

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1、2数字控制器的设计数字控制器的PID设计方法1按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID（Proportional-Integral-Differential）调节器PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制。在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模拟PID调节器。数字控制器的设计方法主要有PID设计方法

2、（简洁设计方法）和直接设计方法。概述5.2数字控制器的PID设计方法2数字控制器:是计算机控制系统的核心组成部分，是在被控对象数学模型或操作人员的经验基础上进行设计，并用计算机软件实现的某种控制算法。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。如果被控对象是一个数字系统，则整个系统是一个“纯粹”的数字系统；如果被控对象是是连续的，这样组成的计算机系统人们称之为“混合系统”，或“离散系统”。概述5.2数字控制器的PID设计方法在图示计算机控制系统中，G(s)是被控

3、对象的传递函数；H(s)是零阶保持器，将离散信号转换为连续信号；D(z)是数字控制器。现在要解决的设计问题是：如何根据已知的性能指标和G(s)来设计数字控制器D(z)？计算机控制系统结构图5.2.1PID设计方法利用连续系统的频率特性法、根轨迹法设计出假想的连续控制器D(s)。假想的连续控制器结构图1、设计假想的连续控制器D(s)PID控制器是一种线性控制器；根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。5.2.1PID设计方法控制规律：其中：为比例系数；为控制量的基准。比例调节的特点：比例调节器对于偏差是即时反应

4、，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。只有当偏差发生变化时，控制量才变化。（1）比例调节器缺点：不能消除静差；过大，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。P调节器的阶跃响应1、设计假想的连续控制器D(s)5.2.1PID设计方法控制规律：积分调节的特点：调节器的输出与偏差存在的时间有关。只要偏差不为零，输出就会随时间不断增加，并减小偏差，直至消除偏差，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。其中：为积分时间常数。缺点：降低响应速度。PI调节器的

5、阶跃响应00upKpK0tiTut110t0et（2）比例积分调节器1、设计假想的连续控制器D(s)5.2.1PID设计方法其中：为微分时间常数。微分调节的特点：在偏差出现或变化的瞬间，产生一个正比于偏差变化率的控制作用，它总是反对偏差向任何方向的变化，偏差变化越快，反对作用越强。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。缺点：太大，引起输出失真。PD调节器的阶跃响应101et0t00tutpK0u控制规律：（3）比例微分调节器1、设

6、计假想的连续控制器D(s)5.2.1PID设计方法控制规律：比例积分微分三作用的线性组合。在阶跃信号的作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后是积分作用，直到消除偏差。PID调节器的阶跃响应101et0t00tiTutpKpK0u（3）比例积分微分调节器1、设计假想的连续控制器D(s)5.2.1PID设计方法方法：双线性变换法、后向差分法、前向差分法、冲击响应不变法、零极点匹配法、零阶保持法等等。由Z变换的定义，，利用级数展开可得，由上式得：则有：（1）双线性变化法双线性变换(塔斯廷近似)(Tustin

7、)双线性变换也可以从数值积分的梯形法对应得到。(P122-125)2、将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)5.2.1PID设计方法双线性变换法的几何意义是梯形法求积分，如图5-22所示。设积分控制规律为经过变换，数字控制器为图5-21双线性变换的几何意义（1）双线性变化法2、将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)5.2.1PID设计方法采样频率足够小s域角频率Az域角频率为D这种方法可以保证连续与离散环节脉冲响应相同（其他响应不保证），但由于z变换比较麻烦，多个环节串联时无法单独变换以及产生频

8、率混叠和其他特性变化较大，所以应用较少。（2）z变换法（脉冲响应不变法）2、将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)5.2.1PID设计方法前向差分变换法的几何意义是数值微分。2、将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)（3）前向差分变换法5.2.1PID设计方法由Z变换的定义，，利用级数展开可得，由上式得：则有：前向差分法公式(欧拉法公式)前向