計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第4章ppt課件.ppt

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1、第4章數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)方法4.1數(shù)字控制器連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟4.2模擬調(diào)節(jié)器的離散化方法4.3PID算法的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)4.4幾種改進(jìn)的PID控制算法4.5PID控制器的參數(shù)整定4.6施密斯（Smith）預(yù)估控制1、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)法2、數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)方法分類連續(xù)化設(shè)計(jì)方法離散化設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)分析工具Laplace變換Z變換動態(tài)行為的描述微分方程差分方程輸入輸出模型傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)分析平面S平面Z平面4.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟雖然連續(xù)化的設(shè)計(jì)方法是一種近似的方法，但是由于工程技術(shù)人員比較熟悉

2、連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)驗(yàn)比較豐富，而且這種設(shè)計(jì)方法容易掌握，所以仍然得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)方法要求系統(tǒng)的采樣周期足夠小，一般只能實(shí)現(xiàn)比較簡單的控制算法。1、求出模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)D(S)2、選擇合適的采樣周期T3、把D(S)離散化，求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)前向差分法、后向差分法、雙線性變換法、零階保持器法、階躍響應(yīng)不變法等4、檢驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)特性是否滿足設(shè)計(jì)要求5、把D(z)變換成差分方程的形式，并編程實(shí)現(xiàn)6、現(xiàn)場調(diào)試4.2模擬調(diào)節(jié)器的離散化方法1.差分變換法（差分反演法）把連續(xù)校

3、正裝置的傳遞函數(shù)D(S)轉(zhuǎn)換成差分方程，再用差分方程來近似表示這個微分方程。前向差分后向差分例4-1已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，分別采用前向差分和后向差分法對其進(jìn)行離散化，求出其脈沖傳遞函數(shù)D(z)以及所對應(yīng)的差分方程。解：（1）前向差分法（2）后向差分法2.零階保持法（階躍響應(yīng)不變法）零階保持器法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列，必須與模擬調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)的采樣值相等。這種方法就是在模擬調(diào)節(jié)器前面，串聯(lián)一個零階保持器，最后進(jìn)行Z變換，得到數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)。例4-2設(shè)模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

4、，用零階保持器法求其脈沖傳遞函數(shù)D(z)及所對應(yīng)的差分方程。解：3.雙線性變換法（Tustin法）例4-3設(shè)模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，選擇采樣周期T=1秒，用雙線性變換法求其脈沖傳遞函數(shù)D(z)及所對應(yīng)的差分方程。解：4.根匹配法（零極點(diǎn)匹配法）用這種方法能產(chǎn)生零點(diǎn)、極點(diǎn)都與連續(xù)系統(tǒng)相匹配的脈沖傳遞函數(shù)。其變換方法就是直接把S平面上的零極點(diǎn)對應(yīng)的映射到Z平面上的零極點(diǎn)。例4-4設(shè)模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，選擇采樣周期T=1秒，用根匹配法求其脈沖傳遞函數(shù)D(z)及所對應(yīng)的差分方程。解：5.修改的根匹配法修改的根匹配法就是

5、在根匹配法的基礎(chǔ)上，為保證兩者有相同的增益所做出的一種改進(jìn)的變換方法。式中D′(z)是用根匹配法得到的數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，k是在兩者對階躍函數(shù)作用的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相同的條件下所求出的比例系數(shù)。其離散化過程分為兩個步驟：首先采用根匹配法求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D′(z)；其次在保證兩者對單位階躍響應(yīng)有相同增益的條件下求出系數(shù)k，這樣就可用修改的根匹配法求出D(z)。例4-5設(shè)模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，選擇采樣周期T=1秒，用修改的根匹配法求其脈沖傳遞函數(shù)D(z)及所對應(yīng)的差分方程。解：6.Z變換法Z變換法也稱為沖

6、激不變法、脈沖響應(yīng)不變法，就是直接對模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)D(S)求Z變換例4-6設(shè)模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，選擇采樣周期T=1秒，用Z變換法求其脈沖傳遞函數(shù)D(z)及所對應(yīng)的差分方程。解：4.3PID算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體情況，可以靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其一部分進(jìn)行控制。7.1.1PID算法的數(shù)字化1、模擬PID調(diào)節(jié)器2PID算法的離散化用數(shù)

7、字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，則積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示：（2）增量型PID控制算式增量型PID控制的優(yōu)點(diǎn)與不足：優(yōu)點(diǎn)：１）增量算法控制誤動作影響?。玻┰隽克惴刂埔子趯?shí)現(xiàn)手動／自動無擾動切換３）不產(chǎn)生積分失控，易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)缺點(diǎn)：1）積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差２）溢出影響大在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)被控對象的實(shí)際情況加以選擇。一般認(rèn)為，在以閘管或伺服電機(jī)作為執(zhí)行器件，或?qū)刂凭纫筝^高的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)采用位置型算法；而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應(yīng)采用增量式算法。4.4數(shù)

8、字PID算法的改進(jìn)4.4.1對積分項(xiàng)的改進(jìn)（1）減少積分整量化誤差（2）積分飽和問題積分整量化誤差產(chǎn)生原因當(dāng)采樣周期比較小，積分時間常數(shù)比較大，由于計(jì)算機(jī)字長的限制，其運(yùn)算結(jié)果有可能小于計(jì)算機(jī)的最低有效位，當(dāng)作零而舍掉，積分作用消失，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。計(jì)算機(jī)字長的限制是產(chǎn)生整量化誤差的原因。例如，某字長為8位的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采用增量式PID控制器，比例系數(shù)kp=1，積分時間常數(shù)TI=1