《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第6章控制系統(tǒng).ppt

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1、第6章 控制系統(tǒng),6.1 概述 6.2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 6.3 微機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ) 6.4 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì),6.1 概述,一、控制與控制系統(tǒng) 二、系統(tǒng)的分類(lèi) 三、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和性能指標(biāo),一、控制與控制系統(tǒng),,控制是指為達(dá)到預(yù)先給定的目的，作用于系統(tǒng)有目的的動(dòng)作。控制系統(tǒng)是指由被控對(duì)象和控制裝置所構(gòu)成的，能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)、使之具有一定的狀態(tài)和性能的系統(tǒng)。 例如：,一、控制與控制系統(tǒng),,組成： (1) 傳感器它將貯槽液位高低的信息轉(zhuǎn)換為一種特定的信號(hào)(如電壓、電流等)，并傳送到控制器，相當(dāng)于人工控制時(shí)的眼睛。 (2) 控制器它接受變送器送來(lái)的信號(hào)，與生產(chǎn)工藝要求所預(yù)先設(shè)定

2、的液位高度信號(hào)相比較得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)則算出結(jié)果，然后將此結(jié)果用特定信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行器，相當(dāng)于人工控制時(shí)的大腦。 (3) 執(zhí)行器在這里就是控制閥，它可以根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)以及信號(hào)值的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟度，相當(dāng)于人工控制時(shí)手和閥的組合。,一、控制與控制系統(tǒng),,自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖,,干擾,利用系統(tǒng)框圖可以清楚、方便地表示自動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)組成部分之間的相互關(guān)系，在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，通常用方框圖表示控制系統(tǒng)的組成。,二、系統(tǒng)的分類(lèi),1按照有無(wú)反饋測(cè)量裝置分類(lèi),,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng),二、系統(tǒng)的分類(lèi),,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng),其主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易維修以及價(jià)格便

3、宜。它的主要缺點(diǎn)是精度低，對(duì)環(huán)境變化和干擾十分敏感。 閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，具有精度高，動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，價(jià)格昂貴等。,二、系統(tǒng)的分類(lèi),,2按照信號(hào)處理技術(shù)分類(lèi) 控制系統(tǒng)可以分為模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng) 凡是采用模擬技術(shù)處理信號(hào)的控制系統(tǒng)都稱(chēng)為模擬控制系統(tǒng)， 而采用數(shù)字技術(shù)處理信號(hào)的控制系統(tǒng)則稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。 現(xiàn)在許多控制系統(tǒng)都采用微處理機(jī)直接作為控制器，負(fù)責(zé)采集信號(hào)、運(yùn)算控制規(guī)律以及產(chǎn)生控制指令等。機(jī)械系統(tǒng)是連續(xù)的物理過(guò)程，而微處理機(jī)控制器處理離散的數(shù)字信號(hào)，二者之間必須通過(guò)采樣器和數(shù)據(jù)保

4、持器連接起來(lái)通常，這類(lèi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常稱(chēng)為采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。,二、系統(tǒng)的分類(lèi),,3按照應(yīng)用分類(lèi) 控制系統(tǒng)可分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在干擾作用下使被控變量保持常數(shù)的一種控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸入是它的設(shè)定點(diǎn)。 跟蹤系統(tǒng)是保持其被控變量盡可能接近時(shí)變的指令值，跟蹤系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是數(shù)控機(jī)床的刀具必須跟蹤給定的路徑，以加工出合適形狀的零件，這一實(shí)例就是常見(jiàn)的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是一類(lèi)被控變量為位移、速度或加速度的跟蹤系統(tǒng)。 溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不是伺服系統(tǒng)，而是過(guò)程控制系統(tǒng)。典型的過(guò)程控制系統(tǒng)的被控變量有溫度、壓力、流速、液位以及化學(xué)濃度等。,二、系統(tǒng)的分類(lèi),,4按系統(tǒng)給定信

5、號(hào)的特點(diǎn)分類(lèi) (1)恒值控制系統(tǒng) 在控制過(guò)程中，如果要求被控變量保持在一個(gè)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)系統(tǒng)的給定信號(hào)是恒定值，那么就需要采用恒值控制系統(tǒng)。 (2)程序控制系統(tǒng) 這類(lèi)系統(tǒng)的給定值是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，或按預(yù)定的規(guī)律變化。比如金屬熱處理的溫度控制裝置、數(shù)控機(jī)床的數(shù)控程序加工，就是這類(lèi)系統(tǒng)的例子。 (3) 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 這類(lèi)系統(tǒng)的特點(diǎn)是給定信號(hào)不僅在不斷地變化，而且這種變化不是預(yù)先規(guī)定好的，也就是說(shuō)給定信號(hào)是按未知規(guī)律變化的任意函數(shù)。隨動(dòng)系統(tǒng)的根本任務(wù)就是能夠自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)給定信號(hào)的變化規(guī)律。比如顯示記錄儀表采用的自動(dòng)平衡電位計(jì)伺服系統(tǒng)、雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)等，都

6、是隨動(dòng)系統(tǒng)的一些例子。,三、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和性能指標(biāo),,1 過(guò)渡過(guò)程 系統(tǒng)的控制過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，即當(dāng)系統(tǒng)的輸入（包括干擾）量發(fā)生變化時(shí)，由于系統(tǒng)的能量只能作連續(xù)變化，從而使系統(tǒng)的輸出呈現(xiàn)出從一個(gè)平衡狀態(tài)向另一個(gè)新的平衡狀態(tài)過(guò)渡的過(guò)程這一過(guò)程稱(chēng)為系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程。一般情況下，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程有以下幾種基本形式： (1). 非周期衰減過(guò)程 (2). 衰減振蕩過(guò)程 (3). 等幅振蕩過(guò)程 (4). 發(fā)散振蕩過(guò)程 分別見(jiàn)下圖的a b c d：,,三、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和性能指標(biāo),,,,,a,b,c,d,實(shí)際的控制系統(tǒng)希望系統(tǒng)具有圖a和b的輸出形式，圖c和d的情況是不容許出現(xiàn)的。,顯然，系統(tǒng)的輸出和

7、系統(tǒng)的輸入是密切相關(guān)的，實(shí)際系統(tǒng)的輸入形式多種多樣，為了安全和理論分析的方便，通常選擇一些定型的典型的輸入形式，主要包括單位階躍輸入、單位速度(斜坡)輸入、單位加速度(拋物線)輸入。其中，由于階躍信號(hào)（如下圖所示）對(duì)被控變量影響最大，且容易實(shí)現(xiàn)，便于實(shí)驗(yàn)、分析和計(jì)算，因而常采用它作為系統(tǒng)的輸入來(lái)研究控制系統(tǒng)。,三、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和性能指標(biāo),,,2. 性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)在輸入作用下所產(chǎn)生的輸出稱(chēng)之為響應(yīng)。系統(tǒng)由初始狀態(tài)隨時(shí)間到最終狀態(tài)的響應(yīng)過(guò)程稱(chēng)為動(dòng)態(tài)過(guò)程，也稱(chēng)為瞬態(tài)響應(yīng)，它是系統(tǒng)短時(shí)間響應(yīng)特性的度量；當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，也稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，它表征系統(tǒng)輸出量最終復(fù)現(xiàn)輸入量

8、的程度。任何一個(gè)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)都由動(dòng)態(tài)過(guò)程和穩(wěn)態(tài)過(guò)程兩部分組成。 由此可見(jiàn)，控制系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)作用下的性能指標(biāo)，通常由穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能兩部分組成。,三、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和性能指標(biāo),,三、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和性能指標(biāo),,,,(1)穩(wěn)態(tài)性能 對(duì)于單輸入單輸出系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在時(shí)域中穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)是穩(wěn)態(tài)誤差，它等于系統(tǒng)在典型信號(hào)作用下，時(shí)間t趨向于無(wú)窮大時(shí)的穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入整定的希望輸出之差。 對(duì)于單位反饋系統(tǒng)，在不同參考輸入信號(hào)作用下的系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就是：,三、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和性能指標(biāo),,(2)動(dòng)態(tài)性能 (a)上升時(shí)間:tr (b)峰值時(shí)間:tp (c)最大超調(diào)量:Mp (d)調(diào)整時(shí)間

9、:ts (e)振蕩次數(shù):N,6.2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,一、 數(shù)學(xué)模型的概念 二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型 三、 數(shù)學(xué)模型的建立 四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),1數(shù)學(xué)模型 用數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的關(guān)系，這種系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)描述就稱(chēng)為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于在過(guò)渡過(guò)程中，系統(tǒng)的輸出（即被控變量）隨時(shí)間而變化，因而在描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型中不僅會(huì)出現(xiàn)這些變量本身，而且也包含這些變量的各階導(dǎo)數(shù)，所以，系統(tǒng)特性方程式是微分方程式，它是表示系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型最基本的形式。,一、 數(shù)學(xué)模型的概念,,2建立數(shù)學(xué)模型的意義 在研究與分析一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，不僅要定性地了解系統(tǒng)的工作原理及特性，而且還要定量地描述系統(tǒng)

10、的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)定量的分析與研究，找到內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，即數(shù)學(xué)模型，從而編寫(xiě)控制程序；在系統(tǒng)不能按照預(yù)先期望的規(guī)律運(yùn)行時(shí)，便可通過(guò)對(duì)模型的分析，適當(dāng)?shù)馗淖兤浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其滿足規(guī)定性能的要求；在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程中，對(duì)于給定的被控對(duì)象及控制任務(wù)，也可以借助數(shù)學(xué)模型來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，以構(gòu)成完整的系統(tǒng)。這些都離不開(kāi)數(shù)學(xué)模型。,一、 數(shù)學(xué)模型的概念,,3建立數(shù)學(xué)模型的一般原則 一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型的建立，應(yīng)該在模型的準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)化性之間進(jìn)行折中。既不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確性而使系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，也不能片面追求簡(jiǎn)化性而使分析結(jié)果與實(shí)際出入過(guò)大。這是在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中要特別注意的問(wèn)題。,一、

11、數(shù)學(xué)模型的概念,,(1). 非參量模型 當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用曲線或數(shù)據(jù)表格等來(lái)表示時(shí)，就稱(chēng)為非參量模型。非參量模型可以通過(guò)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，有時(shí)也可以通過(guò)計(jì)算得到，它的特點(diǎn)是形象、清晰，比較容易看出其定性的特征。但是，由于它們?nèi)狈?shù)學(xué)方程的解析性質(zhì)，要直接利用它來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)往往比較困難，必要和可能時(shí)，可以對(duì)它們進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理來(lái)得到參量模型的形式。,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,(2). 參量模型 當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用數(shù)學(xué)方程式來(lái)描述時(shí)，稱(chēng)為參量模型。參量模型按其討論域可分為時(shí)域模型、復(fù)數(shù)域模型和頻域模型。 時(shí)域模型包括微分方程、差分方程等，其特點(diǎn)是具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是當(dāng)系統(tǒng)的

12、結(jié)構(gòu)改變或某個(gè)參數(shù)變化時(shí)，就要重新列寫(xiě)并求解微分方程。 (a) 微分方程 對(duì)于線性連續(xù)的控制系統(tǒng)，通常用常系數(shù)線性微分方程式來(lái)描述，如果以r(t)表示輸入量，C (t)表示輸出量，則系統(tǒng)特性可用下列微分方程式來(lái)描述：,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,式中 及 分別為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)的常系數(shù)。它們與系統(tǒng)的特性有關(guān)，一般需要通過(guò)系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)理分析或大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理才能得到。,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,,,(b) 傳遞函數(shù) 復(fù)數(shù)域模型包括系統(tǒng)傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖，傳遞函數(shù)不僅可以表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且可以用來(lái)研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為零

13、初始條件下，輸出量（響應(yīng)函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（輸入函數(shù)）的拉普拉斯變換之比。拉普拉斯變換為：,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,,上述的微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換，由于初始條件為零，即系統(tǒng)原來(lái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，外加輸入是在時(shí)才開(kāi)始作用于系統(tǒng)的，所以可得,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,,則這個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可寫(xiě)為,,傳遞函數(shù)具有以下性質(zhì)： (1) 傳遞函數(shù)描述了系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性，它與輸入量的大小及性質(zhì)無(wú)關(guān)。傳遞函數(shù)的分母是系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式，代表系統(tǒng)的固有特性，分子代表輸入量與系統(tǒng)之間的變換關(guān)系。 (2) 傳遞函數(shù)不能描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于動(dòng)態(tài)特性相似的不同的物理系統(tǒng)可以用同一類(lèi)型的傳遞函數(shù)描述。 (3) 傳遞

14、函數(shù)的量綱決定于輸入量和輸出量的量綱。 (4) 一般情況，傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式的階次高于分子多項(xiàng)式的階次，對(duì)于最高階次為n的系統(tǒng)，稱(chēng)為n階系統(tǒng)。 (5) 傳遞函數(shù)只適用于線性系統(tǒng)。滿足線性疊加原理是線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)。,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,(c) 頻率特性 頻域模型主要描述系統(tǒng)的頻率特性，應(yīng)用頻率特性在實(shí)際工作中不需要進(jìn)行大量的計(jì)算，就能比較迅速地分析系統(tǒng)中各個(gè)參量對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及可以直接研究閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不必求出系統(tǒng)的特征根。 將傳遞函數(shù)中 換成 ，即為頻率特性。因此，如果已知各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，就不需要逐一推導(dǎo)每個(gè)環(huán)節(jié)的頻率特性，而是以 代替 求取。反之把頻率特性中 換

15、成 ，就可得到該環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,例： 右圖所示RC電路的傳遞函數(shù) 為 令： 其中 為輸入信號(hào)的角頻率，則傳遞的頻率域表示為 其中：,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,從而可得 的模和相位角分別為 是輸入信號(hào)角頻率 的函數(shù)，稱(chēng)為幅頻特性，常用幅頻特性曲線表示，它表示輸出與輸入的幅值之比 也是角頻率 的函數(shù)，稱(chēng)為相頻特性，常用相頻特性曲線表示，它表示輸出相對(duì)于輸入的相位移,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,=0或較低時(shí)， 輸出電壓和輸入電壓幅值相等或幾乎相等；隨著 增加， 減小，即輸出電壓幅值減小。 時(shí)， 即輸入頻率較低時(shí)，輸出電壓對(duì)輸入電壓相角滯后不大；隨

16、著輸入頻率的增大，輸出電壓相角滯后增大。,二、 數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型,,1. 機(jī)理建模： (1) 根據(jù)系統(tǒng)和各元件的工作原理及其在控制系統(tǒng)中的作用，確定其輸入量和輸出量。 (2) 根據(jù)元件工作時(shí)所遵循的物理或化學(xué)定律，列出其相應(yīng)的原始方程式。在條件許可時(shí)可適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略一些次要因素。這里所說(shuō)的物理或化學(xué)定律，不外乎牛頓定律、能量守恒定律、物質(zhì)守恒定律、基爾霍夫定律等等。 (3) 列出原始方程式的中間變量與其它因素的關(guān)系式。 (4) 將上述關(guān)系式代入原始方程式，消去中間變量，得到描述輸出量與輸入量之間關(guān)系的微分方程便是系統(tǒng)或元件在時(shí)域的數(shù)學(xué)模型。,三、 數(shù)學(xué)模型的建立,,例1貯槽液位控制系統(tǒng) 即如圖

17、所示的系統(tǒng)，液體經(jīng)過(guò)閥門(mén)1不斷地流入貯槽，貯槽內(nèi)的液體又通過(guò)閥門(mén)2不斷地流出。工藝上要求貯槽的液位h保持定值。在這里，貯槽就是被控對(duì)象，液位就是被控變量。,三、 數(shù)學(xué)模型的建立,,設(shè)閥門(mén)2的開(kāi)度保持不變，閥門(mén)1的開(kāi)度變化是引起液位變化的擾動(dòng)作用，對(duì)象的輸入量是流入貯槽的流量Qi，對(duì)象的輸出量是液位h。下面來(lái)看當(dāng)閥門(mén)1的開(kāi)度變化時(shí)，液位是如何變化的，也就是建立表征h和Qi之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。,由題意可知，貯槽蓄儲(chǔ)量的變化率為單位時(shí)間流入的物料量減去單位時(shí)間流出的物料量。設(shè)貯槽橫截面積為A，當(dāng)流入貯槽的流量Qi等于流出貯槽的流量時(shí)Q0 ，對(duì)象處于平衡狀態(tài)，對(duì)象的輸出量液位h保持不變。 設(shè)在微小

18、時(shí)間內(nèi)，Qi發(fā)生變化，不再等于Q0 因而引起液位變化，此時(shí)，流入與流出貯槽的物料量之差應(yīng)該等于貯槽內(nèi)增加或減少的物料量，即,三、 數(shù)學(xué)模型的建立,,,、 、h都是時(shí)間的變量，因而還需消去中間變量，得出只有 和h為變量的關(guān)系式?？紤]到變化量很微小，可以近似認(rèn)為Qo與h成正比，與閥門(mén)2的阻力系數(shù)Rs成反比，即,三、 數(shù)學(xué)模型的建立,,,,,和上式合并，可得：,即： 令 、 ，代入上式可得 這就是用來(lái)描述簡(jiǎn)單的貯槽液位控制系統(tǒng)特性的微分方程式。它是一階常系數(shù)微分方程式，式中T稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)，K稱(chēng)為放大系數(shù)。,三、 數(shù)學(xué)模型的建立,,,,,,2. 實(shí)驗(yàn)建模 許多機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)往往很

19、難通過(guò)內(nèi)在機(jī)理的分析來(lái)建立數(shù)學(xué)模型，而是常常用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲得數(shù)學(xué)模型。所謂實(shí)驗(yàn)建模，就是在所要研究的系統(tǒng)上，加上一個(gè)人為的輸入作用，然后用儀表測(cè)取并記錄表征系統(tǒng)特性的物理量隨時(shí)間變化的規(guī)律，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線。這些數(shù)據(jù)或曲線就是用來(lái)表征系統(tǒng)特性的非參量數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，根據(jù)這些數(shù)據(jù)或曲線的特征再加以一定的構(gòu)思與數(shù)據(jù)處理，就有可能使之轉(zhuǎn)變?yōu)閰⒘磕Ｐ汀?三、 數(shù)學(xué)模型的建立,,為了研究問(wèn)題方便起見(jiàn)，在實(shí)際工作中，常用下面三個(gè)物理量來(lái)表示系統(tǒng)的特性。這些物理量，稱(chēng)為系統(tǒng)的特性參數(shù)。 1. 一階系統(tǒng)的特性參數(shù) (1). 放大系數(shù)K (2). 時(shí)間常數(shù)T (3). 滯后時(shí)間,四、 描述系統(tǒng)特性的參

20、數(shù),,(1). 放大系數(shù)K 如果有一定的輸入變化量 ，通過(guò)系統(tǒng)被放大了K倍，變?yōu)檩敵鲎兓縣，則稱(chēng)K為系統(tǒng)的放大系數(shù)。K越大，表示系統(tǒng)的輸入量有一定變化時(shí)，對(duì)輸出量的影響就越大。放大系數(shù)越大，被控變量對(duì)這個(gè)量的變化就越靈敏，在選擇自動(dòng)控制方案時(shí)需要仔細(xì)考慮。,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,,(2). 時(shí)間常數(shù)T 有的控制系統(tǒng)受到干擾后，被控變量變化很快，較迅速地達(dá)到了穩(wěn)定值，有的系統(tǒng)在受到干擾后，慣性很大，被控變量要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用時(shí)間常數(shù)T來(lái)表示系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的速度。時(shí)間常數(shù)T越大，表示系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量變化越慢，達(dá)到新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間越

21、長(zhǎng)。,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,(3). 滯后時(shí)間 有的系統(tǒng)在受到輸入作用后，被控變量卻滯后一定的時(shí)間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滯后現(xiàn)象。根據(jù)滯后性質(zhì)的不同，可分為傳遞滯后和容量滯后兩類(lèi)。 (1) 傳遞滯后又叫純滯后，一般用 表示。,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,,,右圖所示為有、無(wú)純滯后一階對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線。 為輸入量，c(t)為無(wú)純滯后時(shí)的輸出量，c(t)為有純滯后時(shí)的輸出量。,比較兩條響應(yīng)曲線可以看出，它們除了在時(shí)間軸上前后相差一個(gè)的時(shí)間外，其他形狀完全相同。也就是說(shuō)純滯后對(duì)象的特性是當(dāng)輸入量發(fā)生變化時(shí)，其輸出量不是立即響應(yīng)輸入量的變化，而是要經(jīng)過(guò)一段純滯后時(shí)間以后，才開(kāi)始等量地反映原

22、無(wú)滯后時(shí)的輸出量的變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,,,因此，有、無(wú)純滯后特性的系統(tǒng)其數(shù)學(xué)模型具有類(lèi)似的形式。如果上述例子中被控對(duì)象都是一階對(duì)象，而且它們的時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)亦相等，僅在自變量t上相差一個(gè)T的時(shí)間，那么，若無(wú)純滯后的系統(tǒng)特性可以用下述方程式描述的話 則有純滯后的系統(tǒng)特性可以用下述方程式描述,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,,,(2) 容量滯后 容量滯后也叫過(guò)渡滯后。即系統(tǒng)在受到階躍輸入作用后，被控變量開(kāi)始變化很慢，后來(lái)才逐漸加快，最后又變慢直至逐漸接近穩(wěn)定值，其響應(yīng)曲線如圖所示。,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,容量滯后一般是由于物料或能量的傳遞需要通過(guò)一定阻力而引起

23、的，一般出現(xiàn)在二階系統(tǒng)。對(duì)于這種系統(tǒng)，要想用前面所講的描述系統(tǒng)的三個(gè)參數(shù)K、T、來(lái)描述的話，必須作近似處理。,近似處理的方法如下：在上圖所示的響應(yīng)曲線上，過(guò)反應(yīng)曲線的拐點(diǎn)O作一切線，與時(shí)間軸相交，交點(diǎn)與被控變量開(kāi)始變化的起點(diǎn)之間的時(shí)間間隔h即為容量滯后時(shí)間。 由切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)到 切線與穩(wěn)定值KA線的交點(diǎn) 之間的時(shí)間間隔為T(mén)。這樣 二階系統(tǒng)就被近似為有 滯后時(shí)間 ，時(shí)間 常數(shù)為T(mén)的一階系統(tǒng)了。,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,,不難看出，自動(dòng)控制系統(tǒng)中，滯后的存在是不利于控制的。也就是說(shuō)，系統(tǒng)受到干擾作用后，由于滯后的存在，被控變量不能立即反映出來(lái)，于是就不能及時(shí)產(chǎn)生控制作用，整個(gè)系統(tǒng)的控制

24、質(zhì)量就會(huì)受到影響。 所以，在設(shè)計(jì)和安裝控制系統(tǒng)時(shí)，都應(yīng)當(dāng)盡量把滯后時(shí)間減到最小。,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,2. 二階系統(tǒng)的特性參數(shù) (1). 系統(tǒng)增益 (2). 系統(tǒng)固有頻率 (3). 系統(tǒng)阻尼,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,,四、 描述系統(tǒng)特性的參數(shù),,(1)、系統(tǒng)增益K： K較小，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但較小的K會(huì)導(dǎo)致快速響應(yīng)變差和穩(wěn)態(tài)誤差增大。 (2)、系統(tǒng)阻尼比 大可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應(yīng)過(guò)程的平穩(wěn)性，減小超調(diào)量，但同時(shí)響應(yīng)速度降低。 (3)、系統(tǒng)固有頻率 提高固有頻率可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)，提高抗干擾能力，但系統(tǒng)成本增加,,6.3 微機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ),一、微機(jī)控制系統(tǒng)的組成

25、及其特點(diǎn) 二、信號(hào)變換概述 三、 輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道 四、 抗干擾技術(shù),1. 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成,一、微機(jī)控制系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn),,,微機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖,(1) 硬件組成,一、微機(jī)控制系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn),,,(2) 軟件組成 軟件是指支持系統(tǒng)運(yùn)行、并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制的程序的總和。從功能上可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)制造廠商提供，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)本身的資源、方便用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等。 應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序，比如各種數(shù)據(jù)采集程序、濾波程序、控制量計(jì)算程序、機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程監(jiān)控程序等。,一、微機(jī)控制系

26、統(tǒng)的組成及其特點(diǎn),,2.微機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 1具有完善的輸入輸出通道，包括模擬量輸入 輸出通道和數(shù)字量或開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道，這是計(jì) 算機(jī)有效發(fā)揮其控制功能的重要保證。 2具有實(shí)時(shí)控制功能。 3由于控制規(guī)律是用軟件實(shí)現(xiàn)的，因而變動(dòng)一 個(gè)控制規(guī)律，一般只需要修改軟件即可。 4微機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)具有高速的運(yùn) 算處理能力，一個(gè)控制器（控制計(jì)算機(jī))經(jīng)常可采 用分時(shí)控制的方式而同時(shí)控制多個(gè)回路。 5可靠性高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，以保證在生產(chǎn) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。,一、微機(jī)控制系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn),,1. 采樣,二、信號(hào)變換概述,,,采樣時(shí)，采樣頻率應(yīng)該滿足第三章提到的仙農(nóng)采樣定律。,2. 離散模擬信號(hào)的量化

27、(A/D變換) 采樣函數(shù)是在時(shí)間上離散，在幅值上連續(xù)變化的函數(shù)，我們稱(chēng)它為離散模擬信號(hào)。離散模擬信號(hào)不能直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，必須經(jīng)量化成為數(shù)字信號(hào)后，才能為計(jì)算機(jī)所接受。所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。,二、信號(hào)變換概述,,如圖a所示，設(shè)采樣信號(hào)A1為1.8V，則圖b中的量化值為2V，用數(shù)字量010來(lái)表示；采樣信號(hào)A2為3.2V，則圖4b中的量化值為3V，用數(shù)字量011來(lái)表示。,二、信號(hào)變換概述,,,,二、信號(hào)變換概述,,設(shè)輸入模擬信號(hào)的滿量程電壓值為FSR（Full Scale Range），ADC的位數(shù)為n，量化電平用Q（或LSB）表示，

28、則有：,量化電平,誤差 = 量化值 實(shí)際值,量化方法, 截?cái)喾ǎ翰捎貌淮笥趯?shí)際采樣值的最大量化值來(lái)近似采樣值。, 舍入法：采用最靠近實(shí)際采樣值的量化值來(lái)近似采樣值。,量化誤差,舍入法: A2點(diǎn)的取值為011，因此，舍入法量化的誤差范圍為（-Q/2 Q/2）。 截?cái)喾ǎ篈2點(diǎn)的取值為100，誤差的范圍為（-Q0）。,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的外圍設(shè)備由于種類(lèi)繁多，且工作速度不一，所以不能像存儲(chǔ)器那樣，直接掛到主機(jī)CPU的總線上，都必須通過(guò)輸入輸出接口和輸入輸出通道才能和CPU的總線相連。因此，IO（輸入/輸出）接口和IO通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的技術(shù)之一。 1.接口、通道及其功能 IO接口電路是主機(jī)和

29、外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件或稱(chēng)電路，它在主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶的作用。設(shè)置接口電路有以下幾個(gè)用途：,三、輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道,,1. 解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間時(shí)序配合和 通聯(lián)絡(luò)的問(wèn)題，以保證CPU和外圍設(shè)備之間雖異 步卻能協(xié)調(diào)工作。 2. 解決CPU和外圍設(shè)備之間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和 匹配問(wèn)題。 3. 解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口選址 的問(wèn)題。,三、輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道,,IO通道，也稱(chēng)為過(guò)程通道，是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。由它將從被控對(duì)象采集的參量變換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)字量(或開(kāi)關(guān)量)的形式，送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按某一數(shù)學(xué)

30、公式計(jì)算后，又將其結(jié)果以數(shù)字量形式或轉(zhuǎn)換成模擬量形式輸出至被控制對(duì)象，這就是IO通道所要完成的功能。,三、輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道,,2. IO信號(hào)的種類(lèi)及通信方式 (1). 信息的分類(lèi) （a）數(shù)據(jù)信息 模擬量、數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量和脈沖量 （b）狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過(guò)接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備工作狀態(tài)的信息。它作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。 （c）控制信息 控制信息是CPU通過(guò)接口傳送給外圍設(shè)備的信息。,三、輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道,,(2). 通信方式 （a）并行通信 并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)用條傳輸線同時(shí)傳送。其優(yōu)點(diǎn)是傳送速度快，通常只要提供2條控制和狀態(tài)線，

31、就能完成CPU和接口及設(shè)備之間的協(xié)調(diào)、應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)異步傳輸，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常常采用的通信方式。 （b）串行通信 串行通信是數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送的。在傳輸過(guò)程中，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度，一位一位地串行傳送和接收。,三、輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道,,1.干擾源與干擾種類(lèi) 干擾按其特性可分為直流干擾、交流干擾和隨機(jī)干擾三類(lèi)。 直流干擾是指以直流電壓或直流電流的形式出現(xiàn)，一般由熱電效應(yīng)和電化學(xué)效應(yīng)引起的干擾。 交流干擾是最容易出現(xiàn)的一種干擾，由交流電感應(yīng)引起，因?yàn)檫^(guò)程通道往往處于雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布較多的場(chǎng)所，當(dāng)信號(hào)反饋線與動(dòng)力線在電纜槽中平行布線時(shí)，經(jīng)耦合進(jìn)入通道的干擾尤為明顯。

32、 隨機(jī)干擾一般是瞬變的，為尖峰或脈沖形式，多由電感負(fù)載的間斷工作引起，如各種電源整流器和電動(dòng)工具的電火花都是這種干擾的來(lái)源。這種干擾的時(shí)間短，幅度大，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很大的危害。,四、抗干擾技術(shù),,干擾按作用可分為常態(tài)干擾和共態(tài)干擾 常態(tài)干擾和被測(cè)信號(hào)在信號(hào)輸入回路中地位相同，所以它以電壓源的形式與信號(hào)源串聯(lián)。 共態(tài)干擾常稱(chēng)共模干擾，是指輸入電路上共有的干擾。,四、抗干擾技術(shù),,,2. 抗干擾技術(shù) (1) 硬件抗干擾技術(shù) (a) 電源系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 采用電子交流穩(wěn)壓器；采用低通濾波器；采用隔離變壓器：變壓器的一次側(cè)按三角形接法聯(lián)結(jié)，二次側(cè)按星型接法聯(lián)結(jié)。選用供電比較穩(wěn)定的交流電源；電源分組

33、供電；直流電源的抗干擾措施： 每塊集成芯片的電源與地線引入端間應(yīng)接一片0.0l0.1F的無(wú)感瓷片電容。一個(gè)裝置中有多塊邏輯印刷線路板時(shí)，每塊板的電源和地線引入處應(yīng)并接一個(gè)10100F的電解電容和一個(gè)0.010.1F的無(wú)感瓷片電容，防止板間的相互干擾。,四、抗干擾技術(shù),,(b) 模擬量輸入輸出通道抗干擾技術(shù) 信號(hào)采用電流傳送 采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾去高頻干擾信號(hào) 使用高輸入阻抗的差動(dòng)運(yùn)算放大器作為通道 的前置放大器，達(dá)到抑制共模干擾的作用 利用變壓器或光耦合器件把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開(kāi)，使共模干擾Ucm不能構(gòu)成回路 屏蔽信號(hào)傳輸線路 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器抑制共模干擾 采用雙

34、絞線傳輸,四、抗干擾技術(shù),,,(c) 開(kāi)關(guān)量輸入輸出抗干擾技術(shù) RC濾波器法 濾去開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)中夾雜的干擾信號(hào) 抖動(dòng)電路法 消除機(jī)械式觸點(diǎn)、開(kāi)關(guān)閉合時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng) 光電耦合隔離法 采用光耦合器傳送開(kāi)關(guān)量信號(hào)或脈沖信號(hào)，可將輸入側(cè)與輸出側(cè)在電氣上完全隔離開(kāi)來(lái)，輸入側(cè)與輸出側(cè)之間的共模干擾電壓因無(wú)電回路而被有效地抑制。 采用光耦合器“浮置”傳輸長(zhǎng)線 采用光耦合器將計(jì)算機(jī)與其它所有的外接通道完全隔離。,四、抗干擾技術(shù),,(d) 接地技術(shù) 接地是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試中的一個(gè)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)問(wèn)題。接地一般分為接實(shí)地和接虛地兩種。 接實(shí)地指的是與大地作良好的連接，接虛地指的是與電位的基

35、準(zhǔn)點(diǎn)相連接。如果把電位基準(zhǔn)點(diǎn)與大地連接，則稱(chēng)為共地連接，如果把電位基準(zhǔn)點(diǎn)自行浮置或浮空(即與大地電氣絕緣)，則稱(chēng)為浮地連接。,四、抗干擾技術(shù),,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，“地”大致有以下幾種概念： 數(shù)字地，又稱(chēng)邏輯地，是作為邏輯網(wǎng)絡(luò)的零電位； 模擬地，是作為AD轉(zhuǎn)換、前置放大器或比較器的 零電位； 功率地，是作為大電流網(wǎng)絡(luò)部件的零電位； 信號(hào)地，通常為傳感器的地； 交流地， 50Hz交流電地線，這種地是噪聲地； 屏蔽地，是為防止靜電感應(yīng)和磁場(chǎng)感應(yīng)而設(shè)置的地,四、抗干擾技術(shù),,一般來(lái)講，采用接地技術(shù)時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題： 機(jī)殼接地（其余部分浮空）優(yōu)于全機(jī)浮空。 一般低頻(1MHz以下)電路應(yīng)一點(diǎn)接地

36、，高頻(10MHz以上)電路應(yīng)多點(diǎn)接地。一點(diǎn)接地又分為串聯(lián)一點(diǎn)接地和并聯(lián)一點(diǎn)接地，后者較前者抗干擾能力強(qiáng)。 在電源地線的兩點(diǎn)之間會(huì)有數(shù)毫伏的電位差，因此，交流地和信號(hào)地不能共用。 數(shù)字地通常有很大的噪聲，所有的模擬公共導(dǎo)(地)線應(yīng)該與數(shù)字公共導(dǎo)(地)線分開(kāi)走線。 功率地，這種地線電流大，地線應(yīng)粗些，且應(yīng)與小信號(hào)地線分開(kāi)走線。,四、抗干擾技術(shù),,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常采用“三套法”接地系統(tǒng)，即把系統(tǒng)中接地分成三類(lèi)： 第一類(lèi)是信號(hào)地，包括小信號(hào)回路、邏輯電路、控制電路等，先把這部分的各接地點(diǎn)接到一個(gè)公共點(diǎn)，并且將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)處理； 第二類(lèi)是功率地，包括驅(qū)動(dòng)電路等大電流電路的統(tǒng)一接地點(diǎn)； 第三

37、類(lèi)是機(jī)殼，包括機(jī)架箱體、屏蔽罩等金屬結(jié)構(gòu)接地點(diǎn)。最后用較大的接地母線匯集于一個(gè)總的公共接地點(diǎn)，再連埋地銅網(wǎng)，與大地相連。,四、抗干擾技術(shù),,2. 軟件抗干擾技術(shù) (a) Watchdog技術(shù) (b) 填碼技術(shù) (c) 數(shù)字濾波技術(shù) (d) 數(shù)字信號(hào)輸出方法,四、抗干擾技術(shù),,6.4 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì),一、概述 二、差分變換法 三、數(shù)字PID控制算法 四、數(shù)字PID的參數(shù)整定 參考書(shū)目：陶永華等，新型PID控制及應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社，1998，9.,在采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，微處理機(jī)直接參與了閉環(huán)控制，起著控制器的作用。由于微處理機(jī)處理數(shù)字形式的信號(hào)，所以，人們把微處理機(jī)控制器叫做數(shù)字控制器。 數(shù)字

38、控制器一般采用兩種設(shè)計(jì)方法： 一種是在一定條件下，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)，再將設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變成數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制算法，這種方法稱(chēng)為模擬化的設(shè)計(jì)方法，也稱(chēng)間接設(shè)計(jì)方法； 另一種是把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，變成純粹的離散系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)變換等工具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，直接設(shè)計(jì)出控制算法，這種方法稱(chēng)為離散化設(shè)計(jì)方法，也稱(chēng)直接設(shè)計(jì)方法,一、概述,,1一階后向差分 一階導(dǎo)數(shù)用下式來(lái)近似 2二階后向差分 二階導(dǎo)數(shù)用下式來(lái)近似,二、差分變換法,,,在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制算法的模擬表達(dá)式為 式中 為控制器的輸出信號(hào)； 為偏差信號(hào)，它等于給定量與反饋量之差

39、；KP為比例系數(shù)； 為積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)間常數(shù)。,三、數(shù)字PID控制算法,,為了實(shí)現(xiàn)上式所示的控制算法，必須將其離散化，即用離散的差分方式來(lái)代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。 連續(xù)時(shí)間的離散化，即 積分用累加求和近似得 微分用一階后向差分近似得,三、數(shù)字PID控制算法,,,利用累加求和代替積分，差分代替微分，PID調(diào)節(jié)模擬表達(dá)式可變?yōu)椋?此式即為離散化的位置式PID控制算法表達(dá)式。 考慮到第K-1次采樣時(shí)有 兩式相減得到：,三、數(shù)字PID控制算法,,三、數(shù)字PID控制算法,,,,,,,此公式即為PID控制的增量式算式,在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字PID控制的各種算式形式的選擇視執(zhí)行器的形式、被控對(duì)象的特性而

40、定。 若執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件，其位置和計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量是一一對(duì)應(yīng)的話(如電液伺服閥)，就要采用位置式算式。 若執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件(如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)閥門(mén)或帶動(dòng)多圈電位器)，就可用增量式算法。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求速度設(shè)定就選用速度式算式。,三、數(shù)字PID控制算法,,1. PID控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 (1)比例系數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 （a）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響 比例系數(shù)加大，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快。但偏大，則振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。 （b）對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響 加大比例系數(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高

41、控制精度。但需要注意的是加大只是減少穩(wěn)態(tài)誤差，不可能完全消除。,四、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定,,(2)積分時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 （a）對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響 太小時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，偏小，則系統(tǒng)振蕩次數(shù)較多。太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減少。當(dāng)合適時(shí)，過(guò)渡過(guò)程的特性則比較理想。 （b）對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的影響 積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是，當(dāng)偏大時(shí)，積分作用會(huì)減弱，以致于不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。,四、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定,,(3)微分時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。 當(dāng)偏大或偏小

42、時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，只有合適時(shí)，才可以得到比較滿意的過(guò)渡過(guò)程。,四、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定,,2.采樣周期選擇的原則 (1). 必須滿足采樣定理的要求。 (2). 從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾性能來(lái)看，則小些好。干擾頻率越高，則采樣頻率最好也愈高，以便實(shí)現(xiàn)快速跟隨和快速抑制干擾。 (3). 根據(jù)被控對(duì)象的特性來(lái)選擇，快速系統(tǒng)的應(yīng)取小些，反之，可取大些。 (4). 根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型來(lái)選擇，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作慣性大時(shí)，可取大些，否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反應(yīng)控制器輸出值的變化。 (5). 從計(jì)算機(jī)能否精確執(zhí)行控制算式來(lái)選擇，應(yīng)取大些。因?yàn)橛?jì)算機(jī)字長(zhǎng)有限，過(guò)小，偏差值可能很小，甚至為0，調(diào)節(jié)作用微

43、弱，微分、積分作用不明顯。,四、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定,,3. 用擴(kuò)充臨界比例度法選擇PID參數(shù) (1)選擇一個(gè)合適的采樣周期，控制器作純比例控制。 (2)調(diào)整 的值，使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下相應(yīng)的臨界振蕩周期和臨界振蕩增益。 (3)選擇合適的控制度。所謂控制度，就是數(shù)字控制器和模擬控制器所對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的誤差平方的積分比。 通常，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，數(shù)字控制器和模擬控制器的控制效果相當(dāng)。當(dāng)控制度為2.0時(shí)，數(shù)字控制器比模擬控制器的控制質(zhì)量差1倍。 根據(jù)控制度查表1，即可求出T、KP、TI和TD的值。,四、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定,,,四、數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定,,表1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)表,,,,,,