計算機控制技術第8章數字控制器的設計.ppt

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第8章數字控制器的設計,教學目的：明確數字控制器的概念，并可以利用模擬設計方法和數字設計方法設計滿足性能指標的數字控制器。掌握數字PID控制器的原理，及其參數對控制系統(tǒng)的影響，并可以依據被控對象的特點調整數字PID控制器的參數。了解數字控制器的直接設計方法，重點掌握最少拍控制器，并了解達林控制器的設計方法。學習任務：初識數字控制器的概念及發(fā)展掌握幾種數字控制器的設計方法認知幾種典型的數字PID控制器的改進方法掌握最少拍控制的設計方法了解達林控制算法,8.1數字控制器的模擬化設計,在本章將系統(tǒng)地介紹單輸入單輸出計算機控制系統(tǒng)的一些常用的基本設計方法。計算機控制系統(tǒng)通常是指，在已經確定的反饋控制系統(tǒng)結構情況下，按照控制任務要求的控制系統(tǒng)性能指標、被控制對象特性和數學模式設計出數字控制器使控制系統(tǒng)達到要求的性能指標。計算機控制系統(tǒng)的數字控制器就是由計算機在線執(zhí)行的數字控制算法，也稱數字控制規(guī)律。按照各種設計方法所采用的理論和系統(tǒng)模型的形式，可以大致分為：模擬化設計法、離散化設計法（或Z域設計法）。,8.1.1數字控制器的模擬化設計步驟,,典型計算機控制系統(tǒng)結構及其組成部分,,采用模擬化設計的步驟大致如下：,（1）選取合適的采用周期T，并確定所采用的保持器的類型（大多數情況下采用零階保持器）；（2）將被控制對象模型改寫為一階或二階系統(tǒng)模型G0(s)；（3）以G0(s)為對象，用連續(xù)控制設計理論和方法（波特圖或者根軌跡）設計出滿足系統(tǒng)性能指標的模擬控制器D(s)；（4）將模擬控制器D(s)離散化為數字控制器D(z)；（5）驗證以上所設計出的控制器是否滿足指標要求。,8.1.2數字PID控制器的設計,PID控制器是指一類由反饋系統(tǒng)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合構成的反饋控制律。它具有原理簡單，直觀易懂，易于工程實現，魯棒性強，適用面廣等一系列優(yōu)點，多年以來它一直是工業(yè)過程控制中應用最廣泛的一類基本控制律。在計算機應用于工業(yè)過程控制以前，工業(yè)過程控制采用的是由氣動或液動、電動硬件儀表實現的模擬PID控制器，自70年代以來，隨著計算機技術飛速發(fā)展和應用普及，由計算機實現的數字PID控制正逐漸取代模擬PID控制器。,8.1.3數字PID控制器的改進,數字PID控制算法是一種普遍的控制規(guī)律，人們在實踐中不斷的改進，使得PID控制算法日臻完善。下面介紹幾種數字PID的改進控制算法如積分分離算法，不完全微分算法，微分先行算法，帶死區(qū)的PID算法等。1、積分分離PID控制算法2、不完全微分PID算法3、微分先行PID算法4、帶死區(qū)的PID控制方法,8.1.4數字PID控制器的參數整定,模擬PID控制調節(jié)器參數的整定是依據對控制性能的要求，確定調節(jié)器的參數（Kp，Kd，Ki）。數字PID調節(jié)器的參數整定除了確定以上的參數（Kp，Kd，Ki）外，還需要確定數字控制系統(tǒng)的采樣周期T。由于控制對象通常都有較大的時間常數，大多數情況下，采用周期與控制對象的時間常數相比要小得多，可以忽略不計，因此數字調節(jié)器的參數整定可以參考模擬PID調節(jié)器參數整定的各種方法。數字PID控制參數整定的過程就是，首先按照模擬PID控制參數的整定方法來選擇，然后在適當的調整，并考慮采樣周期對參數整定的影響。,8.1.4.1PID調節(jié)器參數對控制性能的影響,（1）比例系數Kp對系統(tǒng)性能的影響比例系數對系統(tǒng)性能的影響可以從以下兩個方面討論：首先，是對動態(tài)性能的影響。加大Kp導致系統(tǒng)的響應速加快，振蕩次數加大，調節(jié)時間加長。當Kp過大時，系統(tǒng)會處于不穩(wěn)定狀態(tài)。反之，若Kp過小，會使系統(tǒng)的動作緩慢。其次，是對穩(wěn)態(tài)特性的影響。增加比例系數Kp，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。,（2）積分系數Ki對系統(tǒng)性能的影響,積分系數Ki通常會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ki太小會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ki偏大，振蕩次數較多，反之若Ki太小，對系統(tǒng)性能影響較小。Ki可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。,（3）微分系數Kd對系統(tǒng)性能的影響,微分控制經常與比例控制和積分控制聯(lián)合作用，構成PD控制和PID控制。微分控制系數Kd可以改善動態(tài)特性，如超調量σp減少，調節(jié)時間ts縮短，使穩(wěn)態(tài)誤差減少，提高控制精度。,8.2數字控制器的直接設計,8.2.1數字控制器的直接設計步驟數字控制器D(z)設計步驟可以歸納為：（1）根據控制系統(tǒng)的性能指標要求及其它約束，如因果性、穩(wěn)定性、準確性和快速性等確定控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數Φ(z)；（2）根據公式8.17確定控制器脈沖Z域傳遞函數D(z)；（3）根據D(z)編制控制算法程序。,8.2.2最少拍控制系統(tǒng)的設計,最少拍控制系統(tǒng)是指一類計算機快速跟蹤系統(tǒng)或快速響應系統(tǒng)。這種系統(tǒng)對特定的典型輸入（階躍、等速度或等加速度輸入信號）具有最快的響應速度。最少拍控制系統(tǒng)有兩種響應特性，一種是系統(tǒng)在特定的典型輸入作用下，經過若干拍（即采樣周期）后，系統(tǒng)輸出序列（即采樣值）就與輸入序列保持一致，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差序列為零。這種系統(tǒng)的輸出序列在穩(wěn)態(tài)時能無差跟蹤輸入序列，但是系統(tǒng)連續(xù)輸出在各相鄰采樣點間存在相對于連續(xù)輸入的上、下波動的紋波，所以通常稱這種系統(tǒng)為最少拍有紋波系統(tǒng)或最少拍系統(tǒng)。另一種是系統(tǒng)在特定典型輸入作用下，經過若干拍后，輸出序列不僅能無差跟蹤輸入序列，而且系統(tǒng)連續(xù)輸出在各相鄰采樣點之間也不存在紋波。這種系統(tǒng)通常稱為最少拍無紋波系統(tǒng)。,最少拍控制系統(tǒng)的性能要求,（1）穩(wěn)定性：閉環(huán)控制系統(tǒng)應該是穩(wěn)定的。（2）準確性：控制系統(tǒng)對特定的典型輸入（階躍、等速度和等加速度信號），其輸出序列應無穩(wěn)態(tài)誤差，也即在穩(wěn)態(tài)時輸出序列和輸入序列一致。（3）快速性：系統(tǒng)的暫態(tài)響應時間為有限拍，且拍數應盡可能的少。（4）因果性：控制系統(tǒng)D(z)應該是因果系統(tǒng)。,8.2.3達林控制算法,達林控制算法是基于極點配置方法，其實質是基于控制器與對象零極點相消的一種設計思想。1968年Dahlin提出了這種控制思想，被稱為達林控制算法。但是達林控制算法不同于傳統(tǒng)的極點配置設計方法，達林控制算法是先按控制系統(tǒng)的性能要求直接確定期望的閉環(huán)模擬傳遞函數，進而在對其進行離散化，得到期望的閉環(huán)Z域傳遞函數。最后將其帶入到單位反饋控制器中，就可以得到達林控制器的Z域傳遞函數。達林控制器常用來控制具有延遲特性的一階或二階控制對象，在實際的工程應用中有非常廣泛的使用。但是由于它是用控制完全抵消控制對象的零極點，故此它不能用于含有不可抵消零極點的控制對象。,本章小結,在計算機控制系統(tǒng)中，控制器的設計決定了計算機控制系統(tǒng)的性能。在實際應用中PID控制算法是一種經久不衰的控制算法，但是由于實際的工況不同，導致在實際應用中的控制器的PID參數調節(jié)比較困難。本章介紹了幾種比較常用的調節(jié)方法，可以根據實際情況選擇參數設計方法。隨著，控制技術的發(fā)展近些年也出現了一些先進的控制算法，如微分先行PID算法等。對于一些常用控制算法，已經出現了各種各樣的PID運算子程序庫，用戶只要根據自己的需要調用即可，有的子程序還可以通過組態(tài)的方法，選擇不同的調節(jié)規(guī)律?？傊?，PID調節(jié)方法是目前應用最廣泛的方式，同時也是最成熟的數字控制方法。,