计算机控制系统经典设计方法-――计算机控制系统的连续化设计方法课件

7.1 计算机控制系统的连续化设计方法计算机控制系统的连续化设计方法7.1.1 计算机控制系统的连续化设计思想计算机控制系统的连续化设计思想7.1.2 数字数字PID控制器的具体设计控制器的具体设计7.1.3 计算机控制系统的连续化设计步骤总结计算机控制系统的连续化设计步骤总结7.1.4 数字数字PID控制器的改进控制器的改进7.1.5 数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定7.2 7.2 计算机控制系统的离散化设计方法计算机控制系统的离散化设计方法7.3 7.3 纯滞后控制系统的设计纯滞后控制系统的设计-达林算法达林算法第七章第七章 计算机控制系统经典设计方法计算机控制系统经典设计方法 以以经经典典的的连连续续控控制制器器设设计计方方法法为为基基础础，整整个个系系统统完完全全用用连连续续系系统统的的设设计计方方法法来来设设计计，待待确确定定了了连连续续控控制制器器之之后后，再再用用合合适适的的离离散散化化方方法法将将连连续续的的模模拟拟量量控控制制器器“离离散散”处处理理为为数数字字控制器，以便于计算机的实现。控制器，以便于计算机的实现。此法的一个代表即是此法的一个代表即是PIDPID控制的设计。控制的设计。连续化设计思想连续化设计思想7.1 计算机控制系统的连续化设计方法计算机控制系统的连续化设计方法7.1.1 计算机控制系统的连续化设计思想计算机控制系统的连续化设计思想7.1.2 数字数字PID控制器的具体设计控制器的具体设计7.1.3 计算机控制系统的连续化设计步骤总结计算机控制系统的连续化设计步骤总结7.1.4 数字数字PID控制器的改进控制器的改进7.1.5 数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定7.2 7.2 计算机控制系统的离散化设计方法计算机控制系统的离散化设计方法7.3 7.3 纯滞后控制系统的设计纯滞后控制系统的设计-达林算法达林算法第七章第七章 计算机控制系统经典设计方法计算机控制系统经典设计方法 PIDP：比例（：比例（Proportional）I：积分（：积分（Integral）D：微分（：微分（Differential）KPKi/sKdsE(s)U(s)e(t)u(t)连续系统关系式：连续系统关系式：传递函数的形式：传递函数的形式：图图7-1 连续连续PID控制器原理控制器原理连续连续PID控制器控制器在在计计算算机机控控制制系系统统中中需需要要使使用用的的是是数数字字PID调调节节器器，所所以以要要对对上上式进行离散化。令：式进行离散化。令：位位 置置 式式PID:数字数字PID控制器的具控制器的具体体设计设计KPKi/（1-z-1）Kd(1-z-1)E(z)U(z)e(kT)u(kT)根据根据z变换滞后定理变换滞后定理和和z变换变换叠值定理叠值定理得到得到PID控制器输出的控制器输出的z变换式和变换式和z传递函数：传递函数：图图7-2 离散离散PID控制器原理控制器原理数字数字PID控制器控制器D(z)1-e-TssE(z)U(z)T=0.1sTR(s)Y(z)Y(s)TT+_10(s+1)(s+2)广义对象的脉冲传递函数：广义对象的脉冲传递函数：分分析析目目的的：通通过过对对数数字字调调节节器器D(Z)取取比比例例（P）、比比例例积积分分（PI）和和比比例例、积积分分和和微微分分（PID），观观察察系系统统输输出出Y的的动动态态和和稳稳态态响响应应，从从而而发发现现P、I、D的不同作用。的不同作用。数字调节器：数字调节器：D(Z)分分析析步步骤骤：系系统统闭闭环环脉脉冲冲传传递递函函数数给给定定系系统统输输入入为为单单位位阶阶跃跃函函数数求求输输出出量量的的Z变变换换由由Z反反变变换换求求出出系系统统动动态态输输出出序序列列由由Z变变换换终终值值定定理理求求出出系统的稳态值。系统的稳态值。图图7-3 带数字带数字PID的计算机控制系统结构举例的计算机控制系统结构举例数字数字PID控制器控制器例例7.1 针对图7-3所示控制系统，采用比例(P)调节器，即D(z)=KP，分析比例作用对系统性能的影响以及参数KP的选择。【解解】系统闭环z传递函数，系统在单位阶跃输入时，输出量的z变换当将式(7-1)做z反变换，可以求出输出序列y(kT)如图7-4所示。(7-1)P、I、D环节的作用环节的作用（续一）图图7-4 PID控制系统输出响应控制系统输出响应P、I、D环节的作用环节的作用（续二）系统在单位阶跃输入时，输出量的稳态值由此可见，由此可见，比例系数加大，系统稳态误差减小。比例系数加大，系统稳态误差减小。P、I、D环节的作用环节的作用（续三）例例7.2 针对图7-3所示控制系统，采用数字PI校正，即D(z)=KP+Ki/(1-z-1)，试分析积分作用及参数的选择。【解解】广义对象的z传递函数同例7.1，系统的开环z传递函数 P、I、D环节的作用环节的作用（续四）为了确定积分系数Ki，可以使用由于积分校正增加的零点抵消极点（z-0.905）。由此可得 假设放大倍数Kp已确定，若选定Kp=1，则由上式可以确定Ki0.105。数字调节器的z传递函数系统经过PI校正以后的闭环z传递函数P、I、D环节的作用环节的作用（续五）由上式可以求出响应y(kT)，见图7-4。系统在单位阶跃输入时、输出量的稳态值所以，系统的稳态误差可见系统加积分校正以后，消除了稳态误差，提高了控制精度。但是，由图7-4的输出响应曲线可以见到系统的超调量增加了（达到45%），而且调节时间也加长。P、I、D环节的作用环节的作用（续六）系统在单位阶跃输入时，输出量的z变换P、I、D环节的作用环节的作用（续七）例例 7.3 针 对 图 7-3所 示 控 制 系 统，采 用 数 字 PID校 正，即D(z)=KP+Ki/(1-z-1)+Kd(1-z-1)，试分析微分作用及参数的选择。【解解】广义对象的z传递函数同例7.1。校正装置的z传递函数假设Kp=1已定，并要求D(z)的两个零点对消G(z)的两个极点z=0.905和z=0.819，则即应满足即应满足和和P、I、D环节的作用环节的作用（续八）设Kp=1，结合上面两个条件，可得 ，数字PID调节器的z传递函数系统的开环z传递函数系统的闭环z传递函数系统在单位阶跃输入时，输出量的z变换P、I、D环节的作用环节的作用（续九）由y(z)式，可以求出输出响应y(kT)，见图7-4。系统在单位阶跃输入时、输出量的稳态值系统的稳态误差ess=0。所以系统在PID控制时，由于积分的控制作用，对于单位阶跃输入，稳态误差也为零。由于微分的作用，系统的动态特性也得到很大改善，调节时间缩短，超调量减小。P、I、D环节的作用环节的作用（续十）比例的作用是减小误差、提高动态响应速度比例的作用是减小误差、提高动态响应速度积分的作用是消除稳态误差、但会有较大超调、调节时间加长积分的作用是消除稳态误差、但会有较大超调、调节时间加长微分的作用是预测偏差、产生超前校正作用、改善系统动态性能微分的作用是预测偏差、产生超前校正作用、改善系统动态性能数字数字PID控制系统的输出有位置式、增量式和速度式控制系统的输出有位置式、增量式和速度式位位 置置 式式PID:增增 量量 式式PID:式中式中,速速 度度 式式PID:数字数字PID控制器的输出形式控制器的输出形式位置式算法特点：位置式算法特点：4位置式PID数字调节器的输出是全全量量输输出出，是执行机构所应达到的位置（如阀门的开度）；4数字调节器的输出跟过去的状态有关，计算机的运算工工作作量量大大，需要对工作累加；4计算机的故障有可能产生大大幅幅度度的的变变化化，这种情况往往是生产实践中不允许的，而且有些场合可能会造成严重的事故。增量式算法特点：增量式算法特点：4计算机（数字调节器）只输出增量，计算机误动作时造成的影响比较小；4手动-自动切换方便；（解释）4算式中不需要做累加，增量只跟最近的3次采样值有关，不存在累计误差，容易获得较好的控制效果，但要求执行机构具有记忆功能；4由于式中无累加，消除了当偏差存在时发生饱和的危险。（解释）位位置置式式一一般般用用于于执执行行装装置置无无记记忆忆功功能能的的场场合合（如如直直流流电电机机的的电电枢枢电电压压控控制制）；而增量式用于执行机构有记忆功能的场合（如步进电机）。；而增量式用于执行机构有记忆功能的场合（如步进电机）。数字数字PID控制器的输出形式控制器的输出形式（续一）过去过去（I）现在现在（P）将来将来（D）数字数字PID 三个环节的意义三个环节的意义7.1 计算机控制系统的连续化设计方法计算机控制系统的连续化设计方法7.1.1 计算机控制系统的连续化设计思想计算机控制系统的连续化设计思想7.1.2 数字数字PID控制器的具体设计控制器的具体设计7.1.3 计算机控制系统的连续化设计步骤总结计算机控制系统的连续化设计步骤总结7.1.4 数字数字PID控制器的改进控制器的改进7.1.5 数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定7.2 7.2 计算机控制系统的离散化设计方法计算机控制系统的离散化设计方法7.3 7.3 纯滞后控制系统的设计纯滞后控制系统的设计-达林算法达林算法第七章第七章 计算机控制系统经典设计方法计算机控制系统经典设计方法 （1）按连续系统设计方法设计）按连续系统设计方法设计D(s)；（2）选择采样周期）选择采样周期T；（3）D(s)离散化为离散化为D(z)；（4）设计由计算机实现的控制算法（即）设计由计算机实现的控制算法（即D(z)变成差分方程变成差分方程)；（5）校验。）校验。连续化设计步骤连续化设计步骤7.1 计算机控制系统的连续化设计方法计算机控制系统的连续化设计方法7.1.1 计算机控制系统的连续化设计方法计算机控制系统的连续化设计方法7.1.2 数字数字PID控制器的具体设计控制器的具体设计7.1.3 计算机控制系统的连续化设计步骤总结计算机控制系统的连续化设计步骤总结7.1.4 数字数字PID控制器的改进控制器的改进7.1.5 数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定7.2 7.2 计算机控制系统的离散化设计方法计算机控制系统的离散化设计方法7.3 7.3 纯滞后控制系统的设计纯滞后控制系统的设计-达林算法达林算法第七章第七章 计算机控制系统经典设计方法计算机控制系统经典设计方法 1.积分分离积分分离PID控制算法控制算法积分分离阈值积分分离阈值：E0采用采用PID控制控制采用采用PD控制控制积分分离积分分离PID算法算法:Kl称为逻辑系数称为逻辑系数:基基本本思思想想：当给定值发生突变时，首先PD计算，直到偏差小于一个阈值后，才进行积分运算。优点是控制系统超调减小，缺点是系统暂态上升过程减缓。数字数字PID控制器的改进控制器的改进y(kT)G(s)1-e-TssTr(kT)TT+_积分分离积分分离PIDTT图图7-5 积分分离积分分离PID系统结构系统结构图图7-6 积分分离积分分离PID控制效果控制效果数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续一）2.实际微分实际微分PID控制算法一控制算法一数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续二）图图7-7 实际微分实际微分PID控制算法控制算法PID控控制制算算法法中中的的微微分分项项，虽虽能能减减小小超超调调和和缩缩短短调调节节时时间间，但但却却易易于于引引入高频干扰，且微分只能在偏差发生阶跃变化的那个控制周期起作用。入高频干扰，且微分只能在偏差发生阶跃变化的那个控制周期起作用。上上式式中中的的实实际际微微分分环环节节加加入入了了一一阶阶惯性环节惯性环节3.实际微分实际微分PID控制算法二（控制算法二（不完全微分PID控制算法）U(s)Gf(s)E(s)PID调节器调节器U(s)图图7-8 不完全微分控制不完全微分控制数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续三）不完全微分PID增量式算法：不完全微分PID位置式算法：数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续四）式中，式中，图图7-9 不完全微分数字不完全微分数字PID控制作用控制作用数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续五）4.实际微分实际微分PID控制算法三控制算法三（微分先行PID控制算法）适适合合于于给给定定值值频频繁变化的场合繁变化的场合适适合合于于串串级级控控制的附控回路制的附控回路图图7-10 微分先行微分先行PID控制结构控制结构数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续六）Ud图图7-11 原料气加热炉串级控制原料气加热炉串级控制数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续七）数字数字PID控制器的改进控制器的改进（续八）与理想微分与理想微分PID数字控制器相比，实际数字控制器相比，实际微分微分PID数字控制器的优点？数字控制器的优点？写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits33谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日 34