计算机控制技术第6章课件.ppt
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1、第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法1/496.1数字控制器的模拟化设计方法概述6.2 模拟控制器的离散化方法6.3 数字PID控制算法及其改进6.4 采样周期的选择6.5PID数字控制器的参数整定6.1 数字控制器的模拟化设计方法概述数字控制器的模拟化设计方法概述 所谓数字控制器的模拟化设计方法,是指在一定条件下,把计算机控制系统近似地看成模拟系统,用分析连续系统的方法来进行动态分析和设计,再将设计出的校正装置的传递函数离散化,这种方法称为数字控制器的模拟化设计方法,模拟化设计方法也称为间接设计方法。 模拟化设计方法的基本条件是,当系统的采样频率足够高时,采样系统
2、的特性接近于连续变化的模拟系统,因而,可以忽略采样开关和保持器,将整个系统看作是连续变化的模拟系统,实质是将模拟调节器离散化,用数字调节器代替模拟调节器。2/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法6.1.1 模拟化设计方法模拟化设计方法模拟化设计方法的应用3/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法 转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统,可以按调节器的工程设计方法设计双闭环系统的转速、电流调节器。 WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器,则有:转速调节器
3、:ssKsWnnnASR1)(式中 Kn 转速调节器的比例系数n转速调节器的超前时间常数4/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法电流调节器:ssKsWiiiACR1)(式中 Ki电流调节器的比例系数;i调节器的超前时间常数。 由于转速调节器和电流调节器都是PI调节器,结构已经固定,待定的只有调节器的参数,而工程设计方法已经给出了参数计算公式。电流调节器参数:SiIiKRKKliTnnhTnmenRThTChK2) 1(转速调节器参数:5/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法 在采样频率足够高时,把计算机控制的转速、电流双闭环直流调
4、速系统近似地看成模拟系统,将工程设计方法设计出的转速调节器和电流调节器的传递函数离散化,就可以得到相应的数字控制器,通过计算机程序实现系统的控制。系统的动态数学模型如图6-1所示。图6-1计算机控制的转速、电流双闭环直流调速系统6.2 模拟控制器的离散化方法零阶保持器法6/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法 零阶保持器法,又称阶跃响应不变法。其基本思想是:离散近似后数字控制器的阶跃响应序列,必须与模拟调节器的阶跃响应的采样值相等,即:1)(11)(1ssDzzzD(6-1)式中sz1111,分别是单位阶跃信号的 Z变换和拉氏变换。7/49第第6章章 数字控制器
5、的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法)()1 ()(1ssDzzzD(6-2)或者)()()(1)(sDsHzsDsezzDTS(6-3)其中:H(s)即式,seTS1称为零阶保持器T为采样周期8/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法例6-1用零阶保持器法求惯性环节11)(1sTsD的差分方程。解:1111111111111)1 (1111111)1 () 1(1)1 (111)(zezezezTsszzsTszzTSezzDTTTTTTTS9/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法所以11111)1 ()()()(zezek
6、ekukDTTTT整理得到控制算法:) 1()1 () 1()(11keekuekuTTTT Z变换的意义在于导出离散系统的脉冲传递函数,便于对系统分析与设计。10/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法6.2.2 双线性变化 双线性变换法又称突斯汀(Tustin)变换法,它是将S域函数与Z域函数进行转换的一种近似方法。由Z变换定义,有:STSTTSeeez22(6-4)将STSTee22,展开成泰勒级数为:222821STSTeST(6-5)11/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法222821STSTeST(6-6)只取上式的前
7、两项代入Z变换式(6-4),则有:TSTSSTSTSTSTz22222121(6-7)即S近似值为11112112zzTzzTS(6-8)12/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法所以,当已知连续传递函数D(S)时,则可计算D(z):112)()(zzTSsDzD(6-9)双线性变换法实际上就是梯形积分法。例6-3已知某连续控制系统的控制器的传递函数,2) 1(5 . 0)(sssD使用双线性变换法求出相应的数字控制器的脉冲传递函数D(z),其中T=1s。13/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法21212212112111211
8、11111. 0667. 01)6 . 04 . 01 (278. 0695 . 15 . 2)1 ()1 ( 2)1 ( 5 . 0)1)(1 ( 21)112(5 . 0112)(zzzzzzzzzzzzzTzzTzzTzD解: 用双线性变换法,可得:14/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法6.2.3 差分变换法 模拟控制器如果用微分方程来表示,其导数可用差分近似。其变换的基本作法是,把原始的连续校正装置传递函数 转化成微分方程,再用差分方程近似该微分方程。常用的方法有后向差分和前向差分。为便于编程离散化只采用后向差分。1.一阶后向差分。一阶导数采用近似式
9、:Tkukudttdu)1()()(6-10)15/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法2二阶向后差分。二阶导数采用近似式:222)2()1(2)()2()1()1()()1()()(TkukukuTTkukuTkukuTkukudttud(6-11)例6-5 求惯性环节11)(1STsD的差分方程。16/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法解:由11)()()(1sTsEsUsD有)()()1(1sEsUsT化成微分方程:)()()(1tetudttduT用一阶后向差分近似代替微分得:)()() 1()(1kekuTkukuT式
10、中,T采样周期整理得:)() 1()(1111keTTTkuTTTku17/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法 将数字PID控制算法的解析表达式,重写如下:离散的位置型PID表达式:(6-12)式中:T采样周期第k-1 次采样时的偏差值第 k次采样时的偏差值采样序号, k=0,1,2,6.3 数字PID控制算法及其改进6.3.1 数字PID控制算法DP0I( )( )( ) ( )(1)kjTTu kKe ke je ke kTT(1)e k ( )e kk18/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法离散的增量型PID表达式:(6
11、-13)式中:IPITTKK 积分系数TTKKDPD微分系数第 k-2次采样时的偏差值 根据被控对象的实际情况选择PID算法。一般地,在以晶闸管或伺服电机作为执行器件,或对控制精度要求较高的系统中,应当采用位置型算法,而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中,则应采用增量式算法。PID( )( )(1)( )( )2 (1)(2)u kKe ke kK e kKe ke ke k(2)e k 19/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法1.比例(P)控制系统 在比例控制的单闭环直流调速系统中,假设速度给定为 Un*,比例控制器放大系数为 KP,触发和整流环节的
12、放大系数为Ks ,电枢回路总电阻为R ,电枢回路电流为Id ,电动势常数为 Ce,速度反馈系数为 。画出比例控制的单闭环直流调速系统稳态结构图,如图6-2所示。图6-2比例控制的单闭环直流调速系统*PSndee(1)(1)K K UI RnCKCK静特性: PSeK KKC20/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法 从静特性分析中可以看出,由于采用了比例放大器,闭环系统的开环放大系数K值越大,系统的稳态性能越好。然而,KP=常数,稳态速差就只能减小,却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为:)1 (KCRInedcl (6-16)只有 K =,才能使,0)1 (K
13、CRInedcl 而这是不可能的。因此,这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上,这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。此时,相应的控制算法程序中只保留比例部分即可,位置型PID表达式简化为而离散的增量型PID表达式P( )( )u kK e kP( )( )(1)u kKe ke k21/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法2.积分(I)控制系统 在积分控制的无静差调速系统中采用积分调节器,则控制电压 是转速偏差电压 的积分。积分控制的单闭环直流调速系统稳态结构图如图6-3所示。CUnU 图6-3 积分控制的单闭环直流调速系统22/49第第6章章 数字控制器
14、的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法3.比例积分(PI)控制规律 如果既要稳态精度高,又要动态响应快,只要把比例和积分两种控制结合起来就行了,这便是比例积分控制。6.3.2 数字PID控制算法的改进 在位置型PID控制算法中,积分累积使积分项控制作用过大将出现积分饱和;增量型PID控制算法中,微分项和比例项控制作用过大将出现微分饱和,都会使执行机构进入非线性区,从而使系统出现过大的超调和持续振荡,动态品质变坏。为了避免这种现象的想出现,需要对PID控制算法中的积分项和微分项进行改进。23/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法1.积分分离的PID算法 在数字
15、PID控制系统中,由于系统的执行机构线性范围受到限制,当偏差E较大时,如系统在开工、停工或大幅度变动给定值时,由于积分项的作用,将会产生一个很大的超调量,使系统不停的振荡,由于主要是积分项的存在引起PID运算的饱和,因此称为积分饱和。 积分分离的PID控制算法:在控制量开始跟踪时,偏差大于规定的门限值,取消了积分作用;在被调量接近给定值时,偏差较小,才产生积分作用。设给定值为R(k),经数字滤波后的测量值为M(k),A为误差的门限值(最大允许偏差),可描述为:(6-17),PD( )( )( ),PIDAe kr km kA24/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计
16、方法 积分分离的PID控制算法如图6-4所示。曲线1为采用积分分离手段后的控制曲线,2为PID控制曲线,比较曲线1和2可知,使用积分分离方法后,显著降低了被控变量的超调量和过渡过程时间,使调节性能得到改善。图6-4积分分离的PID控制算法1II0()()()()kjukKejfekek2. 变速积分的PID算法 偏差大时,积分累加速度慢,积分作用弱;当偏差小时,则使积分累加速度加快,积分作用增强。25/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法3.不完全微分的PID算法 在前面介绍的标准PID算式中,当有阶跃信号输入时,微分项输出急剧增加,容易引起控制过程的振荡,导致
17、调节品质下降。为了解决这一问题,同时要保证微分作用有效,可以仿照模拟调节器的方法,采用不完全微分的PID算式。其传递函数表达式为:SKTSTSTKSESUDDDIP111)()(6-21)PID输出量算子形式;E(S) 偏差信号算子形式;PK 实际比例放大系数;26/49第第6章章 数字控制器的模拟化设计方法数字控制器的模拟化设计方法IK 实际积分时间;DK 实际微分时间;dK 实际微分增益。 不完全微分的PID算式,即(6-30) 在单位阶跃信号作用下,完全微分与不完全微分输出特性的差异,如图6-5所示它与理想的PID算式相比,多一项(k-1)次采样的微分输出量。*DPD*0IS( )( )
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