数字控制器设计()课件.ppt
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1、数字控制器设计数字控制器设计()第1页,此课件共67页哦 本章主要内容本章主要内容:数字控制器的设计方法数字控制器的设计方法按其设计特点分为三大类:1.模拟化设计方法 先设计校正装置的传递函数D(s),然后采用某种离散化方法,将它变成计算机算法。2.离散化设计方法 已知被控对象的传递函数或特性G(Z),根据所要求的性能指标,设计数字控制器。3.状态空间设计法(能处理多输入-多输出系统)基于现代控制理论,利用离散状态空间表达式,根据性能指标要求,设计数字控制器。第2页,此课件共67页哦3.1 3.1 概述概述 工程上多数情况下被控对象是连续的。这样工程上多数情况下被控对象是连续的。这样组成的计算
2、机系统人们称之为组成的计算机系统人们称之为“混合系统混合系统”,习,习惯上也常称为惯上也常称为“离散系统离散系统”。如。如图图3-13-1所示。所示。被控对象:其输入输出均为模拟量,是系统的连续部分被控对象:其输入输出均为模拟量,是系统的连续部分。数字控制器数字控制器:可以是计算机,工业控制机或数字控制器等可以是计算机,工业控制机或数字控制器等。设计方法分为:模拟化设计方法和离散化设计方法。设计方法分为:模拟化设计方法和离散化设计方法。第3页,此课件共67页哦第4页,此课件共67页哦模拟化设计方法的假设是认为采样频率足够高(相对于系统的工作频率),以至于采样保持所引进的附加误差可以忽略,则系统
3、的连续部分可以用连续系统来代替。模拟化设计方法一般可按以下五步进行:第一步:用连续系统的理论确定控制器D(S);第二步:用合适的离散化方法由D(S)求出D(Z);第三步:检查系统性能是否符合设计要求;第四步:将D(Z)变为差分方程或状态空间表达式形式,并编制计算机程序,需要时尚可采取。第五步:用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编制是否正确。3.1 3.1 概述概述3.1.1 3.1.1 模拟化设计方法模拟化设计方法第5页,此课件共67页哦3.1 3.1 概述概述3.1.23.1.2离散化设计方法离散化设计方法1.Z变换法变换法 Z变换可由拉氏变换推导出来:求z变换的方法有:无穷级数求和法、部
4、分分式法、留数计算法。求z反变换的方法有:长除法、部分分式法、留数计算法。离散化设计方法的概念可用离散化设计方法的概念可用图图3-23-2说明。说明。Tsez 第6页,此课件共67页哦2.2.带有零阶保持器的带有零阶保持器的Z Z变换法变换法 在原线性系统的基础上串联一个虚拟的零阶保持器,再进行Z变换从而得到D(s)的离散化模型D(z)3.差分变换法(又称数值积分法)差分变换法(又称数值积分法)将微分方程离散化为差分方程,最后求z传递函数。)(1)(sDseZzDsT第7页,此课件共67页哦 3.1.33.1.3两种方法的比较两种方法的比较离散化的设计方法,与模拟化的设计方法相比有离散化的设计
5、方法,与模拟化的设计方法相比有时称为精确法。时称为精确法。该法的精确性仅限于线性范围内以及采样点上该法的精确性仅限于线性范围内以及采样点上才成立,是一种直接数字设计方法。更具一般性,才成立,是一种直接数字设计方法。更具一般性,且控制品质也应较好,多用在某些随动系统的设计且控制品质也应较好,多用在某些随动系统的设计上。要求人们了解并掌握有关自控原理、数学模型上。要求人们了解并掌握有关自控原理、数学模型、计算机控制系统(包括硬件与软件)等方面的知、计算机控制系统(包括硬件与软件)等方面的知识。识。第8页,此课件共67页哦3.23.2模拟控制器的离散化模拟控制器的离散化模拟控制器从信号理论的角度看是
6、把模拟控制器模拟控制器从信号理论的角度看是把模拟控制器用于反馈控制系统作校正装置。而表征校正控制用于反馈控制系统作校正装置。而表征校正控制器的重要参数是:器的重要参数是:(a)(a)极点与零点的数目;极点与零点的数目;(b)(b)频带宽度与截止频率;频带宽度与截止频率;(c)DC(c)DC增益;增益;(d)(d)相位裕度;相位裕度;(e)(e)增益裕度;超调量,闭环频率响应峰值。增益裕度;超调量,闭环频率响应峰值。第9页,此课件共67页哦3.23.2模拟控制器的离散化模拟控制器的离散化3.2.1 Z3.2.1 Z变换法变换法 Z Z变换法是依据就变换法是依据就D(z)与D(s)之间的一种映射关
7、系。Z Z变换法离散化模型为:变换法离散化模型为:Z Z变换法的特点:变换法的特点:(1)D(z)与D(s)的脉冲响应相同;如果D(s)是稳定的,则D(z)也稳定;(3)D(z)不能保持D(s)的频率响应;(4)D(z)将s的整数倍的频率信号,变换为z平面上同一频率点,所以出现了混迭现象.(s为样角频率);(5)如果D(s)是一个复杂的传递函数则其Z变换很可能无法在一般Z变换表中查到。这时就需要进行部分分式展开。11211111)(21zeAzeAzeAzDTanTaTan第10页,此课件共67页哦3.23.2模拟控制器的离散化模拟控制器的离散化3.2.2 3.2.2 带有零阶保持器的带有零阶
8、保持器的Z Z变换法变换法 保持器是本方法公式中的一个解析部分,而不是一个硬件模型,即在原线性系统的基础上串联一个虚拟的零阶保持器。带有零阶保持器的Z变换离散化模型为:加保持器的Z变换法的特点是:(1)如果D(s)是稳定的,则D(z)也稳定;(2)如果D(z)不能从表中查到。则要进行部分分式展开;(3)D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。)(1)(sDseZzDsT第11页,此课件共67页哦3.23.2模拟控制器的离散化模拟控制器的离散化3.2.3 3.2.3 差分变换法差分变换法 差分变换法是变量的导数用有限差分来近似的等效。其中最简单的差分变换是用后向差分或前向差分代替一阶导数。
9、如图3.3所示。后向差分后向差分的性质是:(1)使用方便,而且不要求传递函数的因式分解;(2)一个稳定的D(s)变换为一个稳定的D(z);(3)不能保持D(s)的脉冲与频率响应。前向差分 由此可知,s平面的j轴在z平面上的映像除T极小值外,均在单位园外,因此这种方法将不利用控制器的稳定性。Teedtdeii1Tuudtduii1Teedtdeii1第12页,此课件共67页哦 第13页,此课件共67页哦3.23.2模拟控制器的离散化模拟控制器的离散化3.2.4 3.2.4 双线性变换法双线性变换法 双线性变换法亦称作TUSTIN法或梯形积分法。如图3.4所示。双线性变换的特点:(1)应用方便。可
10、用计算机算出D(z)的系数。(2)双线性变换不会引起高频混迭现象。(3)如果D(s)稳定,则D(z)亦稳定。(4)它不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。如图3.5所示。3.2.5 3.2.5 各种离散化方法的比较各种离散化方法的比较 根据A.本茨和M.普里斯勒的研究可知最好的离散化方法是双线性变换法.第14页,此课件共67页哦 图 3-4 双线性变换 i 第15页,此课件共67页哦 t 图 3-5 频率响应曲线 第16页,此课件共67页哦 第17页,此课件共67页哦3.3 3.3 数字数字PIDPID控制控制 PID控制的数字化:属于模拟化设计方法,是由连续系统PID控制发展起来的。具有原理
11、简单,易于实现,鲁棒性(Robustness)和适用面广等优点.3.3.1 3.3.1 理想微分理想微分PIDPID控制控制模拟PID控制器的理想算式为:u(t)为控制量(控制器输出);e(t)为被控量与给定值的偏差,即:e(t)=r(t)-y(t);Kc为比例增益,Kc与比例带成倒数关系,即Kc=1/;Ti为积分时间;Td为微分时间。)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtudtip第18页,此课件共67页哦 离散化后:上式表示的控制算法提供了执行机构的位置所以称为PID位置控制算法。将上式写成传递函数形式将上式写成传递函数形式,其框图如图其框图如图3.73.7所示。所示。)11(
12、)()()(sTsTKsEsUsDdickidipuTkekeTTieTkekku00)1()()(1)()(第19页,此课件共67页哦第20页,此课件共67页哦+x +e -fKc Td SKcKc/Ti SDPI+uy对象测量电路第21页,此课件共67页哦利用后向差分法可求出其对应的脉冲传递函数D(z)为:数字PID的增量式为:111111)(zTTzTTKzDdic)2()1(2)()()1()()2()1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKkekekeTTkeTTkekeKkudicdic第22页,此课件共67页哦数字数字PIDPID的增量式的优点如下的增量式的优点
13、如下:1.计算机只输出增量,误动作时影响小,必要时可增设逻辑保护;2.手动/自动切换时冲击小;3.算式不需要累加,只需记住四个历史数据,即e(k-2),e(k-1),e(k)和u(k-1),占用内存少,计算方便.在实际系统中,如执行机构为步进奠基,则可以自动完成数字PID的增量式的计算功能.程序流程图如3.8所示.第23页,此课件共67页哦图3.8 数字PID控制算法程序框图第24页,此课件共67页哦增量式增量式PIDPID算法与位置式算法与位置式PIDPID算法的比较:算法的比较:两者本质相同,只是前者需要使用有附加积分作用的执行机构。但有如下优点:1、计算机只输出增量,误动作时影响小,必要
14、时可增设逻辑保护;2、手动/自动切换时冲击小;3、算式不需要累加,只需记住四个历史数据,即e(k-2),e(k-1),e(k)和u(k-1),占用内存少,计算方便,不易引起误差累积。第25页,此课件共67页哦3.3.2 3.3.2 实际微分实际微分PIDPID控制控制 在计算机直接数字控制系统中,通常采用以下三种实际微分PID控制算式。1.实际微分PID控制算式之一:(如图3.9所示)低通滤波器和理想微分PID算式相结合后的传递函数为:2.实际微分PID控制算式之二:(如图3.10所示)实际微分PID算式的传递函数:3.3.实际微分PID控制算式之三:(如图3.11所示)其传递函数为:)11(
15、1)()()(sTsTsTKsEsUsDdifp)11(11)()()(122sTKsKTsTsEsUsDcd)111()(sKTsTsTKsDdddip第26页,此课件共67页哦3.3.33.3.3控制算法实施中的具体问题控制算法实施中的具体问题3.3.3.1 积分项的改进3.3.3.2 变化率限制3.3.3.3 输出位置限幅3.3.3.4 防止积分饱和3.3.3.5 存储有效数据 第27页,此课件共67页哦图3.12计算机控制的几个步骤第28页,此课件共67页哦3.4 3.4 数字数字PIDPID控制算式的改进控制算式的改进为改善PID控制的动态特性,人们在实践中,结合计算机的特点,提出了
16、多种改进数字PID控制算法,下面介绍几种常用的非标准数字PID算法。积分饱和的原因及影响:原因:由于执行机构的限制和积分项的存在影响:增加超调量和系统的调节时间。第29页,此课件共67页哦3.4.1 3.4.1 微分先行微分先行微分先行微分先行:(如图3.15)特点:将微分与积分运算分解为一阶惯性环节,简化计算.3.4.2 3.4.2 带死区的带死区的PIDPID算法算法:系统框图如图3.16所示.特点:带死区的PID算法(如图3.17所示)第30页,此课件共67页哦图3.15 微分先行PID算式的分解框图第31页,此课件共67页哦图3.16 带死区PID控制系统框图第32页,此课件共67页哦
17、3.4.3 3.4.3 积分分离积分分离PIDPID算法算法(如如图图3.183.18所示所示)特点特点:降低超调降低超调,减少调节时间减少调节时间.3.4.4 IPD3.4.4 IPD算法算法(如图如图3.193.19所示所示)特点特点:第33页,此课件共67页哦图3.17 带死区PID控制系统程序框图第34页,此课件共67页哦图3.18 有积分分离手段的控制过程第35页,此课件共67页哦图3.19 IPD控制系统方框图第36页,此课件共67页哦3.5 3.5 数字数字PIDPID参数整定方法参数整定方法3.5.1 PID3.5.1 PID控制器参数对系统性能的影响控制器参数对系统性能的影响
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