第九章计算机控制技术及其应用精要.pptVIP

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第九章 数字控制器的设计 本章要点: 1. 数字控制器连续化设计及PID算法、改进与参数整定 2. 数字控制器离散化设计及最少拍控制系统的设计 3. 大林算法与纯滞后控制 4. 模糊控制器的基本结构与工程设计及应用方法 本章主要内容 引言 引 言 自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律,产生满足工艺要求的控制信号,以输出驱动执行器,达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中,控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的,而在计算机控制系统中,除了计算机装置以外,更主要的体现在软件算法上,即数字控制器的设计上。 对于单回路常规控制系统,数字控制器的设计主要采用连续化设计和直接离散化设计这两种设计方法。 9.1 数字控制器的连续化设计 数字控制器的连续化设计是把整个控制系统看成是模拟系统,利用模拟系统的理论和方法进行分析和设计,得到模拟控制器后再通过某种近似,将模拟控制器离散化为数字控制器,并由计算机来实现。这对于对象特性不太清楚,采样周期比较小的场合,可以获得满意的控制效果。 主要知识点: 1.设计假想连续控制器D(S) 2.将D(S)离散化为D(Z) 离散化方法: 3.设计由计算机实现的控制算法 设数字控制器的一般形式为 9.1.2 数字PID控制算法 1.理想PID控制算法 理想PID的递推算式 理想PID的增量差分形式 2.实际微分PID控制算法 理想微分PID控制的实际效果并不理想,特别在干扰作用下执行机构常常动作频繁,计算的控制输出甚至会超过执行机构的上下限。在数字PID控制中也常常采用实际微分的算法,其实质是模仿模拟控制器在理想算法的基础上增加一个对微分作用的低通滤波环节(通常为一阶惯性环节)。 一种常见的实际微分PID控制算式 实际微分的离散化 差分形式 理想微分PID与实际微分PID的阶跃响应对比 实际微分PID与理想微分PID对比 其它形式的实际微分PID 3.手动/自动跟踪与无扰动切换 自动、软手动、硬手动三种控制状态之间常常需要进行切换,并且要求切换过程中控制输出不会产生扰动,称为无扰动切换,这种无扰动切换是通过状态间的相互跟踪实现的。 9.1.3 数字PID算法的改进 用计算机实现PID控制,不只是简单地把PID控制规律数字化,而是进一步与计算机的强大运算能力、存储能力和逻辑判断能力结合起来,使PID控制更加灵活多样,更能够满足对控制系统提出的各种要求。 常用数字PID的几种改进算法: 积分分离算法 抗积分饱和算法 微分项改进 带死区的算法 1.积分分离算法 积分分离值的确定原则 变速积分:改变积分增益的大小,使其与输入偏差的大小相对应:偏差越大,积分作用越小,反之则越小。设置一系数f [e(k)],它是e (k)的函数,当 增大时,f减小,反之增大。变速积分PID的积分项表达式为 2.抗积分饱和措施 串级控制系统抗积分饱和 3.微分项的改进 4.带死区的算法 计算机控制中为了避免控制动作过于频繁,以消除由于执行机构或阀门的频繁动作所引起的系统振荡,采用所谓带死区的PID算法,也称带不灵敏区的算法。如图9-4所示,该算法是在原PID算法的前面增加一个不灵敏区的非线性环节来实现的,即 式中,s为死区增益,其数值可为0,0.25,0.5,1等,图中只画出s=0时的水平直线。死区范围B是一个可调参数,其大小一般应根据控制系统对被控量稳态精度的要求以及现场的试验结果来确定。B值太小,使调节动作过于频繁,不能达到稳定被调对象的目的。如果B值取得太大,则系统将产生很大的滞后。当B=0或s=1时,则为普通的PID控制。 9.1.4 数字PID参数的整定 对由数字PID构成的控制系统的设计,当 于控制器的结构和控制规律已经确定,系统控制质量的好坏主要取决于参数是否合理,设计确定PID参数的工作也称为PID的参数整定。 PID整定的实质是通过调整控制器的参数使其特性与被控对象的特性相匹配,以获得满意的控制效果。 一般的生产过程都具有较大的时间常数,而数字PID控制系统的采样周期则要小得多,所以数字PID的参数整定,完全可以按照模拟调节器的各种参数整定方

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