数字控制器的设计.pptVIP

第1页，共36页，星期日，2025年，2月5日计算机控制系统的核心（1）给定控制对象数字控制器实现各种不同要求的控制功能。如何设计数字控制器？（2）给定性能指标设计出满足控制性能的控制规律以及与此对应的计算机编程算法。7.2.1PID设计方法7.2数字控制器的PID设计方法第2页，共36页，星期日，2025年，2月5日数字控制器的两类设计方法典型计算机控制系统结构框图计算机控制系统是一个既有连续信号，又有离散信号的混合系统。第3页，共36页，星期日，2025年，2月5日（1）连续化设计法——间接设计法思想：在一定的条件下，将计算机控制系统近似地看成是一个连续变化的模拟系统，用模拟系统的理论和方法进行分析和设计。把D/A、数字控制器、A/D看成一个整体，等效成连续域中的D(S)。方法：先设计连续域的控制器D(S)，然后把D(S)离散化，得到数字控制器D(Z)。特点：采样周期较小时适用，是一种近似设计法，工程上应用广泛。第4页，共36页，星期日，2025年，2月5日（2）离散化设计法——直接设计法思想：把计算机控制系统经过适当的变换，变成纯粹的离散系统。把D/A、被控对象、A/D看成一个整体，等效成离散对象G(Z)，此时整个系统为离散系统。方法：直接用Z传递函数设计数字控制器D(Z)。特点：在设计中已考虑了采样周期的影响，是一种准确的设计方法。第5页，共36页，星期日，2025年，2月5日1.连续系统的控制规律PID控制，就是比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Differential)控制，它的结构简单，参数易于调整，是控制系统中经常采用的控制算法。什么是PID控制？为什么研究PID控制？PID控制算法是工业控制中最常用的控制算法，该算法对大多数控制对象均可达到满意的控制效果。第6页，共36页，星期日，2025年，2月5日连续PID控制器连续PID控制器的结构图：连续PID控制器控制规律的频域表达式：第7页，共36页，星期日，2025年，2月5日连续PID控制器控制规律的时域表达式：u(t)为控制器输出的控制量；e(t)为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。第8页，共36页，星期日，2025年，2月5日连续PID控制器中各环节的作用：能迅速反映误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，加大KP还会引起系统的不稳定。比例控制:积分控制:积分控制是偏差累积控制，控制作业缓慢，但是如果积分作用太强会使系统的超调量加大，甚至出现振荡。存在误差不断积累输出控制量以消除误差只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差。原理：作用：缺点：作用：减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，还能加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。微分控制:原理：预测误差变化趋势。第9页，共36页，星期日，2025年，2月5日连续PID控制器的实际应用：根据对象的特性、系统的性能要求对PID的三项进行组合，构成适合的规律。常用的控制规律有：比例（P）控制，比例积分控制（PI），比例微分控制（PD），比例积分微分控制（PID）连续控制器的离散化就是利用某种离散化方法，由D(s)求出相应的D(z),使D(z)的动态特性近似于D(s)的动态特性。2.离散化方法第10页，共36页，星期日，2025年，2月5日1）双线性变换法z变换的定义：利用级数展开：双线性变换法的变换公式为：第11页，共36页，星期日，2025年，2月5日双线性变换法的几何意义是梯形法求积分积分控制率为：两边拉式变换，变形得：用梯形法求积分得：两边z变换得：数字控制器为：第12页，共36页，星期日，2025年，2月5日映射关系以代入第13页，共36页，星期日，2025年，2月5日分析映射关系取模值的平方S平面Z平面（s平面虚轴）（s左半平面）（s右半平面）第14页，共36页，星期日，2025年，2月5日对于双线性变换由此可以得出相角关系式：第15页，共36页，星期日，2025年，2月5日所以由此得出与的对应关系：第16页，共36页，星期日，2025年，2月5日③频率畸变假设双线性变换后z域的角频率为，根据所以离散化后的角频率为所以Z域中的与S域中的是非线性关系。如图5.8所示。第17页，共36页，星期日，2025年，2月5日由图可以看