计算机控制技术于海生第4章节常规及复杂控制技术.ppt

第四章 常规及复杂控制技术 计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。 本章主要介绍计算机控制系统的常规及复杂控制技术。 　　①常规控制技术介绍数字控制器的连续化设计技术和离散化设计技术； 　　②复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制、前馈—反馈控制、解耦控制。 4.1? 数字控制器的连续化设计技术 设计方法：数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。 4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 4.1.2 数字PID控制器的设计 4.1.3 数字PID控制器的改进 4.1.4 数字PID控制器的参数整定 4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 1.假想的连续控制器D(S) 设计的第一步就是找一种近似的结构，来设计一种假想的连续控制器D(S)，这时候我们的结构图可以简化为： 已知G(S)来求D(S)的方法有很多种，比如频率特性法、根轨迹法等。 2.选择采样周期T 香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率。在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器H(S)来实现。零阶保持器的传递函数为：  我们能从上式得出什么结论呢？ 上式表明，当T很小时，零阶保持器H(S)可用半个采样周期的时间滞后环节来近似。它使得相角滞后了。而在控制理论中，大家都知道，若有滞后的环节，每滞后一段时间，其相位裕量就减少一部分。我们就要把相应减少的相位裕量补偿回来。假定相位裕量可减少5°～15°，则采样周期应选为： 3.将D(S)离散化为D(Z) (1)双线性变换法 (2)前向差分法 (3)后向差分法 (1)双线性变换法 双线性变换也可从数值积分的梯形法对应得到。设积分控制规律为 两边求拉氏变换后可推导得出控制器为 当用梯形法求积分运算可得算式如下 上式两边求Z变换后可推导得出数字控制器为 (2)前向差分法 利用级数展开可将Z=esT写成以下形式 Z=esT=1+sT+…≈1+sT 由上式可得 前向差分法也可由数值微分中得到。设微分控制规律为 (3)后向差分法 4.设计由计算机实现的控制算法 5.校验 控制器D(z)设计完并求出控制算法后，须按图4.1所示的计算机控制系统检验其闭环特性是否符合设计要求，这一步可由计算机控制系统的数字仿真计算来验证，如果满足设计要求设计结束，否则应修改设计。 4.1.2 数字PID控制器的设计 根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID控制)，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。 1．模拟PID调节器 2.数字PID控制器 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。 在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。 (1)数字PID位置型控制算法 (2)数字PID增量型控制算法 (1)数字PID位置型控制算法 (2)数字PID增量型控制算法 3、数字PID控制算法实现方式比较 控制系统中： ①如执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置式控制算法； ②如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法； 增量式控制算法的优点： (1)增量算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。 (2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中、只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。 (3)采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。 4.数字PID控制算法流程 4.1