第5章 数字控制器设计.ppt

计算机控制技术 数字控制器(Digital Controller)，电子控制器的一类，计算机控制系统的核心部分，是在被控对象数学模型或操作人员的经验基础上进行设计，并用计算机软件实现的某种控制算法。一般与系统中反馈部分的元件、设备相连，该系统中的其他部分可能是数字的也可能是模拟的。数字控制器通常是利用计算机软件编程，完成特定的控制算法。通常数字控制器应具备： A/D转换、D/A转换、一个完成输入信号到输出信号换算的程序。 由于计算机具有强大的计算功能、逻辑判断功能及存储信息量大等特点，因此计算机可以实现模拟控制器难以实现的许多复杂的先进控制策略。计算机控制系统的设计方法也是多种多样的。按照各种设计方法所采用的理论和系统模型的形式，可以大致分为： 模拟化设计法(也称连续域一离散化设计法)：常用于采样周期短、控制算法简单。忽略零阶保持器和采样器，求出系统的连续控制器，以近似方式离散化为数字控制器。 离散域直接设计法(也称z域设计方法或直接设计法)：常用于采样周期长的或控制复杂的系统。直接使用采样控制理论设计数字控制器。 复杂控制规律设计法：包括纯滞后控制、串级控制、前馈-后馈控制和解耦控制。 状态空间设计法(state-space techniques )：适用于多输入—多输出非线性时变系统。现代控制理论采用的分析方法是时域的，时域方法对于控制过程来说是直接的。基于状态空间描述的现代控制理论为先进的数字控制器的设计提供了强有力的工具。 数字控制器的常见类型 直接数字控制器，Direct Digital Controller，也称“DDC控制器”。通常DDC系统的组成通常包括中央控制设备(集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通讯接口等)、现场DDC控制器、通讯网络、以及相应的传感器、执行器、调节阀等元器件。 可编程控制器简称PC，但沿用PLC的简称。其英文全称为：Programmable Controller，它经历了可编程矩阵控制器PMC、可编程顺序控制器PSC、可编程逻辑控制器PLC(英文全称：Programmable Logic Controller)和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机(PC)相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 顺序控制器，根据生产工艺规定的时间顺序或逻辑关系编制程序，对生产过程各阶段依次进行控制的装置，简称顺控器。顺序控制器的控制方式有时序控制和条件控制两种。 数字调节器，用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器，又称数字调节仪表，是数字控制器的一种。它接受来自生产过程的测量信号，由内部的数字电路或微处理机作数字处理，按一定调节规律产生输出数字信号或模拟信号驱动执行器，完成对生产过程的闭环控制。 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，忽略控制回路中所有的采样开关和保持器，在s域中按连续系统进行初步设计，求出模拟控制器，然后通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制器，并由计算机实现。南于工程技术人员对连续域设计有丰富经验，因此数字控制器的模拟化设计方法得到了广泛应用。 数字控制器的连续化设计 (1) 忽略控制回路中的零阶保持器和采样器，在S域中设计连续控制器。条件是采样周期足够短。 (2)通过近似方法，把连续控制器离散化为数字控制器，用计算机实现。 实质：在采用周期足够短的情况下，把数字控制器(A/D－采样、计算机、D/A－零阶保持)看作一个整体，其输入和输出为模拟量，将其等效为连续传递函数。 数字控制器的连续模拟化设计技术，是立足于连续控制系统控制器的设计，然后在计算机上进行数字模拟来实现的。 数字控制器的模拟化设计技术在被控对象的特性不太清楚的情况下，利用技术成熟的连续化设计技术，并把它移植到计算机上予以实现，以达到满意的控制效果。 数字控制理论基础 计算机只能接受和处理二进制代码0和1及其组合，这些二进制数可以表示某一物理量的大小，称之为离散量或数字量。但实际系统中的被控量是在时间上连续的信号，一般称之为连续量或模拟量。模拟量进行离散化并转换成数字量后，才能由计算机处理。 因此，计算机控制系统也可以称为数字控制系统、离散控制系统或采样控制系统。模拟控制系统也称为连续控制系统。 离散(数字)控制系统与连续(模拟)控制系统的本质区别在于：模拟系统中的给定量、反馈量和被控量都是连续型的时间函数，而在离散系统中，通过计算机处理得给定量、反馈量和被控量是在时间上离散的数字信号。 把计算机引入连续控制系统中作为控制器使用，便构成了计算机控制系统。由计算机构成的控制系统，在本质上是一个离散系统。 在图示计算机控制系统中， G(s)是被控对象的传递函数； H