第4章 常规及复杂控制技术.ppt

第四章 常规及复杂控制技术 4.1? 数字控制器的连续化设计技术 4.2 数字控制器的离散化设计技术 4.3 纯滞后控制技术 4.4 串级控制技术 4.5 前馈-反馈控制技术 4.6 解耦控制技术 本章主要内容： ①常规控制技术： 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： 纯滞后控制、串级控制、前馈—反馈控制、解耦控制。 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。 4.1? 数字控制器的连续化设计技术 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? 数字控制器的连续化设计技术 设计方法（引言）： 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， 再通过某种近似，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 1.设计假想的连续控制器D(S) 2.选择采样周期T 3.将D(S)离散化为D(Z) 4.设计由计算机实现的控制算法 5.校验 1.设计假想的连续控制器D(S) 设计的第一步是找一种近似的结构，来设计一种假想的连续控制器D(S)，结构图可简化为： 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：  2.选择采样周期T 其频率特性为 2.选择采样周期T 对于小的采样周期，可把零阶保持器H(S)近似为： ﹖上式表明：当T 很小时，H(S)可用半个采样周期的时间滞后环节来近似（相角滞后）。 2.选择采样周期T 对于包含滞后环节的系统，每滞后一段时间，其相位裕量就减少一部分。 若可减少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 3.将D(S)离散化为D(Z) (1)双线性变换法 3.将D(S)离散化为D(Z) (1)双线性变换法 双线性变换或塔斯廷（Tustin）近似 3.将D(S)离散化为D(Z) (1)双线性变换法 也可从数值积分的梯形法对应得到。 设积分控制规律为： 3.将D(S)离散化为D(Z) (1)双线性变换法 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 3.将D(S)离散化为D(Z) (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 3.将D(S)离散化为D(Z) (2)前向差分法 前向差分法也可由数值微分中得到。 设微分控制规律为： 3.将D(S)离散化为D(Z) (2)前向差分法 采用前向差分近似可得 3.将D(S)离散化为D(Z) (3)后向差分法 利用级数展开还可将 Z =e sT 写成以下形式 4.设计由计算机实现的控制算法 数字控制器D(Z)的一般形式为下式，其中n≥m,各系数ai,bi为实数，且有n个极点和m个零点。 5.校验 控制器D(z)设计完并求出控制算法后，须按图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。 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（应用最为广泛）： 4.1.2 数字PID控制器的设计 比例（P）控制，控制器的输出与输入误差信号成比例关系，比例项的作用仅是放大误差的幅值。 ?　 积分（I）控制，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。比例+积分(PI)控制器，可消除系统的稳态误差。?　 微分（D）控制，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。?较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件使输出落后于误差的变化。微分控制可通过预测误差变化的趋势，将抑制误差的作用 “超前”，以抑制误差的控制作用，避免被控量的超调。 4.1.2 数字PID控制器的设计 1．模拟PID调节器 2. 数字PID控制器 3. 数字PID控制算法实现方式比较 4. 数字PID控制算法流程 1．模拟PID调节器 2.数字PID控制器 在计算机控制系统中，PID控制规律必须用数值逼近的方法来实现（计算机控制只能根据采样值来计算控制量） 当采