模塊八數(shù)字控制器設(shè)計(jì)ppt課件

1、模塊八 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)本章要點(diǎn) 1. 延續(xù)化設(shè)計(jì)方法 重點(diǎn)：數(shù)字PID設(shè)計(jì) 2. 直接離散化設(shè)計(jì)方法 重點(diǎn)：最少拍控制算法3. 大林算法與純滯后控制4. 模糊控制根底 本章主要內(nèi)容 引言引言 8.1 數(shù)字控制器的延續(xù)化設(shè)計(jì) 8.2 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì) 8.3 模糊控制技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié) 思索題 引言 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的中心是控制器?？刂破鞯牧x務(wù)是按照一定的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的中心是控制器?？刂破鞯牧x務(wù)是按照一定的控制規(guī)律，產(chǎn)生滿足工藝要求的控制信號(hào)，以輸出驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，到控制規(guī)律，產(chǎn)生滿足工藝要求的控制信號(hào)，以輸出驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，到達(dá)自動(dòng)控制的目的。在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中，控制器的控制規(guī)律達(dá)自動(dòng)控

2、制的目的。在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中，控制器的控制規(guī)律或控制造用是由儀表或電子安裝的硬件電路完成的，而在計(jì)算機(jī)控或控制造用是由儀表或電子安裝的硬件電路完成的，而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除了計(jì)算機(jī)安裝以外，更主要的表達(dá)在軟件算法上，即制系統(tǒng)中，除了計(jì)算機(jī)安裝以外，更主要的表達(dá)在軟件算法上，即數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)上。數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)上。 8.1 數(shù)字控制器的延續(xù)化設(shè)計(jì)主要知識(shí)點(diǎn)主要知識(shí)點(diǎn):8.1.1 8.1.1 數(shù)字控制器的延續(xù)化設(shè)計(jì)步驟數(shù)字控制器的延續(xù)化設(shè)計(jì)步驟8.1.2 8.1.2 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制算法控制算法8.1.3 8.1.3 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID的改良的改良8.1.4 8.1.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字

3、PIDPID的參數(shù)整定的參數(shù)整定8.1.18.1.1數(shù)字控制器的延續(xù)化設(shè)計(jì)步驟數(shù)字控制器的延續(xù)化設(shè)計(jì)步驟根本設(shè)計(jì)思想根本設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)假想延續(xù)控制器設(shè)計(jì)假想延續(xù)控制器離散化延續(xù)控制器離散化延續(xù)控制器離散算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與校驗(yàn)離散算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與校驗(yàn) 延續(xù)化設(shè)計(jì)的根本思想r(t)y(t)TD(z)e(t)e(k)Tu(k)H0(s)u(t)G(s) 把整個(gè)控制系統(tǒng)看成是模擬系統(tǒng)，利用模擬系統(tǒng)的實(shí)際和方法進(jìn)展分析和設(shè)計(jì)，得到模擬控制器后再經(jīng)過某種近似，將模擬控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 D(s) 設(shè)計(jì)假想延續(xù)控制器n1. 原那么上可采用延續(xù)控制系統(tǒng)中各種設(shè)計(jì)方法n 工程上常采用知構(gòu)

4、造的PID 控制算法n2. 零階堅(jiān)持器的處置方法n1采樣周期足夠小時(shí)，可忽略堅(jiān)持器，n2W 變換設(shè)計(jì)法：利用下面公式離散化后再進(jìn)展W變換,按G(w)進(jìn)展延續(xù)化設(shè)計(jì)1( )( )(1)G sG zzsZ Z1/21/2( )( )TzTGG z 延續(xù)控制器的離散化 離散化方法：離散化方法：n3. 零極點(diǎn)匹配法：n1. 雙線性變換法：11211( )( )zsTzD zD sn2. 向后差分法：11( )( )zsTD zD s1212()()()( )()()()smnK szszszD sspspsp1212(1)()()()(1)( )()()()mnz Tz Tz Tn mzp Tp Tp

5、 TKzezezezD zzezeze 離散算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)10111( )( )( )1mmnnU zbb zb zD zE za za z1212101( )() ( )() ( )nnmmU za za za zU zbb zb zE z 12( )(1)(2)()nu ka u ka u ka u kn 01( )(1)()mb e kbe kb e km 設(shè)計(jì)性能校驗(yàn)：常采用數(shù)字仿真方法驗(yàn)證 8.1.2 數(shù)字PID控制算法PID控制算法的優(yōu)越性：c.c.算法簡單，易于掌握；算法簡單，易于掌握； a.Pa.P、I I、D D三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化配置，三個(gè)參數(shù)的優(yōu)化配置， 兼顧了動(dòng)態(tài)過程的如今

6、、過去兼顧了動(dòng)態(tài)過程的如今、過去 與未來的信息，使動(dòng)態(tài)過程快速、與未來的信息，使動(dòng)態(tài)過程快速、 平穩(wěn)和準(zhǔn)確；平穩(wěn)和準(zhǔn)確； b.b.順應(yīng)性好，魯棒性強(qiáng)；順應(yīng)性好，魯棒性強(qiáng)； 理想PID控制算法pd0i1d ( )( )( )( )dte tu tKe te t dtTTtpdi( )1( )1( )U sG sKT sE sTs延續(xù)方式離散等效：以求和替代積分，向后差分替代微分00( )( )ktie t dtTe i( )( )(1)de te ke kdtT0( )(1)( )( )( )kpdiiTe ke ku kKe ke iTTT0( )( )( )( )(1)kpidiu kK e

7、 kKe iKe ke k位置算式 理想PID的遞推算式向后差分法離散化1(1)/( )( )( )( )szTU zG zG sE z11(1)1(1)dpiTTzKTzT11 211(1)(1)1dpiTTKzzzTT1211(1)(12)1dddpiTTTTKzzzTTTT112(1) ( )(1)(12)( )dddpiTTTTzU zKzzE zTTTT 理想PID的增量差分方式012( )( )(1)(2)u kq e kq e kq e k( )(1)( )u ku ku k 012(1)2(1)dpidpdpTTqKTTTqKTTqKT 其中 實(shí)踐微分PID控制算法pdi( )

8、11( )1( )1fU sG sKT sE sT sTs實(shí)踐微分PID的一種延續(xù)方式理想微分PID的缺乏：1干擾作用下機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁2微分輸出常越限,不能充分發(fā)揚(yáng)作用 實(shí)踐微分的離散化1(1)/( )( )( )( )szTU zG zG sE z1111(1)11(1)/(1)dpfiTTzKTzTTzT12111(1)(12)(1) ()pdddffiK TTTTTzzzTTT zTTTT112()( )(1)(12)( )dddffpiTTTTTTT zU zK TzzE zTTTT 差分方式1234( )(1)( )(1)(2)( )(1)( )u kCu kC e kC e kC e

9、 ku ku ku k 1ffTCTT2(1)pdfiK TTTCTTTT3(12)pdfK TTCTTT 4pdfK TCTT 理想微分PID與實(shí)踐微分PID階躍呼應(yīng)對(duì)比 u(k)u(k)321321微分項(xiàng)積分項(xiàng)比例項(xiàng)微分項(xiàng)積分項(xiàng)比例項(xiàng)kTkkTk00(a) 理想微分PID(b)實(shí)際微分PID圖9-2 兩種微分PID控制作用的階躍響應(yīng)實(shí)踐微分PID與理想微分PID對(duì)比1 1理想微分理想微分PIDPID算法的微分作用僅局限于一個(gè)采樣周期有一算法的微分作用僅局限于一個(gè)采樣周期有一個(gè)大幅度的輸出，在實(shí)踐運(yùn)用這會(huì)產(chǎn)生兩方面的問題。一是控個(gè)大幅度的輸出，在實(shí)踐運(yùn)用這會(huì)產(chǎn)生兩方面的問題。一是控制輸出能夠

10、超越執(zhí)行機(jī)構(gòu)或制輸出能夠超越執(zhí)行機(jī)構(gòu)或D/AD/A轉(zhuǎn)換的上下限，二是執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換的上下限，二是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的呼應(yīng)速度能夠跟不上，無法在短時(shí)間內(nèi)跟蹤這種較大的微分的呼應(yīng)速度能夠跟不上，無法在短時(shí)間內(nèi)跟蹤這種較大的微分輸出。這樣在大的干擾作用情況下，一方面會(huì)使算法中的微分輸出。這樣在大的干擾作用情況下，一方面會(huì)使算法中的微分不能充分發(fā)揚(yáng)作用，另一方面也會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)大的沖不能充分發(fā)揚(yáng)作用，另一方面也會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)大的沖擊作用。相反地，實(shí)踐微分擊作用。相反地，實(shí)踐微分PIDPID算法由于慣性濾波的存在，使微算法由于慣性濾波的存在，使微分作用可繼續(xù)多個(gè)采樣周期，有效地防止了上述問題的產(chǎn)生，分作

11、用可繼續(xù)多個(gè)采樣周期，有效地防止了上述問題的產(chǎn)生，因此具有更好的控制性能。因此具有更好的控制性能。2 2由于微分對(duì)高頻信號(hào)具有放大作用，采用理想微由于微分對(duì)高頻信號(hào)具有放大作用，采用理想微分容易在系統(tǒng)中引入高頻的干擾，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻分容易在系統(tǒng)中引入高頻的干擾，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作，降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)用壽命。而實(shí)踐微分繁動(dòng)作，降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)用壽命。而實(shí)踐微分PIDPID算法中算法中包含有一階慣性環(huán)節(jié)，具有低通濾波的才干，抗干擾包含有一階慣性環(huán)節(jié)，具有低通濾波的才干，抗干擾才干較強(qiáng)。才干較強(qiáng)。其它方式的實(shí)踐微分PID( )11( )1( )1dpdidU sT sG sKTE sTssK( )1(

12、)1( )1dpdidU sT sG sKTE sTssK手動(dòng)/自動(dòng)跟蹤與無擾動(dòng)切換1自動(dòng)到手動(dòng) 主要由手動(dòng)操作器的硬件實(shí)現(xiàn) 手動(dòng)操作器：自動(dòng)形狀下-跟隨器 切換過程中-堅(jiān)持器 手動(dòng)形狀下-操作器 2手動(dòng)到自動(dòng)起主要作用的是計(jì)算機(jī)PID算法的軟件 需硬件支持，采樣手動(dòng)器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的所謂閥位值 ，即獲得(1)u k 手動(dòng)手動(dòng)/ /自動(dòng)跟蹤與無擾動(dòng)切換續(xù)自動(dòng)跟蹤與無擾動(dòng)切換續(xù)2 2手動(dòng)到自動(dòng)手動(dòng)到自動(dòng)目的：使目的：使( )0u k手動(dòng)形狀下：使算法中手動(dòng)形狀下：使算法中 (1)(2)(1)e ke ku k、等歷史形狀清零等歷史形狀清零 切換過程中：目的使切換過程中：目的使 ( )0e k 1

13、 1SPSP跟蹤跟蹤PVPV：完全無擾，缺陷：完全無擾，缺陷SPSP須重新設(shè)定須重新設(shè)定2 2SPSP不跟蹤不跟蹤PV PV ：無須重設(shè)：無須重設(shè)SP,SP,切自動(dòng)時(shí)偏向不能過大，切自動(dòng)時(shí)偏向不能過大，以利減小切換擾動(dòng)以利減小切換擾動(dòng)8.1.3 8.1.3 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID算法的改良算法的改良常用改良算法：常用改良算法：積分分別算法積分分別算法抗積分飽和算法抗積分飽和算法微分項(xiàng)改良微分項(xiàng)改良帶死區(qū)的算法帶死區(qū)的算法 積分分別算法景象：普通景象：普通PID,PID,當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改動(dòng)設(shè)定值時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大的偏改動(dòng)設(shè)定值時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大的偏向，加上系統(tǒng)

14、本身具有的慣性和滯后，在向，加上系統(tǒng)本身具有的慣性和滯后，在積分的作用下，將引起系統(tǒng)過量的超調(diào)和積分的作用下，將引起系統(tǒng)過量的超調(diào)和長時(shí)間的動(dòng)搖。長時(shí)間的動(dòng)搖。 積分的主要作用：在控制的后期消除穩(wěn)態(tài)偏向積分的主要作用：在控制的后期消除穩(wěn)態(tài)偏向 普通分別算法：大偏向時(shí)不積分普通分別算法：大偏向時(shí)不積分 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，采用時(shí)，采用PIDPID控制控制當(dāng)當(dāng) 時(shí)，采用時(shí)，采用PDPD控制控制 ( )e k( )e k 積分分別值確實(shí)定原那么abcytPDPDPID圖8-3 不同積分分別值下的系統(tǒng)呼應(yīng)曲線 變速積分( ) ( )( )iiu kf e kK e k1( )( )( )( )0( )e kBA

15、e kBf e kBe kABAe kAB0BA+B-B-A-Be(k)tPID變速積分變速積分PDPD 抗積分飽和措施景象：由于控制輸出與被控量不是一一對(duì)應(yīng)的，景象：由于控制輸出與被控量不是一一對(duì)應(yīng)的，控制輸出能夠到達(dá)限幅值，繼續(xù)的積分作用能控制輸出能夠到達(dá)限幅值，繼續(xù)的積分作用能夠使輸出進(jìn)一步超限，此時(shí)系統(tǒng)處于開環(huán)形狀，夠使輸出進(jìn)一步超限，此時(shí)系統(tǒng)處于開環(huán)形狀，當(dāng)需求控制量前往正常值時(shí)，無法及時(shí)當(dāng)需求控制量前往正常值時(shí)，無法及時(shí)“回頭，回頭，使控制質(zhì)量變差使控制質(zhì)量變差 。 抗積分飽和算法：輸出限幅，輸出超限時(shí)不積分抗積分飽和算法：輸出限幅，輸出超限時(shí)不積分 u當(dāng)當(dāng) 時(shí)，采用時(shí)，采用PDP

16、D控制控制u當(dāng)當(dāng) 時(shí)，采用時(shí)，采用PDPD控制控制u其他情況，正常的其他情況，正常的PIDPID控制控制 max( )u kumin( )u ku 串級(jí)系統(tǒng)抗積分飽和副調(diào)理器輸出到達(dá)限幅值時(shí)，主調(diào)理器輸出能副調(diào)理器輸出到達(dá)限幅值時(shí)，主調(diào)理器輸出能夠處于正常形狀，此時(shí)仍存在積分飽和景象。夠處于正常形狀，此時(shí)仍存在積分飽和景象。 串級(jí)抗積分飽和：主調(diào)理器抗飽和根據(jù)副調(diào)串級(jí)抗積分飽和：主調(diào)理器抗飽和根據(jù)副調(diào)理器輸出能否越限。理器輸出能否越限。 抗積分飽和與積分分別的對(duì)比抗積分飽和與積分分別的對(duì)比一樣：某種形狀下，切除積分作一樣：某種形狀下，切除積分作用。用。 不同：抗積分飽和根據(jù)最后的控制輸出越限形

17、不同：抗積分飽和根據(jù)最后的控制輸出越限形狀；狀； 積分分別根據(jù)偏向能否超出預(yù)設(shè)的分別值。積分分別根據(jù)偏向能否超出預(yù)設(shè)的分別值。 微分項(xiàng)的改良本質(zhì)：經(jīng)過低通濾波，抑制微分對(duì)高頻干擾敏感的缺乏。 措施： 1. 實(shí)踐微分算法； 2. 對(duì)微分輸入項(xiàng)進(jìn)展低通濾波； 如均值濾波、去極值濾波、限幅濾波等 3. 微分先行算法： 只對(duì)被控量進(jìn)展微分 不適用于副調(diào)理器 帶死區(qū)的算法r(t)y(t)TPIDe(k)Tu(k)H0(s)G(s)B Bp(k)( )( )( )0( )e ke kBp ke kB留意：死區(qū)是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，不能象線性環(huán)節(jié)一樣隨意移到PID控制器的后面 實(shí)際閥位計(jì)算輸出過程輸出設(shè)定值tt

18、00u(k)具有回差的控制系統(tǒng)能夠出現(xiàn)的過程呼應(yīng)曲線具有回差的控制系統(tǒng)能夠出現(xiàn)的過程呼應(yīng)曲線 8.1.4 8.1.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID參數(shù)的整定參數(shù)的整定實(shí)際整定方法：依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；實(shí)際整定方法：依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型； 仿真尋優(yōu)方法仿真尋優(yōu)方法工程整定方法：近似的閱歷方法，不依賴模型。工程整定方法：近似的閱歷方法，不依賴模型。 擴(kuò)展臨界比例帶法擴(kuò)展臨界比例帶法 擴(kuò) 展 呼擴(kuò) 展 呼應(yīng)曲線法應(yīng)曲線法 * *控制度的概念控制度的概念2020min( )min( )De t dte t dtA控制度擴(kuò)展臨界比例帶法擴(kuò)展臨界比例帶法擴(kuò)展臨界比例帶法是模擬調(diào)理器中運(yùn)用的臨界比例帶擴(kuò)展

19、臨界比例帶法是模擬調(diào)理器中運(yùn)用的臨界比例帶法也稱穩(wěn)定邊境法的擴(kuò)展，是一種閉環(huán)整定的法也稱穩(wěn)定邊境法的擴(kuò)展，是一種閉環(huán)整定的實(shí)驗(yàn)閱歷方法。按該方法整定實(shí)驗(yàn)閱歷方法。按該方法整定PIDPID參數(shù)的步驟如下：參數(shù)的步驟如下：1 1選擇一個(gè)足夠短的采樣周期選擇一個(gè)足夠短的采樣周期 。所謂足夠短，。所謂足夠短，詳細(xì)地說就是采樣周期選擇為對(duì)的純滯后時(shí)間的詳細(xì)地說就是采樣周期選擇為對(duì)的純滯后時(shí)間的1/101/10以下。以下。2 2將數(shù)字將數(shù)字PIDPID控制器設(shè)定為純比例控制，并逐漸減控制器設(shè)定為純比例控制，并逐漸減小比例帶小比例帶 ，使閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生臨界振，使閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生臨界振蕩。此時(shí)的比例帶和振蕩周期稱為

20、臨界比例帶蕩。此時(shí)的比例帶和振蕩周期稱為臨界比例帶 和臨界振蕩周期和臨界振蕩周期 。minT1pKkkTn3選定控制度。所謂控制度，就是以模擬調(diào)選定控制度。所謂控制度，就是以模擬調(diào)理器為基準(zhǔn)，將理器為基準(zhǔn)，將DDC的控制效果與模擬調(diào)理器的控制效果與模擬調(diào)理器的控制效果相比較。控制效果的評(píng)價(jià)函數(shù)通常的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)函數(shù)通常采用采用 最小的誤差平方積分表示。最小的誤差平方積分表示。n控制度控制度8-22n實(shí)踐運(yùn)用中并不需求計(jì)算出兩個(gè)誤差的平方積實(shí)踐運(yùn)用中并不需求計(jì)算出兩個(gè)誤差的平方積分，控制度僅表示控制效果的物理概念。例如，分，控制度僅表示控制效果的物理概念。例如，當(dāng)控制度為當(dāng)控制

21、度為1.05時(shí)，就是指時(shí)，就是指DDC控制與模擬控控制與模擬控制效果根本一樣；控制度為制效果根本一樣；控制度為2.0時(shí)，是指時(shí)，是指DDC控控制比模擬控制效果差。制比模擬控制效果差。n4根據(jù)選定的控制度查表根據(jù)選定的控制度查表8-1，求得，求得 的值。的值。n5按求得的整定參數(shù)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，在投運(yùn)中察按求得的整定參數(shù)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，在投運(yùn)中察看控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得稱心看控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得稱心的控制效果。的控制效果。 20min( )et dt2020min( )min( )Det dtet dtApidT K T T、擴(kuò)展呼應(yīng)曲線法擴(kuò)展呼應(yīng)曲線法n與上述閉環(huán)整定方法不同，擴(kuò)

22、展呼應(yīng)曲線法與上述閉環(huán)整定方法不同，擴(kuò)展呼應(yīng)曲線法是一種開環(huán)整定方法。假設(shè)可以得到被控對(duì)是一種開環(huán)整定方法。假設(shè)可以得到被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性曲線，那么就可以與模擬調(diào)理象的動(dòng)態(tài)特性曲線，那么就可以與模擬調(diào)理系統(tǒng)的整定一樣，采用擴(kuò)展呼應(yīng)曲線法進(jìn)展系統(tǒng)的整定一樣，采用擴(kuò)展呼應(yīng)曲線法進(jìn)展數(shù)字?jǐn)?shù)字PID的整定。其步驟如下：的整定。其步驟如下：n1斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)形狀斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)形狀下任務(wù)。將被控量調(diào)理到給定值附近，當(dāng)?shù)较氯蝿?wù)。將被控量調(diào)理到給定值附近，當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡時(shí)，忽然改動(dòng)給定值，相當(dāng)給對(duì)象施達(dá)平衡時(shí)，忽然改動(dòng)給定值，相當(dāng)給對(duì)象施加一個(gè)階躍輸入信號(hào)。加一個(gè)階躍輸入信號(hào)。n2記錄被控量在此階躍作用下的變化過記錄被控量在此階躍作用下的變化過程曲線即廣義對(duì)象的飛升特性曲線，如程曲線即廣義對(duì)象的飛升特性曲線，如圖圖8-5所示。參數(shù)調(diào)整。所示。參數(shù)調(diào)整。n Tpty0圖圖8-5 廣義對(duì)象的階躍飛升特性曲線廣義對(duì)象的階躍飛升特性曲線n3根據(jù)飛升特性曲線，求得被控對(duì)象純滯后時(shí)間 和等效慣性時(shí)間常數(shù) ，以及它們的比值 。n4由求得的 和 以及它們的比 ，選擇某一控制度，查表8-2，即可求得數(shù)字PID的整定參數(shù)的 值。n5按求得的整定參數(shù)投入在投運(yùn)中察看控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得稱心的控制效果