計算機控制技術(shù)課件第3章

《計算機控制技術(shù)》第3章計算機控制系統(tǒng)的控制算法二五四3.1數(shù)字控制器的模擬化設計方法3.2數(shù)字PID控制算法3.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定3.4數(shù)字控制器的直接設計方法3.5施密斯(Smith)預估控制3.6大林算法3.1數(shù)字控制器的模擬化設計方法

計算機控制屬于離散控制，可采用直接設計系統(tǒng)控制器的方法。當采樣周期相對于對象的時間常數(shù)來說足夠短，離散控制與模擬控制的性能接近時，系統(tǒng)控制器亦可采用模擬控制器數(shù)字化的方法來設計，也就是將描述系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的微分方程近似為差分方程，導出控制算法，用計算機實現(xiàn)。

一、模擬化設計方法圖3-1計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖二、模擬化設計步驟第一步：用連續(xù)系統(tǒng)理論設計；第二步：選擇采樣周期T；第三步：用合適的離散化方法求出；第四步：將變?yōu)椴罘址匠袒驙顟B(tài)空間方程；第五步：編寫計算機程序。3.2數(shù)字PID控制算法PID控制器出現(xiàn)在20世紀30年代，其主要是根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進行控制的控制規(guī)律，簡稱PID控制。PID控制具有原理簡單，易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，適用性強，魯棒性強等優(yōu)點。一、基本PID算法1.比例控制器（P）比例控制器的控制規(guī)律為

比例調(diào)節(jié)器對于偏差是即時反應，根據(jù)誤差進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)沿著減小誤差的方向運動。誤差大則控制作用也大。比例調(diào)節(jié)器一般不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。2.比例積分(PI)控制器消除靜差的有效的方法是在比例控制的基礎上加積分控制，構(gòu)成比例積分控制。比例積分控制器的控制規(guī)律為：

積分調(diào)節(jié)的引入，可以消除或減少控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但是積分的引入，有可能使系統(tǒng)的響應變慢，并有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.比例積分微分(PID)控制器微分的作用是在誤差剛出現(xiàn)且誤差值尚不大時，根據(jù)誤差變化的速度，提前給出較大的調(diào)節(jié)作用，使誤差盡快消除。比例積分微分控制器的控制規(guī)律為：微分作用的增加有助于加速系統(tǒng)的動態(tài)響應，使系統(tǒng)超調(diào)減少，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。但微分作用有可能放大系統(tǒng)的噪聲，減低系統(tǒng)的抗干擾能力。二、數(shù)字PID算法

1.PID算法的離散化

3.位置式PID和增量式PID的功能比較(1)位置式需要由機器外部引入執(zhí)行機構(gòu)的初始位置，而增量式是不需要的。(2)采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，使工藝生產(chǎn)在計算機故障時不受大的干擾，而位置式本身不具備這種功能。(3)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而增量型算式中由于消去了積分項，容易取得較好的控制效果。(4)為實現(xiàn)手動——自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度，若采用增量式，其輸出對應于閥門位置的變化部分，易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。三、數(shù)字PID改進算法

1.不完全微分PID算法

由于理想的微分對高頻噪聲有很大的放大作用，容易引起控制過程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此考慮對理想的微分環(huán)節(jié)進行改進，在數(shù)字控制器中串接入低通濾波器來抑制高頻干擾，不完全微分PID調(diào)節(jié)器框圖如上圖所示。2.積分分離PID算法

積分分離算法的思想是在較大時，取消積分作用；而在較小時將積分作用投入。3.防積分飽和PID算法(1)給定值變化限制。(2)積分停止算法。(3)增量式算法。(4)反向計算。4.微分先行PID算法

圖3-2微分先行PID控制框圖

5.消除積分不靈敏區(qū)的PID控制圖1-5DDC系統(tǒng)原理框圖

為了消除這種積分不靈敏區(qū)，除增加A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)，以加長字長，提高運算精度外，還可以將小于輸出精度的積分項累加起來，而不將其丟掉，直到累加值大于，才輸出累加和。6.帶死區(qū)的PID算法

在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動作過于頻繁，以消除由于頻繁動作所引起的振蕩，有時采用帶有死區(qū)的PID控制系統(tǒng)。帶死區(qū)的PID控制，就是在標準數(shù)字PID調(diào)節(jié)器前面增加一個非線性環(huán)節(jié)。3.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定

數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，需要確定，及系統(tǒng)的采樣周期T?？刂菩Ч暮脡模诤艽蟪潭壬先Q于參數(shù)的選擇是否恰當。

一、PID參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響1.比例控制對控制性能的影響2.積分控制對控制性能的影響3.微分控制對控制性能的影響4.控制規(guī)律的選擇5.采樣周期的選擇二、擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)1.選擇一個足夠短的采樣周期T

；2.逐漸加大比例系數(shù)，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩；3.選擇控制度；4.根據(jù)控制度，查表；5.按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。三、擴充響應曲線法整定PID參數(shù)1.斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)；2.用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變化過程曲線；3.在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ、被控對象的時間常數(shù)，查表。四、試湊法整定PID參數(shù)1.首先只整定比例部分；2.如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)；3.若使用比例積分控制消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。3.4數(shù)字控制器的直接設計方法

數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術(shù)，是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設計，但是連續(xù)化設計技術(shù)要求相當短的采樣周期，因此只能實現(xiàn)較簡單的控制算法。由于控制任務的需要，必須根據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求，應用離散控制理論，直接設計數(shù)字控制系統(tǒng)，這種控制器的設計方法稱為數(shù)字控制器的直接設計方法。一、數(shù)字控制器的直接法設計步驟(1)根據(jù)對控制系統(tǒng)性能指標的要求和其他的約束條件，確定閉環(huán)系統(tǒng)脈沖函數(shù)；(2)確定數(shù)字控制器；(3)編程實現(xiàn)。

二、最少拍數(shù)字控制器的設計

所謂最少拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài)。3.5施密斯(Smith)預估控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多數(shù)工業(yè)對象具有較大的純滯后時間。對象的純滯后時間對控制系統(tǒng)的控制性能極為不利。但對象的純滯后時間與對象的時間常數(shù)之比大于0.5時，采用常規(guī)的比例積分微分控制來克服