模块八数字控制器设计

《模块八数字控制器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模块八数字控制器设计（44页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、模块八模块八 数字控制器设计数字控制器设计本章要点 1.连续化设计方法 重点：数字PID设计 2.直接离散化设计方法 重点：最少拍控制算法3.大林算法与纯滞后控制4.模糊控制基础 本章主要内容 引言引言 8.1 数字控制器的连续化设计数字控制器的连续化设计 8.2 数字控制器的离散化设计数字控制器的离散化设计 8.3 模糊控制技术模糊控制技术 本章小结本章小结 思考题思考题 引言 自动化控制系统的核心是控制器。控制自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，

2、达到自动控制的目的。在传统的模拟器，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系统中，除了计算机装置而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。字控制器的设计上。8.1 数字控制器的连续化设计主要知识点主要知识点:8.1.18.1.1 数字控制器数字控制器的连续化设计步骤的连续化设计步骤8.1.2 8.1.2 数字数字PIDPID控制算法控制算法8.1.3 8.1

3、.3 数字数字PIDPID的改进的改进8.1.4 8.1.4 数字数字PIDPID的参数整定的参数整定8.1.18.1.1数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤基本设计思想基本设计思想设计假想连续控制器设计假想连续控制器离散化连续控制器离散化连续控制器离散算法的计算机实现与校验离散算法的计算机实现与校验 连续化设计的基本思想r(t)y(t)TD(z)e(t)e(k)Tu(k)H0(s)u(t)G(s)把整个控制系统看成是模拟系统，利用模拟系统的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后再通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。D(s)设计假想连续控制器n1

4、.原则上可采用连续控制系统中各种设计方法n 工程上常采用已知结构的PID 控制算法n2.零阶保持器的处理方法n（1）采样周期足够小时，可忽略保持器，n（2）W 变换设计法：利用下面公式离散化后再进行W变换,按G(w)进行连续化设计1()()(1)G sG zzsZ Z1/21/2()()TzTGG z 连续控制器的离散化 离散化方法：离散化方法：n3.零极点匹配法：n1.双线性变换法：11211()()zsTzD zD sn2.向后差分法：11()()zsTD zD s1212()()()()()()()smnK szszszD sspspsp1212(1)()()()(1)()()()()m

5、nz Tz Tz Tn mzp Tp Tp TKzezezezD zzezeze 离散算法的计算机实现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 设计性能校验：常采用数字仿真方法验证 8.1.2 8.1.2 数字数字PIDPID控制算法控制算法PID控制算法的优越性：c.c.算法简单，易于掌握；算法简单，易于掌握；a.a.P P、I I、D D三个参数的

6、优化配置，三个参数的优化配置，兼顾了动态过程的现在、过去兼顾了动态过程的现在、过去 与将来的信息，使动态过程快速、与将来的信息，使动态过程快速、平稳和准确；平稳和准确；b.b.适应性好，鲁棒性强；适应性好，鲁棒性强；动画链接动画链接 理想PID控制算法pd0i1d()()()()dte tu tKe te t dtTTtpdi()1()1()U sG sKT sE sTs连续形式离散等效：以求和替代积分，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)

7、kpidiu kK e kKe iKe ke k位置算式 动画链接动画链接 理想PID的递推算式向后差分法离散化1(1)/()()()()szTU zG zG sE z11(1)1(1)dpiTTzKTzT11 211(1)(1)1dpiTTKzzzTT1211(1)(12)1dddpiTTTTKzzzTTTT112(1)()(1)(12)()dddpiTTTTzU zKzzE zTTTT 动画链接动画链接 理想PID的增量差分形式012()()(1)(2)u kq e kq e kq e k()(1)()u ku ku k 012(1)2(1)dpidpdpTTqKTTTqKTTqKT 其中

8、 动画链接动画链接 实际微分PID控制算法pdi()11()1()1fU sG sKT sE sT sTs实际微分PID的一种连续形式理想微分PID的不足：（1）干扰作用下机构动作频繁（2）微分输出常越限,不能充分发挥作用 动画链接动画链接 实际微分的离散化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 差分形式1234()(1)()(1)(2)(

9、)(1)()u kCu kC e kC e kC e ku ku ku k 1ffTCTT2(1)pdfiK TTTCTTTT3(12)pdfK TTCTTT 4pdfK TCTT 理想微分PID与实际微分PID阶跃响应对比 u(k)u(k)321321微分项积分项比例项微分项积分项比例项kTkkTk00(a)理想微分PID(b)实际微分PID图9-2 两种微分PID控制作用的阶跃响应实际微分PID与理想微分PID对比（1 1）理想微分）理想微分PIDPID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一个大幅度的输出，在实际使用这会产生两方面的问题。一是控个大幅度

10、的输出，在实际使用这会产生两方面的问题。一是控制输出可能超过执行机构或制输出可能超过执行机构或D/AD/A转换的上下限，二是执行机构转换的上下限，二是执行机构的响应速度可能跟不上，无法在短时间内跟踪这种较大的微分的响应速度可能跟不上，无法在短时间内跟踪这种较大的微分输出。这样在大的干扰作用情况下，一方面会使算法中的微分输出。这样在大的干扰作用情况下，一方面会使算法中的微分不能充分发挥作用，另一方面也会对执行机构产生一个大的冲不能充分发挥作用，另一方面也会对执行机构产生一个大的冲击作用。相反地，实际微分击作用。相反地，实际微分PIDPID算法由于惯性滤波的存在，使微算法由于惯性滤波的存在，使微分

11、作用可持续多个采样周期，有效地避免了上述问题的产生，分作用可持续多个采样周期，有效地避免了上述问题的产生，因而具有更好的控制性能。因而具有更好的控制性能。（2 2）由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易在系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机在系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机构的使用寿命。而实际微分构的使用寿命。而实际微分PIDPID算法中包含有一阶惯性环节，具算法中包含有一阶惯性环节，具有低通滤波的能力，抗干扰能力较强。有低通滤波的能力，抗干扰能力较强。其它形式的实际微分PID()11()1()1dp

12、didU sT sG sKTE sTssK()1()1()1dpdidU sT sG sKTE sTssK手动/自动跟踪与无扰动切换（1）自动到手动 主要由手动操作器的硬件实现 手动操作器：自动状态下-跟随器 切换过程中-保持器 手动状态下-操作器（2）手动到自动起主要作用的是计算机PID算法的软件 需硬件支持，采样手动器或执行机构输出的所谓阀位值，即获得(1)u k 手动手动/自动跟踪与无扰动切换自动跟踪与无扰动切换（续）（续）（2 2）手动到自动）手动到自动目的：使目的：使()0u k手动状态下：使算法中手动状态下：使算法中 (1)(2)(1)e ke ku k、等历史状态清零等历史状态清

13、零 切换过程中：目的使切换过程中：目的使 ()0e k 1 1）SPSP跟踪跟踪PVPV：完全无扰，缺点：完全无扰，缺点SPSP须重新设定须重新设定2 2）SPSP不跟踪不跟踪PV PV：无须重设：无须重设SP,SP,切自动时偏差不能过大，切自动时偏差不能过大，以利减小切换扰动以利减小切换扰动8.1.3 8.1.3 数字数字PIDPID算法的改进算法的改进常用改进算法：常用改进算法：积分分离算法积分分离算法抗积分饱和算法抗积分饱和算法微分项改进微分项改进带死区的算法带死区的算法 积分分离算法现象现象：一般一般PID,PID,当有较大的扰动或大幅度改变当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时

14、间内出现大的偏差，加上设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。将引起系统过量的超调和长时间的波动。积分的主要作用积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差在控制的后期消除稳态偏差 普通分离算法：大偏差时不积分普通分离算法：大偏差时不积分 当当 时，采用时，采用PIDPID控制控制当当 时，采用时，采用PDPD控制控制()e k()e k 积分分离值的确定原则abcytPDPDPID图8-3 不同积分分离值下的系统响应曲线 变速积分()()()iiu kf e k K e k1(

15、)()()()0()e kBAe kBf e kBe kABAe kAB0BA+B-B-A-Be(k)tPID变速积分变速积分PDPD 抗积分饱和措施现象现象：由于控制输出与被控量不是一一对应的，由于控制输出与被控量不是一一对应的，控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态，能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态，当需要控制量返回正常值时，无法及时当需要控制量返回正常值时，无法及时“回回头头”，使控制品质变差，使控制品质变差 。抗积分饱和算法：抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分输出限幅，输出超限时不积分 u

16、当当 时，采用时，采用PDPD控制控制u当当 时，采用时，采用PDPD控制控制u其他情况，正常的其他情况，正常的PIDPID控制控制 max()u kumin()u ku 串级系统抗积分饱和副调节器输出副调节器输出达到限幅值时，主调节器输出可达到限幅值时，主调节器输出可能处于正常状态，此时仍存在积分饱和现象能处于正常状态，此时仍存在积分饱和现象。串级抗积分饱和串级抗积分饱和：主调节器抗饱和根据副调：主调节器抗饱和根据副调节器输出是否越限。节器输出是否越限。抗积分饱和与积分分离的对比抗积分饱和与积分分离的对比相同相同：某种状态下，切除积分作用。某种状态下，切除积分作用。不同不同：抗积分饱和根据最

17、后的控制输出越限状：抗积分饱和根据最后的控制输出越限状态；态；积分分离根据偏差是否超出预设的分离值。积分分离根据偏差是否超出预设的分离值。微分项的改进实质：通过低通滤波，克服微分对高频干扰敏感的不足。措施：1.实际微分算法；2.对微分输入项进行低通滤波；如均值滤波、去极值滤波、限幅滤波等 3.微分先行算法：只对被控量进行微分 不适用于副调节器 带死区的算法r(t)y(t)TPIDe(k)Tu(k)H0(s)G(s)B Bp(k)()()()0()e ke kBp ke kB注意：死区是一个非线性环节，不能象线性环节一样随便移到PID控制器的后面 实际阀位计算输出过程输出设定值tt00u(k)具

18、有回差的控制系统可能出现的过程响应曲线具有回差的控制系统可能出现的过程响应曲线 8.1.4 8.1.4 数字数字PIDPID参数的整定参数的整定理论整定方法：依赖于被控对象的数学模型；理论整定方法：依赖于被控对象的数学模型；仿真寻优方法仿真寻优方法工程整定方法：近似的经验方法，不依赖模型。工程整定方法：近似的经验方法，不依赖模型。扩充临界比例带法扩充临界比例带法 扩充响应曲线法扩充响应曲线法 *控制度的概念控制度的概念2020min()min()De t dte t dtA控制度扩充临界比例带法扩充临界比例带法n扩充临界比例带法扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比是模拟调节器中使用的临界

19、比例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整定的实验经验方法。按该方法整定定的实验经验方法。按该方法整定PID参数的步骤参数的步骤如下：如下：n（1）选择一个足够短的采样周期）选择一个足够短的采样周期 。所谓足够短，。所谓足够短，具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的1/10以下。以下。n（2）将数字）将数字PID控制器设定为纯比例控制，并逐控制器设定为纯比例控制，并逐步减小比例带步减小比例带 （），使闭环系统产生临界振），使闭环系统产生临界振荡。此时的比例带和振荡周期称为临界比例带荡。此时的比例带和振

20、荡周期称为临界比例带 和和临界振荡周期临界振荡周期 。minT1pKkkTn（3）选定控制度。选定控制度。所谓所谓控制度控制度，就是以模拟调节就是以模拟调节器为基准，将器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常采用相比较。控制效果的评价函数通常采用 （最小的误差平方积分）表示。最小的误差平方积分）表示。n控制度控制度（8-22）n实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制度仅表示控制效果的物理概念。例如，当控制度为度仅表示控制效果的物理概念。例如，当控制度为1.05时，就

21、是指时，就是指DDC控制与模拟控制效果基本相同；控制度控制与模拟控制效果基本相同；控制度为为2.0时，是指时，是指DDC控制比模拟控制效果差。控制比模拟控制效果差。n（4）根据选定的控制度查表）根据选定的控制度查表8-1，求得，求得 的值。的值。n（5）按求得的整定参数投入运行，在投运中观察控制）按求得的整定参数投入运行，在投运中观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。20min()et dt2020min()min()Det dtet dtApidT K T T、扩充响应曲线法扩充响应曲线法n与上述闭环整定方法不同与上述闭环整定方法

22、不同，扩充响应曲线法是扩充响应曲线法是一种开环整定方法。如果可以得到被控对象的动态一种开环整定方法。如果可以得到被控对象的动态特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一样，特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一样，采用扩充响应曲线法进行数字采用扩充响应曲线法进行数字PID的整定。其步骤的整定。其步骤如下：如下：n（1）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。将被控量调节到给定值附近，当达到平衡时，突然将被控量调节到给定值附近，当达到平衡时，突然改变给定值，相当给对象施加一个阶跃输入信号。改变给定值，相当给对象施加一个阶跃输入信号。n（2）记录被控量

23、在此阶跃作用下的变化过程曲线）记录被控量在此阶跃作用下的变化过程曲线（即广义对象的飞升特性曲线），如图（即广义对象的飞升特性曲线），如图8-5所示。所示。参数调整。参数调整。Tpty0图图8-5 广义对象的阶跃飞升特性曲线广义对象的阶跃飞升特性曲线n（3）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯滞后时间滞后时间 和等效惯性时间常数和等效惯性时间常数 ，以及，以及它们的比值它们的比值 。n（4）由求得的）由求得的 和和 以及它们的比以及它们的比 ，选择某一控制度，查表选择某一控制度，查表8-2，即可求得数字，即可求得数字PID的整定参数的的整定参数的 值。值。n（5）按

24、求得的整定参数投入在投运中观察）按求得的整定参数投入在投运中观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。的控制效果。pT/pTpT/pTpidT KT T、仿真寻优法仿真寻优法常见积分型性能指标：常见积分型性能指标：20()ISEe t dt0()IAEe t dt0()ITAEt e t dt220()()Je tu tdt运用仿真工具，或离散化后编程仿真运用仿真工具，或离散化后编程仿真 寻优方法：如单纯形法、梯度法等寻优方法：如单纯形法、梯度法等 8.2 数字控制器的离散化设计 主要知识点主要知识点8.2.1 8.2.1 直接离散设计的基本原

25、理直接离散设计的基本原理8.2.2 8.2.2 最少拍控制系统的设计最少拍控制系统的设计n 大林控制算法大林控制算法n SmithSmith预估控制预估控制8.2.3 8.2.3 纯滞后控制技术纯滞后控制技术8.2.1 8.2.1 直接离散化设计的基本原理直接离散化设计的基本原理r(t)y(t)TD(z)E(z)TU(z)H0(s)Y(z)Gp(s)(z)G(z)()()()()()1()()Y zD z G zzR zD z G z()1()1()()1()()eE zzzR zD z G z()()()()1()()()ezzD zG zzG zz8.2.2 8.2.2 最少拍控制系统设计最少拍控制系统设计输入信号的一般表达式 1()()(1)NA zR zz误差的一般表达式 1()()()()()(1)eeNz A zE zz R zz 例例8.18.1 被控对象10()(1)pGss s采样周期 1Ts输入：单位速度求：最少拍数字控制器 求解步骤：1.求等效脉冲传递函数 2.设计误差传递函数 3.计算求取最少拍控制器 4.输出和误差的验证 例例8.18.1解解