計(jì)算機(jī)控制技術(shù)chapter4(2013)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)電子教案第4章 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法1. 模擬化設(shè)計(jì)方法模擬化設(shè)計(jì)方法 先設(shè)計(jì)校正裝置的傳遞函數(shù)先設(shè)計(jì)校正裝置的傳遞函數(shù)D(s)，然后采用某種離散化方法，然后采用某種離散化方法，將它變成計(jì)算機(jī)算法將它變成計(jì)算機(jī)算法2. 離散化設(shè)計(jì)方法離散化設(shè)計(jì)方法 已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)或特性已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)或特性G(Z)，根據(jù)所要求的性能，根據(jù)所要求的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器指標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器 3. 狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法（能處理多輸入狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法（能處理多輸入-多輸出系統(tǒng)）多輸出系統(tǒng)） 基于現(xiàn)代控制理論，利用離散狀態(tài)空間表達(dá)式，根據(jù)性能基于現(xiàn)代控制理論，利用離散狀態(tài)空間表

2、達(dá)式，根據(jù)性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器第4章 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)4.1 數(shù)控器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)控器的連續(xù)化設(shè)計(jì)4.2 PID控制器的離散化設(shè)計(jì)控制器的離散化設(shè)計(jì)4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) 忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器 在在s域中按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，求出連續(xù)控制器域中按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，求出連續(xù)控制器 通過(guò)某種近似，將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器通過(guò)某種近似，將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器 計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖圖4-1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖D(z)H(s)GC(s)u

3、(k)e(k)e(t)+r(t)-y(t)u(t)TT被控對(duì)象的傳遞函數(shù)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)零階保持器零階保持器數(shù)字控制器數(shù)字控制器4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) 利用連續(xù)系統(tǒng)的頻率特性法、根軌跡法等設(shè)計(jì)出假想利用連續(xù)系統(tǒng)的頻率特性法、根軌跡法等設(shè)計(jì)出假想的連續(xù)控制器的連續(xù)控制器D(s) 連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)D(s)的各種方法可參考有關(guān)自動(dòng)控制原的各種方法可參考有關(guān)自動(dòng)控制原理方面的資料理方面的資料1. 設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)假想的連續(xù)控制器4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)圖圖4-2 假象的連續(xù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖假象的連續(xù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖D(z)GC(s

4、)u(k)e(k)+r(t)-y(t)T被控對(duì)象的傳遞函數(shù)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)數(shù)字控制器數(shù)字控制器2. 選擇采樣周期選擇采樣周期T4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)香農(nóng)定理：香農(nóng)定理：從采樣信號(hào)恢復(fù)到連續(xù)信號(hào)的最低采樣頻率從采樣信號(hào)恢復(fù)到連續(xù)信號(hào)的最低采樣頻率 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，完成信號(hào)恢復(fù)功能由零階保持起在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，完成信號(hào)恢復(fù)功能由零階保持起來(lái)實(shí)現(xiàn)。則采樣周期應(yīng)選為：來(lái)實(shí)現(xiàn)。則采樣周期應(yīng)選為： （5-1）CT1)5.015.0(連續(xù)系控制系統(tǒng)的剪切頻率采樣周期在允許的條件下，越短越好112)()(zzTssDzD4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)

5、 3. 離散化方法離散化方法 雙線性變換法： （5-2）112)()(zzTssDzD前向差分法： （5-3）TzssDzD1)()(后向差分法： （5-4）TzzssDzD1)()(將將D(s)離散化為離散化為D(z)(5-5)mn ,1)()()(221122110nnmmzazazazbzbzbbzEzUzD4. 設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法 (5-6)()( )()()(221102211zEzbzbzbbzUzazazazUmmnn (5-7)()2( ) 1( )()()2() 1()(21021mkubkebkebkebnkuakuakuakumn數(shù)字控制

6、器D(z)的控制算法4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) 是否符合要求，可用算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)是否符合要求，可用算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真來(lái)驗(yàn)證。如果滿足設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)結(jié)束，字仿真來(lái)驗(yàn)證。如果滿足設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)結(jié)束，否則修改設(shè)計(jì)否則修改設(shè)計(jì)5. 校驗(yàn)校驗(yàn)4.1 數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)4.2 PID控制器的離散化設(shè)計(jì)控制器的離散化設(shè)計(jì)4.2.1 PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器4.2.2 PID控制器的離散化控制器的離散化4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法4.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器技術(shù)成熟技

7、術(shù)成熟 易被人們熟悉和掌握易被人們熟悉和掌握 不需要建立數(shù)學(xué)模型不需要建立數(shù)學(xué)模型 控制效果好控制效果好 PID調(diào)節(jié)器的作用調(diào)節(jié)器的作用比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器 比例積分調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器比例微分調(diào)節(jié)器比例微分調(diào)節(jié)器 比例積分微分調(diào)節(jié)器比例積分微分調(diào)節(jié)器 PID調(diào)節(jié)器優(yōu)點(diǎn)調(diào)節(jié)器優(yōu)點(diǎn)根據(jù)偏差的比例根據(jù)偏差的比例(P)、積分、積分(I)、微分、微分(D)進(jìn)行控制進(jìn)行控制(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱PID控制控制)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律4.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器1. 比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器 式中，式中，y為調(diào)節(jié)器輸出；為調(diào)節(jié)器輸出；Kp為比例系數(shù)；為比例系數(shù)

8、； e(t)為調(diào)節(jié)器輸入偏差為調(diào)節(jié)器輸入偏差 控制規(guī)律控制規(guī)律 只要偏差出現(xiàn)，就能及時(shí)地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，只要偏差出現(xiàn)，就能及時(shí)地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn) 特點(diǎn)特點(diǎn)特性曲線特性曲線e(t)y00ttKP e(t) y=KP.e(t) 4.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器2. 積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器控制規(guī)律控制規(guī)律特點(diǎn)特點(diǎn)特性曲線特性曲線dtteTyI)(1 式中式中, TI是積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的大小，是積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的大小，TI越越大，積分速度越慢，積分作用越弱大，積分速度越慢，積分作用越弱消除靜差消除靜差 e(t)y00tt4.

9、2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器3. 比例積分調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器控制規(guī)律控制規(guī)律特性曲線特性曲線dtteTteKyIp)(1)(e(t)y00tty1=KP e(t)K1 KP e(t)y24.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器4. 微分調(diào)節(jié)器微分調(diào)節(jié)器控制規(guī)律控制規(guī)律特性曲線特性曲線dttdeTyD)( 微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，同時(shí)可以減小超調(diào)量，克服振蕩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整

10、時(shí)間，同時(shí)可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能特點(diǎn)特點(diǎn)4.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器5. 比例微分調(diào)節(jié)器比例微分調(diào)節(jié)器4.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器5. 比例積分微分調(diào)節(jié)器比例積分微分調(diào)節(jié)器 Kp Td SKpKp /Ti S對(duì)象對(duì)象測(cè)量電路測(cè)量電路+x + e - fDPI+uyPID控制原理結(jié)構(gòu)圖控制原理結(jié)構(gòu)圖4.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器5. 比例積分微分調(diào)節(jié)器比例積分微分調(diào)節(jié)器 y(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)KP調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)TI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)

11、間調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TD調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間dttdeTdtteTteKyDIp)()(1)(式中：式中：4.2.1 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器對(duì)階躍響應(yīng)特性曲線調(diào)節(jié)器對(duì)階躍響應(yīng)特性曲線e(t)y00tt KP e(t)KP K1 e(t)KP KD e(t)4.2.2 PID控制規(guī)律的離散化控制規(guī)律的離散化則離散化的PID控制規(guī)律為： 采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量 計(jì)算機(jī)控制：計(jì)算機(jī)控制： 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法值逼近的方法 當(dāng)采樣周

12、期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分、用后向差分當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠屉x散化變?yōu)椴罘址匠?.2.2 PID控制規(guī)律的離散化控制規(guī)律的離散化kitTiede00)()(Tkekedttde) 1()()( 用后向差分來(lái)代替微分：用后向差分來(lái)代替微分：則離散化的PID控制規(guī)律為：00)1()()()()(ykekeTTjeTTkeKkynjDIp1. PID控制算法的位置式控制算法的位置式用矩形法來(lái)計(jì)算數(shù)值積分：用矩形法來(lái)計(jì)算數(shù)值積分：4.2.2 PID控制規(guī)律的離散化控制規(guī)律的離散化2. PID控制算法的增量式控制算法的增量式

13、)2() 1(2)()()1()() 1()()(kekekeKkeKkekeKkykykyDIP式中： K ,TTKTTKKDPDIPI積分系數(shù)微分系數(shù)3. 增量式增量式PID算法與位置式算法與位置式PID算法的比較算法的比較4.2.2 PID控制規(guī)律的離散化控制規(guī)律的離散化 PID控制算法的增量式只需保持當(dāng)前時(shí)刻以前三個(gè)時(shí)刻的誤控制算法的增量式只需保持當(dāng)前時(shí)刻以前三個(gè)時(shí)刻的誤差即可。它與位置式差即可。它與位置式PID相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：相比，有下列優(yōu)點(diǎn)： 計(jì)算機(jī)只輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可增計(jì)算機(jī)只輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可增設(shè)邏輯保護(hù)設(shè)邏輯保護(hù) 手動(dòng)手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小自

14、動(dòng)切換時(shí)沖擊小 算式不需要累加，只需記住四個(gè)歷史數(shù)據(jù)，占用內(nèi)算式不需要累加，只需記住四個(gè)歷史數(shù)據(jù)，占用內(nèi)存少，計(jì)算方便，不易引起誤差累積存少，計(jì)算方便，不易引起誤差累積4. 增量式增量式PID計(jì)算，位置式計(jì)算，位置式PID輸出輸出4.2.2 PID控制規(guī)律的離散化控制規(guī)律的離散化 )2() 1(2)()()1()() 1()() 1()(kekekeKkeKkekeKkykykykyDIP 在許多控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制變量的絕對(duì)值而在許多控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制變量的絕對(duì)值而不是其增量，這時(shí)仍可采用增量式計(jì)算，但輸出則采用位置式不是其增量，這時(shí)仍可采用增量式計(jì)算，但輸出則采用

15、位置式的輸出形式的輸出形式4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)1. 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn)3. 時(shí)間最優(yōu)時(shí)間最優(yōu)+PID控制控制 4. 帶死區(qū)的帶死區(qū)的PID控制算法控制算法4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)1. 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)(1) 積分分離積分分離 (2) 抗積分飽和抗積分飽和 (3) 梯形積分梯形積分 (4) 消除積分不靈敏區(qū)消除積分不靈敏區(qū) 4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)1. 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)（1）積分分離）積分分離abPID控制區(qū)控制區(qū)PD控制控制區(qū)區(qū)t0Y(t

16、)為了克服超調(diào)和加速過(guò)渡過(guò)程而采用此法為了克服超調(diào)和加速過(guò)渡過(guò)程而采用此法當(dāng)當(dāng)e(n)時(shí)，取消積分，否則加入積分時(shí)，取消積分，否則加入積分是積分分離值，由具體要求確定是積分分離值，由具體要求確定+-4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)1. 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)（2）抗積分飽和）抗積分飽和長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)偏差或偏差較大，計(jì)算出的控制量長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)偏差或偏差較大，計(jì)算出的控制量有可能溢出，或小于零有可能溢出，或小于零執(zhí)行機(jī)構(gòu)所限執(zhí)行機(jī)構(gòu)所限超調(diào)量增加，控制品質(zhì)變壞超調(diào)量增加，控制品質(zhì)變壞可對(duì)計(jì)算出的控制量可對(duì)計(jì)算出的控制量u(k)限幅，同時(shí)，把積分作用切除掉限幅，同時(shí)，把積分作用

17、切除掉若以若以8位位D/A為例，則有為例，則有 當(dāng)當(dāng)u(k)00H時(shí)，取時(shí)，取u(k)=0 當(dāng)當(dāng)u(k)FFH時(shí)，取時(shí)，取u(k)=FFH4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)1. 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)（3）梯形積分）梯形積分 減少殘差，提高積分項(xiàng)的運(yùn)算精度減少殘差，提高積分項(xiàng)的運(yùn)算精度矩形積分矩形積分梯形積分梯形積分kitTieieedt002) 1()()(ieTedtk0it0（4）消除積分不靈敏區(qū)）消除積分不靈敏區(qū)4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)1. 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的限制：計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的限制：當(dāng)運(yùn)算結(jié)果小于字長(zhǎng)所能表示

18、的數(shù)的精度，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果小于字長(zhǎng)所能表示的數(shù)的精度，計(jì)算機(jī)就作為計(jì)算機(jī)就作為“零零”將此數(shù)丟掉將此數(shù)丟掉 積分作用消失（積分不靈敏區(qū)）：積分作用消失（積分不靈敏區(qū)）：當(dāng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行字長(zhǎng)較短，采當(dāng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行字長(zhǎng)較短，采樣周期樣周期T也短，而積分時(shí)間也短，而積分時(shí)間TI又較長(zhǎng)時(shí)，又較長(zhǎng)時(shí)，uI(k)容易出現(xiàn)小于字長(zhǎng)容易出現(xiàn)小于字長(zhǎng)的精度而丟數(shù)的精度而丟數(shù)積分不靈敏區(qū)產(chǎn)生的原因積分不靈敏區(qū)產(chǎn)生的原因njiijuS0)(直到累加值直到累加值Si大于大于時(shí)，再輸出時(shí)，再輸出Si（4）消除積分不靈敏度）消除積分不靈敏度4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)1. 積分項(xiàng)的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn)

19、措施： 增加增加A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長(zhǎng)運(yùn)算字長(zhǎng)，這樣可以提高運(yùn)算精度轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長(zhǎng)運(yùn)算字長(zhǎng)，這樣可以提高運(yùn)算精度 當(dāng)積分項(xiàng)當(dāng)積分項(xiàng)uI(k)連續(xù)連續(xù)n次出現(xiàn)小于輸出精度次出現(xiàn)小于輸出精度的情況時(shí)，不要把它們的情況時(shí)，不要把它們作為作為“零零”舍掉，而是把它們一次次累加起來(lái)，直到累加值舍掉，而是把它們一次次累加起來(lái)，直到累加值SI大于大于時(shí)，才輸出時(shí)，才輸出SI，同時(shí)把累加單元清零，同時(shí)把累加單元清零 流程圖？流程圖？4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn) 微分作用：微分作用：克服系統(tǒng)的慣性、減少超調(diào)、抑制振蕩克服系統(tǒng)的慣性、減少超調(diào)、抑制振蕩 在

20、數(shù)字在數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，微分部分的調(diào)節(jié)作用并不是很明顯，甚至沒(méi)有調(diào)調(diào)節(jié)器中，微分部分的調(diào)節(jié)作用并不是很明顯，甚至沒(méi)有調(diào)節(jié)作用，這是為什么呢？節(jié)作用，這是為什么呢？TkekeTKkuDP) 1()()(d 當(dāng)當(dāng)e（k）為階躍函數(shù)時(shí)）為階躍函數(shù)時(shí)，微分輸出依次為，微分輸出依次為KPTD/T,0,0 微分項(xiàng)的輸出微分項(xiàng)的輸出：僅在第一個(gè)周期起激勵(lì)作用，對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)，：僅在第一個(gè)周期起激勵(lì)作用，對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)作用很小，不能達(dá)到超前控制誤差的目的；而且在第一個(gè)周期微分作其調(diào)節(jié)作用很小，不能達(dá)到超前控制誤差的目的；而且在第一個(gè)周期微分作用太大，在短暫的輸出時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行器達(dá)不到應(yīng)

21、有的相應(yīng)開(kāi)度，會(huì)使輸出失用太大，在短暫的輸出時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行器達(dá)不到應(yīng)有的相應(yīng)開(kāi)度，會(huì)使輸出失真真 對(duì)于頻率較高的干擾對(duì)于頻率較高的干擾：比較敏感，容易引起控制過(guò)程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)：比較敏感，容易引起控制過(guò)程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn)（1）不完全微分）不完全微分PID控制算法控制算法 （2）微分先行）微分先行PID控制算式控制算式4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn) 在在PID控制輸出串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)控制輸出串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)Df(s)的傳遞函數(shù)為的傳遞函數(shù)為11)(sTs

22、Dff2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn)（1）不完全微分）不完全微分PID控制算法控制算法 PIDDf(s)e(t)u(t)u (t)4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn)（1）不完全微分）不完全微分PID控制算法控制算法 )1k( e)k( e (T) i ( eT)k()k(k0iDIPTTeKu取拉氏反變換)k()k(T) 1k(u)k(u)()()(11) s (u) s (u)(uuTtutudttduTsTsDffff4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn)（1）不完全微分）不完全微分PI

23、D控制算法控制算法 由聯(lián)立可得：)()1 () 1()()()(kukukukukuTTT1TTTfff其中：TTTff4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn)（1）不完全微分）不完全微分PID控制算法控制算法 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)PID控制控制不完全微分不完全微分PID控制控制消除高頻干擾，延長(zhǎng)微分作用的時(shí)間消除高頻干擾，延長(zhǎng)微分作用的時(shí)間 作用：作用：4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)2. 微分項(xiàng)的改進(jìn)微分項(xiàng)的改進(jìn)（2）微分先行）微分先行PID控制算法控制算法 為了避免給定值的升降給控制系統(tǒng)帶來(lái)沖擊為了避免給定值的升降給控制系統(tǒng)帶

24、來(lái)沖擊 只對(duì)被控量只對(duì)被控量y(t)微分，不微分，不對(duì)偏差對(duì)偏差e(t)微分微分 在改變給定值時(shí)，輸出不在改變給定值時(shí)，輸出不會(huì)改變，而被控量的變化，會(huì)改變，而被控量的變化，通常是比較緩和的通常是比較緩和的 sTsDD1T1)T11 (DsKP)(ty)(tr)(te)(tu4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)3. 時(shí)間最優(yōu)時(shí)間最優(yōu)+PID控制控制 控制控制PIDBangBangkykrke,)()()( 開(kāi)關(guān)控制（開(kāi)關(guān)控制（Bang-Bang控制）：控制）：系統(tǒng)在最短過(guò)渡系統(tǒng)在最短過(guò)渡時(shí)間內(nèi)從一個(gè)初始狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)間內(nèi)從一個(gè)初始狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)PID：保證線性控

25、制段內(nèi)的定位精度保證線性控制段內(nèi)的定位精度 4.2.3 PID數(shù)字控制器算法的改進(jìn)數(shù)字控制器算法的改進(jìn)4.帶死區(qū)的帶死區(qū)的PID控制算法控制算法 為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，以消除由于頻繁動(dòng)作為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，以消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，有時(shí)采用所謂帶有死區(qū)的所引起的振蕩，有時(shí)采用所謂帶有死區(qū)的PID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) )()()( , 0)()()( ),()(kekykrkekykrkekP當(dāng)當(dāng) 死區(qū)死區(qū)：可調(diào)：可調(diào)非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)：即當(dāng)偏差絕對(duì)值：即當(dāng)偏差絕對(duì)值e(k)時(shí)，時(shí)，P(k)為為0；當(dāng)當(dāng)e(k)時(shí)，時(shí)，P(k)=e(k)，輸出值，輸出值u(k)以以PID運(yùn)算

26、結(jié)果輸運(yùn)算結(jié)果輸出出4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法1. 采樣周期的選擇采樣周期的選擇2. 按簡(jiǎn)易工程法整定按簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)參數(shù)3. 優(yōu)選法優(yōu)選法4. 湊試法確定湊試法確定PID參數(shù)參數(shù)4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法1. 采樣周期采樣周期T的選擇的選擇計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制程序和輸入輸出所耗費(fèi)的時(shí)間計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制程序和輸入輸出所耗費(fèi)的時(shí)間（1）采樣周期上限與上限）采樣周期上限與上限上限上限Tmax :Tmax/max下限下限Tmin:香農(nóng)采樣定理香農(nóng)采樣定理4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法1. 采樣周

27、期采樣周期T的選擇的選擇（2）考慮因素）考慮因素給定值的變化頻率給定值的變化頻率：變化頻率越高，采樣頻率就應(yīng)越高：變化頻率越高，采樣頻率就應(yīng)越高 被控對(duì)象的特性：被控對(duì)象的特性：被控對(duì)象是快速變化的還是慢變的被控對(duì)象是快速變化的還是慢變的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性大，采樣周期應(yīng)大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性大，采樣周期應(yīng)大 控制算法的類型：控制算法的類型：采用太小的采用太小的T會(huì)使得會(huì)使得PID算法的微分積分算法的微分積分作用很不明顯；控制算法也需要計(jì)算時(shí)間作用很不明顯；控制算法也需要計(jì)算時(shí)間 控制的回路數(shù)控制的回路數(shù)njjTT1Tj指第指第j回路控制程序執(zhí)行回路控制程序執(zhí)行時(shí)間和輸入

28、輸出時(shí)間時(shí)間和輸入輸出時(shí)間 4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法2. 按簡(jiǎn)易工程法整定按簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)參數(shù) (1)擴(kuò)充臨界比例度法4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法2. 按簡(jiǎn)易工程法整定按簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)參數(shù) 選擇一個(gè)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期足夠短的采樣周期，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下象純滯后時(shí)間的十分之一以下 用選定的采樣周期使用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作系統(tǒng)工作：數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作：數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用然后逐漸減小比

29、例度用，只保留比例作用然后逐漸減小比例度（=1/KP)，直到系統(tǒng)發(fā)，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度k及系統(tǒng)的臨及系統(tǒng)的臨界振蕩周期界振蕩周期Tk選擇控制度選擇控制度？ 根據(jù)選定的控制度，根據(jù)選定的控制度，P113查表查表41 ，求得，求得T、KP、TI、TD的值的值 （1）擴(kuò)充臨界比例度法）擴(kuò)充臨界比例度法4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法2. 按簡(jiǎn)易工程法整定按簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)參數(shù) （1）擴(kuò)充臨界比例度法）擴(kuò)充臨界比例度法050100150200250-0.500.511.52K=4.

30、7Tk4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法2. 按簡(jiǎn)易工程法整定按簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)參數(shù) （2）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)手動(dòng)操作狀態(tài)下，將被下，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來(lái)。然后突然改變給定值，調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來(lái)。然后突然改變給定值，給對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)給對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過(guò)程曲線過(guò)程曲線，此時(shí)近，此時(shí)近似為一個(gè)一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線似為一個(gè)一階慣

31、性加純滯后環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線在曲線最大斜率處作在曲線最大斜率處作切線切線，求得，求得滯后時(shí)間滯后時(shí)間，被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)，被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)T以及它們的比值以及它們的比值TT，查表，查表42，即可得數(shù)字控制器的，即可得數(shù)字控制器的KP、TI、TD及采樣周期及采樣周期T4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法2. 按簡(jiǎn)易工程法整定按簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)參數(shù) （2）擴(kuò)充響應(yīng)）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法曲線法 T4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法2. 按簡(jiǎn)易工程法整定按簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)參數(shù) （3）歸一參數(shù)整定法）歸一參數(shù)整定法如令如令 T=0.1Tk; TI

32、=0.5Tk; TD=0.125Tk)2(25. 1) 1(5 . 3)(45. 2)2() 1(2)()() 1()()(kekekeKkekekeTTkeTTkekeKkuPDIP 整個(gè)問(wèn)題便簡(jiǎn)化為只要整定一個(gè)參數(shù)整個(gè)問(wèn)題便簡(jiǎn)化為只要整定一個(gè)參數(shù)KP 改變改變KP，觀察控制效果，直到滿意為止，觀察控制效果，直到滿意為止4.2.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PID參數(shù)選擇及整定方法參數(shù)選擇及整定方法3. 優(yōu)選法優(yōu)選法 確定被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性并非容易之事確定被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性并非容易之事 根據(jù)具體的調(diào)節(jié)規(guī)律，不同調(diào)節(jié)對(duì)象的特征，經(jīng)過(guò)閉環(huán)試驗(yàn)，根據(jù)具體的調(diào)節(jié)規(guī)律，不同調(diào)節(jié)對(duì)象的特征，經(jīng)過(guò)閉環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù)反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù) 具體作法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先把其它參數(shù)固定，然后用具體作法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先把其它參數(shù)