計算機控制技術備課筆記

計算機控制技術備課筆記PAGEPAGE55宜興技師學院江蘇省宜興中等專業(yè)學校課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課采樣系統(tǒng)的動態(tài)過程可用差分方程描述，并可用z變換法使時域中的分方程轉化為Z域中的代數(shù)方程。新課講授第四節(jié)采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學模型一、線性常系數(shù)差分方程及其解法采樣系統(tǒng)的動態(tài)過程可用差分方程描述，并可采用z變換法使時域中的差分方程轉化為z域中的代數(shù)方程進行求解。1、差分的定義設采樣信號f(kT)，并令T=1s一階前向差分定義為二階前向差分定義為三、開環(huán)系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的脈沖傳遞函數(shù)1、串聯(lián)環(huán)節(jié)的環(huán)脈沖傳遞函數(shù)一般，幾個串聯(lián)環(huán)節(jié)之間都有采樣器隔開時，等效的脈沖傳遞函數(shù)等于幾個環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)之積。在圖2-11b中，兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無采樣器隔開，因此課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟為簡化起見，表示為所以，等效的脈沖函數(shù)為下面分析一下離散系統(tǒng)中的連續(xù)元件。對于這些元件，由于輸入、輸出端存在有或無采樣開關兩種情況，使輸入、輸出關系變得較為復雜。圖2-12給出了這些元件可能存在的輸入、輸出情況。對圖2-12d，采樣輸入，連續(xù)輸出：如果不必掌握所有時刻的輸出c(t)，而只需注意采樣瞬間c*(t)的信號，則可以在輸出端人為地附加一個理解的采樣開關，這時，元件的輸出就和圖2-12c情況相同，即C(z)=R(z)G(z)。2、有零階保持器的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)故開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟四、閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，是指系統(tǒng)的輸出信號和輸入信號的z變換之比。例2-11求圖2-14所示典型計算機控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。D(z)、G(z)分別表示計算機和連續(xù)部分的脈沖傳遞函數(shù)。教材P25表2-1列出了常見的采樣系統(tǒng)（包括開環(huán)和閉環(huán)）及其C(z)的表達式。讀者可對表中所列的系統(tǒng)進行分析，進一步熟悉閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的求取。有些系統(tǒng)僅僅只能求得輸出的表達式C(z)，而求不到閉環(huán)的脈沖傳遞函數(shù)。鞏固新課適當布置練習鞏固新課新課小結二、脈沖傳遞函數(shù)的定義三、開環(huán)系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的脈沖傳遞函數(shù)四、閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課在z平面上研究采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最重要的是必需知道S平面與Z平面的關系新課講授第五節(jié)采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1、z平面與s平面的關系根據(jù)z變換的定義其中s是復變量，即代入式（2-29）中得不難看出，在s平面的虛軸上即s平面上的虛軸對應于z平面上的單位圓。2、z域穩(wěn)定條件采樣控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是閉環(huán)系統(tǒng)的特征根均位于z平面的單位圓之內；若有一個或一個以上的閉環(huán)特征根在單位圓外，系統(tǒng)就不穩(wěn)定；若有一個或一個以上在單位圓上時，系統(tǒng)就處于臨界穩(wěn)定分析采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性，最直接的是解出特征根，或者根據(jù)特征方程各系課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟數(shù)來判別穩(wěn)定性，如勞斯判據(jù)等。二、勞斯穩(wěn)定判據(jù)在連續(xù)系統(tǒng)中，勞斯判據(jù)是基于判別閉環(huán)特征根是否均位于s左半平面，從而確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在采樣系統(tǒng)中，由于穩(wěn)定性取決于根是否全在單位圓內，所以不能直接引用勞斯判據(jù)，必須尋求一種變換，使z平面上單位圓內映射到一個新平面的虛軸之左，我們稱該新平面為平面。然后，便可直接應用勞斯判據(jù)了。根據(jù)雙線性變換可見，z平面的單位圓內的點，對應于平面虛軸之左半平面（u<0）。z平面的單位圓外的點，對應于平面虛軸之右半平面（u>0）。例2-13設采樣控制系統(tǒng)的特征方程為試用勞斯判據(jù)判別穩(wěn)定性。解：因為課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟有化簡得列勞斯表由于第一列元素的符號有兩次改變，則有兩個根在右半平面，即有兩個根處于平面單位圓外，故該系統(tǒng)不穩(wěn)定。鞏固新課舉例說明判斷過程，來鞏固本次可內容新課小結1、z平面與s平面的關系2、z域定條穩(wěn)件3、勞斯穩(wěn)定判據(jù)布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課采樣控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的概念與連續(xù)控制系統(tǒng)十分相似。今天就來討論采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和誤差系數(shù)新課講授第六節(jié)采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析一、單位階躍輸入對于0型系統(tǒng)，G(z)沒有z=1的極點，Kp為有限值對于Ⅰ型系統(tǒng)或高于Ⅰ型的，G(z)有一個或一個以上z=1的極點，二、單位斜坡輸入稱為速度誤差系數(shù)。對于0型系統(tǒng)，G(z)沒有z=1的極點，Kp為有限值課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟對于Ⅰ型系統(tǒng)，G(z)有一個或一個以上z=1的極點，Kp=∞e(∞)=0三、單位加速度輸入鞏固新課舉例分析，鞏固本次新課新課小結1、單位階躍輸入2、單位斜坡輸入3、單位加速度輸入布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課本課主要介紹如何在時域中求取采樣系統(tǒng)的時間響應,以及定性分析Z平面上閉環(huán)極點分布與瞬時響應的關系新課講授第七節(jié)采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能分析一、采樣系統(tǒng)的時間響應在系統(tǒng)的動態(tài)性能指標中，最重要的兩個指標是反映系統(tǒng)快速性的調整時間和反映系統(tǒng)阻尼特性的超調量σ。若采樣控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為Φ(z)，則系統(tǒng)對單位階躍輸入的輸出響應為應用長除法，將分子分母相除，再用z反變換，即可得C*(t)。對一個穩(wěn)定性較好的系統(tǒng)，過渡過程在有限個采樣周期結束，故只需相除前幾項，就能求得ts、σ等指標。下面我們通過實例介紹這種方法。例2-14求圖2-17所示系統(tǒng)的ts、σ近似值。已知K=2，a=0.368，T=0。1s。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的單位階躍響應為將輸出采樣函數(shù)c*(t)在采樣時刻的值用標于圖2-18中，圓滑連接圖中各點，便得到了系統(tǒng)輸出響應曲線c(t)的大致波形，由該波形曲線可得課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟二、閉環(huán)極點分布與瞬態(tài)響應的關系1、實軸上的單極點如果系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中有一個實軸上的單極點，則相應的部分分式展開式中有一項為在單位脈沖作用下，對應于這一項的輸出序列為對于a的不同位置，會有不同的c(k)序列，如圖2-19所示。①a>1,c(k)是發(fā)散序列。②a=1,c(k)是等幅脈沖序列。③a≤a<1，c(k)是單調衰減正序列。⑤a=-1，c(k)是交替變號的等幅脈沖序列。⑥a<-1，c(k)是交替變號的發(fā)散序列。顯然，當a在單位圓內時，序列c(k)是收斂的，而且|a|越小，c(k)衰減越快。2、共軛復數(shù)極點設系統(tǒng)有一對共軛極點z=a±jb，可以證明這一對共軛極點產生的輸出序列為課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟①和π，極點在單位圓外，c(k)振蕩且發(fā)散。②和π，極點在單位圓上，c(k)等幅振蕩。③和π，極點在單位圓內，c(k)衰減振蕩。鞏固新課布置練習,講解,鞏固本次新課新課小結一、采樣系統(tǒng)的時間響應二、閉環(huán)極點分布與瞬態(tài)響應的關系布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課本章主要講訴計算機控制系統(tǒng)的基本概念和基本方法.首先建立采樣信號及保持器的數(shù)學表達式,介紹Z變換和離散系統(tǒng)的數(shù)學模型,差分方程,脈沖傳遞函數(shù),然后討論采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性,穩(wěn)態(tài)誤差及系統(tǒng)新課講授第二章計算機控制系統(tǒng)理論基礎第一節(jié)采樣過程與采樣定理一、采樣控制系統(tǒng)二、采樣過程三、采樣定理第二節(jié)零階保持器一、信號復現(xiàn)二、零階保持器第三節(jié)

z變換理論一、z變換的定義二、z變換的求法三、Z變換的基本定理四、z反變換第四節(jié)采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學模型一、線性常系數(shù)差分方程及其解法課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟二、脈沖傳遞函數(shù)的定義三、開環(huán)系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的脈沖傳遞函數(shù)四、閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)第五節(jié)采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1、z平面與s平面的關系二、勞斯穩(wěn)定判據(jù)第六節(jié)采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析一、單位階躍輸入二、單位斜坡輸入三、單位加速度輸入第七節(jié)采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能分析一、采樣系統(tǒng)的時間響應二、閉環(huán)極點分布與瞬態(tài)響應的關系鞏固新課布置練習,鞏固本章練習新課小結采樣控制系統(tǒng)的基本原理,數(shù)學工具及分析方法.布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課計算機控制系統(tǒng)控制器的設計屬于數(shù)字控制器的設計。數(shù)字控制器的設計實質上也就是一種控制規(guī)律，或者說一種控制算法的設計。新課講授第三章計算機控制系統(tǒng)設計方法第一節(jié)連續(xù)域——離散化設計一、設計的基本原理和步驟連續(xù)域——離散化設計分以下五個步驟完成：第1步：根據(jù)系統(tǒng)的性能和要求，選擇采樣頻率。第2步：教材3-2所示，由于保持器會引入延遲，根據(jù)系統(tǒng)預定的性能指標，采用連續(xù)域的設計方法，設計出數(shù)字控制器的等效傳遞函數(shù)。保持器常采用零階保持器，其一階和二階近似式表示如下：第3步：選擇適當?shù)碾x散化方法，將D(s)離散化獲得性能盡量等效的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。第4步：針對由D(z)構成的離散閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢驗其閉環(huán)性能。如圖3-3所示。第5步：將D(z)編制成數(shù)字算法，在計算機上編程實現(xiàn)。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟二、前向差分法設模擬控制器傳遞函數(shù)為轉換成微分方程為下面討論s平面和z平面之間的映射關系。因為平面上的虛軸（軸）是穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū)域的分界線，所以應著重研究軸在z平面內的映象。前向差分法的特點總結如下：1、直接代換，具有串聯(lián)性，變換方便；2、整個s左半平面映射到z平面z=1以左的區(qū)域，故D(s)與D(z)不具有相同的穩(wěn)定性；3、因為D(s)|s=0=D(z)|z=1，故穩(wěn)態(tài)增益維持不變；4、當采樣周期T較小時，等效精度較好。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟三、后向差分法設模擬控制器傳遞函數(shù)為四、雙線性變換法（Tustin變換法）1、離散化公式、2、映射3、頻率畸變與預修正4、雙線性變換的特點（1）s域左半平面映射到z平面的單位圓內（一一對應）；（2）變換具有串聯(lián)性，即針對相互串聯(lián)的連續(xù)環(huán)節(jié)，可分別對各個環(huán)節(jié)作雙線性變換，然后相乘；（3）D(z)和D(s)具有相同穩(wěn)定性；（4）頻率特性發(fā)生畸變；（5）變換后穩(wěn)態(tài)增益不變。五、零極點匹配法1、轉換規(guī)則2、特點課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟（1）D(z)和D(s)有相同穩(wěn)定性；（2）D(s)的零、極點均按照Z=esT的關系與平面的零、極點一一對應；（3）穩(wěn)態(tài)增益匹配，一般按關系匹配六、幾種離散化公式的比較以脈沖傳遞函數(shù)對原連續(xù)傳遞函數(shù)的保真度作為衡量標準，表3-1對上述幾種離散化方法的主要特點進行了比較。鞏固新課布置練習，鞏固本次新課新課小結一、設計的基本原理和步驟二、前向差分法三、后向差分法四、雙線性變換法（Tustin變換法）五、零極點匹配法六、幾種離散化公式的比較布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課最少拍系統(tǒng)也稱為最小調整時間系統(tǒng)或最快響應系統(tǒng).新課講授第二節(jié)最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計一、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的選擇圖3-10是一個典型的計算機反饋控制系統(tǒng)。為了討論問題方便，首先假設被控對象是穩(wěn)定的系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為由式（3-21）可以導出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為根據(jù)終值定理，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差為設典型輸入信號的一般形式為式中,A(z)為z-1的多項式，它不包含(1-z-1)因子，當k=1,2,3時，分別對應單位階躍、單位速度和單位加速度輸入。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟式（3-28）表明，閉環(huán)系統(tǒng)在單位脈沖作用下，其輸出響應將在k+n個采樣周期后變?yōu)榱悖蛘哒f，在典型輸入作用下，系統(tǒng)將經(jīng)過k+n個采樣周期達到穩(wěn)態(tài)并實現(xiàn)跟蹤。當n=0，即F(z)=1時，系統(tǒng)可經(jīng)過最短時間（k個采樣周期）達到穩(wěn)態(tài)。二、一般對象的最少拍系統(tǒng)的設計下面我們討論在被控對象的脈沖傳遞函數(shù)穩(wěn)定且沒有純滯后的情況下，如何根據(jù)不同的典型輸入R(z)，確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。1、單位階躍輸入則數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為輸出序列為C(0)=0,C(1)=1,C(2)=1,…其波形如圖3-11所示，由此可知離散系統(tǒng)的調節(jié)時間為1拍。2、單位速度輸入當r(t)=t時課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟這時A(z)=Tz-1,k=2，可選擇系統(tǒng)輸出為系統(tǒng)輸出為即C(z)=0+z-1+z-2+…輸出序列為C(0)=0,C(1)=1,C(2)=1，…其波形如圖3-11所示，由此可知離散系統(tǒng)的調節(jié)時間為1拍。鞏固新課通過練習，提問來鞏固本次的新課新課小結一、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的選擇二、一般對象的最少拍系統(tǒng)的設計1、單位階躍輸入布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課上次課我們學習了最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的選擇和一般對象的最少拍系統(tǒng)的設計中的1、單位階躍輸入今天我們將繼續(xù)學習2、單位速度輸入新課講授第二節(jié)最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計二、一般對象的最少拍系統(tǒng)的設計2、單位速度輸入系統(tǒng)輸出為即輸出序列為課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟3、單位加速度輸入系統(tǒng)輸出為輸出序列為其波形如圖3-13所示。由圖3-13可能看出，單位加速度輸入時，離散系統(tǒng)的調節(jié)時間為3拍三、特殊情況下最少拍系統(tǒng)的設計（1）G(z)含單位圓上或單位圓外的極點(2)含單位圓上或單位圓外的零點通過以上討論，可以得出如下一些選擇閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)Φ(z)的限制條件：①數(shù)字控制器在物理上應是可實現(xiàn)的有理多項式②選擇Φ(z)時，應包含G(z)中的滯后因子，G(z)的單位圓上或單位圓外的零點應保留，并作為Φ(z)的零點。③G(z)的單位圓上或單位圓外的極點，應作為Φe(z)=1-Φ(z)的零點。鞏固新課通過練習,鞏固本次課內容新課小結第二節(jié)最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟二、一般對象的最少拍系統(tǒng)的設計2、單位速度輸入3、單位加速度輸入三、特殊情況下最少拍系統(tǒng)的設計（1）G(z)含單位圓上或單位圓外的極點(2)含單位圓上或單位圓外的零點布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課復習上次課的內容，引出新課新課講授第三節(jié)最少拍無波紋數(shù)字控制系統(tǒng)設計一、波紋產生的原因設在圖3-10中，G0(s)=10/[s(s+1)]，對于階躍輸入，可設計出最少拍有波紋數(shù)字控制器即從第一個采樣節(jié)拍起，偏差巳達到并保持為零了。如果從第一個節(jié)拍起控制量u(k)也能保持恒定(常數(shù)或零)，則輸出就可保持不變。但是可見控制量實際上并不恒定，而在波動。這樣一個波動的控制量作用在保持器的輸入端，保持器輸出也必然會波動，系統(tǒng)輸出中也必然會出現(xiàn)波紋。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟二、消除波紋的條件從以上討論可知，波紋是由于u(k)波動引起的，要消除波紋，必須使u(k)為一恒定值。下面來討論u(k)為一恒定值的條件。由于所以最少拍無波紋數(shù)字控制器的D（z）為鞏固新課通過練習鞏固新課新課小結一、波紋產生的原因二、消除波紋的條件布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課美國IBM公司的大林，在1968年提出了一種針對工業(yè)生產過程控制中的含有純滯后對象的控制算法，具有較好的效果新課講授一、大林算法的基本形式設被控對象具有純滯后的—階或二階慣性環(huán)節(jié)，它們的傳遞函數(shù)為式中，T1和T2表示被控對象的時間常數(shù)；τ為被控對象的純滯后時間；K為放大系數(shù)。假定τ為T的整數(shù)倍，即τ=LT(L=1,2,3…）。大林算法的目標是設計一個數(shù)字控制器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Φ(s)相當于一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求期望的閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間與被控對象的純滯后時間相等，即式中，T0為校正后閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)。由于是在平面上討論數(shù)字控制器的設計，因此假設離散系統(tǒng)中采用的是零階保持器，采樣周期為T，那么閉環(huán)控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟二、振鈴現(xiàn)象及消除方法在設計具有純滯后被控對象的計算機控制系統(tǒng)時應當注意可能會出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。繼續(xù)研究例3-6。其控制量為很明顯，數(shù)字控制器的輸出控制量u(k)以2T為周期上下大幅度擺動，大林把這種現(xiàn)象稱為振鈴現(xiàn)象。振鈴現(xiàn)象會導致系統(tǒng)執(zhí)行機構的磨損增加。鞏固新課通過練習鞏固新課新課小結一、大林算法的基本形式二、振鈴現(xiàn)象及消除方法課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課對本章內容進入復習新課講授第三章計算機控制系統(tǒng)設計方法第一節(jié)連續(xù)域第二節(jié)最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計第三節(jié)最少拍無波紋數(shù)字控制系統(tǒng)設計第四節(jié)大林算法鞏固新課通過練習，來鞏固本章內容作業(yè)布置補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課自從20世紀30年代末期PID控制器出現(xiàn)以來，無論是在控制理論方面，還是在控制儀表、設備方面，都有很大的發(fā)展。新課講授一、PID控制器的控制作用1、比例（P）控制器最簡單控制器，實際上是增益可調整放大器，即有u(t)=Kp·e(t)u(t)——控制器輸出Kp——比例系數(shù)e(t)——控制器輸入，系統(tǒng)輸出偏差2、比例、積分（PI）控制消除靜差的辦法是在P基礎上加I，構成PI控制器，規(guī)律為u(t)=Kp[e(t)+（1/Ti）e(t)dt]Ti—積分時間PI控制系統(tǒng)對e(t)為階躍信號的響應波形如圖所示Ti為積分時間：Ti↑，u(t)→kpe(t)，即積分項作用越小，超調↓，穩(wěn)定性↑，適宜溫度等滯后較大控制對象的控制。Ti↓，積分作用大，速度快，u(t)↑，適宜管道壓力、流量等滯后不大的對象。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟所以，Ti也要根據(jù)對象選擇。注意：加入積分控制時，比例控制量要適當降低，為積分控制量騰出作用空間。PI控制器可清除系統(tǒng)靜差3、比例、積分、微分（PID）控制器PI控制器雖然可以消除靜差，但它是以降低響應速度為代價的，而且Ti越大，代價越高。在實際控制系統(tǒng)中，人們不但要求靜差可以為0，而且還要求有盡可能快地實現(xiàn)抑制靜差出現(xiàn)的能力，或者說希望超前消除靜差。即在靜差剛出現(xiàn)還沒有發(fā)生作用，就立即消除。采用的方法：在PI基礎上再加一級D（微分）環(huán)節(jié)，構成PID調節(jié)器，控制規(guī)律為偏差變化越快，微分作用項越大，控制量就越大，故微分作用的加入有助于減小超調、克服振蕩，有助于系統(tǒng)穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動作速度，縮短了調整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟鞏固新課通過練習，來鞏固本次課內容新課小結1、PID控制器的控制作用比例控制器比例積分控制器比例，積分，微分控制器2、PID控制器的離散化位置PIF控制算法增量式PID控制算法布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課系統(tǒng)控制器可用模擬控制器數(shù)字化的方法來設計，也就是將描述系統(tǒng)調節(jié)規(guī)律的微分方程近視為差分方程，導出控制算法，用計算機實現(xiàn)。新課講授一、位置式PID控制系統(tǒng)算法程序框圖如圖所示。計算機輸出u(k)與執(zhí)行機構的實際位置一一對應，u(k)的大幅度變化將引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化。位置式PID的輸出不僅與本次偏差有關，而且與歷次測量偏差有關，計算時要對誤差累加，計算機運算工作量大。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟二、增量式PID控制系統(tǒng)算法程序框圖如圖所示。計算機發(fā)生故障時，影響范圍小。手動-自動切換時沖擊小。計算工作量小。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟鞏固新課通過編程，運行，找錯，改錯，來鞏固本次新課新課小結總結本次上機課中，學生容易出錯的地方作業(yè)布置補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課前面講了PID控制器的控制作用和PID控制器的離散化新課講授第一節(jié)PID控制帶有死區(qū)的PID算式控制算式為：這種控制方式適用于控制精度不太高，控制動作盡可能少的場合積分分離式PID控制算法基本思想：大偏差時，去掉積分作用，以免積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；小偏差時，投入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。積分分離式PID控制程序框圖如圖所示。對于同一控制對象，普通PID與積分分離PID響應曲線如圖所示不完全微分的PID控制算法不完全微分PID的結構如圖傳遞函數(shù)為課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟與普通PID中微分部分比較，不完全微分部分輸出在第一個采樣周期內脈沖高度下降，此后按規(guī)律逐漸衰減，輸出均勻。鞏固新課通過練習來鞏固本次新課新課小結1、帶死區(qū)的PID控制算法2、積分分離式PID控制算法3、不完全微分的PID控制算法布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課數(shù)字PID控制算法的程序實現(xiàn)新課講授1、積分分離式PID控制程序框圖如圖所示2、普通PID的控制品質較差，其原因是微分作用僅局限于第一個采樣周期有一個大幅度的輸出。不完全微分PID的控制品質好，其原因是微分作用能緩慢地持續(xù)多個采樣周期。課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟鞏固新課通過叫學生編寫程序來鞏固這次課講的思想方法新課小結1、積分分離式PID控制程序2、不完全微分PID算法程序框圖布置作業(yè)課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課數(shù)字PID控制算法的改進還有第四種方法，今天我們將給大家介紹一下新課講授第一節(jié)PID控制四、數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定?對于響應快、波動大、容易受干擾影響的過程，應該選取較短的采樣周期；反之，則長一些。?過程純滯后較明顯，采樣周期可與純滯后時間大致相等。被控參數(shù)采樣周期/s備注流量1~5優(yōu)先選用1~2s壓力3~10優(yōu)先選用6~8s液位6~8

??㏒???琰茞??ü溫度15~20或取純滯后時間成分15~20

??㏒???琰茞??ü選取采樣周期時應考慮的幾個因素?采樣周期應遠遠小于對象時間常數(shù)?采樣周期應遠小于對象的擾動信號周期?考慮對象所要求的調節(jié)品質?考慮執(zhí)行器的響應速度課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟?考慮計算機所承擔的工作量PID參數(shù)的整定1、試湊法具體步驟：先投比例，整定比例系數(shù)。加入積分，整定積分時間。加入微分，整定微分時間2.擴充臨界比例法數(shù)字PID控制算法的參數(shù)選擇一般根據(jù)被控過程的特性?采樣周期的大小?工程上其它具體要求?選取一個很小的采樣周期?使計算機過程控制系統(tǒng)為純比例控制，改變比例系數(shù)，使其出現(xiàn)等幅振蕩，得到臨界比例系數(shù)和臨界周期鞏固新課通過練習，提問來鞏固本次課的內容新課小結選取采樣周期時應考慮的幾個因素PID參數(shù)的整定1、試湊法2.擴充臨界比例法課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課數(shù)字PID控制器參數(shù)整定的任務主要是確定系數(shù)和采樣周期。在控制器的結構形式確定后，系統(tǒng)性能的好壞主要決定于選擇的參數(shù)是否合理，可見，PID控制器參數(shù)的整定是非常重要的。新課講授第二節(jié)串級控制例：管式加熱爐串級溫度控制系統(tǒng)單回路控制串級控制系統(tǒng)計算步驟如下:?計算主回路的偏差?計算主調節(jié)器的增量輸出?計算主調節(jié)器的位置輸出課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟?計算副回路的偏差?計算副調節(jié)器的增量輸出計算主調節(jié)器的位置輸出時,也可采用下列改進算法:串級控制系統(tǒng)中副回路的設計原則副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，調節(jié)通道短，反應靈敏。副回路應包含被控對象所受到的主要干擾。串級系統(tǒng)對副回路內的干擾有較強的抑制能力。串級控制系統(tǒng)調節(jié)器的選型副調節(jié)器的任務是要快速動作以迅速抵消落在副環(huán)內的擾動，而且副參數(shù)一般并不要求無差，所以一般都選P調節(jié)器，也可采用PD調節(jié)器主調節(jié)器都必須具有積分作用，一般都采用PI調節(jié)器鞏固新課通過練習，提問來鞏固本次課的內容新課小結1、串級控制的基本原理2、串級控制算法布置作業(yè)補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟引入新課前饋控制：即當干擾一出現(xiàn)，前饋控制器就直接根據(jù)所測得的干擾大小和方向，按一定規(guī)律去控制，以抵消干擾對被控參數(shù)的影響。新課講授第四章第三節(jié)前饋控制例：熱交換器前饋控制前饋控制部分框圖如圖所示完全補償前饋控制器的傳遞函數(shù)為：課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟前饋-反饋控制控制系統(tǒng)結構框圖如圖所示完全補償?shù)臈l件是前饋控制算法對應的微分方程為:整理得:前饋控制應用的場合系統(tǒng)中存在幅度大、頻率高且可測的干擾，該干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制難以克服，而工藝上對被控參數(shù)又要求十分課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟嚴格，這時可引入前饋控制來改善系統(tǒng)的質量。當主要干擾無法用串級控制使其包圍在副回路內時，采用前饋控制將會比串級控制獲得更好的效果。當對象干擾通道和控制通道的時間常數(shù)相差不大時，引入前饋控制可以很好地改善系統(tǒng)的控制質量。鞏固新課通過練習，提問來鞏固本次新課新課小結一、前饋控制的基本原理二、前饋，反饋控制三、前饋控制算法、作業(yè)布置補充課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容及步驟課堂教學安排教學過程主要教學內容