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第九章 数字控制器设计

第九章 数字控制器设计. 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. 本章主要内容. 9.1 数字 P ID. 9.2 其他 数字 P ID 9.3 数字 P ID 参数的整定. 本章小结. 思考题.

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第九章 数字控制器设计

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  1. 第九章 数字控制器设计 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

  2. 本章主要内容 • 9.1 数字PID • 9.2 其他数字PID • 9.3 数字PID参数的整定 • 本章小结 • 思考题

  3. 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，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，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，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。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，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，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，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。 引言

  4. 9.1 数字PID 主要知识点: 9.1.1数字控制器的连续化设计步骤 9.1.2 数字PID积分问题 9.1.3 数字PID微分问题

  5. 9.1.1数字控制器的连续化设计步骤 • 基本设计思想 • 设计连续控制器 • 离散化连续控制器 • 离散算法的计算机实现与校验

  6. 连续化设计的基本思想 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)

  7. 离散算法的计算机实现 设计性能校验：常采用数字仿真方法验证

  8. 9.1.2 数字PID控制算法 • PID控制算法的优越性： a.P、I、D三个参数的优化配置， 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、 平稳和准确； b.适应性好，鲁棒性强； c.算法简单，易于掌握； 动画链接

  9. 理想PID控制算法 连续形式 离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分 位置算式

  10. ●增量型PID控制算式 第(k-1)次采样有： 两次采样计算机输出的增量为：

  11. 理想PID的递推算式 向后差分法离散化

  12. 理想PID的增量差分形式 其中

  13. 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

  14. 二、 数字PID的积分问题 常用改进算法： • 积分分离算法 • 抗积分饱和算法

  15. 积分分离算法 现象：一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，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，将引起系统过量的超调和长时间的波动。 积分的主要作用：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 当 时，采用PID控制 当 时，采用PD控制

  16. 积分分离值的确定原则 图9-3 不同积分分离值下的系统响应曲线

  17. 抗积分饱和措施 现象：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“回头”，使控制品质变差 。 抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分 • 当 时，采用PD控制 • 当 时，采用PD控制 • 其他情况，正常的PID控制

  18. 三、实际微分PID控制算法 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 实际微分PID的一种连续形式

  19. ► 不完全微分的PID算式 不完全微分的PID传递函数为：

  20. 将微分部分化成微分方程： 将微分项化成差分项： 令：

  21. 不完全微分的PID位置算式为： 不完全微分的PID增量算式为：

  22. 实际微分的离散化

  23. 差分形式

  24. 理想微分PID与实际微分PID阶跃响应对比

  25. 实际微分PID与理想微分PID对比 （1）理想微分PID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。一是控制输出可能超过执行机构或D/A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击作用。相反地，实际微分PID算法由于惯性滤波的存在，使微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。 （2）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，降低机构的使用寿命。而实际微分PID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。

  26. 第二节 其它数字PID • 一、微分先行算法： • 出发点：避免因给定值变化给控制系统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。 • 特点：只对测量值(被控量)进行微分, 而不对偏差微分, 也即对给定值无微分作用。

  27. R(s) U(s) Y(s) 微分先行的PID控制方框图 • 微分先行PID控制算法示意图

  28. 标准PID算式中的微分作用 改进后的微分作用算式则为

  29. 二、带死区的算法 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

  30. 三、 有纯滞后环节的PID控制 预估器的传递函数为 闭环传递函数为

  31. n n n n n n m 史密斯预估器计算机控制系统计算顺序为 ► 计算反馈控制的偏差

  32. k k m(k) N q(k-N) ► 计算史密斯预估器中间值m(k) ► 计算史密斯预估器输出Cτ(k) ► 计算PID控制器输入偏差ec(k) ► 计算PID控制算式

  33. TC PC 温度 煤气 加 热 炉 压力 空气 四、 串级控制 例：煤气加热炉串级温度控制系统

  34. Δu2(k) C2(t) R1(t) R1(k)e1(k) 主控 制器 R2(k) e2(k) C1(t) 付控 制器 保持器 付对象 主对象 - - C2(k) C1(k) 双回路串级控制系统计算顺序 ► 计算主回路的偏差 ► 主控制器的计算（位置PID）

  35. ► 计算付回路的偏差 ► 付控制器的计算（增量PID）

  36. F f f f 五、 前馈控制系统的设计 前馈控制系统：当被测的干扰进入控制对象时，前馈控制预先调整控制作用，使被控变量保持在给定值上。

  37. F f f f 设：u1=0，并设输出的干扰为0，则有 完全补偿的条件

  38. F f f k k k 若: 前馈控制器为:

  39. 离散化:

  40. 前馈-反馈计算机控制系统计算顺序为： ► 计算反馈控制的偏差 ► 反馈控制器输出（PID） ► 计算前馈补偿器输出 ► 总控制量输出

  41. 六、 解耦控制

  42. 第三节 数字PID参数的整定 • 参数整定的基本概念 • 通过调整控制台参数（Kc、Ti、Td,）， 使控制器的特性与被控过程的特性相匹配, 以满足某种反映控制系统质量的性能指标。 • 数字PID的参数整定 • 除了Kc、Ti、Td 外，还需要确定系统的采样周期（控制周期）T

  43. ● 采样周期的选择 ► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取较短的采样周期；反之，则长一些。 ► 过程纯滞后较明显，采样周期可与纯滞后时间大致相等。

  44. 选取采样周期时应考虑的几个因素： ► 采样定理 ，经验公式 ► 随动系统和抗干扰的性能，T小些 ► 快速系统，T应小 ► 考虑执行器的响应速度 ► 考虑计算机所承担的工作量及调节器成本，T大 ► 考虑对象所要求的调节品质(PID)，T不能取得太小

  45. 二、PID参数对系统性能的影响

  46. 控制规律的选择： 1、对于一阶惯性环节，负荷变换不大，工艺要求不高，可采用比例控制。例如，压力、液位控制。 2、对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用比例积分控制 3、对于纯滞后较大，负荷变化较大，控制要求高的场合，可采用比例微分控制，如蒸汽温度控制，PH值控制 4、当对象为高阶又有滞后特性时，控制要求高，则采用PID控制，并运用多种控制级联手段。

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