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第6章计算机控制系统的模拟化设计
第六章 数字控制器的连续化设计 引言 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。 本章主要知识点: 一、 数字控制器的连续化设计步骤 基本设计思想 设计假想连续控制器 离散化连续控制器 离散算法的计算机实现与校验 连续化设计的基本思想 设计假想连续控制器 1. 原则上可采用连续控制系统中各种设计方法 连续控制器的离散化 根据连续控制器的传递函数,离散化方法有: 前向差分法也可由数值微分中得到,用差分代替微分。 设微分控制规律为 离散算法的计算机实现 二、 数字PID控制算法 根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID控制),是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。 2. 数字PID控制器 由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。 在计算机控制系统中,PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时,用求和代替积分、用后向差分代替微分,使模拟PID离散化变为差分方程。这样就得到两种算式: (1)数字PID位置型控制算法 (2)数字PID增量型控制算法 (1). 数字PID位置型控制算法 (2).数字PID增量型控制算法 理想PID的增量差分形式(递推算式) (3)数字PID控制算法实现方式比较 控制系统中: ①如执行机构采用调节阀,则控制量对应阀门的开度,表征了执行机构的位置,此时控制器应采用数字PID位置式控制算法; ②如执行机构采用步进电机,每个采样周期,控制器输出的控制量,是相对于上次控制量的增加,此时控制器应采用数字PID增量式控制算法; (4)数字PID控制算法流程 三、数字PID控制器的改进 (1)积分项的改进 (2)微分项的改进 (3)时间最优+PID控制 (4)带死区的PID控制算法 (1)积分项的改进 积分分离 变速积分 抗积分饱和 梯形积分 消除积分不灵敏区 积分分离算法 积分分离值的确定原则 变速积分算法 抗积分饱和算法 梯形积分 消除积分不灵敏区 积分不灵敏区产生的原因: 由于计算机字长的限制,当运算结果小于字长所能表示的数的精度,计算机就作为“零”将此数丢掉。当计算机的运行字长较短,采样周期T也短,而积分时间Ti又较长时,Δui(k)容易出现小于字长的精度而丢数,此积分作用消失,这就称为积分不灵敏区。 (2) 微分项的改进 PID调节器的微分作用对于克服系统的惯性、减少超调、抑制振荡起着重要的作用。但是在数字PID调节器中,微分部分的调节作用并不是很明显,甚至没有调节作用。 我们可以从离散化后的计算公式中分析出微分项的作用。 不完全微分PID控制算法 在PID控制输出串联一阶惯性环节(低通滤波),这就组成了不完全微分PID控制器。 一阶惯性环节Df(s)的传递函数为 微分先行PID控制算式 为了避免给定值的升降给控制系统带来冲击,如超调量过大,调节阀动作剧烈,可采用微分先行PID控制方案(微分仅对系统输出有影响)。 (3) 时间最优PID控制 (4) 带死区的PID控制算法 四、数字PID参数的整定 采样周期的选择 理论整定方法:依赖于被控对象的数学模型; 仿真寻优方法 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 扩充响应曲线法 优选法 凑试法确定PID参数 PID控制参数的自整定法 (1) 采样周期的选择 (2)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PID参数的步骤如下: (1)选择一个足够短的采样周期 。所谓足够短,具体地说就是采样周期选择为纯滞后时间的1/10以下。 (2)将数字PID控制器设定为纯比例控制,并逐步减小比例带 ( ),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 和临界振荡周期 。 (3)选定控制度。所谓控制度,就是以模拟调节器为基准,将DDC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
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