第三章(一) 典型数字控制器设计--数字PID控制器(全).pdf

第三章(一) 典型数字控制器设计 --数字PID控制器 2014-2-26 1 主要内容： 数字控制器的连续化设计步骤 数字PID控制器的设计 标准PID控制器的改进 数字PID控制器的参数整定 2014-2-26 2 前言 计算机控制系统的设计包含两个部分：硬件设计和软件 设计。硬件设计包括计算机、接口电路、外部设备和传感设 备等。软件设计包括人机交互界面、控制、管理、计算和自 诊断等。本章介绍的的控制器设计是指在给定系统性能指标 的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。 数字控制器通常是利用计算机软件编程，完成特定的控 制算法。一般在数字控制中，控制算法是以差分方程或脉冲 传递函数的形式出现的。采用不同的控制算法，就可以获得 不同的控制效果（品质）。 2014-2-26 3 前言 计算机控制系统的的设计方法一般有两种： 将连续域设计好的控制律D(s)利用不同的离散化方法变换 为离散控制律D(z) ，这种方法称为“连续域-离散化设计”方 法，或称为“模拟化”设计方法。它允许设计师用熟悉的各 种连续域设计方法设计出令人满意的连续域控制器，然后将 连续控制器离散化。 在离散域先建立被控对象的离散模型G(z) ，然后直接在离 散域进行控制器设计。常用方法包括直接数字设计法、W变 换设计法和Z域根轨迹设计法等。 2014-2-26 4 前言 在工程实践中，很多工程人员对s平面（连续域）比z平面 （离散域）更为熟悉。因此在数字控制器的设计时，通常在s 域中进行初步设计，得出连续域的控制律，然后通过某种近 似的方法将连续的控制律离散化为数字式控制律，并由计算 机实现。 在第二章中，已经详细讨论了数字控制器的模拟化设计方法。 下面简单回顾一下。 2014-2-26 5 数字控制器的模拟化设计思想 典型的计算机控制系统如下图所示： 假设数字控制器为D(z) ，零阶保持器为H(s) ，被控对象为 G(s) 。数字控制器的模拟化设计是将上图所示的计算机控制系 统看作是一个连续系统，即忽略控制回路中所有的零阶保持器 和采样器，然后采用连续系统设计方法设计出模拟控制器，在 满足一定的条件下，做出某种近似，从而将模拟控制器离散化 成数字控制器。 2014-2-26 6 数字控制器的模拟化设计步骤（1） 设计假想的连续控制器D(s) 如下图所示，将数字控制器和零阶保持器合在一起，作 为一个模拟环节看待，其等效传递函数为D(s) 。可用频率特 性法或根轨迹法等设计出D(s) 。 2014-2-26 7 数字控制器的模拟化设计步骤（2） 将D(s)离散化为D(z) 。 常用离散化方法 z变换法（脉冲不变法）； 零阶保持器z变换法（阶跃响应不变法）； 数值积分法（置换法）：包括一阶后向差分法、一阶前向 差分法、双线性变换等； 零极点匹配法。 2014-2-26 8 数字控制器的模拟化设计步骤（3） 选择采样周期T