第五章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化

1、第五章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計(jì) n51概述 調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)給定值被控變量典型的連續(xù)控制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)A/D執(zhí)行器保持器MUX采樣保持器計(jì)算機(jī)接口板二者：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：多路開(kāi)關(guān)，采樣保持，A/D D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字調(diào)節(jié)器是不同于連續(xù)系統(tǒng)的。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的信息既不會(huì)帶來(lái)大的誤差，也不會(huì)帶來(lái)大的滯后，當(dāng)信息經(jīng)過(guò)保持器時(shí)，將會(huì)發(fā)生幅值衰減和相角滯后。)()(0*0skkjujU是以采樣角頻率ws為周期的連續(xù)頻譜。 2/02/)2/sin(1)(TjeTTTjHksTjkjUTeTTTjUjHjU)(12/)2/sin()()()(02/*00零階保持器輸出的

2、頻率特性：當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，由于保持器的低通濾波特性，除了主譜以外高頻部分都被濾掉。當(dāng)信號(hào)U0（jw）的截止頻率wm0； 、當(dāng)|e(k)| PD控制 （避免過(guò)大的超調(diào)， 使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。） 、當(dāng)|e(k)|= PID控制 （保證系統(tǒng)控制精度） 位置式PID積分分離形式： 000)(, 0)(, 1)()()()()(EkTeEkTeKTkTekTeKjTeKKkTeKkTulkjdilpPID0E積分分離PIDkT)(kTykkkkkkggeCeBug12 1 kkkgeAukkee1積分分離PID的算法流程圖輸入r(kT), 采樣y(kT)()(kTykTrek?0Eek1kkkfeA

3、ukkkkffeBf1,是否5.4.2 遇限削弱積分PID控制算法 分離PID控制算法在開(kāi)始時(shí)不積分，遇限削弱積分PID控制算法則正好與之相反，一開(kāi)始就積分，進(jìn)行限制范圍后即停止積分，而遇限削弱積分PID控制算法的基本思想是：當(dāng)控制進(jìn)入飽和區(qū)以后，便不再積分項(xiàng)的累加，而只執(zhí)行削弱積分的運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)：在計(jì)算u（k）時(shí)，先判斷u（k-1）是否已超出 限制值。 若 ,則累加正偏差。此種算法可以 避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。 max) 1(uku5.4.3 不完全微分PID控制算法 微分環(huán)節(jié)的引入改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但對(duì)于干擾特別敏感，引進(jìn)了高頻干擾，對(duì)e（k）=（kT）為例：n 特點(diǎn)：n微分項(xiàng)的輸

4、出不僅在第一個(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。 n 微分作用值一般比較大，易造成計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)溢出；且變化過(guò)大、過(guò)快對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也會(huì)造成不利的影響。 改進(jìn)： 、在PID算法中加一個(gè)低通濾波器（一階慣性環(huán)節(jié)）。 11)(sTsGff調(diào)節(jié)器PID)(sGf)(sE)(sU)(sU不完全微分控制IDPIDP普通PID控制不完全微分PID控制在第一個(gè)采樣周期里不完全微分?jǐn)?shù)字調(diào)節(jié)器的輸出比完全分?jǐn)?shù)字調(diào)節(jié)器的輸出幅度小得多，且調(diào)節(jié)器的輸出十分接近于理想的微分調(diào)節(jié)器，故有比較理想的性能。5.4.4 微分先行PID控制算法特點(diǎn)：只對(duì)輸出量c（t）進(jìn)行微分，而對(duì)給

5、 定值r（t）不作微分。這樣改變給定值時(shí)，輸出不會(huì)改變，而被控量的變化通常是比較緩和的。適用于：給定值r（t）頻繁升降的場(chǎng)合，可以避免給定值升降時(shí)所引起的系統(tǒng)振蕩。明顯地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。sTsTdd1 . 011)11 (sTKip)(sR)(sU)(sY輸出量微分sTsTdd1 . 011)11 (sTKip)(sR)(sU)(sY偏差微分5.4.5 帶死區(qū)的PID控制 某些系統(tǒng)為了避免控制動(dòng)作的過(guò)于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，可采用帶死區(qū)PID控制，相應(yīng)的控制算法為： 調(diào)節(jié)器PID帶死區(qū)PID的算法流程圖輸入r(kT), 采樣y(kT)()(kTykTrek?0eek)()(

6、)/()()/()()(0TkTekTeTTjTeTTkTeKkTudkjip5.5.1 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)控制性能的影響 1、比例控制K對(duì)系統(tǒng)性能的影響：1動(dòng)態(tài)性能的影響： K加大使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度加快； K偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)； K太大，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。 K太小，又會(huì)使動(dòng)作緩慢。 2對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響：加大比例作用， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差增大，但并不能消除穩(wěn)態(tài) 響差 Kp太大Kp偏大Kp合適Kp偏小Kp太小 2、 積分控制T對(duì)控制性能的影響： 積分控制一般不能單獨(dú)使用，通常PI控制或PID：1對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響： 積分控制通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 2對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的

7、影響： 積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但當(dāng)積分作用太小時(shí)，積積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。Ki太小Ki偏小Ki偏大Ki太大Ki合適3、微分控制T對(duì)控制性能的影響。 微分控制不能單獨(dú)使用，經(jīng)常與比例或積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PD或PID控制，使超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小。提高控制精度。Td偏大Td偏小Td合適PIPDPPID各種控制規(guī)律對(duì)控制性能的影響5.5.2 采樣周期T的選擇 從信號(hào)的保真度看：從控制性能來(lái)考慮：T應(yīng)盡可能地短，采樣頻率盡可能地高。T大要求存貯空間大，運(yùn)算速度快。T的選擇與下列因素有關(guān)：1、作用于系統(tǒng)擾動(dòng)信

8、號(hào)的頻率有關(guān)；2、對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)；max2sT1)(101)(10w11)(00s0占主導(dǎo)作用時(shí)中且為系統(tǒng)通頻帶sssmmeeTsksGTeTsksGwTwTsksG3、過(guò)程量通常由經(jīng)驗(yàn)值：P164表4、測(cè)量通道數(shù)；5、與計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)有關(guān)；6、與A/D轉(zhuǎn)換的最大頻率有關(guān)；7、與控制算法的時(shí)間有關(guān)。4、控制規(guī)律的選擇 常規(guī)PID是一種比較理想的控制方式：通常： 11)(0TssG1)(TsesGso 對(duì)較大，負(fù)荷變化較大，控制要求較高_(dá)PID控制 負(fù)荷變化不大，工藝要求不高_(dá)P控制 負(fù)荷變化不大，工藝要求不高_(dá)PI控制abc二階以上系統(tǒng)且有純滯后,負(fù)荷變化較大，控制要求較高： 純滯后補(bǔ)償控制

9、反饋前綴串級(jí)d5.5.3 擴(kuò)充臨界比例度法選擇PID參數(shù) 步驟: （1) 選擇合適的采樣周期T，調(diào)節(jié)器作純比 例控制； （2）逐漸加大比例K，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界 振蕩。由臨界振蕩過(guò)程求得相應(yīng)的臨 界振蕩周期T，并記下臨界振蕩增益K。 （3）選擇控制度，控制度的定義是數(shù)字調(diào)節(jié) 器和模擬調(diào)節(jié)所對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的誤差 平方積分之比，即：ADdtedte0202minmin控制度TkT)(kTy（4）選擇控制度以后，按P165表5.2選擇采樣周期T，dipTTK和,（5）按照求得的整定參數(shù)，設(shè)數(shù)運(yùn)行，觀察檢測(cè)效果， 再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得比較滿意的控制效果。5.5.4 擴(kuò)充響應(yīng)曲線選擇PID參數(shù) P1

10、66 表 在數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定中也可以采用類似模擬調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線法，稱為擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。 該方法要在對(duì)象動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線上求出等效純滯后時(shí)間，等效慣性時(shí)間常數(shù)及其兩者的比例。其余步驟跟擴(kuò)充臨界比例度法一樣。5.5.5 PID歸一參數(shù)的整定法 對(duì)于數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的整定，就是要確定T，Kp，Ti和Td四個(gè)參數(shù)，為了減小在線整定參數(shù)的數(shù)目，根據(jù)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，人為假設(shè)約束的條件，以減小獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)。 )2()()()2()()21 ()()1()2()(2)()()()()(210TkTedTkTedkTedKTkTeTTTkTeTTkTeTTTTKTkTeTkTekTeTTkTeTTTkTekTeKkTupdddipdip微分時(shí)間常數(shù)積