第4章常规及复杂控制技术

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1、计算机控制技术计算机控制技术Computer Controlled System 第四章常规及复杂控制技术第四章第四章 常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术4.1 数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计技术4.2 数字控制器的离散化设计技术数字控制器的离散化设计技术4.3 纯滞后控制技术纯滞后控制技术4.4 串级控制技术串级控制技术4.5 前馈反馈控制技术前馈反馈控制技术4.6 解耦控制技术解耦控制技术4.7 模糊控制技术模糊控制技术 第四章常规及复杂控制技术数字控制器的设计方法按设计特点分为三大类：数字控制器的设计方法按设计特点分为三大类：1、模拟化设计方法、模拟化设计方法 先设计

2、校正装置的传递函数先设计校正装置的传递函数D(s)，然后采用某种，然后采用某种离散化方法，将它变成计算机算法。离散化方法，将它变成计算机算法。2、离散化设计方法、离散化设计方法 已知被控对象的传递函数或特性已知被控对象的传递函数或特性G(Z)，根据所要，根据所要求的性能指标，设计数字控制器求的性能指标，设计数字控制器D(z) 。3、状态空间设计法、状态空间设计法 基于现代控制理论，利用离散状态空间表达式，基于现代控制理论，利用离散状态空间表达式，根据性能指标要求，设计数字控制器。能处理多输入根据性能指标要求，设计数字控制器。能处理多输入-多输出系统。多输出系统。 第四章常规及复杂控制技术4.1

3、 数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计技术返返 回回4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤4.1.2 数字数字PID控制器的设计控制器的设计4.1.3 数字数字PID控制器的改进控制器的改进4.1.4 数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定 第四章常规及复杂控制技术4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤 工程上多数情况下被控对象是连续的。这样组成的计工程上多数情况下被控对象是连续的。这样组成的计算机系统人们称之为算机系统人们称之为“混合系统混合系统”，习惯上也常称为，习惯上也常称为“离离散系统散系统”。如图。如图4.1所示

4、。所示。被控对象被控对象：其输入输出均为模拟量，是系统的连续部分。：其输入输出均为模拟量，是系统的连续部分。数字控制器数字控制器:可以是计算机，工业控制机或数字控制器等。可以是计算机，工业控制机或数字控制器等。 连续化设计方法的假设是认为连续化设计方法的假设是认为采样频率足够高（相对于采样频率足够高（相对于系统的工作频率），以至于采样保持所引进的附加误差可系统的工作频率），以至于采样保持所引进的附加误差可以忽略，则系统可以用连续系统来代替。以忽略，则系统可以用连续系统来代替。 第四章常规及复杂控制技术D(Z)数字调节器数字调节器Gp(S)被控对象（过程）传递函数被控对象（过程）传递函数图图4.

5、1 计算机控制系统典型结构图计算机控制系统典型结构图 第四章常规及复杂控制技术一、模拟化设计的过程一、模拟化设计的过程 1、数字系统模拟化、数字系统模拟化 问题：根据给定的系统性能指标和已知的对象问题：根据给定的系统性能指标和已知的对象G(s)来设计出模拟控制器来设计出模拟控制器D(s), 再离散化为数字控再离散化为数字控制器制器D(z) 。（1）等效的等效的模拟化结构图模拟化结构图如图如图4.2所示。所示。 第四章常规及复杂控制技术图图4.2 数字系统模拟化结构图数字系统模拟化结构图 D(z)计算机调节模型；计算机调节模型；H(s)零阶保持器，零阶保持器，G(s)被被控的连续对象；控的连续对

6、象；D(s) 等效的等效的模拟调节器。模拟调节器。 第四章常规及复杂控制技术（2）模拟化的目的）模拟化的目的 把混合计算机控制系统转化为等效的模拟控制系统，以便把混合计算机控制系统转化为等效的模拟控制系统，以便按照模拟系统的设计方法，设计调节器按照模拟系统的设计方法，设计调节器D(s）。）。（3）模拟化的条件）模拟化的条件用数字控制器近似连续控制器，用数字控制器近似连续控制器，采样周期足够短。采样周期足够短。22)21(2)(111)(TSSTTeTSTSSTSTSeSH 零阶保持器：零阶保持器：结论：可用半个采样周期的时间滞后环节近似。结论：可用半个采样周期的时间滞后环节近似。频率频率是连续

7、控制系统的剪切是连续控制系统的剪切ccT ,1)5 . 015. 0( 连续化设计的关键：连续化设计的关键：模拟控制器的离散化模拟控制器的离散化 第四章常规及复杂控制技术2、模拟化设计过程、模拟化设计过程第一步：用连续系统的理论确定控制器第一步：用连续系统的理论确定控制器D(s)；第二步：选择采样周期第二步：选择采样周期TCT 1)5 . 015. 0( C ：为连续系统剪切频率：为连续系统剪切频率第三步：用合适的离散化方法由第三步：用合适的离散化方法由D(s)求出求出D(z) ；第四步：将第四步：将D(z)变为差分方程或状态空间表达式形式，并编变为差分方程或状态空间表达式形式，并编制计算机程

8、序制计算机程序;第五步：检查系统性能是否符合设计要求；用混合仿真的方第五步：检查系统性能是否符合设计要求；用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编制是否正确。法检查系统的设计与程序编制是否正确。 第四章常规及复杂控制技术若不符合要求则需改进设计，从以下几方面：若不符合要求则需改进设计，从以下几方面： 重选合适的离散化设计方法；重选合适的离散化设计方法； 提高采样频率；提高采样频率； 修正修正D(s)的设计；的设计； 利用计算机运算速度快，逻辑判断能力强的优势，对利用计算机运算速度快，逻辑判断能力强的优势，对控制算法作改进。控制算法作改进。3、分析、分析 不是按真实情况不是按真实情况(即采样系统即

9、采样系统)来设计的，而是按模拟系来设计的，而是按模拟系统设计的。因此称为间接方法。缺点：当统设计的。因此称为间接方法。缺点：当T较大时，系统较大时，系统实际达到的性能往往比预期的设计指标差。因此对实际达到的性能往往比预期的设计指标差。因此对T有严有严格的限制。当对象是慢过程时，可得到满意的结果。格的限制。当对象是慢过程时，可得到满意的结果。 第四章常规及复杂控制技术二、模拟调节器离散化的方法二、模拟调节器离散化的方法 （离散化前后的频谱特性尽量接近）（离散化前后的频谱特性尽量接近）双线性变换法；前向差分法；后向差分法双线性变换法；前向差分法；后向差分法；阶跃响应不变；阶跃响应不变法；脉冲响应不

10、变法；零极点匹配映射法等。法；脉冲响应不变法；零极点匹配映射法等。1、双线性变换法、双线性变换法 梯形积分法或梯形积分法或Tustin变换法，是基于梯形积分变换法，是基于梯形积分规则的数值积分法。规则的数值积分法。推导推导1：级数展开：级数展开z=esT, T很小。很小。 112 zzTs 第四章常规及复杂控制技术推导推导2：梯形法数值积分：梯形法数值积分 积分控制器积分控制器用梯形法求积分运算用梯形法求积分运算两边求两边求z变换变换 第四章常规及复杂控制技术112)()( ZZTssDzD 第四章常规及复杂控制技术双线性变换的特点：双线性变换的特点：(1) 应用方便。可用计算机算出应用方便。

11、可用计算机算出D(z)的系数。的系数。(2) 双线性变换不会引起高频混迭现象。双线性变换不会引起高频混迭现象。(3) 如果如果D(s)稳定，则稳定，则D(z)亦稳定。（亦稳定。（S平面的左半平面平面的左半平面映射为映射为Z平面的单位圆内部）平面的单位圆内部）(4) 它不能保持它不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应，高频段有的脉冲响应和频率响应，高频段有较严重的畸变。但低频特性保存完好。当较严重的畸变。但低频特性保存完好。当T较小时，较小时，具有较好的近似程度。具有较好的近似程度。除在计算机控制系统设计中有广泛应用外，还可除在计算机控制系统设计中有广泛应用外，还可用于快速数字仿真及数字滤波器设计