控制系统计算机辅助设计
计算机辅助设计
③ 基于特征的设计 特征设计是用易于识别的、包含加工信息的几何单元(如孔、
槽，倒角等)来取代以往设计中所用的纯几何描述(如直线、圆 弧等)。
与传统的机械设计相比，CAD技术都有着巨大的优越性。
主要表现在： ① CAD可以提高设计质量。 ② CAD可以节省时间，提高生产率。 ③ CAD可以较大幅度地降低成本。 ④ CAD技术将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出
来，使其可以从事更多的创造性劳动。
（2）计算机辅助设计的研究热点及展望 CAD技术现今及将来会在以下几方面进行重点研究，并将
知识获取
专家系统部分
人机界面
知识库 模式性知识 数值分析法 规则性知识
自学习机
推理机
设计资料 数据库
逻辑推理 模式联想
分析计算
CAD部分
用户
图形交互 输入输出
绘图及文 件编写
动态 数据库
图1-6
由图1-6可知，一个智能CAD系统由以下几个部分组成： ① 知识获取，用来获取来自领域专家的知识；
② 知识库，用来存放各种知识，工作时与推理机交换信息； ③ 自学习机，在推理过程中进行学习，将得到的新知识不断充 实知识库，并删除知识库中过时的知识； ④ 人机界面，是用户与系统的接口； ⑤ 绘图和文件编写，从中间数据库获取结果数据，采用交互或 自动化的方式产生图样和设计文件； ⑥ 动态数据库，存放推理过程的中间结果、用户输入信息及最 终结果； ⑦ 推理机是整个系统的核心，其任务是将输入要求与知识库相 匹配，触发适用的规划，使有关结论得到执行。推理机要对各 组成部分实现控制，解决各结论之间的矛盾，对设计结束进行 评价和决策，最后得到最佳设计结果； ⑧ 分析计算部分，用各种程序进行计算和分析，给推理机提供 定量的评价和决策数据； ⑨ 设计资料数据库，存放大量的设计标准和参考资料，用来支 持分析计算、评价及决策过程。
控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用
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国际上出版了关于 MATLAB及 CACSD 的专著和教材，但它们大都是MATLAB的
入门教材，并没有真正深入、系统地探讨 CACSD 技术及 MATLAB实现，将MATLAB
的强大功能与控制领域成果有机结合是本 书力图解决的主要问题。
2020/4/12
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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除了经典的多变量频域方法之外，还出现了一些 基于最优化技术的控制方法，其中比较著名的是 英国学者 John Edmunds 提出的多变量参数最优化 控制方法和英国学者 Zakian 提出的不等式控制方 法等。
与此同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表 示与设计方法。此方法往往又称为时域方法 (timedomain)，首先在线性二次型指标下引入了最优控 制的概念，并在用户的干预下(如人工选择加权矩 阵)得出某种最优控制的效果，这样的控制又往往 需要引入状态反馈或状态观测器新的控制概念。
辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工 具箱、µ分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最 优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境
Simulink。
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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1.5 控制系统计算机辅助设计 领域的新方法
早期的 CACSD 研究侧重于对控制系统的计算机辅 助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能把 系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率响应 的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方法 设计一个控制器，然后利用仿真的方法去观察设 计的效果。
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
数控复习资料
数控复习资料第一章数控机床概述一、名词解释：1、NC：数字控制简称数控，在机床领域指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种自动化技术。
2、CNC：计算机数控，使用专用计算机通过控制程序来实现部分或全部基本控制功能，并能通过接口与各种输入/输出设备建立联系的一种自动化技术。
3、可编程控制器（PLC）：是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。
4、CAD：计算机辅助设计5、CAE：计算机辅助工程6、FMS：柔性制造系统7、FMC：柔性制造单元8、插补：指数据密化的过程，对输入数控系统的有限坐标点（例如起点、终点），计算机根据曲线的特征，运用一定的计算方法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，以满足加工精度的要求。
9、基准脉冲插补：又称脉冲增量插补或行程标量插补，适用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统。
其特点是每次插补结束后产生一个行程增量，以脉冲的方式输出到步进电动机，驱动坐标轴运动。
10、数据采样插补：又称数字增量插补或时间标量插补，适用于交、直流伺服电动机驱动的闭环（或半闭环）控制系统。
这类插补算法的特点是插补运算分两步进行。
首先为粗插补，第二步为精插补，即在粗插补的基础上再做数据点的密化。
11、逐点比较插补法：又称代数运算法、醉步法，它是一种最早的插补算法，其原理是：CNC系统在控制加工过程中，能逐点计算和判别刀具的运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给轴向给定轮廓方向靠近，使加工轮廓逼近给定轮廓曲线。
二、选择填空1、数控机床主要由机床本体、数控系统、驱动装置、辅助装置等几个部分组成。
2、数控系统是数控机床的控制核心。
3、机床数控系统是由加工指令程序、计算机控制装置、可编程逻辑控制器、主轴进给驱动装置、速度控制单元及位置检测装置等组成，其核心部分是计算机控制装置。
4、计算机控制装置由硬件和软件两部分组成。
硬件的主体是计算机，包括中央处理器、输入/输出部分和位置控制部分。
控制系统仿真 计算机辅助设计 matlab simulink 2010版PPT 100510基传递函数模型的控制系统设计-Bode图法
Bode图法基本要求为了获得比较高的开环增益及满意的相对稳定性，必须改变开环频率特性响应曲线的形状，这主要体现为：1）在低频区和中频区增益应该足够大，2）且中频区的对数幅频特性的斜率应为-20dB/dec，并有足够的带宽，以保证适当的相角裕度；3）而在高频区，要使增益尽可能地衰减下来，以便使高频噪声的影响达到最小。
Bode图设计方法的频域指标为。
K c ,,ωγ基本思路在Bode图中的对数频率特性的低频区表征了闭环系统的稳态特性，中频区表征了系统的相对稳定性和响应性，而高频区表征了系统的抗干扰特性。
在大多数实际情况中，校正问题实质上是在稳态精度和相对稳定性之间取折衷的问题。
05101520M a g n i t u d e (d B )10-11010110210310403060P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)串联超前校正描述：超前校正装置的主要作用是改变系统开环Bode 图中曲线的形状来产生足够大的超前相角，以补偿原系统中过大的相角滞后，从而提高系统的相对稳定性，致使闭环系统的频带扩宽。
设超前校正装置的传递函数为TsaTss G c ++=11)(1>a mm a φφsin 1sin 1−+=alg 10mφ串联超前校正Bode图的几何设计方法1．根据稳态指标要求确定未校正系统的型别和开环增益，并绘制Bode图；2．根据动态指标要求确定超前校正装置的参数；第一种情形：给出了的要求值（1）确定超前校正所应提供的最大超前相角（2）求解的值)20~5( ,)](180[0°°°=+′∠+−=εεωγφc m j G amm a φφsin 1sin 1−+=a j G m lg 10)(lg 200−=′ω（确定）m ωc ω)(0s G ′如果，说明值选择合理，能够满足相角裕度要求，否则按如下方法重新选择的值：c m ωω≈a a 2)(1c j G a ω′=a j G c lg 10)(lg 200−=′ω11sin 1+−=′−a a mφm mφφ≥′若，则正确，否则重新调整值。
名词解释 计算机辅助设计
名词解释计算机辅助设计
计算机辅助设计（Computer-Aided Design，CAD）是利用计算
机技术来辅助进行设计工作的过程。
它涵盖了广泛的领域，包括工程、建筑、制造业、航空航天等。
CAD系统允许设计师使用计算机
软件来创建、分析、修改和优化设计。
这些系统通常包括绘图工具、建模工具和分析工具，使设计师能够在虚拟环境中进行设计和测试，以便更快速、更准确地实现他们的设计理念。
CAD的优势包括提高设计效率、减少错误、方便修改和更新设计、提高设计质量、节约时间和成本等。
设计师可以使用CAD软件
创建精确的三维模型，进行虚拟装配和测试，以及进行性能分析和
优化。
这些功能使得CAD成为现代设计过程中不可或缺的工具。
CAD系统的发展经历了从二维设计到三维设计的转变，现在的CAD软件已经具备了强大的三维建模和仿真功能。
此外，随着虚拟
现实和增强现实技术的发展，CAD系统还可以与这些技术结合，为
设计师提供更直观、更沉浸式的设计体验。
总的来说，计算机辅助设计是利用计算机技术来辅助实现设计
过程的一种方法，它在现代工程和设计领域扮演着至关重要的角色，
为设计师提供了强大的工具和资源，以更高效、更精确地实现他们的设计目标。
《控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用第2版》薛定宇_课后习题答案
【17】
（1)z＝ｘy
＞>[x,y]=mesｈgrid(-3:0.01:3，-3：0.０1:３);
z=x.*y；
mesh(x,ｙ，z);
>> contoｕr3(x,ｙ,z,５0)；
(１)ｚ=sin（xｙ)
>> [x,y］=mesｈgrid(-3:０.01:3，-3:０.０1：3);
【２】
相应的ＭATＬAB命令:B=A(２：2:end,：）
>>Ａ=ｍagic(8)
A=
64２361６06７57
95５5412１3 51５01６
1７47４6 20２１43 42２4
40262737３6 30313３
3２３435 29２838 392５
41２32244４5１91８48
4９１514 5253 11 10 5６
【１0】
fｕｎcｔion y＝fｉb(ｋ)
if nargin~=1,ｅrror（＇出错：输入变量个数过多，输入变量个数只允许为１!')；ｅｎdﻭif narｇout＞１,ｅｒrｏr(＇出错：输出变量个数过多！'）;end
if k<=０,error('出错:输入序列应为正整数！＇）;endﻭiｆk==1|k＝=2,y＝１;ﻭｅｌsｅy=ｆib（k-１)＋fib(k-２);ｅnｄﻭeｎｄ
8５8 5954 62 6３1
＞＞Ｂ=Ａ(2:2:ｅnd，:)
B =
9５5 54１21３515０16
402６27３7 3６30３1３3
4１２3２24４4519１8 4８
858 5954 6２631
数字控制系统(科技术语)
3.复杂计算。计算机具有快速实现复杂计算的功能，因而可以实现系统的最优控制、自适应控制等高级控制 功能和多功能计算调节。
控制过程
控制过程
数字控制系统的控制过程可分为三部： 1.实时采集数据。对被控对象的被控参数进行实时检测，同时传送给计算机进行处理。 2.实时决策。对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按照某种控制算法计算出控制量，决定下一步的控 制过程。 3.实时控制。根据决策实时地向执行器发出控制信号。 “实时”是指信号的输入、计算、输出都要在采样间隔内完成。计算机控制系统的这种控制作用不断地重复， 使得整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且使整个控制系统达到所需要的性能指标；同时对被控 参数和设备本身所出现的异常状态能够进行监测和处理。
数字控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相 应软件组成。
1.计算机
计算机是数字控制系统的核心，通过接口可以向系统的各个部分发出各种控制指令，同时对被控对象的被控 参数进行实时检测和处理。其功能是完成程序存储、数值计算、逻辑判断、数据处理。
2.过程输入、输出通道
数字控制系统（科技术语）
科技术语
01 简介
03 组成 05 控制过程
目录
02 发展 04 主要作用 06 设计
基本信息
早期的数控系统是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用 的计算机代替而称为计算机数控系统，一般是采用专用计算机并配有接口电路，可实现多台数控设备动作的控制。 因此现在的数控一般都是CNC（计算机数控），很少再用NC这个概念了。
控制系统计算机辅助设计3篇
控制系统计算机辅助设计第一篇：控制系统计算机辅助设计的概述随着计算机技术的不断发展和普及，控制系统设计中的计算机辅助设计越来越受到重视。
它在控制系统设计中的作用主要包括以下几个方面：首先，计算机辅助设计能够提高控制系统设计的效率。
传统的控制系统设计需要手工计算和绘图，效率低下，容易出现错误。
而计算机辅助设计能够自动完成计算和绘图等繁琐的工作，大大提高了设计效率。
其次，计算机辅助设计能够提高控制系统的精度和稳定性。
计算机辅助设计采用数字化的方法进行计算和模拟分析，能够减少误差的产生，提高设计的精度和稳定性。
第三，计算机辅助设计能够提高控制系统设计的可靠性。
计算机辅助设计可以进行仿真模拟，可以在设计之前对控制系统进行全面的分析和测试，发现问题所在并进行调整，使得控制系统在实际运行中更加稳定可靠。
总之，计算机辅助设计在控制系统设计中起着至关重要的作用，能够提高设计效率、精度、稳定性和可靠性，对于现代工业的发展具有重要意义。
第二篇：控制系统计算机辅助设计的应用在现代工业制造中，控制系统计算机辅助设计已经得到了广泛的应用。
它在各个行业中的应用非常普遍，主要包括以下几个方面：首先，它应用于制造业。
在制造业中，控制系统计算机辅助设计可以帮助制造商更快地进行产品开发和生产，提高效率和降低成本。
此外，它还可以提高产品的可靠性和性能，提高产品的市场竞争力。
其次，它应用于航空航天业。
在航空航天业中，控制系统计算机辅助设计能够帮助工程师更好地设计和优化飞行器，提高飞行器的性能和安全性。
此外，它还可以对飞行器进行飞行模拟，提高操作员的技能和快速反应能力。
第三，它应用于医疗行业。
在医疗行业中，控制系统计算机辅助设计可以帮助医生更好地诊断和治疗疾病，提高治疗的效果和准确性。
此外，它还可以对医疗设备进行优化设计，提高医疗设备的安全性和可靠性。
总之，控制系统计算机辅助设计在各个行业中均得到了广泛的应用，并产生了显著的经济和社会效益。
控制系统计算机仿真(matlab)实验五实验报告
实验五 控制系统计算机辅助设计一、实验目的学习借助MATLAB 软件进行控制系统计算机辅助设计的基本方法，具体包括超前校正器的设计，滞后校正器的设计、滞后－超前校正器的设计方法。
二、实验学时：4 学时 三、实验原理1、PID 控制器的设计PID 控制器的数学模型如公式（5-1）、（5-2）所示，它的三个特征参数是比例系数、积分时间常数（或积分系数）、微分时间常数（或微分系数），因此PID 控制器的设计就是确定PID 控制器的三个参数：比例系数、积分时间常数、微分时间常数。
Ziegler （齐格勒）和Nichols （尼克尔斯）于1942提出了PID 参数的经验整定公式。
其适用对象为带纯延迟的一节惯性环节，即：s e Ts Ks G τ-+=1)( 5-1式中，K 为比例系数、T 为惯性时间常数、τ为纯延迟时间常数。
在实际的工业过程中，大多数被控对象数学模型可近似为式（5-1）所示的带纯延迟的一阶惯性环节。
在获得被控对象的近似数学模型后，可通过时域或频域数据，根据表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式计算PID 参数。
表控制器的参数。
假定某被控对象的单位阶跃响应如图5-4所示。
如果单位阶跃响应曲线看起来近似一条S 形曲线，则可用Ziegler-Nichols 经验整定公式，否则，该公式不适用。
由S 形曲线可获取被控对象数学模型（如公式5-1所示）的比例系数K 、时间常数T 、纯延迟时间τ。
通过表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式进行整定。
如果被控对象不含有纯延迟环节，就不能够通过Ziegler-Nichols 时域整定公式进行PID 参数的整定，此时可求取被控对象的频域响应数据，通过表5-1 所示的Ziegler-Nichols 频域整定公式设计PID 参数。
如果被控对象含有纯延迟环节，可通过pade 命令将纯延迟环节近似为一个四阶传递函数模型，然后求取被控对象的频域响应数据，应用表5-1求取PID 控制器的参数。
简 述 题
简述题1.机电一体化技术或产品的定义。
在机械的主功能动力功能信息功能控制功能基础上引入微电子技术电子装置用相关软件有机的结合所构成的系统的总称。
2.机电一体化系统或产品设计的目的是什么主要目的增加机械系统或产品的附加值和自动化程度。
3.机电一体化系统产品的主要构成单元或组成部分有哪些机械系统电子信息处理系统动力系统传感系统执行控制系统4、简述机电一体化系统或产品的机电结合融合设计方法。
机电结合设计方法是将个组成要素有机的结合为一体而构成专用或通用的之间机电参数的有机匹配比较充分5、简述机电一体化系统产品的机电组合设计方法特点是什么。
机电一体化系统的机电组合设计方法是将用结合法制成的功能部件功能模块像积木那样组合成各种机电一体化系统特点是可以缩短设计与研制周期节约工装设备费用且有利于生产管理使用和维修。
6.机械传动系统在机电一体化系统产品中的基本功能和作用是什么机械传动系统在机电一体化系统中的基本功能是传递力/转矩和速度/转速。
实质上是一种转矩转速变换器。
作用是使执行原件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配7.简答机电一体化机械传动的主要功能目的基本要求。
功能传递力/转矩和速度/转速目的使执行元件与负载之间在转矩和转速方面达到合理的匹配。
基本要求转动间隙小精度高体积小重量轻运动平稳传动转矩大。
8.机电一体化系统产品的机械部分与一般机械系统相比应具备哪些特殊要求1.较高的定位精度。
2.良好的动态响应特性响应快稳定性好收敛时间合理。
3。
无间隙低摩擦低惯量大刚度。
4。
高的消振频率合理的阻尼比9.简述滚珠丝杠传动装置的组成结构和应用特点。
滚珠丝杠传动装置的组成由带螺旋槽的丝杆螺母滚动元件回珠装置组成。
结构丝杆轻动时带动滚珠螺纹滚道滚动为阻止滚珠从滚道端面掉出在螺母的螺旋槽两端没有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道从而形成滚珠滚动的闭合通路。
应用特点阻尼小传动效率高合理的结构设计适应大刚度传递可实现无间隙工作不能自锁10.试分析齿轮传动中定轴传动、行星传动、谐波传动的组成与传动特点。
补充三：控制系统计算机辅助设计
6.2 串联超前校正器设计
利用超前网络进行串联校正的基本原理，是 利用超前网络的相角超前特性 相角超前特性。根据超前网 相角超前特性 络的频率特性，将其产生最大相角 最大相角的交接频 最大相角 率选择待校正系统的截止频率的两旁，并适 当选择参数就可以使校正系统的截止频率和 相角裕度满足设计要求，从而改善闭环系统 的动态性能。
示意图如下
求校正后系统剪切频率，可以采用MATLAB中的插值函数 yi=spline(x,y,xi)来计算。Spline函数基本用法是：在 yi=spline(x,y,xi)中，y与x是满足某函数关系y＝f（x）的对 应向量，即x＝[x1,x2,……xn]，y＝[y1,y2,……yn]。现已 知xi为区间[x1,xn]中某数值，利用函数yi=spline(x,y,xi)可 xi [x1,xn] yi=spline(x,y,xi) 求得对应xi的y值yi。
%PI控制器 PIKp=0.4*Gm; %频率响应整定法计算PI控制器 PITi=0.8*Tc; PIGc=PIKp*(1+1/(PITi*s)); sys2=feedback(PIGc*G,1,-1); step(sys2,'b:'),hold on %绘制闭环阶跃响应曲线 gtext('PI'),pause %PID控制器 PIDKp=0.6*Gm; %频率响应整定法计算PID控制器 PIDTi=0.5*Tc; PIDTd=0.12*Tc; PIDGc=PIDKp*(1+1/(PIDTi*s)+PIDTd*s);%/((PIDTd/10)*s+1) sys3=feedback(PIDGc*G,1,-1) step(sys3,'g--'),hold on %绘制闭环阶跃响应曲线，线形为绿色虚线 gtext('PID') title('P、PI、PID控制单位阶跃响应') xlabel('时间'),ylabel('幅值') 由上述命令可得P、PI、PID控制器作用下，系统的阶跃响应曲线如下图所示。
控制系统计算机辅助设计
控制系统计算机辅助设计1. 前言控制系统计算机辅助设计是控制工程中一项重要的技术，它采用计算机辅助手段辅助进行系统设计、分析和优化。
通过使用现代的计算机辅助设计工具，可以提高控制系统设计的效率和准确性。
本文将介绍控制系统计算机辅助设计的概念、方法和应用。
2. 概述控制系统计算机辅助设计是利用计算机辅助工具进行控制系统设计的过程。
传统的控制系统设计需要手工进行一系列的计算和分析，这样不仅效率低下，而且容易出现错误。
而采用计算机辅助设计工具可以将这些繁琐的计算和分析过程自动化，大大提高了设计的效率和准确性。
控制系统计算机辅助设计主要包括以下几个方面：•系统建模和仿真：使用计算机辅助工具对控制系统进行建模和仿真，以验证系统的性能和稳定性。
•控制器设计和优化：通过计算机辅助工具对控制器进行设计和优化，以满足系统的性能要求。
•系统分析和评估：利用计算机辅助工具对控制系统进行分析和评估，以改进系统的性能和稳定性。
•系统集成和调试：利用计算机辅助工具对控制系统进行集成和调试，以确保系统的正常运行。
3. 方法控制系统计算机辅助设计可以采用多种方法和工具，下面介绍一些常用的方法。
3.1 系统建模和仿真在控制系统设计的初期阶段，需要对待设计的系统进行建模和仿真。
常用的系统建模方法包括传递函数法、状态空间法等。
而系统仿真则是利用计算机辅助工具对系统进行数值模拟，以验证系统的性能和稳定性。
3.2 控制器设计和优化在控制系统的设计过程中，控制器的设计是一个关键环节。
通过使用计算机辅助工具，可以对控制器进行设计和优化。
常见的控制器设计方法包括PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等。
3.3 系统分析和评估设计好的控制系统需要经过系统分析和评估的过程，以评估系统的性能和稳定性，进而进行改进和优化。
计算机辅助工具可以帮助工程师进行系统分析和评估，并提供相关的指标和报告。
3.4 系统集成和调试在控制系统的最后阶段，需要进行系统的集成和调试。
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6.4 最优控制器设计
6.4.1 最优控制的概念
在一定的具体条件下，要完成某个控制任务，使 得选定指标最小或增大的控制. 积分型误差指标、时间最短指标、能量最省指标等
匹配指标
为最小
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提出了下面的设计算法
其中
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【例6-2】受控对象模型为
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6.1.3 控制系统工具箱中的设计界面
控制器设计界面
界面允许选择和修改控制器的结构，允许添 加零极点，调整增益，从而设计出控制器模型。
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离散 PID 控制器
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离散形式的 PID 控制器
Z 变换得到的离散 PID 控制器的传递函数
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PID 控制器的变形
积分分离式 PID 控制器 在启动过程中，如果静态误差很大时，可以关闭积 分部分的作用，稳态误差很小时再开启积分作用， 消除静态误差
基于传递函数的辨识方法
调用编写的 MATLAB 函数 getfolpd( ) , key=3
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最优降阶方法
调用编写的 MATLAB 函数 getfolpd( ) , key=4
【例6-9】
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6.3.3 Ziegler-Nichols 参数整定方法
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PI 控制器
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PID 控制器
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【例6-11】
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改进 PID 控制结构与算法
微分动作在反馈回路的 PID 控制器
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精调的 Ziegler-Nichols 控制器及算法
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不稳定 FOLPD 模型的 PID 控制器参数整定函数
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6.3.6 基于 FOLPD 的 PID 控制器 设计程序
在 MATLAB 提示符下输入 pid_tuner 。 单击 Plant model 按钮，打开一个允许用户输入受 控对象模型参数的对话框。
用自编的 MATLAB 函数设计精调的 Ziegler-Nichols PID 控制器
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改进的 PID 结构
一种 PID 控制器结构及整定算法的控制器模型为:
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6.3.4 最优 PID 整定算法
• 最优化指标
时间加权的指标
IAE 和 ITAE 指标
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离散增量式 PID 控制器
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抗积分饱和 (anti-windup) PID 控制器
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6.3.2 过程系统的一阶延迟模型近似
带有时间延迟一阶模型 delay，
(first-order
lag
plus
FOLPD) 一阶延迟模型 (FOLPD) 的数学表示为
PD 控制器的设计算法
PID 控制器的整定算法
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编写设计控制器的 MATLAB 函数
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【例6-14】
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不稳定 FOLPD 模型的 PID 参数整定
设计的PID 控制器
若使 ISE 指标最小,则 若使 ITSE 指标最小,则 若使 ISTSE 指标最小，则
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离散系统二次型性能指标 离散 Riccati 代数方程 这时控制律为
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【例6-4】
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6.2.3 极点配置控制器设计
系统的状态方程为
则系统的闭环状态方程为
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Bass-Gura 算法
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的特征值配置
到任意地方。
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6.2.2 线性二次型指标最优调节器
假设线性时不变系统的状态方程模型为
设计一个输入量 ,使得最优控制性能指标
最小
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则控制信号应该为 由简化的 Riccati 微分方程
求出
假设
，其中
，则
可以得出在状态反馈下的闭环系统的状态方程为
依照给定加权矩阵设计的 LQ 最优控制器
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【例6-3】受控对象和控制器的传递函数模型分别为
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6.2 基于状态空间模型的 控制器设计方法
6.2.1 状态反馈控制
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将
代入开环系统的状态方
程模型，则在状态反馈矩阵 下，系统的闭环状
态方程模型可以写成
如果系统
完全可控，则选择合适的 矩
阵，可以将闭环系统矩阵
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自动生成目标函数的 MATLAB ：
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【例6-19】用 OCD 同时设计串级控制器
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Simulink 仿真模型
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【例6-20】对模型 则设计最优控制器。
采用 ISE 准
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6.4.3 最优控制程序的其他应用
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基于此算法编写的 MATLAB 函数
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Ackermann 算法 其中 为将 代入 得出的矩阵多项式的值 鲁棒极点配置算法
place( ) 函数不适用于含有多重期望极点的问题 acker( ) 函数可以求解配置多重极点的问题
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【例6-5】
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【例6-21】对模型
采用 ITAE 准
则，用 OCD 来进行最优降阶研究。
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6.5 多变量系统的频域 设计方法
逆 Nyquist 阵列方法 特征轨迹法 (characteristic locus method) 反标架坐标法 (reversed-frame normalisation，RFN) 序贯回路闭合方法 (sequential loop closing) 参数最优化方法 (parameters optimisation method)
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庄敏霞与 Atherton 教授提出了基于时间加权指标 的最优控制 PID 控制器参数整定经验公式
适用范围
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，不适合于大时间延迟系统
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Murrill 提出了使得 IAE 准则最小的 PID 控制器算法
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对 ITAE 指标进行最优化，得出的 PID 控制器 设计经验公式
Ziegler-Nichols 经验公式
编写 MATLAB 函数 ziegler( )
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【例6-10】
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改进的 Ziegler-Nichols 算法
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初始点 A 增益 期望点 A1 增益 PID 控制器
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【例6-1】
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超前滞后校正器 超前校正器
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基于模型匹配算法的设计方法
假设受控对象的传递函数为
，
期望闭环系统的频域响应为
，
超前滞后校正器的一般形式为
使得在频率段
内闭环模型对期望闭环模型
在
范围内设计的 ITAE 最优 PID
控制器的经验公式
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【例6-13】
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6.3.5 其他模型的 PID 控制器参数 整定算法
IPD 模型的 PD 和 PID 参数整定
(integrator plus delay)
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【例6-6】
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6.2.4 观测器设计及基于观测器的 调节器设计
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【例6-7】
2带有观测器的状态反馈控制结构图
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各种指标下的 PD 和 PID 参数整定公式
若选择 ISE 指标,则 若选择 ITSE 指标,则 若选择 ISTSE 指标,则
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编写设计控制器的 MATLAB 函数
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FOLIPD 模型的 PD 和 PID 参数整定
(first order lag and integrator plus delay)