第六章 控制算法
某航模飞行控制系统的设计与实现
某航模飞行控制系统的设计与实现第一章：绪论航模是模拟真实飞行器的模型飞机，也是一个充满挑战和创意的领域。
为了使航模更加具有真实感和可控性，需要开发飞行控制系统（FCS）。
FCS是一个复杂的系统，它需要在不同机动状态下精确地测量和控制飞行器。
本文将介绍某航模飞行控制系统的设计和实现。
第二章：系统架构FCS通常包括传感器、执行器和中央处理器（CPU）三个主要组成部分。
传感器测量飞机的状态，执行器控制飞机的运动，CPU负责处理和实时控制系统。
在FCS中，传感器和执行器分别连接到CPU，通过特定的通讯协议实现数据的传输和控制指令的接收和发送。
第三章：传感器选择和集成传感器是FCS中非常关键的部分。
正确选择传感器，可以有效地提高系统的性能和稳定性。
根据需要测量的参数，我们选择了加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计四种传感器。
其中，加速度计和陀螺仪用于测量加速度和角速度，磁力计用于测量磁场，气压计用于测量高度。
这四种传感器可以提供航模的完整状态信息。
为了将传感器集成到系统中，我们需要编写驱动程序和读取数据的程序。
此外，还需要校准传感器来减少误差，并使用滤波算法对原始数据进行滤波。
第四章：执行器选择和集成执行器常常包括电动机和伺服机构。
电动机用于推动螺旋桨或航模本身的运动，伺服机构用于控制舵面或螺旋桨角度。
在此系统中，我们使用了两个电动机和4个舵机。
为了控制它们，我们需要执行程序来编写PWM信号，以便将数据发送到执行器，根据输入的控制指令随时控制动作的力度和方向。
第五章：控制算法设计控制算法是FCS的核心部分，它必须在实时和复杂的环境下预测飞机的行为和执行控制指令。
我们使用了传统的PID算法来控制姿态和控制算法来控制位置。
这些算法需要在不同的操作模式下进行参数调整，以确保系统在各个操作模式下都具有较高的稳定性和控制性能。
第六章：系统实现在系统开发过程中，我们使用C语言和汇编语言编写了数据接口、数据存储、驱动程序和控制算法程序，并使用Keil C网络生成了可执行文件。
6.2.1第六章PID反馈控制器设计
掌握PID控制律的意义及与控制性能的 关系
了解PID控制律的选取原则 掌握单回路PID控制器的参数整定方法 了解“防积分饱和”与“无扰动切换” 了解PID参数的有充分理解的三方面 的原因
导致PID控制算法至今仍得到成功应用的原 因是其具有许多优良特征
用主要适合于容量滞后较大的广义对象，如温 度、成份等。
微分作用对控制性能的影响
实际的比例积分微分控制器
Gc
(s)
Kc
1
1 Ti s
Td s 1 AdTd s 1
其中Ad 为微分增益
SimuLink 结构:
工业PID控制器的选择
被控参数 控制器 备注 温度/成分 PID *1 流量/压力 PI 液位/料位 P
好是u−u0与e成比例的偏差范围，
，因此比例度δ又常称为比例带PB
比例控制器
u(t) Kce(t) u0
1 100%
Kc
比例控制
图6-1a所示为理想比例控制器的输出特性, 它对于控制器的输出没有物理限制
实际的控制器是具有物理限制的,当输出达
到上限umax或下限umin,控制阀就饱和了,如
控制器参数整定的方法很多，主要有两大类， 一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。
理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控 制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。 这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时 与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得 到推广和应用。
工程整定法是在已经投运的实际控制系统中， 通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种 方法是工艺技术人员在现场经常使用的。
对象的近似模型：
y(s) K e s u(s) Ts 1
第6章(Fuzzy控制)
第六章 模糊控制算法§6.1 §6.2 §6.3 §6.4 §6.5 §6.6 §6.7 模糊数学基础知识 模糊控制概述 精确量的Fuzzy化 模糊控制算法的设计 输出信息的Fuzzy判决 Fuzzy控制器查询表的建立 Fuzzy控制器实例1§6.1 模糊数学基础知识6.1.1 普通集合及其运算规则 6.1.2 Fuzzy集合 6.1.3 Fuzzy关系矩阵的运算26.1.1 普通集合及其运算规则：1.基本概念：UAB①论域：指在考虑一个具体问题时，先将议题局限在 一定范围内，这个范围称为论域，常用U表示； ②元素： 指论域中的每个对象，常用小写字母 a、b、c表示； ③ 集合：指对于一个给定论域，其中具有某种相同 属性的、确定的、可以彼此区别的元素的 全体，常用A、B、C、X、Y、Z等表示。
例：论域为U = { 1,2,3,4,5,6 } 偶数集合A = { 2,4,6 }，奇数集合B = { 1,3,5 }32.普通集合的表示法：① 列举法（枚举法）：当集合的元素数目有限时，可将其中的元素一 一列出，并用大括号括起，以表示集合。
例：论域为U = { 1,2,3,4,5,6 }，则用列举法表示 偶数集合A = { 2,4,6 }，奇数集合B = { 1,3,5 }② 描述法（定义法）：当集合的元素数目无限时，可通过元素的定义来 描述 , 即A={x | p(x)}, 其中x为集合A的元素(x∈A)， p(x)是x应满足的条件。
例：A = {x | 25 ≤ x ≤ 50 } ，U ＝{ x |x≥ 0的实数 }4③ 特征函数法：由于元素a与集合A的关系只能有a∈A和a∈A 两种情况，故集合A可以通过函数 1， a∈A CA(a)= 来表示。
0， a∈A CA(a)称为集合A的特征函数，它只能取0，1两个值。
自动控制6第六章控制系统的综合与校正
复合校正
同时采用串联校正和反馈校正的方法，对系 统进行综合校正，以获得更好的性能。
数字校正
利用数字技术对控制系统进行校正，具有灵 活性和高精度等优点。
02 控制系统性能指标及评价
控制系统性能指标概述
稳定性
准确性
系统受到扰动后，能否恢复到原来的 平衡状态或达到新的平衡状态的能力。
系统稳态误差的大小，反映了系统的 控制精度。
针对生产线上的各种工 艺要求，设计相应的控 制策略，如顺序控制、 过程控制等。
系统校正方法
根据生产效率和产品质 量要求，采用适当的校 正方法，如PID参数整定、 自适应控制等。
仿真与实验验证
通过仿真和实验手段， 验证综合与校正后的工 业自动化生产线控制系 统的稳定性和效率。
控制系统综合与校正的注
06 意事项与常见问题解决方 案
仿真与实验验证
通过仿真和实验手段，验证综合与校正后 的导弹制导控制系统的精确性和可靠性。
系统校正方法
针对导弹制导控制系统的性能要求，采用 适当的校正方法，如串联校正、反馈校正 等。
实例三
01
02
03
04
控制系统结构
分析工业自动化生产线 控制系统的组成结构， 包括传感器、执行机构、 PLC等部分。
控制策略设计
考虑多变量解耦控制
对于多变量控制系统，可以考虑采 用解耦控制策略，降低各变量之间 的相互影响，提高系统控制精度。
加强系统鲁棒性设计
考虑系统不确定性因素，加强 系统鲁棒性设计，提高系统对 各种干扰和变化的适应能力。
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控制系统综合与校正的注意事项
明确系统性能指标
计算机控制技术陈国定第六章课后答案
计算机控制技术陈国定第六章课后答案
应用程序基本分类为：
①过程监视程序；
②数据处理程序；
③控制算法及执行机构控制程序；
④故障自诊断程序。
第一节
测量数据预处理
一、线性化处理程序设计
三种线性化的处理方法：
计算法
查表法
折线法
1．计算法
若测量数据与转换的电信号有明确的数学表达式，且该表达式又便于计算，则可利用计算机强大的计算功能将该表达式转换为线性关系后再进行计算。
对于开平方的非线性关系，常用牛顿迭代公式进行线性化处理。
2．查表法
所谓查表法，就是预先编制一张表格，把有非线性关系的两个参数按一定顺序置于表内，然后通过查表程序根据被测参数的值最终查出所需的结果。
3．折线法(局部线性化法)
在实际工作中，除了上述非线性参数关系可以用数学式表达或有序表格表示的情况外，还有许多参数的非线性规律只能通过一条曲线来表示对于这种场合常用折线法及非线性插值逼近法来解决。
机械控制工程基础第六章节资料
0.24 1 0.23s 83.4 1 0.055s s(1 0.5s)
20(1 0.23s) s(1 0.5s)(1 0.055s)
增大相位裕度，增大带宽， 加快响应速度
制作：华中科技大学
熊良才、吴波、陈良才
三、串联校正
2. 相位滞后校正——使某频段的相位滞后
第六章 系统的性能与校正
一、系统的性能指标
1. 时域性能指标
瞬态性能指标
延迟时间td ；上升时间tr ； 峰值时间tP ；最大超调量MP ；
调整时间tS (或过渡过程时间)
稳态性能指标 （稳态误差）
2. 频域性能指标
相位裕度 ；增益(或幅值)裕度Kg ； 复现频率m及复现带宽0～m ； 谐振频率r及谐振峰值Mr ； 截止频率b及截止带宽(简称带宽)0～b 。
① 原系统（P=0） ————不稳定
② 减小K ———稳定，但对稳态性能不利
③ 加入新环节（改变系统的频率特性曲线） ————稳定，但不改变稳态性能
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
二、系统的校正
1. 校正的概念
① 原系统（P=0） ————稳定，但相位裕度小，调整时间长 减小K，不改变相位裕度
dB
增大K
传递函数：Gc (s)
(Ts 1)
(Ts 1)
1
－0° －90° －180°
ω
相位滞后校正原理在于保持低频
增益不变，而使高频增益下降。
而不在于相位滞后效应。
制作：华中科技大学 熊良才、吴波、陈良才
三、串联校正 2. 相位滞后校正——使某频段的相位滞后
增大K增益（减小稳态 误差）的同时保证稳定 性和快速性
第六章 预测控制(Predictive Control)讲解
沿着一条事先规
k k 1
kP t T
定的曲线逐渐到 达设定值 ，这
参考轨迹与最优化
条指w定的曲线称
通常参考轨迹采用从现在时
为参考轨迹 。 刻实际输出值出发的一阶指数函
y r
数形式。
参考轨迹在以后各时刻的值为
y (k j) y(k) [w y(k)][1 exp( jT T )] j 1 , 2 , , P
第六章 预测控制（Predictive Control）
6.1 预测控制的产生
1.现代控制理论的基础是精确的数学模型； 工业过程中的对象其数学模型难以建立
2.工业对象的结构、参数等都具有很大的不确定性； 基于理想模型的最优控制实际无法达到最优
3.工业控制中必须考虑控制手段的经济性， 对工业控制计算机要求不能太高 开始打破传统方法的约束，寻求各种对模型要求低、
模型算法控制（MAC）和动态矩阵控制（DMC） 采用有限脉冲响应模型和有限阶跃响应模型作为 预测模型。 2. 基于ARMA或CARIMA等输入输出参数化模型的预 测控制算法。 来自于经典的自适应控制，融合了自校正控制和预 测控制的优点，GPC。 3. 滚动时域控制（RHC）。 来源于LQ或LQC。
6.3 模型算法控制 (MAC ) 1. 预测模型
设计中， 是一个很重要的参数，它对闭环系统的性
能起重要的作用。
3.最优控制律计算
最优控制的目的是求出控制作用序列，使得优 化时域内的输出预测值尽可能地接近参考轨迹。
最优控制律由所选用的性能指标来确定，通常选
用输出预测误差和控制量加权的二次型性能指标:
P
min
J
(k)
q i
[
新能源汽车动力系统的设计与研发
新能源汽车动力系统的设计与研发第一章概述随着环保意识的增强和能源危机的加剧，新能源汽车越来越受到人们的关注。
而新能源汽车的核心技术之一就是动力系统。
新能源汽车动力系统与传统汽车动力系统有很大的不同。
其主要来源于电池，而不是燃油，因此需要设计和研发出一种新的动力系统来满足新能源汽车的需要。
本文将从设计需求、电动机选择、电池管理系统、控制算法和性能优化几个方面进行详细介绍，为新能源汽车动力系统的设计和研发提供一些有益的指导。
第二章设计需求在新能源汽车动力系统的设计过程中，首先需要确定设计需求。
设计需求将直接影响到后续技术方案的选择和实施，因此必须慎重考虑。
基本上，新能源汽车动力系统的设计需求应包括如下几个方面：2.1 能量密度由于新能源汽车的动力来源于电池，因此电池的能量密度是设计需求之一。
能量密度越高，电池可以储存的电能就越多，从而可以提供更长的续航里程。
因此，在新能源汽车动力系统设计中，必须要考虑如何提高电池的能量密度。
2.2 电机功率电机的功率可以决定新能源汽车的加速性能以及最高车速。
因此，在设计新能源汽车动力系统时，必须考虑如何提高电机的功率。
同时，为了保证轮胎的抓地力，电动机的输出转矩也很重要。
2.3 整车重量新能源汽车的电池组重量相对于传统汽车的油箱和发动机要更重，因此在设计新能源汽车动力系统时应该考虑整车重量，并尽量控制在合理范围内，以确保车辆的安全性和可行性。
2.4 储能系统充电时间和使用寿命电池的充电时间和使用寿命是新能源汽车使用成本的重要因素。
因此，在设计新能源汽车动力系统时需考虑如何降低电池的充电时间，并增加电池的使用寿命，以达到提升整车使用体验和减少使用成本的目的。
第三章电动机选择3.1 电动机种类在新能源汽车动力系统设计中，主要采用的电动机类型为交流异步电机、永磁同步电机及开关磁阻电机等。
其中，永磁同步电机的功率密度更高，因此在动力系统设计中经常被选用。
3.2 电动机参数电动机参数对整个动力系统的性能有很大的影响，因此在电动机的选择和设计中需要考虑很多参数，包括额定功率、转速范围、输出转矩、效率、可靠性等。
电气控制与PLC应用-电气控制实训教案
电气控制与PLC应用-电气控制实训教案第一章：电气控制基础1.1 电气控制概述了解电气控制系统的概念、组成和分类掌握电气控制的基本环节和设计方法1.2 低压电器熟悉常见低压电器的结构、原理和应用学会选择和使用低压电器1.3 继电器-接触器控制系统掌握继电器-接触器控制电路的设计方法能够分析并绘制简单的继电器-接触器控制系统图第二章：PLC基础2.1 PLC概述了解PLC的概念、结构和分类掌握PLC的工作原理和性能指标2.2 PLC编程软件熟悉PLC编程软件的概念和功能学会使用PLC编程软件进行程序设计与调试2.3 PLC programming language掌握PLC编程语言的语法规则学会使用PLC编程语言编写简单的程序第三章：电气控制实训操作3.1 实训设备介绍熟悉实训设备的结构、原理和操作方法学会使用实训设备进行电气控制实验3.2 继电器-接触器控制电路实训能够独立完成继电器-接触器控制电路的设计与调试掌握继电器-接触器控制电路的故障排除方法3.3 PLC控制电路实训学会使用PLC编程软件编写控制程序能够独立完成PLC控制电路的设计与调试第四章：电气控制实训案例分析4.1 案例一：电动机控制电路分析电动机控制电路的工作原理掌握电动机控制电路的设计与调试方法4.2 案例二：自动化生产线控制系统分析自动化生产线控制系统的工作原理掌握自动化生产线控制系统的编程与调试方法4.3 案例三：电梯控制系统分析电梯控制系统的工作原理掌握电梯控制系统的编程与调试方法反思实训过程中的不足和需要改进的地方5.2 电气控制与PLC应用课程设计能够独立完成电气控制与PLC应用的课程设计掌握课程设计的基本步骤和方法5.3 电气控制与PLC应用技能拓展了解电气控制与PLC应用领域的最新发展动态学会使用电气控制与PLC应用相关的工具软件和仪器仪表第六章：常用控制算法与PLC编程6.1 控制算法概述理解控制算法的概念和分类掌握PID控制算法的基本原理6.2 PLC在控制算法中的应用学会使用PLC实现简单的控制算法能够针对具体应用场景进行算法选择和参数调整6.3 高级PLC编程技术熟悉高级PLC编程技术，如功能块图、顺序功能图等学会使用高级编程技术实现复杂的控制逻辑第七章：电气控制实训安全知识7.1 实训安全基本知识掌握电气安全的基本原则和规定了解触电急救的基本步骤和方法7.2 实训设备安全操作熟悉实训设备的安全操作规程学会使用实训设备的安全防护装置7.3 应急处理与事故分析掌握常见应急处理方法和事故分析步骤能够正确处理实训过程中的安全事故了解实训报告的结构和内容要求学会如何清晰、准确地表达实训过程和结果8.3 实训报告修改与完善学会对实训报告进行修改和完善提高实训报告的质量和表达能力第九章：电气控制实训考核与评价9.1 实训考核方式了解实训考核的方式和标准掌握实训考核的基本要求和评价指标9.2 实训考核准备学会如何准备实训考核能够独立完成实训考核任务9.3 实训考核评价与反馈了解实训考核评价的方法和流程学会根据考核结果进行自我评价和反思第十章：电气控制实训展望与职业发展10.1 电气控制技术发展趋势了解电气控制技术的发展趋势掌握新兴电气控制技术的基本原理和应用10.2 PLC技术在工业自动化中的应用熟悉PLC在工业自动化中的广泛应用了解PLC技术在不同行业中的具体应用案例10.3 职业发展与继续教育了解电气控制与PLC应用领域的职业发展前景学会如何进行职业生涯规划和继续教育选择重点和难点解析：一、电气控制基础：重点关注电气控制系统的概念、组成和分类，以及电气控制的基本环节和设计方法。
PID控制(第六章)
校正（PID控制器）
集 成 电 运 路 算 实 放 现 大 器
Gc ( s)
R2 C2
dB -20 dB/dec o 0 +20 dB/dec
ui
R1 -u C1
uo
1 / Ti
1 / Td
90°
0° -90°
U o ( s) Z 2 ( s) 1 K p (1 Td s) U i ( s) Z1 ( s) Ti s R C R2C2 Kp 1 1 Ti R1C1 R2C2 R1C2
PID的结构（PD控制器）
PD控制器的控制结构框图
R( s )
+
E (s)
_
K p (1 Td s)
U ( s)
Y ( s)
G (s)
构成条件 控制算法
Ti→∞
D( s ) U ( s) K p (1 Td s) E ( s)
作用
有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质
特点 适用对象
控制性能分析（PI控制器）
为了保证一定的稳定裕度，即要求所有闭环极点离虚轴在合适的范围： 比如： s s1
得到新的特征方程
( 0.2)
PI控制器能大大降低系统的稳态 误差，明显改善系统的性能。
20 18 16 14
(s1 0.2)3 (s1 0.2) 2 K p (s1 0.2) Ki 0
1 2 2.2 1
6、 数字PID控制器
在计算机PID控制中，需要把连续的PID进行离散。目前，最常用 的离散化方法是差分法，即为
e(t ) e(kT ) k t 0 e(t )dt T e( jT ) j 0 de(t ) e(kT ) e(kT T ) T dt
第六章--机电一体化系统设计试题汇总
第六章10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A.增大B.减小C.不变D.不定11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为( B )A.as +b B.2sbsa+ C. bsas+2D. asbs+311. 复合控制器必定具有( D )A. 顺序控制器B. CPUC. 正反馈D. 前馈控制器13. 一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A. 产大B. 减小C. 不变D. 不定10.一般来说，引入微分负反馈将使系统动态性能指标中的最大超调量( B )A.增加B.减小C.不变D.不定11.在采样—数据系统中，执行实时算法程序所花费的时间总和最好应小于采样周期的( A )A.0.1B.0.2C.0.5D.0.86.步进电机一般用于（ A ）控制系统中。
A.开环B.闭环C.半闭环D.前馈11.PD称为（ B ）控制算法。
A.比例B.比例微分C.比例积分D.比例积分微分13.如果增加相位裕量φm，则动态性能指标中的最大超调量σ%为（ C ）。
A.增大B.不变C.减小D.不能确定10．若考虑系统抑制干扰的能力，选择采样周期的一条法则是：采样速率应选为闭环系统通频带的【D 】A．5倍B．8倍C．10倍D．10倍以上11．在数控系统中，软伺服系统的系统增益K a为【B 】A．(2～5)1／s B．(8～50)1／s C．(50～100)1／s D．(120～150)1／s 10．若考虑对系统响应速度的影响，采样－数据系统中的采样周期应选为系统最小时间常数的【 A 】A．(O.1～1)倍B．2倍C．5倍D．10倍11．在串联校正的比例－积分－微分(PID)控制器中，I的作用是【 C 】A．改善稳定性B．加快系统响应速度C．提高无静差度D．增大相位裕量10.在最佳阻尼比条件下，伺服系统的自然频率w n唯一取决于【 C 】A.速度环开环增益B.电动机机电时间常数C. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之比D. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之积11在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联【A 】A.PI校正B.P校正C.PD校正D.D校正7．PID控制器中，P的作用是【 A 】A．降低系统稳态误差B．增加系统稳定性C．提高系统无静差度D．减小系统阻尼7．采样一数据系统中，若考虑系统的抑制干扰能力时，采样速率应为闭环系统通频带的【A 】A .10倍以上B．5倍 C .2倍 D.(0.1～1)倍8．PID控制器中，P的含义是【D 】A.前馈 B.微分 C.积分 D.比例(2011 07)9.在软伺服系统中，一般认为速度环的闭环增益最好为系统的 【 】A.0.1倍B.2～4倍C.5倍D.10倍1．PID 控制器中，I 的作用是 【 A 】A ．提高系统误差精度B ．增加系统通频带C ．加快系统调整时间D ．减小系统伺服刚度2.要求系统响应应以零稳态误差跟踪输入信号可采用 （C ） A.前馈控制器B.PI 控制器C.复合控制器D.反馈控制器3.一般说来，如果增大自然频率ωn 的数值，则动态性能指标中的调整时间t s 将 ( B ) A.增大 B.减小 C.不变 D.不定4. 在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联 【 A 】 A.PI 校正 B.P 校正 C.PD 校正 D.D 校正5. 伺服系统的输入可以为（B ）A.模拟电流B.模拟电压C.控制信号D.反馈信号 6. 伺服系统一般包括控制器、受控对象、比较器和（D ）等部分A.换向结构B.转化电路C.存储电路D.反馈测量装置 7. 下列那一项是反馈控制系统（ ）A.顺序控制系统B.伺服系统C.数控机床D.工业机器人8. PD 称为（ B ）控制算法。
自动控制原理第六章控制系统补偿与综合
目录
控制系统补偿器 控制系统综合 控制系统的稳定性分析 控制系统的性能评估 控制系统的设计实例
01
控制系统补偿器
补偿器是一种用于改善控制系统性能的装置，它能够根据系统的输入和输出信号来调整系统的增益、相位和频率特性。
补偿器的定义
补偿器的主要作用是改善控制系统的动态特性和稳态特性，提高系统的稳定性和控制精度。通过调整补偿器的参数，可以减小系统误差、抑制扰动、增强系统抗干扰能力等。
系统调试与优化
03
控制系统的稳定性分析
一个控制系统在受到扰动后能够回到平衡状态的能力。
控制系统稳定性定义
只有稳定的系统才能实现预定的控制任务，不稳定的系统会导致系统性能恶化甚至失控。
稳定性重要性
控制系统稳定性的定义与重要性
通过计算劳斯表第一列的符号确定系统是否稳定。
劳斯判据
通过计算特征方程的根的实部和虚部确定系统是否稳定。
赫尔维茨判据
通过计算频率响应确定系统是否稳定。
奈奎斯特判据
控制系统稳定性的判定方法
选择合适的控制参数
通过调整控制参数，使系统达到稳定状态。
增加阻尼比
通过增加阻尼比，提高系统的稳定性。
优化系统结构
通过优化系统结构，提高系统的稳定性。
提高控制系统稳定性的措施
03
02
01
04
控制系统的性能评估
稳定性
基于模糊逻辑控制器的湿度控制系统设计
基于神经网络控制器的速度控制系统设计
总结词：神经网络控制器是一种模拟人脑神经元结构的控制算法，适用于速度控制系统的设计。
感谢观看
THANKS
补偿器的作用
补偿器的定义与作用
第六章 数字控制器的模拟设计法
控制系统的主要设计任务之一。
间接设计法—模拟化设计法 经典法 数字控制器 的设计方法 直接设计法—数字化设计法 状态空间设计法
中南大学机电工程学院
计算机控制系统
●
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
模拟化设计法 数字控制器的模拟化设计法就是先将计算机控制
系统看作模拟系统（如图6.1-2所示），针对该模拟
计算机控制系统 分析与设计
控制原理
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
2011年10月
计算机控制系统
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
第6章 计算机控制系统的 模拟化设计
本章主要教学内容 1. 设计方法概述
2. 传递函数与Z传递函数的相互转换
3. 数字PID调节器的设计
中南大学机电工程学院
计算机控制系统
化方法将其离散为数字控制器，即转换成图6.1-3
所示的计算机控制系统。
HG(z)
R (s ) r (t )
T
D(z )
T
H 0 ( s)
G (s )
Y (z ) Y (s )
图6.1-3 离散闭环控制系统
由于人们对于连续控制系统的设计方法（如频率法、
根轨迹法等）比较熟悉，从而应用模拟方法设计数字 控制器比较易于接受和掌握。但是这种方法并不是按
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
控制算法：
u (kT) e aT u (kT T ) (1 e aT )e(kT T )
零阶保持器法的特点： （1）若D(s)稳定，则D(z)也稳定； （2）D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
6.2.4 零极点匹配法
基本思想：S域中零极点的分布直接决定了系统的
控制系统误差分析及其算法及应用
控制系统误差分析及其算法及应用第一章概述控制系统误差是指所设计的系统输出值与输入值之间的差异。
误差分析是指对控制系统误差进行分析，以便找出误差来源，并提出改进控制系统的策略和方法。
本文将介绍控制系统误差分析的基本原理和算法，并探讨误差分析在控制系统中的应用。
第二章控制系统误差来源控制系统误差的来源有两种：系统固有误差和外部扰动。
系统固有误差是控制系统设计中的本质问题。
例如，比例控制器的响应速度较慢、积分控制器有积分误差等。
这些问题可能会导致系统出现稳态误差。
外部扰动是指系统受到的外部干扰，例如温度变化、压力变化、电磁干扰等。
这些因素会导致系统输出值与输入值之间出现偏差。
第三章调节控制器算法最常见的控制器类型是比例积分（PI）控制器。
PI控制器能够帮助系统消除稳态误差，并增加系统的响应速度。
PI控制器的算法基于积分饱和原理，即当积分误差超过一定值时，积分项将不再累加。
这有助于避免过度响应。
PI控制器还可以通过调整比例和积分项的系数来进一步优化系统响应。
第四章滤波算法滤波算法可以帮助消除由外部扰动引起的误差。
其中，低通滤波器可以帮助去除高频噪声。
高通滤波器具有相反的作用，可以去除低频噪声。
滤波器还可以用于平滑系统响应，以防止出现过度响应或噪声。
第五章预测控制算法预测控制算法可以帮助控制系统在未来一段时间内的状态进行预测，并采取相应的控制策略。
其中，支持向量机（SVM）算法可以用于预测非线性系统的响应，可以帮助控制系统消除非线性误差。
适应性控制算法可以根据系统输入和输出的实时数据来调整算法参数，以实现更好的控制效果。
第六章控制系统误差分析应用误差分析在控制系统中具有广泛应用。
其中，误差分析可以用于诊断控制系统在稳态下的性能，并帮助优化系统工作。
误差分析还可以用于诊断控制系统在动态条件下的性能，并帮助优化系统响应。
此外，误差分析还可以用于帮助控制系统诊断故障，以实现更可靠的操作。
第七章总结控制系统误差是控制系统设计中的重要问题。
第六章 基于控制力矩陀螺的航天器姿态控制
SGCMG 系统操纵律
奇异鲁棒逆操纵律 框架角加速度操纵律
6.2.4 SGCMG系统操纵律
Penrose-Moore伪逆操纵律 & = J +τ σ J + = J T ( JJ T ) −1 带零运动的伪逆操纵律
z 投影矩阵式 & = J + τ + k [ I − J + J ]d σ z 零向量式
6.3.1 SGCMG卸载手段
喷气推力器 优点：简单有效 缺点：消耗燃料 磁力矩器 优点：不需工作燃料的消耗 缺点：需精确地磁场模型和相应硬件，有磁污染 重力梯度力矩 优点：不需工作燃料消耗，且不需添加额外硬件 缺点：姿态平衡点不是零
6.3.2 离散动量管理策略
离散动量管理策略
z 动量管理和姿态控制分开进行，互不干扰； z 又称周期性动量管理，是一种带前馈的开环控制策略； z 可通过空间站的姿态机动，产生期望的重力梯度力矩，来消 除不期望的动量积累。
正六棱锥构型
三平行安装构型
6.2.3 SGCMG系统构型设计
相同类型构型，不同SGCMG个数
相同SGCMG个数，不同SGCMG构型
6.2.3 SGCMG系统构型设计
随着SGCMG个数的增多，不含椭圆奇点的角动量空 间的体积逐渐增大。 SGCMG构型的对称性越好，其角动量包络越大，不 含椭圆奇点的角动量空间的体积越大。 成对安装构型的构型效益最差，但其角动量包络及不 含椭圆奇点的角动量空间的包络的几何形状简单，便 于操纵律的设计。
m(σ ) = ∑ ( J i × J j ) 2
i< j
i , j = 1,L , n
6.2.3 SGCMG系统构型设计
构型的基本要素
第六章思考题与习题
第六章 思考题与习题最小拍设计的要求是什么？在设计过程中怎样满足这些要求？它有什么局限性？答：最小拍控制是指系统在典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号等）作用下，经过最少个采样周期使系统输出的稳态误差为零。
最小拍控制系统也称最小拍无差系统或最小拍随动系统。
显然这种系统对闭环脉冲传递函数的性能要求是快速性和准确性。
因此，事实上最小拍控制就是一类时间最优控制，系统的性能指标就是要求调节时间最短。
最少拍控制的定义：所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数具有以下形式式中N 是可能情况下的最小正整数。
这一形式表明闭环系统的脉冲响应在N 个采样周期后变为零，输出保持不变，从而意味着系统在N 拍之内达到稳态。
最少拍系统的设计原则是：若系统广义被控对象G(z)无延迟且在z 平面单位圆上及单位圆外无零极点，要求选择闭环脉冲传递函数Ф(z)，使系统在典型输入作用下，经最少采样周期后能使输出序列在各采样时刻的稳态误差为零，达到完全跟踪的目的，从而确定所需要的数字控制器的脉冲传递函数D(z)。
闭环脉冲传递函数Ф(z)的确定：由上图可知，误差E(z)的脉冲传递函数为典型输入函数 对应的z 变换 B(z)是不包含(1-z -1)因子的关于z -1的多项式。
根据z 变换的终值定理，系统的稳态误差为由于B(z)没有(1-z -1)因子，因此要使稳态误差e(∞)为零，Φe (z) 必须含有(1-z -1)因子，且其幂次数不能低于q ，即Фe (z)=1-Ф(z)=(1-z -1)Q F(z)→Ф(z)=1-Фe (z)=1-(1-z -1)Q F(z)式中，Q ≥q ，F(z)是关于z -1的待定系数多项式。
为了使Ф(z)能够实现， F(z)中的首项应取为1，即1212()NN z z z z φφφ---Φ=+++()()()()1()()()e E z R z Y z z z R z R z -Φ===-Φ(z)R(z) E(z)e Φ=11()(1)!q r t t q -=-1()()(1)qB z R z z -=-1111111()lim(1)()lim(1)()()()lim(1)()(1)e z z e qz e z E z z R z z B z z z z --→→--→∞=-=-Φ=-Φ-F(z)=1+f １z -1+f 2z -2+…+f p z -p可以看出，Ф(z)具有z -1的最高幂次为N=p+Q ，这表明系统闭环响应在采样点的值经N 拍可达到稳态。
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MOV R5，A
MOV A，R6
MOV R4，A
精品课件
PID算法程序设计
MOV R3，3BH ；取e(n-1)
MOV R2，3CH
ACALL
CPL1 ；求e(n-1)的补码
ACALL
DSUM
；计算e(n)+ e(n-2)- e(n-
1)
MOV A，R7
；存和
MOV R5，A
t
k
e(t)dt T e(i)
0
i0
位置算式
de(t)e(k)e(k1)
dt
T
u(k)K p e(k)T T i i k0e(i)T de(k) T e(k 1 )
k
u (k) K p e (k) K i e (i) K de (k) e (k 1 ) i 0 精品课件
PID的增量算式之一
ACALL
DSUM
；计算e(n)=w-u(n)
MOV 39H，R7 ；存e（n）
MOV 3AH，R6
MOV R5，35H ；取I
MOV R4，36H
MOV R0，#4AH ；R0存放乘积高位字节地址指针
ACALL
MULT1 ；计算PI=I×e(n)
精品课件
PID算法程序设计
MOV R5，39H ；取e(n）
MOV A，R6
MOV R4，A
MOV R3，3BH ；取e(n-1)
MOV R2，3CH
ACALL
CPL1 ；求e(n-1)的补码
ACALL
DSUM
；计算e(n)+ e(n-2)- 2e(n-1)
精品课件
PID算法程序设计
MOV R5，37H ；取D
MOV R4，38H
MOV R0，#46H
ACALL
ACALL
MULT1
精品课件
PID算法程序设计
DSUM双字节加法子程序： (R5R4)+ (R3R2)的和送至(R7R6)中。
DSUM： MOV A，R4 ADD A，R2
p (1
T Ti
Td T
)
q1
K
p (1
2Td T
)
q2
K
p
Td T
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增量式PID算式的优点
增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即 可。它与位置式PID相比，有下列优点： （1）位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计 算式中要用到过去误差的累加值，因此，容易产生较大的 累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或 精度不足时对控制量的计算影响较小。
u(k)kp e(k)T T i e(k)T T d 2e(k)
u (k)u (k 1 ) u (k)
精品课件
PID的增量算式之二
u ( k ) q 0 e ( k ) q 1 e ( k 1 ) q 2 e ( k 2 )
u (k)u (k 1 ) u (k)
其中
q0
K
第六章 控制算法
本章要点
1. PID算法 重点：PID的增量式、位置式表达式
2. PID的改进算法 重点：改进算法的思路
3. 直接数字控制设计 4. 纯滞后问题的解决思路
精品课件
本章主要内容
➢
引言
➢ 6.1 PID及其算法
➢ 6.2 直接数字控制及其算法
➢ 6.3 SMITH预估器及大林算法
➢ 思考题
（2）控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先 将计算机的输出值置为原始阀门开度时，才能保证无冲击 切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到 自动的无冲击切换。
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PID算法程序设计
1、PID算法的程序流程 程序流程见书P238 图7-8、7-9 在许多控制系统中，执行机构需要的是控制变量的绝对值而 不是其增量，这时仍可采用增量式计算，但输出则采用位置 式的输出形式。
MULT1
；求PD= D×(e(n)-2e(n-
1)+ e(n-2))
MOV R5，47H ；存PD
MOV R6，46H
MOV R3，4BH ；取PI+ PP
MOV R2，4AH
ACALL
DSUM
；计算PI+ PP + PD
MOV R5，33H ；取KP
MOV R4，34H
MOV R0，#46H ；计算KP×(PI+ PP + PD)
精品课件
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。
2、PID算法的程序设计
精品课件
PID算法程序设计
精品课件
PID算法程序设计
精品课件
PID算法程序设计
精品课件
PID算法程序设计
根据流程图编写的程序清单如下：
PID： MOV R5，31H ；取w
MOV R4，32H
MOV R3，#00H ；取u(n)
MOV R2，2AH
ACALL
CPL1 ；取u(n) 的补码
PID调节器之所以经久不衰，主要有以下优 点。 1. 技术成熟 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好
精品课件
PID的数字实现
连续形式
u(t)Kpe(t)T 1i 0te(t)dtTdded(tt)
G(s)U E((ss))Kp1T1isTds 离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分
MOV R4，3AH
MOV R3，3BH ；取e(n-1)
MOV R2，3CH
ACALL
CPL1 ；求e(n-1)的补码
ACALL
DSUM
；求PP=Δe(n)=e(n)-
e(n-1)
MOV A，R7
MOV R5，A
；存Δe(n)
MOV A，R6
MOV R4，A
MOV R3，4BH ；取PI
MOV R2，4AH
精品课件
6.1 PID及其算法
主要知识点: 6.1.1 PID的数字实现 6.1.2 数字PID的改进 6.1.3 数字PID的参数整定
精品课件
6.1.1 PID的数字实现
➢ PID的优点和作用 ➢ PID的数字实现 ➢ PID算法程序设计 ➢ 数字PID调节中的几个实际问
题
精品课件
PID的优点
ACALL
DSUM
；求PI+ PP
精品课件
PID算法程序设计
MOV 4BH，R7 ；存(PI+ PP)
MOV 4AH，R6
MOV R5，39H ；取e(n)
MOV R4，3AH
MOV R3，3DH ；取e(n-2）
MOV R2，3EH
ACALL
DSUM
；计算e(n)+ e(n-2)
MOV A，R7