计算机控制系统ppt课件
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工程上常采用已知结构的PID 控制算法
2. 零阶保持器的处理方法
（1）采样周期足够小时，可忽略保持器， （2）W 变换设计法：利用下面公式离散化后再进行W
变换,按G(w)进行连续化设计
G(z)
(1
z 1)Z
G(s) s
G( ) G(z) z1T / 2
(T
K pT Tf ) Tf z1
(1
T Ti
Td T
) (1 2 Td T
) z 1
Td T
z
2
(Tf
T ) Tf z1 U (z)
பைடு நூலகம்
K pT
(1
T Ti
Td T
dt
T
u(k)
K
p
e(k
)
T Ti
k
e(i) Td
i0
e(k) e(k T
1)
k
u(k) K pe(k) Ki e(i) Kd e(k) e(k 1)
i0
动画链接
11
理想PID的递推算式
向后差分法离散化
G(z)
U(z) E(z)
) z 1
Td T
z
2
(1
z1)U (z)
Kp
(1
T Ti
Td T
) (1 2 Td T
) z 1
Td T
z
2
E
(
z)
动画链接
12
理想PID的增量差分形式
u(k) q0e(k) q1e(k 1) q2e(k 2)
u(k) u(k 1) u(k)
G(s)
s(1z1 ) / T
K
p
1
Ti
T (1
z 1 )
Td
(1 T
z 1 )
1 1 z1
Kp
(1
z1)
T Ti
Td T
(1
z
1
)2
1
1 z
1
Kp
(1
T Ti
Td T
) (1 2 Td T
3
9.1 数字控制器的连续化设计
主要知识点: 9.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 9.1.2 数字PID控制算法 9.1.3 数字PID的改进 9.1.4 数字PID的参数整定
4
9.1.1数字控制器的连续化设计步骤
基本设计思想 设计假想连续控制器 离散化连续控制器 离散算法的计算机实现与校验
设计性能校验：常采用数字仿真方法验证
9
9.1.2 数字PID控制算法
•PID控制算法的优越性：
a.P、I、D三个参数的优化配置， 兼顾了动态过程的现在、过去 与将来的信息，使动态过程快速、 平稳和准确；
b.适应性好，鲁棒性强；
c.算法简单，易于掌握；
动画链接
10
理想PID控制算法
连续形式
u(t)
bmzm anzn
U (z) (a1z1 a2z2 anzn )U (z) (b0 b1z1 bmzm )E(z)
u(k) a1u(k 1) a2u(k 2) anu(k n)
b0e(k) b1e(k 1) bme(k m)
第九章 数字控制器设计
本章要点
1. 连续化设计方法 重点：数字PID设计
2. 直接离散化设计方法 重点：最少拍控制算法
3. 大林算法与纯滞后控制 4. 模糊控制基础
1
本章主要内容
引言
9.1 数字控制器的连续化设计
9.2 数字控制器的离散化设计
9.3 模糊控制技术
本章小结
思考题
2
引言
5
连续化设计的基本思想
把整个控制系统看成是模拟系统，利用模拟系统 的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后 再通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制 器，并由计算机来实现。
D(s)
r(t) e(t) e(k)
u(k)
T
D(z) T
u(t)
y(t)
H0(s)
G(s)
6
设计假想连续控制器
1. 原则上可采用连续控制系统中各种设计方法
D(z)
Kz(z
ez1T )( z ez2T ) ( z ( z e p1T )( z e p2T )
e zmT )( z 1)(nm1) ( z e pnT )
8
离散算法的计算机实现
D(z)
U(z) E(z)
b0 b1z1 1 a1z1
q0
K p (1
T Ti
Td T
)
其中
q1
K
p
(1
2Td T
)
q2
Kp
Td T
动画链接 13
实际微分PID控制算法
理想微分PID的不足：
（1）干扰作用下机构动作频繁 （2）微分输出常越限,不能充分发挥作用
实际微分PID的一种连续形式
G(s)
U (s) E(s)
Kp
1 1 Tf
s
1
1 Tis
Tds
动画链接 14
实际微分的离散化
G(z)
U(z) E(z)
G(s)
s(1z1 ) / T
Kp
1 Tf
1 (1
z1) / T
1
T Ti (1
z 1 )
Td (1 T
z1)
1 (1 z1)
Kp
e(t)
1 Ti
t 0
e(t)dt
Td
de(t) dt
G(s)
U (s) E(s)
Kp
1
1 Tis
Tds
离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分
t
k
e(t)dt T e(i)
0
i0
位置算式
de(t) e(k) e(k 1)
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。
1T / 2
7
连续控制器的离散化
离散化方法：
1. 双线性变换法：D(z) D(s)
s
2 T
1 1
z z
1 1
2. 向后差分法： D(z) D(s) s1z1 T
3. 零极点匹配法： D(s) Ks (s z1)(s z2) (s zm ) (s p1)(s p2) (s pn )
2. 零阶保持器的处理方法
（1）采样周期足够小时，可忽略保持器， （2）W 变换设计法：利用下面公式离散化后再进行W
变换,按G(w)进行连续化设计
G(z)
(1
z 1)Z
G(s) s
G( ) G(z) z1T / 2
(T
K pT Tf ) Tf z1
(1
T Ti
Td T
) (1 2 Td T
) z 1
Td T
z
2
(Tf
T ) Tf z1 U (z)
பைடு நூலகம்
K pT
(1
T Ti
Td T
dt
T
u(k)
K
p
e(k
)
T Ti
k
e(i) Td
i0
e(k) e(k T
1)
k
u(k) K pe(k) Ki e(i) Kd e(k) e(k 1)
i0
动画链接
11
理想PID的递推算式
向后差分法离散化
G(z)
U(z) E(z)
) z 1
Td T
z
2
(1
z1)U (z)
Kp
(1
T Ti
Td T
) (1 2 Td T
) z 1
Td T
z
2
E
(
z)
动画链接
12
理想PID的增量差分形式
u(k) q0e(k) q1e(k 1) q2e(k 2)
u(k) u(k 1) u(k)
G(s)
s(1z1 ) / T
K
p
1
Ti
T (1
z 1 )
Td
(1 T
z 1 )
1 1 z1
Kp
(1
z1)
T Ti
Td T
(1
z
1
)2
1
1 z
1
Kp
(1
T Ti
Td T
) (1 2 Td T
3
9.1 数字控制器的连续化设计
主要知识点: 9.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 9.1.2 数字PID控制算法 9.1.3 数字PID的改进 9.1.4 数字PID的参数整定
4
9.1.1数字控制器的连续化设计步骤
基本设计思想 设计假想连续控制器 离散化连续控制器 离散算法的计算机实现与校验
设计性能校验：常采用数字仿真方法验证
9
9.1.2 数字PID控制算法
•PID控制算法的优越性：
a.P、I、D三个参数的优化配置， 兼顾了动态过程的现在、过去 与将来的信息，使动态过程快速、 平稳和准确；
b.适应性好，鲁棒性强；
c.算法简单，易于掌握；
动画链接
10
理想PID控制算法
连续形式
u(t)
bmzm anzn
U (z) (a1z1 a2z2 anzn )U (z) (b0 b1z1 bmzm )E(z)
u(k) a1u(k 1) a2u(k 2) anu(k n)
b0e(k) b1e(k 1) bme(k m)
第九章 数字控制器设计
本章要点
1. 连续化设计方法 重点：数字PID设计
2. 直接离散化设计方法 重点：最少拍控制算法
3. 大林算法与纯滞后控制 4. 模糊控制基础
1
本章主要内容
引言
9.1 数字控制器的连续化设计
9.2 数字控制器的离散化设计
9.3 模糊控制技术
本章小结
思考题
2
引言
5
连续化设计的基本思想
把整个控制系统看成是模拟系统，利用模拟系统 的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后 再通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制 器，并由计算机来实现。
D(s)
r(t) e(t) e(k)
u(k)
T
D(z) T
u(t)
y(t)
H0(s)
G(s)
6
设计假想连续控制器
1. 原则上可采用连续控制系统中各种设计方法
D(z)
Kz(z
ez1T )( z ez2T ) ( z ( z e p1T )( z e p2T )
e zmT )( z 1)(nm1) ( z e pnT )
8
离散算法的计算机实现
D(z)
U(z) E(z)
b0 b1z1 1 a1z1
q0
K p (1
T Ti
Td T
)
其中
q1
K
p
(1
2Td T
)
q2
Kp
Td T
动画链接 13
实际微分PID控制算法
理想微分PID的不足：
（1）干扰作用下机构动作频繁 （2）微分输出常越限,不能充分发挥作用
实际微分PID的一种连续形式
G(s)
U (s) E(s)
Kp
1 1 Tf
s
1
1 Tis
Tds
动画链接 14
实际微分的离散化
G(z)
U(z) E(z)
G(s)
s(1z1 ) / T
Kp
1 Tf
1 (1
z1) / T
1
T Ti (1
z 1 )
Td (1 T
z1)
1 (1 z1)
Kp
e(t)
1 Ti
t 0
e(t)dt
Td
de(t) dt
G(s)
U (s) E(s)
Kp
1
1 Tis
Tds
离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分
t
k
e(t)dt T e(i)
0
i0
位置算式
de(t) e(k) e(k 1)
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。
1T / 2
7
连续控制器的离散化
离散化方法：
1. 双线性变换法：D(z) D(s)
s
2 T
1 1
z z
1 1
2. 向后差分法： D(z) D(s) s1z1 T
3. 零极点匹配法： D(s) Ks (s z1)(s z2) (s zm ) (s p1)(s p2) (s pn )