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1、第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计2.算术平均滤波 算术平均滤波就是用n次采样的算术平均值作为本次采样的值，即 算术平均滤波主要适用于压力、流量等周期性脉动信号的平滑加工。平均次数n决定于平滑度和灵敏度；n增大，平滑度提高而灵敏度下降；反之，平滑度下降而灵敏度提高。3.加权平均滤波 对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子，即所谓的加权平均滤波。加权因子的选取可视具体情况而定，一般采样值越靠后，加权因子越大，以增加新的采样值在平均值中的比重，系统对正常变化的灵敏度也提高。加权平均滤波适用于系统纯滞后时间较大，而采样周期较短的情况。第四章第四章
2、第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计4.中值滤波 中值滤波能有效地滤除由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰，对缓慢变化的过程量具有良好的滤波效果。5.防止脉冲干扰的平均值滤波 算术平均滤波和中值滤波都有一些缺点，但从这两种滤波方法消弱干扰的原理可以得到启发，即如果先用中值滤波原理滤除由于脉冲干扰引起误差的采样值，然后再把剩下的采样值进行算术平均值滤波，这就是防止脉冲干扰的平均值滤波，表示为：可以肯定，这种滤波方法兼容了算术平均值滤波和中值滤波的优点，当采样点数不多时尚不明显，但在快、慢系统中它却能消弱干扰，提高控制质量。第四章
3、第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计4.4 数字PID控制器的参数整定4.4.1 采样周期的选择（主要考虑如下因素）1.采样周期对系统稳定性的影响2.给定频率和扰动频率3.计算机精度4.执行机构的特性5.控制的回路数6.闭环系统的带宽7.操作系统第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计4.4.2 扩充临界比例度法整定参数 扩充临界比例度法是模拟调节器参数中使用的临界比例度法的推广。按这种方法进行数字PID控制器参数整定的步骤如下：(1)选择一个足够小的采样周期，例如使采样周期在被控对象纯滞后时间的
4、十分之一以下。第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计4.4.2 扩充响应曲线法整定参数 扩充响应曲线法是模拟调节器的响应曲线法的一种扩充，也是一种实验方法，其步骤如下：(1)断开数字控制器，即数字控制器不接入控制系统中，使系统工作在手动状态。将被调节量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。(2)用记录仪记录下被调量在阶跃输入作用下的变化过程曲线，如右图。第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字
5、控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计4.5 数字控制器的直接设计法4.5.1 概述 在被控对象的特性不太清楚的情况下，可以充分利用技术成熟的模拟PID调节规律，并把它移植到计算机上加以实现，可以获得比较满意的控制效果。但是，这种模拟化设计方法通常要求较小的采样周期。数字控制器的直接设计方法，是假定被控对象本身是离散化模型或者用离散化模型表示的连续对象，直接采用采样控制理论，以z变换为工具，在z域中直接设计出数字控制器D(z)。离散化设计比模拟化设计具有更一般的意义，它完全是根据采样系统的特点进行分析和综合，并导出
6、相应的控制规律。由于所设计的D(z)是依照稳定性、准确性和快速性的指标逐步设计出来的，所以设计结果比模拟化设计来得更精确，故又称为精确设计法。此时采样周期T的选择主要决定于对象特性而不受分析方法的限制，所以，比起模拟化设计方法，采样周期可以选得大一些。第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计4.5.2 最少拍随动系统的设计 在数字随动系统中，通常要求系统输出值能够尽快
7、地跟踪给定值的变化，最少拍控制就是适应这种要求的一种直接离散化设计的方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对某种特定的输入在最少几个采样周期内达到输出无静差的系统。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。进行设计时，应重点考虑以下几点：(1)对特定的给定输入信号，在达到稳态后，系统在采样时刻的输出值能准确地跟踪给定信号，不存在静差。(2)系统准确跟踪给定信号所用的拍数应最少。(3)数字控制器必须在物理上是可实现的。(4)闭环系统必须稳定。第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计1.特性系统最少拍闭环脉冲传递函数的确定 一般情
8、况下，控制系统常用的典型输入信号及其z变换为单位阶跃输入函数单位速度输入函数单位加速度输入函数第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设
9、计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章
10、数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的
11、设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设
12、计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计无纹波系统数字控制器和系统的输出波型如下图。对比前后两例的输出序列波形，可以看出，有纹波系统的调整时间为两个采样周期(2T)，系统输出跟随输入函数后，由于数字控制器的输出仍然波动，所以系统的输出在非采样时刻有纹波。无纹波系统的调整时间为三个采样周期(3T)，系统输出跟随输入函数所需时间比无纹波系统增加了一个采样周期。由于系统中数字控制器的输出经3T后为常值，所以无纹波系统在采样点之间不存在纹波。第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计第四章第四章第四章第四章 数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计数字控制器的设计