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1、第第12章离散控制系章离散控制系统的的经典法典法设计本讲稿第一页，共四十四页主要内容主要内容概述概述控制系统的离散化方法控制系统的离散化方法 PID控制器及其算法控制器及其算法 本讲稿第二页，共四十四页12.1概述概述数字控制器的设计大体上分成两大类：经典数字控制器的设计大体上分成两大类：经典法设计和状态空间法。经典法设计可分两法设计和状态空间法。经典法设计可分两种方法：种方法：离散化法离散化法和和直接法直接法。离散化法则。离散化法则是先设计连续系统的控制器，然后通过某是先设计连续系统的控制器，然后通过某种离散化方法转化成数字控制器，这种方种离散化方法转化成数字控制器，这种方法仅能逼近连续系统
2、的性能，不会优于连法仅能逼近连续系统的性能，不会优于连续系统的性能。直接法为续系统的性能。直接法为Z平面的根轨迹法、平面的根轨迹法、W平面的伯德图法等等。平面的伯德图法等等。本讲稿第三页，共四十四页12.2控制系统的离散化方法控制系统的离散化方法 前向差分法；前向差分法；后向差分法；后向差分法；双线性变换法；双线性变换法；脉冲响应不变法；脉冲响应不变法；阶跃响应不变法；阶跃响应不变法；零、极点匹配法等六种方法。零、极点匹配法等六种方法。本讲稿第四页，共四十四页前向差分法前向差分法已知控制器的传递函数为已知控制器的传递函数为传递函数转化成微分方程传递函数转化成微分方程再将微分方程改写成积分形式再
3、将微分方程改写成积分形式=u(kT-T)+从从(kT-T)到到kT的面积的面积 本讲稿第五页，共四十四页前向差分法（续前向差分法（续1）由差分方程求其由差分方程求其Z变换变换 脉冲传递函数脉冲传递函数本讲稿第六页，共四十四页前向差分法（续前向差分法（续2）比较比较s与与z的关系的关系得：得：故前向差分法就是将模拟控制器的传递函数故前向差分法就是将模拟控制器的传递函数D(s)中的中的s用用 代替即可。代替即可。必须强调用前向差分关系将连续控制器离散化必须强调用前向差分关系将连续控制器离散化成数字控制器时成数字控制器时稳定性不能保证稳定性不能保证。因此很少应。因此很少应用。用。本讲稿第七页，共四十
4、四页后向差分法后向差分法推导过程同前向差分法，只推导过程同前向差分法，只是变为后向矩形积分。是变为后向矩形积分。脉冲传递函数脉冲传递函数比较比较s与与z的关系的关系得：得：连续系统时是稳定的连续系统时是稳定的，通过后向差分离散化后，离通过后向差分离散化后，离散系统一定稳定。散系统一定稳定。本讲稿第八页，共四十四页双线性变换法双线性变换法推导过程同前向差分法，只推导过程同前向差分法，只是变为梯形积分。是变为梯形积分。对上式取对上式取Z变换变换 脉冲传递函数脉冲传递函数本讲稿第九页，共四十四页双线性变换法（续双线性变换法（续1）比较比较s与与z的关系的关系得：得：该变换保证系统的稳定性不改变。该变
5、换保证系统的稳定性不改变。三种变换关系总结如下：三种变换关系总结如下：本讲稿第十页，共四十四页前三种方式的稳定性讨论前三种方式的稳定性讨论1.前向差分前向差分z与与s的关系的关系 令令z 为为1 1，对应，对应s平面为一个圆，则平面为一个圆，则以以1/T为半为半径的极点映射到径的极点映射到Z平面单位圆内。平面单位圆内。对于整个对于整个S左半平面映射左半平面映射Z平面是平面是1为边缘的整个为边缘的整个Z平面。平面。令令 则则 本讲稿第十一页，共四十四页前三种方式的稳定性讨论（续前三种方式的稳定性讨论（续1）2.后向差分后向差分z与与s的关系的关系 可见可见s的虚轴映射为以点的虚轴映射为以点(1/
6、2，0)为圆心，为圆心，1/2为为半径的圆，半径的圆，s左半平面映射到圆内。左半平面映射到圆内。本讲稿第十二页，共四十四页前三种方式的稳定性讨论（续前三种方式的稳定性讨论（续2）3.双线性变换双线性变换z与与s的关系的关系 z的模为的模为1，可见为单位圆，可见为单位圆 本讲稿第十三页，共四十四页三种变换法的运用举例三种变换法的运用举例例例12.1分别用前向差分法、后向差分法和双线性分别用前向差分法、后向差分法和双线性变换法将传递函数变换法将传递函数 离散离散化成脉冲传递函数。化成脉冲传递函数。解：解：(1)三种变换法的三种变换法的离散化离散化前向差分法前向差分法本讲稿第十四页，共四十四页三种变
7、换法的运用举例（续三种变换法的运用举例（续1）后向差分法后向差分法双线性变换法双线性变换法本讲稿第十五页，共四十四页三种变换法的运用举例（续三种变换法的运用举例（续2）通过通过 转换成脉冲传递函数对应的极点转换成脉冲传递函数对应的极点(2)三种变换法的稳定性三种变换法的稳定性前向差分法前向差分法极点在单位圆外，极点在单位圆外，系统不稳定。系统不稳定。本讲稿第十六页，共四十四页三种变换法的运用举例（续三种变换法的运用举例（续3）后向差分法后向差分法极点在单位圆内，系统是稳定的。极点在单位圆内，系统是稳定的。本讲稿第十七页，共四十四页三种变换法的运用举例（续三种变换法的运用举例（续4）双线性变换法
8、双线性变换法极点在单位圆内，系统是稳定的。极点在单位圆内，系统是稳定的。通过这三种方法得到的离散化结果与通过通过这三种方法得到的离散化结果与通过 的的数学关系数学关系 的离散化结果比较，双线性的离散化结果比较，双线性变换法更接近准确值。变换法更接近准确值。本讲稿第十八页，共四十四页阶跃响应不变法阶跃响应不变法 使离散近似后数字控制器的阶跃响应序列，与连续使离散近似后数字控制器的阶跃响应序列，与连续控制器的阶跃响应采样值相等。控制器的阶跃响应采样值相等。设设D(z)为离散控制器，为离散控制器，D(s)为连续控制器。即为连续控制器。即本讲稿第十九页，共四十四页脉冲响应不变法脉冲响应不变法 离散近似
9、后数字控制器的脉冲响应序列，与连离散近似后数字控制器的脉冲响应序列，与连续控制器的脉冲响应采样值相等。续控制器的脉冲响应采样值相等。T是补偿采样引进的是补偿采样引进的1/T因子。因子。例例12.2已知连续控制器的传递函数已知连续控制器的传递函数 试试用阶跃响应不变法和脉冲响应不变法将连续控制用阶跃响应不变法和脉冲响应不变法将连续控制器离散成数字控制器。器离散成数字控制器。解：解：(1)阶跃响应不变法阶跃响应不变法本讲稿第二十页，共四十四页阶跃脉冲响应不变法举例阶跃脉冲响应不变法举例(2)脉冲响应不变法脉冲响应不变法本讲稿第二十一页，共四十四页零极点匹配等效法零极点匹配等效法通过映射保证连续和离
10、散控制器的零极点匹配。通过映射保证连续和离散控制器的零极点匹配。映射规则如下：映射规则如下：(1)D(s)的全部有限零点和极点按照的全部有限零点和极点按照 映射到映射到Z平面。平面。(2)D(s)的全部无限远的零点映射到的全部无限远的零点映射到Z平面为平面为z=-1。(这是近似映射关系这是近似映射关系)解释如下：解释如下：本讲稿第二十二页，共四十四页零极点匹配等效法（续零极点匹配等效法（续1）相当于相当于j轴上从轴上从0到到/T这段对应于这段对应于Z平面从平面从z=1到到z=-1的半个单位圆。的半个单位圆。当当=s/2=/T时，该时，该是信号的最高频率，高是信号的最高频率，高于此频率则不满足采
11、样定理。于此频率则不满足采样定理。另外通常另外通常D(s)具有低通特性，即具有低通特性，即 因此将因此将s的零点映射到的零点映射到Z平面，相当于与平面，相当于与D(z)的的z=-1的零点对应，也就是说在的的零点对应，也就是说在的D(s)上有一个上有一个s 的的零点时，则在零点时，则在D(z)的分子上补一个的分子上补一个(z+1)因子，有两因子，有两个个s 的零点，在的零点，在D(z)的分子上补一个的分子上补一个(z+1)2，以，以此类推。此类推。本讲稿第二十三页，共四十四页零极点匹配等效法（续零极点匹配等效法（续2）(3)让数字控制器的增益在某一主频处与模拟控制让数字控制器的增益在某一主频处与
12、模拟控制器的增益匹配，即器的增益匹配，即 若若D(s)具有低通特性则令具有低通特性则令 若若D(s)具有高通特性则令具有高通特性则令 若若D(s)既不具有高通特性也不具有低通特性既不具有高通特性也不具有低通特性则在一个特殊频率处令则在一个特殊频率处令 本讲稿第二十四页，共四十四页零极点匹配等效法举例零极点匹配等效法举例例例12.3已知连续控制器的传递函数已知连续控制器的传递函数 试用零试用零极点匹配等效法将连续控制器离散成数字控制器。极点匹配等效法将连续控制器离散成数字控制器。解：解：(1)将连续系统的有限零极点映射到将连续系统的有限零极点映射到Z平面平面 有限零点有限零点 有限极点有限极点本
13、讲稿第二十五页，共四十四页零极点匹配等效法举例（续零极点匹配等效法举例（续1）(2)将连续系统的将连续系统的s零点映射到零点映射到Z平面，对应于平面，对应于D(z)分子上的分子上的(z+1)因子。因子。本讲稿第二十六页，共四十四页零极点匹配等效法举例（续零极点匹配等效法举例（续2）(3)匹配增益因子匹配增益因子通过零极点匹配等效法，得到的总的脉冲传递函通过零极点匹配等效法，得到的总的脉冲传递函数为：数为：本讲稿第二十七页，共四十四页六种离散化方法的特点六种离散化方法的特点 设计者应该设计者应该交替使用交替使用几种等效技术，通常零极点匹几种等效技术，通常零极点匹配映射法和双线性变换法配映射法和双
14、线性变换法较好。较好。1.前向差分法前向差分法：稳定性不能保证，很少使用。稳定性不能保证，很少使用。2.后向差分法后向差分法：无稳定性问题，并维持稳态增益无稳定性问题，并维持稳态增益不变。但是得到的离散控制器暂态特性和频率响不变。但是得到的离散控制器暂态特性和频率响应特性与连续控制器特性有相当大的差别，采用应特性与连续控制器特性有相当大的差别，采用高采样率可减少这种差别。高采样率可减少这种差别。3.脉冲响应不变法脉冲响应不变法：无稳定性问题，但存在频率混无稳定性问题，但存在频率混叠问题叠问题，只适用于连续控制器具有陡峭的衰减特性，只适用于连续控制器具有陡峭的衰减特性，且为带限信号的场合。且为带
15、限信号的场合。本讲稿第二十八页，共四十四页六种离散化方法的特点（续六种离散化方法的特点（续1）4.阶跃响应不变法阶跃响应不变法：相当于连续环节串联一个零：相当于连续环节串联一个零阶保持器后取阶保持器后取Z变换常用来求取控制系统的对象或其变换常用来求取控制系统的对象或其他环节的离散等效。无稳定性问题。他环节的离散等效。无稳定性问题。5.双线性变换法双线性变换法：无稳定性问题，导至频率特性的：无稳定性问题，导至频率特性的严重畸变，在伯德图的设计中或系统要求较高时，严重畸变，在伯德图的设计中或系统要求较高时，则要对变换式进行修正。则要对变换式进行修正。6.零极点匹配等效法零极点匹配等效法：无稳定性问
16、题，这种映射有：无稳定性问题，这种映射有较好的逼近特性，首推此法。较好的逼近特性，首推此法。本讲稿第二十九页，共四十四页12.3PID控制器的基本原理控制器的基本原理本讲稿第三十页，共四十四页PID控制器的离散化表示控制器的离散化表示连续域描述连续域描述PID控制器的微分方程通过后向差分法离控制器的微分方程通过后向差分法离散化：散化：其中其中Ki为积分系数，为积分系数，Kd为微分系数为微分系数本讲稿第三十一页，共四十四页PID控制器的两种形式控制器的两种形式(1)位置式位置式PID上页公式数字控制器的控制量上页公式数字控制器的控制量u(k)与执行机构的阀与执行机构的阀门开启位置一一对应，因此叫
17、位置式门开启位置一一对应，因此叫位置式PID算式算式(2)增量式增量式PID优点是改善积分饱和，手动自动切换冲击小，系统超优点是改善积分饱和，手动自动切换冲击小，系统超调减少，动态时间缩短，动态性能改善。调减少，动态时间缩短，动态性能改善。本讲稿第三十二页，共四十四页PID控制器的各种算法控制器的各种算法1.不完全微分不完全微分PID控制算法控制算法误差变化率的大小决定微分控制量的大小，而误差变化率的大小决定微分控制量的大小，而误差值的绝对大小不影响微分控制量强弱。误差值的绝对大小不影响微分控制量强弱。当突然大幅度改变给定值时，会导至误差突然大当突然大幅度改变给定值时，会导至误差突然大幅度改变
18、，引起很大的误差变化率，因此产生很幅度改变，引起很大的误差变化率，因此产生很强的微分控制量，在一个采样周期全部输出，使强的微分控制量，在一个采样周期全部输出，使控制系统出现超调和振荡，系统的调节性能下降。控制系统出现超调和振荡，系统的调节性能下降。本讲稿第三十三页，共四十四页不完全微分不完全微分PID控制算法（续控制算法（续1）引进不完全微分引进不完全微分PID算法，其传递函数如下：算法，其传递函数如下：其中：其中：U(s)为为PID控制器的输出；控制器的输出；E(s)为偏差为偏差(控制控制器的输入器的输入)；Krp实际的比例放大系数；实际的比例放大系数；Tri实际的积实际的积分时间常数；分时
19、间常数；Trd实际的微分时间常常数。实际的微分时间常常数。微分项为：微分项为：比例和积分项为：比例和积分项为：本讲稿第三十四页，共四十四页不完全微分不完全微分PID控制算法（续控制算法（续2）先处理微分项先处理微分项写成时域微分方程写成时域微分方程通过后向差分法离散化通过后向差分法离散化本讲稿第三十五页，共四十四页不完全微分不完全微分PID控制算法（续控制算法（续3）将不完全微分将不完全微分PID算式的算式的PI部分转化成时域差分方程部分转化成时域差分方程本讲稿第三十六页，共四十四页不完全微分不完全微分PID控制算法（续控制算法（续4）不完全微分不完全微分PID算式的差分方程为：算式的差分方程
20、为：本讲稿第三十七页，共四十四页积分分离积分分离PID算法算法 积分控制是通过对误差的积分产生控制量来提高控制精积分控制是通过对误差的积分产生控制量来提高控制精度，但是当偏差很大时，投入积分控制会带来负作用，度，但是当偏差很大时，投入积分控制会带来负作用，这时由积分项产生的控制量将很强，导致系统长时间的这时由积分项产生的控制量将很强，导致系统长时间的超调和大幅度的振荡，产生积分饱和。超调和大幅度的振荡，产生积分饱和。数字控制系统中要消除这种现象，可以采用积分分离的方数字控制系统中要消除这种现象，可以采用积分分离的方法解决，当误差很大时，不投入积分，当误差比较小时加法解决，当误差很大时，不投入积
21、分，当误差比较小时加入积分，改善系统的稳态控制精度，可以设定一个阀值入积分，改善系统的稳态控制精度，可以设定一个阀值a，按照下边方式控制。，按照下边方式控制。本讲稿第三十八页，共四十四页变速积分变速积分PID算法算法 积分控制应该是误差大时减小积分作用，防止超积分控制应该是误差大时减小积分作用，防止超调和积分饱和，误差小时，加强积分迅速减少稳调和积分饱和，误差小时，加强积分迅速减少稳态误差，提高系统的控制精度。态误差，提高系统的控制精度。设置积分系数是误差的函数，即设置积分系数是误差的函数，即f(e(k)变速积分变速积分PID的积分项为的积分项为本讲稿第三十九页，共四十四页变速积分变速积分PI
22、D算法（续）算法（续）总的变速积分总的变速积分PID算式算式(1)能完全消除积分饱和；能完全消除积分饱和；(2)减少超调量，稳定性得到改善；减少超调量，稳定性得到改善；(3)能适应较复杂的情况能适应较复杂的情况；(4)参数整定简单，参数之间相互影响小。参数整定简单，参数之间相互影响小。(5)积分分离控制属于开关控制，而变速积分控制积分分离控制属于开关控制，而变速积分控制连续性好，且控制平稳。连续性好，且控制平稳。优点：优点：本讲稿第四十页，共四十四页带死区的带死区的PID算式算式 在计算机控制系统中，为了防止执行机构频繁动在计算机控制系统中，为了防止执行机构频繁动作，引起系统的不稳定则可以采用
23、带死区的作，引起系统的不稳定则可以采用带死区的PID控制算式控制算式特点是当系统对稳态控制精度要求不很高特点是当系统对稳态控制精度要求不很高，如液位，如液位控制等。控制等。本讲稿第四十一页，共四十四页本章小结本章小结本章首先介绍了控制系统的六种离散化方法：本章首先介绍了控制系统的六种离散化方法：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、双线性变换法、阶跃响应不变法、脉冲响应不变法、零极阶跃响应不变法、脉冲响应不变法、零极点匹配等效法。然后比较了六种方法的特点匹配等效法。然后比较了六种方法的特点。接着介绍点。接着介绍PID控制器以及其各种算法。控制器以及其各种算法。本讲稿第四十二页，共四十四页本章重点及要求本章重点及要求重点掌握六种离散化方法及特点重点掌握六种离散化方法及特点重点掌握重点掌握PID控制器的基本原理、两种形式。控制器的基本原理、两种形式。掌握不完全微分掌握不完全微分PID控制算法、变速积分控制算法、变速积分PID算法。算法。理解积分分离理解积分分离PID算法和带死区算法和带死区PID算法。算法。本讲稿第四十三页，共四十四页练习与思考练习与思考课后课后12.1，12.5，12.7，12.11本讲稿第四十四页，共四十四页