第9章数字控制器

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1、第第9章章 数字控制器数字控制器 微机是数字系统微机是数字系统,而工程上多数被控对象是由而工程上多数被控对象是由模拟模拟(连续量连续量)环节组成环节组成,微机控制系统严格地说属微机控制系统严格地说属于数字模拟混合系统。系统中不同形式的两部分于数字模拟混合系统。系统中不同形式的两部分可通过可通过A/D、D/A转换器连接起来，其结构如图转换器连接起来，其结构如图112所示。对于这种混合系统通常采用两种所示。对于这种混合系统通常采用两种等效的设计方法：一种等效方法是把虚线外的输等效的设计方法：一种等效方法是把虚线外的输入、输出量与被控对象用数学方法处理为数字量，入、输出量与被控对象用数学方法处理为数

2、字量，各环节视为数字环节，等效后的系统变为数字控各环节视为数字环节，等效后的系统变为数字控制系统。可利用离散系统（或采样系统）的理论制系统。可利用离散系统（或采样系统）的理论方法按数字指标要求进行分析和设计，这种方法方法按数字指标要求进行分析和设计，这种方法称为数字控制器直接解析设计法，在本章称为数字控制器直接解析设计法，在本章6节具节具体介绍，读者也可查阅有关书籍。体介绍，读者也可查阅有关书籍。 另一种等效方法是把虚线内的另一种等效方法是把虚线内的A/D、D/A和微和微机控制器都看作模拟量，现在微机采样速度能够机控制器都看作模拟量，现在微机采样速度能够满足此要求。这样，系统完全等效为一个模拟

3、系满足此要求。这样，系统完全等效为一个模拟系统。然后，利用模拟系统的理论和方法进行分析统。然后，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。再将模拟控制器进行和设计，得到模拟控制器。再将模拟控制器进行离散化（数字化），得到数字控制器。这种间接离散化（数字化），得到数字控制器。这种间接得到数字控制器的方法称之为数字控制器间接设得到数字控制器的方法称之为数字控制器间接设计法。本章前几节主要介绍这种方法，从而使研计法。本章前几节主要介绍这种方法，从而使研究的诸如控制方法选择、系统稳定性、控制器参究的诸如控制方法选择、系统稳定性、控制器参数的设置与整定等问题大为简化，最后成为对比数的设置与

4、整定等问题大为简化，最后成为对比较习惯的模拟系统进行分析计算和处理。这样，较习惯的模拟系统进行分析计算和处理。这样，剩下的问题便是离散控制系统的数学描述和模拟剩下的问题便是离散控制系统的数学描述和模拟控制器的数字化处理方法以及常用数字控制器控制器的数字化处理方法以及常用数字控制器（PID）的设计方法与实现。需要说明，这里研）的设计方法与实现。需要说明，这里研究的线性离散系统的差分方程都是常系数的。这究的线性离散系统的差分方程都是常系数的。这对于解决多数工程实际问题已经够用了。对于解决多数工程实际问题已经够用了。 工业控制中最常用的数字控制算法是工业控制中最常用的数字控制算法是数字数字PID控制

5、算法。对大多数控制对象，采控制算法。对大多数控制对象，采用数字用数字PID控制，均可达到满意的控制效果。控制，均可达到满意的控制效果。但是对于有特殊要求或具有复杂对象特性但是对于有特殊要求或具有复杂对象特性的系统，采用数字的系统，采用数字PID控制，则很难达到目控制，则很难达到目的。在这种情况下，需要从控制对象特性的。在这种情况下，需要从控制对象特性出发，运用系统控制理论来设计相应的控出发，运用系统控制理论来设计相应的控制算法，或者采用智能控制方法如本章的制算法，或者采用智能控制方法如本章的模糊控制等。模糊控制等。 连续系统的设计已经形成了一套系统的、成连续系统的设计已经形成了一套系统的、成熟

6、的、实用的设计法，并在控制领域为人们所熟熟的、实用的设计法，并在控制领域为人们所熟知和掌握。因此，在设计计算机控制系统时，仍知和掌握。因此，在设计计算机控制系统时，仍然经常使用连续系统的设计方法，首先设计出连然经常使用连续系统的设计方法，首先设计出连续系统的调节器续系统的调节器D(S)，再将，再将D(S)所描述的连续调所描述的连续调节规律，通过某种规则（即数字化方法）变为计节规律，通过某种规则（即数字化方法）变为计算机能够实现的数字调节规律算机能够实现的数字调节规律D(S)，这种方法称，这种方法称为模拟化设计方法。而数字为模拟化设计方法。而数字PID控制算法正是利控制算法正是利用上述方法求得的

7、。不过，用计算机实现用上述方法求得的。不过，用计算机实现PID控控制，不仅仅是简单地把制，不仅仅是简单地把PID控制规律数字化，而控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，使是进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，使PID控制更加灵活多样，更能满足生产过程提出控制更加灵活多样，更能满足生产过程提出的各式各样的要求。的各式各样的要求。91 PID（比例（比例积分积分微分）模拟控制器及离散化微分）模拟控制器及离散化 所谓所谓PID控制就是比例（控制就是比例（proportional）、）、积分（积分（integral）和微分（）和微分（differential）控制，）控制，对于实

8、际的物理系统，其被控对象通常都有贮能对于实际的物理系统，其被控对象通常都有贮能元件存在，这就造成系统对输入作用的响应有一元件存在，这就造成系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外，在能量和信息传输过程中，由定的惯性。另外，在能量和信息传输过程中，由于管道和传输等原因会引入一些时间上的滞后，于管道和传输等原因会引入一些时间上的滞后，往往会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，往往会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质，通常在系统中引入偏为了改善系统的调节品质，通常在系统中引入偏差的比例调节，以保证系统的快速性。引入偏差差的比例调节，以保证系统的快速性。引入偏差的积分调节以提

9、高控制精度，引入偏差的微分调的积分调节以提高控制精度，引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，这就形成了按偏差节来消除系统惯性的影响，这就形成了按偏差PID调节的系统，其控制结构如图调节的系统，其控制结构如图9-1所示。其控所示。其控制规律为：制规律为： A、B、C这三个参数可独立进行选择，但从这三个参数可独立进行选择，但从形式上已看不出比例、积分和微分对系统的不同形式上已看不出比例、积分和微分对系统的不同影响，便于系统调试，在工程上常采用影响，便于系统调试，在工程上常采用（917）式或（）式或（918）式进行计算机编程。）式进行计算机编程。PID计算程序可根据精度要求和计算速度选择定计算程序

10、可根据精度要求和计算速度选择定点计算和浮点计算。定点计算程序简单，运算速点计算和浮点计算。定点计算程序简单，运算速度快但精度受限。浮点计算适应范围宽，精度高，度快但精度受限。浮点计算适应范围宽，精度高，但程序复杂，运算速度慢。但程序复杂，运算速度慢。 在微机控制中，即要考虑控制器的计算精度，在微机控制中，即要考虑控制器的计算精度，又要考虑系统的实时性、通用性，这里给出一种又要考虑系统的实时性、通用性，这里给出一种较为实用的两字节定点较为实用的两字节定点PID计算方法，精度较高，计算方法，精度较高，程序又比较简单。总长为程序又比较简单。总长为16位。图位。图9-2给出了给出了PID计算程序框图和

11、内存分配图。图计算程序框图和内存分配图。图9-3为两字节定点为两字节定点数格式。为编程方便，设数格式。为编程方便，设92 PID控制器的几种改进形式控制器的几种改进形式 前面介绍三种形式的前面介绍三种形式的PID是理想的是理想的PID控制器，控制器，其实际控制效果并不理想。为了改善控制质量，其实际控制效果并不理想。为了改善控制质量，针对不同对象和条件，可以对针对不同对象和条件，可以对PID算式进行适当算式进行适当的改进，这就形成了几种非标准的的改进，这就形成了几种非标准的PID形式。形式。921串有低通滤波器的串有低通滤波器的PID算法算法 由于实际微机控制系统的采样回路都可能存由于实际微机控