数字控制器的直接设计方法之一(精)

第五章数字控制器的离散化设计⽅法第五章数字控制器的离散化设计⽅法数字控制器的连续化设计是按照连续控制系统的理论在S 域内设计模拟调节器，然后再⽤计算机进⾏数字模拟，通过软件编程实现的。

这种⽅法要求采样周期⾜够⼩才能得到满意的设计结果，因此只能实现⽐较简单的控制算法。

当控制回路⽐较多或者控制规律⽐较复杂时，系统的采样周期不可能太⼩，数字控制器的连续化设计⽅法往往得不到满意的控制效果。

这时要考虑信号采样的影响，从被控对象的实际特性出发，直接根据采样控制理论进⾏分析和综合，在Z 平⾯设计数字控制器，最后通过软件编程实现，这种⽅法称为数字控制器的离散化设计⽅法，也称为数字控制器的直接设计法。

数字控制器的离散化设计完全根据采样系统的特点进⾏分析和设计，不论采样周期的⼤⼩，这种⽅法都适合，因此它更具有⼀般的意义，⽽且它可以实现⽐较复杂的控制规律。

5.1 数字控制器的离散化设计步骤数字控制器的连续化设计是把计算机控制系统近似看作连续系统，所⽤的数学⼯具是微分⽅程和拉⽒变换；⽽离散化设计是把计算机控制系统近似看作离散系统，所⽤的数学⼯具是差分⽅程和Z 变换，完全采⽤离散控制系统理论进⾏分析，直接设计数字控制器。

计算机采样控制系统基本结构如图5.1所⽰。

图中G 0(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器的传递函数，G(z)是⼴义被控对象的脉冲传递函数，D(z)是数字控制器的脉冲传递函数， R(z)是系统的给定输⼊，C(z)是闭环系统的输出，φ(z)是闭环系统的脉冲传递函数。

零阶保持器的传递函数为：se s H Ts--=1)( （5-1）⼴义被控对象的脉冲传递函数为：[])()()(0s G s H Z z G = （5-2）由图可以求出开环系统的脉冲传递函数为：图5.1 计算机采样控制系统基本结构图)()()()()(z G z D z E z C z W == （5-3）闭环系统的脉冲传递函数为：()()()()()1()()C zD z G z z R z D z G z Φ==+ （5-4）误差的脉冲传递函数为：()1()()1()()e E z z R z D z G z Φ==+ （5-5）显然 )(1)(z z e Φ-=Φ（5-6）由式（5-4）可以求出数字控制器的脉冲传递函数为：)](1)[()()(z z G z z D Φ-Φ= （5-7）如果已知被控对象的传递函数G 0(s)，并且可以根据控制系统的性能指标确定闭环系统的脉冲传递函数φ(z)，由上式可以得到离散化⽅法设计数字控制器的步骤：（1）根据式（5-2）求出⼴义被控对象的脉冲传递函数G(z)。

PID控制算法介绍与实现一、PID的数学模型在工业应用中PID及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的万能算法,如果能够熟练掌握PID算法的设计与实现过程，对于一般的研发人员来讲，应该是足够应对一般研发问题了,而难能可贵的是,在很多控制算法当中,PID控制算法又是最简单，最能体现反馈思想的控制算法，可谓经典中的经典。

经典的未必是复杂的，经典的东西常常是简单的,而且是最简单的。

PID算法的一般形式：PID算法通过误差信号控制被控量,而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。

这里我们规定（在t时刻）：1.输入量为2。

输出量为3.偏差量为二、PID算法的数字离散化假设采样间隔为T,则在第K个T时刻:偏差=—积分环节用加和的形式表示，即 + + …微分环节用斜率的形式表示，即［—]/T；PID算法离散化后的式子：则可表示成为：其中式中：比例参数:控制器的输出与输入偏差值成比例关系.系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。

特点:过程简单快速、比例作用大，可以加快调节,减小误差；但是使系统稳定性下降，造成不稳定,有余差.积分参数：积分环节主要是用来消除静差，所谓静差，就是系统稳定后输出值和设定值之间的差值，积分环节实际上就是偏差累计的过程,把累计的误差加到原有系统上以抵消系统造成的静差.微分参数：微分信号则反应了偏差信号的变化规律，或者说是变化趋势，根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节，从而增加了系统的快速性。

PID的基本离散表示形式如上。

目前的这种表述形式属于位置型PID，另外一种表述方式为增量式PID，由上述表达式可以轻易得到:那么:上式就是离散化PID的增量式表示方式,由公式可以看出，增量式的表达结果和最近三次的偏差有关,这样就大大提高了系统的稳定性。

需要注意的是最终的输出结果应该为：输出量 = + 增量调节值三、PID的C语言实现1。

位置式PID的C语言实现上边已经抽象出了位置性PID和增量型PID的数学表达式，这里重点讲解C语言代码的实现过程.第一步：定义PID变量结构体，代码如下：struct t_pid{float SetSpeed；//定义设定值float ActualSpeed; //定义实际值float err； //定义偏差值float err_last; //定义上一个偏差值float Kp,Ki，Kd; //定义比例、积分、微分系数float voltage；//定义电压值（控制执行器的变量）float integral; //定义积分值｝pid;第二部：初始化变量，代码如下：void PID_init（）｛pid。

第四章控制算法与策略按偏差的比例、积分和微分进行控制的控制器（简称为PID控制器、也称PID 调节器），是过程控制系统中技术成熟、应用最为广泛的一种控制器。

它的算法简单，参数少，易于调整，并已经派生出各种改进算法。

特别在工业过程控制中，有些控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数不容易确定，运用控制理论分析综合要耗费很大代价，却不能得到预期的效果。

所以人们往往采用PID控制器，根据经验进行在线整定，一般都可以达到控制要求。

随着计算机特别是微机技术的发展，PID控制算法已能用微机简单实现。

由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善［14］。

在本章中，将着重介绍基于数字PID控制算法的系统的控制策略。

4.1采用周期T的选择采样周期T在微机控制系统中是一个重要参数，它的选取应保证系统采样不失真的要求，而又受到系统硬件性能的限制。

采样定理给出了采样频率的下限，据此采样频率应满足，①'2①，其中①是原来信号的最高频率。

从控制性能Smm来考虑，采样频率应尽可能的高，但采样频率越高，对微机的运行速度要求越高，存储容量要求越大，微机的工作时间和工作量随之增加。

另外，当采样频率提高到一定程度后，对系统性能的改善已不明显［14］。

因此采样频率即采样周期的选择必须综合考虑下列诸因素：（1）作用于系统的扰动信号频率。

扰动频率越高，则采样频率也越高，即采样周期越小。

（2）对象的动态特性。

采样周期应比对象的时间参数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程。

（3）执行器的响应速度。

如果执行器的响应速度比较缓慢，那么过短的采样周期和控制周期将失去意义。

（4）对象的精度要求。

在计算机速度允许的情况下，采样周期越短，系统调节的品质越好。

(5)测量控制回路数。

如果控制回路数多，计算量大，则采样周期T越长,否则越小。

(6)控制算法的类型。

当采用PID算式时，积分作用和微分作用与采样周期T的选择有关。

选择采样周期T太小，将使微分积分作用不明显。

楼控-基础培训-DDC(直接数字控制器）的介绍DDC系统介绍何谓DDCDDC(Direct Digital Control)意指「直接数字控制」。

近几年来，它代替了传统控制组件，如温度开关、接收控制器或其它电子机械组件等，成为各种建筑环境控制的通用模式。

DDC系统是利用微信号处理器来做执行各种逻辑控制功能，它主要采用电子驱动，但也可用传感器连接气动机构。

所有的控制逻辑均由微信号处理器，并以各控制器为基础完成，这些控制器接收传感器，常用融点或其它仪器传送来的输入信号，并根据软件程序处理这些信号，再输出信号到外部设备，这些信号可用于启动或关闭机器，打开或关闭阀门或风门，或按程序执行复杂的动作。

这些控制器可用手操作中央机器系统或终端系统。

何谓DDC终端系统一个终端系统是机械系统中用于服务一单独区域的组成部分，例如:一个单独的风机盘管控制器、VAV控制器、热泵控制器…等。

DDC终端是DDC的应用系统。

这是应用于商业建筑的控制工业的新发展，它可提供整个建筑暖通空调系统的运行情况。

DDC终端系统的控制水平信息处理与控制的水平取决于机器设备的形式，如VAV终端，其操作系统通过设置是否需加热或降温的气流温度设定点，根据气流流量和设置最大最小的流量值，操作可设定的工作时间表，假日时间表，允许忽略时间，如装有排气感温棒，还可根据排气温度。

它可监控每个VAV的风扇运行时间和管道加热器工作时间。

其它终端系统也是类似的，但对系统的影响有所不同。

DDC系统的主要优点专门使用的DDC系统具有很多优点，以下列出其中最重要的几点：1. 操作：终端DDC系统是建筑物管理的有力工具，它的操作系统可方便地管理一个或多个岗位，可及时按客户要求或程序要求作出反应，DDC系统允许控制器在操作时间内同时具有其它功能，这一点是区别于传统系统的。

DDC系统可以单个终端获得整个建筑操作的所有信息，这就具有很强的故障诊断能力。

2. 降低费用：一个良好设计的DDC系统可在能源和人力方面降低费用。

微型计算机控制技术课后答案微型计算机控制技术课后答案习题⼀1，微型计算机控制系统的硬件由哪⼏部分组成各部分的作⽤是什么答：CPU，接⼝电路及外部设备组成。

CPU，这是微型计算机控制系统的核⼼，通过接⼝它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进⾏实时检测及处理。

接⼝电路，微机和⽣产对象之间进⾏信息交换的桥梁和纽带。

外部设备：这是实现微机和外界进⾏信息交换的设备2，微型计算机控制系统软件有什么作⽤说出各部分软件的作⽤。

答：软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。

整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进⾏的，因此说软件是微机系统的中枢神经。

就功能来分，软件可分为系统软件、应⽤软件1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门⽤来使⽤和管理计算机的程序。

对⽤户来说，系统软件只是作为开发应⽤软件的⼯具，是不需要⾃⼰设计的。

2)应⽤软件:它是⾯向⽤户本⾝的程序，即指由⽤户根据要解决的实际问题⽽编写的各种程序。

3，常⽤⼯业控制机有⼏种它们各有什么⽤途4，操作指导、DDC和SCC系统⼯作原理如何它们之间有何区别和联系答：(1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作⽤于⽣产对象，属于开环控制结构。

计算机根据数学模型、控制算法对检测到的⽣产过程参数进⾏处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作⽤。

(2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct DigitalControl)系统就是通过检测元件对⼀个或多个被控参数进⾏巡回检测，经输⼊通道 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT送给微机，微机将检测结果与设定值进⾏⽐较，再进⾏控制运算，然后通过输出通道控制执⾏机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

DDC系统是闭环系统，是微机在⼯业⽣产过程中最普遍的⼀种应⽤形式。

简述数字控制器的离散化设计的步骤数字控制器（Digital Controller）是一种用数字信号来控制机械或电气系统的设备。

数字控制器的核心是控制算法，因此离散化设计是数字控制器设计的重要环节之一。

本文将介绍数字控制器的离散化设计步骤。

一、系统建模系统建模是数字控制器设计的第一步。

系统建模的目的是将被控制系统的动态行为以数学模型的形式描述出来。

常用的系统建模方法有传递函数法、状态空间法等。

二、控制算法设计控制算法设计是数字控制器的核心环节。

控制算法的目的是将系统的控制目标转化为数字控制器可执行的指令。

常用的控制算法有比例控制、积分控制、微分控制、PID控制等。

三、采样周期选择采样周期是数字控制器离散化设计中的重要参数。

采样周期的选择应根据被控制系统的动态特性、控制算法的要求以及数字控制器的性能指标等因素进行综合考虑。

一般来说，采样周期越小，数字控制器的响应速度越快，但是也会增加系统的计算负担。

四、离散化方法选择离散化方法是将连续时间系统转化为离散时间系统的过程。

常用的离散化方法有零阶保持法、一阶保持法、Tustin变换法等。

离散化方法的选择应根据被控制系统的动态特性、控制算法的要求以及数字控制器的性能指标等因素进行综合考虑。

五、数字控制器实现数字控制器实现是数字控制器离散化设计的最后一步。

数字控制器的实现可以采用FPGA、DSP、单片机等硬件平台，也可以采用C、C++等编程语言进行软件实现。

数字控制器实现的目的是将离散化后的控制算法实现为数字控制器可执行的指令。

数字控制器的离散化设计包括系统建模、控制算法设计、采样周期选择、离散化方法选择和数字控制器实现等步骤。

离散化设计的目的是将连续时间系统转化为数字控制器可执行的指令，从而实现对被控制系统的精确控制。

第四章数字控制器的连续化设计方法模拟控制系统的控制过程是通过传感器把被测的各个模拟参量，比如温度、流量、压力、液位、成份等，变换成电信号（电流、电压），再送给模拟调节器。

在调节器中，被测模拟参量转换成的电信号与设定值进行比较后，经过PID控制器送到执行机构，改变进给量，达到自动调节的目的。

系统的控制器是连续模拟环节，也称为模拟调节器。

而在数字控制系统中，用数字控制器来代替模拟调节器。

传感器输出的电信号通过A/D转换器转换成数字信号，送给数字控制器。

控制器按照一定的控制算法进行运算处理后，输出控制量，再经过D/A转换成模拟量，通过执行机构去控制生产过程，使控制参数达到给定值。

在计算机控制系统中，用计算机来控制和调节被控对象，实现数字控制器的功能。

计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的控制算法，并通过控制程序加以实现，对硬件电路、外围设备、执行机构等进行控制，实现控制功能。

为什么要用计算机实现数字控制器的功能？主要是因为它有以下优点：（1）可以分时控制，实现多回路控制计算机的运行速度比较快，而被控对象变化一般都比较缓慢，因此用一台计算机可以控制多个外围设备。

计算机采用分时控制，轮流为每个外围设备服务，既提高了控制系统的速度，又大大节省了硬件开销。

（2）控制算法灵活，功能强大，能实现复杂的控制规律使用计算机，通过控制程序实现控制算法，可根据实际需要调节控制参数，不需要修改硬件就可改变控制方案，因此非常灵活。

此外计算机不仅可以实现数字PID控制，而且还可以应用直接数字控制、模糊控制、自适应控制等各种控制方法。

计算机控制系统中，计算机不仅要完成控制任务，还可实现监控、数据采集、显示、报警等各种功能，因此控制系统的功能非常强大，可以节约人力、物力。

（3）系统的可靠性高，稳定性好用应用软件实现数字控制器的功能，比用硬件组成的调节器具有更高的可靠性和稳定性，而且容易调试，维修方便。

第五讲 DDC 控制所谓DDC 是英文direct digital control 的缩写，即“直接数字控制”。

指计算机的输出不是通过模拟控制器间接作用于被控对象，而是通过D/A 转换直接作用于被控对象，从而实现对被控对象的闭环调节控制。

实现DDC 控制通常有两种方法：一种是通过经典控制理论设计模拟调节器，然后在计算机软件中对模拟算法进行数字模拟。

第二种方法是采用离散控制理论直接分析和设计数字控制器。

前一种方法为广大技术人员所熟识所以，目前采用的数字控制方法大都属于用数字调节器来替代模拟调节器的方法。

在这一节，作为基础我们将介绍如何用代替方法设计一个温控器的DDC 控制程序，以及怎样将其调试到实用的程度。

我们过去在自动控制原理课中，已经学到了许多有关闭环调节系统得知识，为了使一个系统快、准、稳的达到预定的目标，必须采用恰当的环节对系统进行校正。

按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为 PID 调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。

PID 调节器结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。

特别在工业过程中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，但往往不能得到预期的效果，所以人们常采用 PID 调节器，并根据经验进行在线整定。

由于软件系统的灵活性，PID 算法可以得到修正而更加完善。

本章将着重介绍数字 PID 控制算法以及与此有关的问题。

5.1基本控制规律一个典型的单输入单输出的闭环控制系统如图所示。

其中，PID 调节的任务是在任意时刻根据输入e 和给出输出u ，使被控对象保持输出c 接近于给定值x 。

确定校正装置的具体形式时，应先了解校正装置提供的控制规律，常常采用比例、积分、微分等基本控制规律，或者这些基本控制规律的某些组合，如比例-微分、比例-积分、比例-积分-微分等控制规律，以实现对被控对象的有效控制。

数字PID控制系统设计I-V1（正文开始）数字PID控制系统是目前工业自动化控制中最为常用的一种控制策略，也是最经典的控制器设计方法之一。

数字PID控制系统可以利用数字计算机进行计算和控制，提高了系统的可靠性和控制精度。

一、PID控制器概述PID控制器是一种常用的反馈控制器，其名称由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个单词组成。

PID控制器的作用是通过反馈信号使输出信号与期望信号相比较，控制系统的误差在一定范围内，从而达到自动调节的效果。

PID控制器的参数调节具有一定的难度，需要深入了解控制问题的本质和掌握相关的数学知识。

二、数字PID控制系统设计步骤1. 建立系统模型：将控制对象建立数学模型，为控制器设计奠定基础。

2. 选择控制策略：选择PID控制器作为控制策略，进行控制器的参数整定。

3. 控制器参数整定：从稳定性、动态性、精度三个方面进行考虑，利用试控法或优化算法对PID控制器的三个参数进行定量的优化。

4. 实现数字化：将模拟信号转换为数字信号，采用微处理器或FPGA芯片实现。

5. 硬件设计：将数字信号转换成控制信号，采用适当的驱动器设计结构。

6. 软件编程：利用编程语言设计控制算法，实现控制器的实时控制。

三、PID控制器参数整定方法1. 经验法：通常根据类似于经验公式的经验法来进行参数的初步整定，再进行进一步的试控。

2. 试控法：采用模拟控制实验进行调节，通过实验获得适当的参数，但是实验比较复杂，要求现场设备和支持设备。

3. 优化算法：通过数学优化算法，对PID控制参数进行调整，减少试控工作量，常用的有遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法等。

四、案例分析以温度控制为例，假设所控制的对象为热水器，控制系统的任务为将热水器中的水温控制在设定温度范围内。

步骤：1. 建立系统模型：根据热传导方程式，建立热水器水温的数学模型。

2. 选择控制策略：根据经验法，选择PID控制策略，并初步选择PID 控制器的参数。

《计算机控制》课程设计报告题目: Dahlin算法控制器设计**: ***学号: *********2012年7月13日《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2012年7 月5 日一．课题名称Dahlin 算法控制器设计二．课程设计目的课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。

《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。

计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。

通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。

三．提供的实验条件（1）软件：Matlab, Altium Designer ，KEIL （2）仪器和设备：计算机、单片机四．课程设计内容被控对象为s e s s s G 12)110)(2.0(20)(-++=，T=0.5s ，6=τT ,采用Dahlin算法设计消除振铃的数字控制器。

五．工作原理在控制系统应用中，纯滞后环节往往是影响系统动态特性的不利因素。

工业过程中如钢铁，热工和化工过程中往往会有纯滞后环节。

对这类系统，控制器如果设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。

由于纯延迟的存在，使被控量对干扰、控制信号不能即时的反映。

即使调节机构接受控制信号后立即动作，也要经过纯延时间t 后才到达被控量，使得系统产生较大的超调量和较长的调节时间。

当t >=0.5T （T 为对象的时间常数）时，实践证明用PID 控制很难获得良好的控制品质。