第十一章数字控制器的直接设计方法演示文稿

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第十一章数字控制器的直接设计方法演示文稿

U (s) Gp (s)es
Y (s)
1 D(s)GP (s)e s 0
分析：
图18 带纯滞后环节的控制系统
特征方程包含有纯滞后环节，使系统的稳定性下降，尤
其当较大时，系统就会不稳定。
第三页，共30页。
施密斯（Smith）预估控制：在 PID反馈控制的基础上，引入一个预估补偿环
节，使闭环特征方程不包含有纯滞后环节，以提高控制质量。
Ku (z)
极点：
GC (z) G(z)
(1
eT / T )(1 eT / T1 z1 )(1 eT / T2 z1 )
a Tf Tf T
b T •Kf Tf T
③ 计算偏差 e2 (k )
e2 (k ) e1(k ) y (k )
④ 计算控制器的输出 u(k)
u(k) u(k 1) u(k)
第八页，共30页。
u(k) u(k 1) u(k)
KI
KP
T TI
KD
KP
TD T
第九页，共30页。
其中：
C1
1
T2
1 T1
(T1eT / T1
T2eT / T2
)
11
C2
T ( )
e T1 T2
T2
1 T1
(T1eT / T2
T2eT / T1 )
第十七页，共30页。
达林算法
例2
Gp (s)
e 2s s(s 1)
采样周期T＝1s，试用达林算法设计数字控制器D(z)。
广义对象的脉冲传递函数
K (C1 C2 z 1 )[1 eT /T z 1 (1 eT /T )z N1 ]
第十六页，共30页。

直接数字控制器操作规程PPT课件(39页)

储酒罐测控装置
一、概述储酒罐测控装置可满足大多数葡萄酒厂的陈酿工艺。该装置以智能仪表为核心，随时对储酒罐进行监测，仪表支持RS485总线通讯，方便组成基于计算机的监控系统。二、功能与特点
该装置以公司开发的DMC智能仪表为核心，配以传感器、控制器等组成。各酒罐被视为独立测控对象，一罐一表，具有相对独立的可靠性。 DMC智能仪表还具有传感器开路检测、故障报警等功能，使其更具可靠性主要功能：
DDC系统的应用
多用于中央空调，新风机组，给排水换热站等机电没备温度、湿度、压力、流量等测量控制。在集散控制系统中，通常用作现场直接控制器,通过通讯总线与中央控制站联络。
江森控制器的系统组成
目前，在我国的智能楼宇系统中，江森作为世界三大品牌之一，具有一定的市场。 METASYS 系统主要是由操作站）、网络控制器、直接数字控制器等构成。操作站网络控制器最常用的连接方式是N1通信网络，N2 通信总线作为现场存取网络，负责连接直接数字控制器及接口模块至网络控制器。
直接数字控制DDC系统的功能
通过预定的程序完成各种控制功能，包括P控制、PI控制、PID控制、开关控制、平均值控制、最大/最小值控制、焓值计算控制、逻辑运算控制和联锁控制等。对现场的设备执行各种命令（执行时间、事件响应程序、优化控制程序等）。
DDC控制器的结构及原理
DDC 控制器内部包含了可编程序的处理器，采用了模块化的硬件结构，可以对模块进行不同的组合，执行不同的控制功能。
直接数字控制器DDC系统特点
1、可将建筑联网 2、能提供过往使用纪录 3、操作人员不需要计算机经验 4、DDC系统能协助顾问工程师 5、DDC系统对服务和管理公司的益处 6、DDC系统控制设备与机械系统设备之差异 7、DDC系统适用的建筑大小

数字控制器设计PPT课件

• • 且系统在任意输入U (s)下
的输出为
• 求拉氏反变换得到时域响应为
• 故得
第187页/共170页
5.1 计算机控制系统的理论基础
• 离散系统的数学描述
• 1．离散时间信号与采样信号的表示
• 1）图示法
任意离散信号序列图示法
第198页/共170页
5.1 计算机控制系统的理论基础
• 2）表格法
第354页/共170页
• 7）实数卷积定理
• 设f1*(t)、 f2*(t)函数的Z变换分别为
F1(z)、 F2(z) ，且t<0时，f1(t)=f2(t)=0，则
第365页/共170页
5.1 计算机控制系统的理论基础
• 3．Z反变换
• 根据F(z)求采样函数f*(t)或离散函数f(nT)
的过程称为求Z反变换，记为
• 关于Z变换的几点说明如下：
• ① 是关于z的幂级数。 • ② Z变换的物理意义表现在延迟性上。 • ③ Z变换的实质是拉氏变换。 • ④ 连续函数不存在Z变换。
• ⑤ 平面在平面的映像第2。98页/共170页
5.1 计算机控制系统的理论基础
s平面在z平面的映像
第3209页/共170页
5.1 计算机控制系统的理论基础
• 1）开环系统的Z 传递函数
• 对连续系统，串联环节的传递函数等于各环节传递函数的乘积。
• 对于离散系统，串联环节间有同步采样开关，如图5-11（b）所示，
G（z）= G1（z） G2（z）。
• 串联环节间没有同步采样开关，如图5-11 （C）所示。
G（z）= G1 G2 （z）。
第510页/共170页
• 时域系统可表示为

数字控制器z域直接设计方法PPT学习教案

系统进入稳态后，加到被控对象上的控制信号还在波动，则稳态过程中系统
T2
e(1)
,
2
T2
e ( 2)
,
2
e( 3) e(4) ... 0
单位加速度输入时，最少拍系统能在三个采样
周期内达到采样点上无偏差，即 ts = 3T。
第15页/共51页
★ 三种典型输入的最少拍系统
输入函数
r(t)
1(t)
t
t2/2
误差传函
e(z)
闭环传函
(z)
最少拍控制器
I）若G(z)有不稳定的零点则Φ(z) 也含有G(z)所有不稳定
的零点；
II） G(z)所有不稳定的极点（(1,0j)除外），由Φ e(z)的零点
来抵消。
第5页/共51页
G( z )
(1 ai z 1 )Q( z )
i
(1 b j z 1 ) P( z )
j
其中， ai 与 bj 分别为G(z)中单位圆上或圆外的零点与极点；
D( z )

G( z )[1 Φ( z )]
G( z )(1 z 1 ) 3
此时
T 2 z 1 (1 z 1 )
T 2 1 T 2 2
1 3
E ( z ) R( z )Φe ( z )
(1 z )
z
z
1 3
2
2
2(1 z )
e ( 0) 0 ,
k 0
最少拍随动系统要求在典型输入的作用下，系统的稳态误差为零。
第10页/共51页
E ( z ) R ( z ) e ( z )
A( z )
e ( z)

数字控制器的直接设计ppt

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z2
z3
c(0) 0 , c(T ) 2 , c(2T ) c(3T ) c(nT ) 1
► 单位加速度输入时：
C(nT) 12
8
C(z) (z)R(z)
4
(2z
1
z
2
)
T
2 z 1(1 z 1 2(1 z 1 )3
包权
人书友圈7.三端同步
典型输入下最少拍系统的设计方法
E(z) e (z)R(z)
而
R(z)
A( z1) (1 z1)m
所以：E ( z )
e (z) A(z1) (1 z1)m
e() lim[(z 1)E(z)] lim[(z 1)e(z)R(z)] 0
z 1
z 1
e (z) (1 z1)M F (z1)
H0(s)GC (s)
Z
1 eTs
s
GC (s)
＝（1-z-1)Z (GC (s)) s
R(z)

数字控制器的设计数字控制器的PID设计方法PPT课件

0
其中：Ti 为积分时间常数。
u
积分调节的特点：调节器的输出
与偏差存在的时间有关。只要偏
u0
差不为零，输出就会随时间不断
增加，并减小偏差，直至消除偏
0
差，控制作用不再变化，系统才
能达到稳态。
缺点：降低响应速度。
第9页/共79页
1
t0
t0 Ti
t Kp Kp
t
PI调节器的阶跃响应
设计方法
e
1、设计假想的连续控制器D(s)
• 由于多数工程技术人员对s平面(频率法、根轨迹法) 比z平面更为熟悉，因此数字控制器的连续化设计技
第4页/共79页
设计方法
•
设计目标是：设计出控制器的控制规律和控制算法，以
使系统单位阶跃响应满足给定的性能指标。
图5-19 数字控制系统的结构图
•
当忽略回路中所有的采样器和零阶保持器时，系统结构
就如同连续系统结构一样，如图5-20所示。
则有： D(z) D(s) s2 z1 T z1
双线性变换也可以从数值积分的梯形法对应得到。
第12页/共79页
设计方法 2、将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z) （1）双线性变化法
双线性变换法的几何意义是梯形法求积分，如图5-22所示。 • 设积分控制规律为 • 经过变换，数字控制器为
双线性变换的特点：
将整个S左半平面变换到Z平面的单位圆内；
共稳同定点的：D(s) 变换成稳定的 D(z) ，不稳定 D ( s) 变换成不稳定(1D)D(z(z)).不能保持D(s)的频率响应。 (2) 不用查表，使用方便。
第21页/共79页
设计方法
2、将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)

数字控制技术PPT课件

理布局和安装。
被控对象
被控对象是数字控制系统所控制的设备或系统，可以是机械、电
气、液压等类型。
被控对象的特性对于控制系统的设计具有重要的影响，需要充分了解被控对象的特性和动态特性。
对于复杂的被控对象，需要进行建模和仿真，以便更好地设计控
制系统。
04 数字控制系统的性能指标
稳态性能指标
稳态误差
控制器通常由微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）或数字信号处理器（DSP）等构成，具有高度的灵活性和可编程性。
控制器的性能直接影响整个数字控制系统的性能，因此选择合适的控制器是至关重要的。
执行器
执行器是数字控制系统的输出部分，负责将控制器的输出信号转换为实际的控制动作。
执行器种类繁多，包括电动、气动、液压等类型，根据被控对象的需要选择合适的执行器。
衡量系统接近稳态时的误差大小，反映系统的跟踪精度。
静态特性
描述系统在稳态下的输出特性，如线性度、稳定性等。
ABCD
稳态误差系数
表示系统稳态误差与输入信号幅值的比例，用于评估系统输出与设定值之间的偏差。
调节时间
系统从启动到达到稳态所需的时间，反映系统的响应速度。
动态性能指标
动态响应
描述系统对输入信号的响应速度和变化规律，包括超调和调节时间等。
数字控制技术ppt课件
目录
• 引言 • 数字控制技术的概述 • 数字控制系统的基本组成 • 数字控制系统的性能指标 • 数字控制系统的设计方法 • 数字控制系统的实现 • 数字控制技术的发展趋势和挑战 • 结论
01 引言
主题简介
数字控制技术
介绍数字控制技术的定义、发展历程和应用领域，阐述其在现代工业自动化中的重要地位。

数字控制器的设计方法

THANKS
数字控制器的实时性与精度问题
要点一
实时性
要点二
精度问题
数字控制器需要快速地处理输入信号并输出控制指令，以满足系统的实时性要求。
数字控制器的精度取决于其位数和量化误差，位数越高，精度越高。
数字控制器的可靠性与稳定性问题
可靠性
数字控制器的可靠性取决于其硬件和软件的可靠性设计。
稳定性问题
数字控制器的稳定性与系统的动态特性和控制参数有关。
参数优化
根据仿真结果，对控制器的参数进行优化，提高系统的性能。
仿真与优化
数字仿真
利用数字计算机对控制系统进行仿真，评估控制效果。
优化调整
根据仿真结果，对控制器参数进行优化调整，提高系统的性能指标。
03
常见控制算法
PID控制器
比例环节
根据误差信号的大小调整输出，以快速减小误差。
积分环节
对误差进行积分，以消除长期误差。
VS
状态空间模型
如果需要，可以建立系统的状态空间模型，以更全面地描述系统的动态特性。
选择合适的控制算法
PID控制算法
常用的控制算法，通过比例、积分和微分环节来调整系统输出。
模糊控制算法
适用于非线性、时变系统，通过模糊逻辑和规则进行控制决策。
设计数字控制器
离散化控制器
将连续的模拟控制器离散化为数字控制器，号。
求解方法
03
使用数学优化方法或启发式算法来求解最优解。
04
设计实例与案例分析
实例一：温度控制系统设计
总结词
通过PID算法实现温度的精确控制。
详细描述
在温度控制系统中，数字控制器通过接收温度传感器采集的温度数据，根据设定的温度目标，利用 PID算法计算出控制信号，以调节加热元件的功率，实现对温度的精确控制。

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e s
预估器的传递函数
G
(S
)
Gp
(S )(1
e
S
)
1
Kf Tf
s
(1
e
S
)
R(s)
① 计算反馈回路的偏差 e1(k ) e1(k) r(k) y(k)
e1 (k )
T
e2 (k) D(s) T
u(k) T
y (k)
T Dτ (s)
Gho(s)
G(s)
Y (s)
② 计算纯滞后补偿器的输出 y (k)
(s)
K 1 T1s
e s
或：
Gp
(s)
(1
K T1s)(1
T2 s)
e s
达林算法
达林算法的设计目标是要设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统相当于一阶惯性环节。
如果被控对象有纯滞后，则闭环系统还包括
同样的纯G滞C后(环s)节，即：1 es T s 1
系统中采用的保持器为零阶保持器，与 GC(s)
纯滞后补偿的数字控制器由两部分组成：一部分是数字
PID控制器；一部分是施密斯预估器。施密斯预估器
滞后环节使信号延迟， u(k) 为此，在内存中专门设
定N个单元作为存放
Gp (s) m(k)
yτ(k)
e s
m(k N)
信号的历史数据，存储
单元的个数 m(k) 。
N /T
图中，u(k) 是PID数字控制器的输出，yτ (k)是施密斯预估器的输出 y (k) m(k) m(k N )
Y (s) U (s)
Gp (s)(1
e s )
Kf 1 Tf
s
(1
e NTs
)
y (k) ay (k 1) b[u(k 1) u(k N 1)]
a Tf Tf T
b T •Kf Tf T
③ 计算偏差 e2 (k )
e2 (k ) e1(k ) y (k )
④ 计算控制器的输出 u(k) u(k) u(k 1) u(k)
(s)
10 1
1 2s
可见比例增益约扩大9倍，积分时间缩小为原来的1/5，仿真结果表明控制作用有了明显加强。
图23 Smith与PID仿真实验结果比较
第四节达林算法
在控制系统设计中，纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素，工业过程中如热工和化工过程中往往会有这样的纯滞后环节。这种系统如果控制器设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。
具有纯滞后补偿的模拟控制器
R(s) E(s)
D(s)
D(s)
U (s) Gp (s)e s
Y (s)
Gp (s（) 1－es）
图19 带施密斯预估器的控制系统
由施密斯预估器和调节器 D(s) 组成的补偿回路称为纯
滞后补偿器。其传递函数为补偿后的系统闭环传递函数
D(s) D'(s) 1 D(s)Gp (s)(1 es )
Y (s)
1 D(s)GP (s)e s 0
分析：
图18 带纯滞后环节的控制系统
特征方程包含有纯滞后环节，使系统的稳定性下降，
尤其当较大时，系统就会不稳定。
施密斯（Smith）预估控制：在 PID反馈控制的基础上，引入一个预估补偿
环节，使闭环特征方程不包含有纯滞后环节，以提高控制质量。
第十一章数字控制器的1 施密斯（Smith）预估控制
单回路控制系统闭环传递函数
(s)
Y (s) R(s)
D(s)GP (s)e s 1 D(s)GP (s)e s
系统的特征方程为
R(s) E(s) D(s)
U (s) Gp (s)es
而对这类系统的控制要求，快速性往往是次要的，通常主要要求系统没有超调量或很少超调量，要求系统闭环稳定，而调整时间允许在较多的采样周期内结束。
对这样的系统，若采用PID算法，效果往往不好。这时可采用达林算法。
达林算法
连续时间的被控对象Gp(s)是带有纯滞后的一阶或二阶惯性环节，即：
Gp
) z N 1
D(z)即为所求的数字控制器，显然它随被控对象不同而不同。
达林算法
*一阶惯性环节加纯时滞τ＝NT的被控对象，其广义对象脉冲传递函数HG(z)为：
HG(z) Z[1 eTs KeNTs ] s T1s 1
Kz N 1
1 eT /T1 1 eT /T1 z 1
它所对应的达林算法控制器
相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数为
达林算法
GC( z)
Y (z)
1 eTs Z[
e NTs
]
R(z)
s
T s 1
z N 1 1 eT / T 1 eT / T z 1
达林算法所设计的控制器：
D(z) 1 GC(z) HG(z) 1 GC(z)
1 HG(z)
z N 1(1 eT /T ) 1 eT /T z 1 (1 eT /T
(1 eT /T )(1 eT /T1 z1 ) D(z)
K (1 eT /T1 )[1 eT /T z1 (1 eT /T )zN1 ]
(s)
D'(s)Gp (s)es 1 D'(s)Gp (s)es
D(s)Gp (s) es 1 D(s)Gp (s)
第三节纯滞后补偿算法：史密斯预估器
说明：经补偿后，e 在s 闭环
y (t )
控制回路之外，不影响系统的
y(t) ( 0) y(t) ( 0)
稳定性，仅将控制作用在时间 1
坐标上推移了一个时间，控
制系统的过渡过程及其它性能
指标都与对象特性为Gp(S) 时完全相同。
0
t
图20 纯滞后补偿系统输特性
具有纯滞后补偿的数字控制器
R(s)
e1 (k )
T
e2 (k) D(s) T
u(k) T
y (k)
T Dτ (s)
Gho(s)
图21 计算机纯滞后补偿控制系统
G(s)
Y (s)
第三节纯滞后补偿算法：史密斯预估器
图22 施密斯预估器方框图
每采样一次，把 m(k) 记入0单元，同时把0单元原来存放数据移到1单
元，…，依此类推。从单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期的
信号。 m(k N)
纯滞后补偿控制算法步骤
设：工业对象近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的串联
Gc (s)
Gp (s)e s
Kf 1 Tf s
u(k) u(k 1) u(k)
KI
KP
T TI
KD
KP
TD T
例1 已知一个一阶加纯滞后过程的传递函数G(s) 1 e10s
10s 1
单位阶跃信号输入，采样周期T 0.5s ，采用PI控制
最佳整定参数的控制器算式为
DPI
(
s
)
1.1
1
1 10s
在经过史密斯补偿后，控制器算式为：DSmith

第十一章数字控制器的直接设计方法演示文稿

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