第七章 控制系统的经典设计方法

第7章计算机控制系统的直接设计方法在连续控制系统中，PID控制器以及其它控制器一般来说能够取得满意的响应性能。

PID控制作用的调整只限于调整比例增益，积分增益以及微分增益。

在数字控制系统中，控制算法不限于PID这样的特殊算法。

事实上，数字控制器可以产生无限多种控制作用。

在上一章中，我们讨论了连续域—离散化设计方法。

本章中，我们讨论在离散域（即Z域）数字控制器的直接分析设计方法。

主要内容有：1. 快速系统离散域直接设计所设计出来的控制器，当系统受到特殊类型输入作用时，在有限采样周期内，可以使误差趋于零，也就是说，在尽可能少的采样周期后，误差趋于零并维持零。

计算机控制系统常以多少个采样周期来计时，一个采样周期T称为一拍，所以常把快速系统称为最少拍系统。

因此最少拍系统的性能指标为⑴系统稳定。

⑵对某确定的典型输入信号（如阶跃输入），稳态误差等于零。

这有两种情况：①要求在采样点上稳态误差等于零，采样点之间稳态误差不为零，见图7.1（a）。

②不仅在采样点上，而且在采样点之间稳态误差都等于零,见图7.1（b）。

常把前者称为有纹波系统，后者称为无纹波系统。

⑶在满足以上条件的前提下，系统应以最快速度达到稳态。

2. 慢速系统离散域直接设计所谓慢速系统一般是指被控对象具有大惯性、长滞后的性质。

值得说明的是，随着科学技术的发展，计算机控制系统离散域直接设计方法的研究发展迅速，新方法层出不穷。

相信计算机控制系统的直接设计方法会日渐成熟，得到广泛的应用。

7.1 最少拍数字控制器设计方法我们从最简单的系统设计开始。

本节介绍最少拍数字控制器设计方法是针对被控对象脉冲传递函数是稳定的，且输入信号为单位阶跃函数。

这种方法有直观的物理概念，计算相当简单，调整、反复计算容易。

根据数字控制器的输出序列中的第一个值，即控制量的初值)0(u ，是否人为地加以规定，分两种情况处理：一是控制量的初值)0(u 不加规定；二是控制量的初值)0(u 加以规定。

动态性能差，稳定裕度小
z 0.9672 G ( z ) 0.004837k ( z 1)( z 0.9048)
第三步：设计D(z)
z 0.9048 D( z ) 3.15 z 0.7
例2:
性能指标要求：
解：由性能指标得 期望的极点区域
z 0.718 G ( z ) 0.07355k ( z 1)( z 0.3678)
采用超前校正
z 0.8 D( z ) 6 z 0.05
增益提高
仿真
采用超前校正
z 0.88 D( z ) 13 z 0.5
仿真
z 0.8 D( z ) 9 z 0.8
仿真
z 0.88 D( z ) 13 z ( z 0.5)
仿真
5.2
计算机控制系统离散化设计(经 典设计方法)
从BB两端看 e(t) r(t)
c* (t ) e* (t )
D(z)
u * (t )
ZOH
G (s)
c(s)
离散化 设计
D(z)
Z平面根轨迹设计法
W’ 域频率设计法 解析法
5.1 Z平面根轨迹设计
5.1.1 Z平面根轨迹的特殊性 例：
r(t)
设计 z 0.3678 D( z ) 1.5818 z 根据Kv, 确定k
1 Kv lim( z 1) D( z )G( z ) 3 T z 1
取k=3.07 仿真
例
e* (t )
D(z)
u * (t )
极点的密集度高 T越小，极点越密集
例： S域极点： S= －10 Z域极点： T=1s z=0.00045 T=0.01s z=0.905

基于状态方程进行系统分 析和设计，主要使用状态 空间表达式和线性矩阵不 等式等概念。
现代设计方法
最优设计法
基于最优化原理进行系统分析和 设计，如线性规划、二次规划等
。
鲁棒设计法
考虑系统的不确定性，通过鲁棒性 分析和设计提高系统的稳定性和性 能。
可靠性设计法
基于可靠性理论进行系统设计和分 析，以提高系统的可靠性和可用性 。
《控制系统设计方法 》ppt课件
目 录
• 控制系统概述 • 控制系统设计方法 • 控制系统分析 • 控制系统实现 • 控制系统应用案例

01
控制系统概述
控制系统的定义与组成
总结词
控制系统的定义
控制系统的组成
控制流程
控制系统的定义、组成和控制 流程
控制系统是一种通过反馈机制 来调节和控制系统输出，使其 达到预期目标的系统。
详细描述
工业控制系统的应用案例包括自动化生产线控制、过程控制、智能制造等领域。 这些系统通过传感器、控制器和执行器等设备，实现对生产过程的实时监测和控 制，提高生产效率和产品质量，降低能耗和减少人力成本。
航空航天控制系统应用案例
总结词
航空航天控制系统的精度和可靠性要求极高，通过先进的控制算法和技术，实现飞行器的稳定可靠运 行。
控制系统通常由控制器、受控 对象、执行器、传感器和反馈 通道等部分组成。
传感器检测受控对象的输出， 并将其反馈给控制器；控制器 根据设定值和反馈值的偏差， 通过执行器产生控制作用，调 节受控对象的输入，从而控制 其输出。
控制系统的基本类型
总结词
开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统的 特点和应用
设计合理的软件架构，包括主程序、中断服 务程序、任务调度程序等。

PLC控制系统的设计一、PLC控制系统设计原则与步骤1.PLC控制系统设计的基本原则PLC控制系统主要是实现被控对象的要求提高生产效率和产品质量其设计应遵循以下原则1 最大限度地满足被控对象的控制要求。

设计前应深入现场进行调查研究搜集资料并拟定电气控制方案。

2 在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。

3 保证控制系统安全、可靠。

4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC的容量时应适当留有欲量。

N 满足要求Y N 满足要求2 .PLC控制系统设计的步骤PLC控制系统的设计过程如图所示1. 根据生产工艺过程分析控制要求分析控制要求确定人机接口设备PLC硬件系统设置分配I/O点设计梯形图程序写入、检查程序模拟调试设计制作控制柜现场安装接线分析控制要求现场总调试交付使用这一步是系统设计的基础设计前应熟悉图样资料深入调查研究与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合共同讨论以解决设计中出现的问题。

应详细了解被控对象的全部功能例如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁系统要求哪些工作方式例如手动、自动、半自动等设备内部机械、液压、气动、仪表、电气五大系统之间的关系PLC与其他智能设备例如别的PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人之间的关系PLC是否需要通信联网需要显示哪些数据及显示的方式等等。

还应了解电源突然停电及紧急情况的处理以及安全电路的设计。

有时需要设置PLC之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。

对于大型的复杂控制系统需要考虑将系统分解为几个独立的部分各部分分别单独的PLC或其他控制装置来控制并考虑它们之间的通信方式。

1. 选择和确定人机接口设备I/O设备用于操作人员与PLC之间的信息交换使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作人机接口。

PLC本身的数字输入和数字显示功能较差可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示但是占用的I/O点多甚至还需要用户自制硬件。