09数字控制器设计 - 计算机技术及工程应用

1、第九章第九章 数字控制器设计数字控制器设计 本章要点 1. 连续化设计方法 重点：数字PID设计 2. 直接离散化设计方法 重点：最少拍控制算法 3. 大林算法与纯滞后控制 4. 模糊控制基础 本章主要内容 引言引言 9.1 数字控制器的连续化设计数字控制器的连续化设计 9.2 数字控制器的离散化设计数字控制器的离散化设计 9.3 模糊控制技术模糊控制技术 本章小结本章小结 思考题思考题 引言 自动化控制系统的核心是控制器。控制自动化控制系统的核心是控制器。控制 器的任务是按照一定的控制规律，产生满器的任务是按照一定的控制规律，产生满 足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行足工艺要求的控制信号，

2、以输出驱动执行 器，达到自动控制的目的。在传统的模拟器，达到自动控制的目的。在传统的模拟 控制系统中，控制器的控制规律或控制作控制系统中，控制器的控制规律或控制作 用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的， 而在计算机控制系统中，除了计算机装置而在计算机控制系统中，除了计算机装置 以外，更主要的体现在软件算法上，即数以外，更主要的体现在软件算法上，即数 字控制器的设计上。字控制器的设计上。 9.1 数字控制器的连续化设计 主要知识点主要知识点: n9.1.1 9.1.1 数字控制器数字控制器的连续化设计步骤的连续化设计步骤 n9.1.2 9.1.2 数字数字P

3、IDPID控制算法控制算法 n9.1.3 9.1.3 数字数字PIDPID的改进的改进 n9.1.4 9.1.4 数字数字PIDPID的参数整定的参数整定 9.1.19.1.1数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤 基本设计思想基本设计思想 设计假想连续控制器设计假想连续控制器 离散化连续控制器离散化连续控制器 离散算法的计算机实现与校验离散算法的计算机实现与校验 连续化设计的基本思想 r(t) y(t) T D(z) e(t)e(k) T u(k) H0(s) u(t) G(s) 把整个控制系统看成是模拟系统，利用模拟系统 的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后 再通过某

4、种近似，将模拟控制器离散化为数字控制 器，并由计算机来实现。 D(s) 设计假想连续控制器 n1. 原则上可采用连续控制系统中各种设计方法 n 工程上常采用已知结构的PID 控制算法 n2. 零阶保持器的处理方法 n（1）采样周期足够小时，可忽略保持器， n（2）W 变换设计法：利用下面公式离散化后再进行W 变换,按G(w)进行连续化设计 1 ( ) ( )(1) G s G zz s Z Z 1/2 1/2 ( )( ) T z T GG z 连续控制器的离散化 离散化方法：离散化方法： n3. 零极点匹配法： n1. 双线性变换法： 1 1 21 1 ( )( ) z s Tz D zD

5、s n2. 向后差分法：1 1 ( )( ) z s T D zD s 12 12 ()()() ( ) ()()() sm n K szszsz D s spspsp 12 12 (1) ()()()(1) ( ) ()()() m n z Tz Tz Tn m z p Tp Tp T Kzezezez D z zezeze 离散算法的计算机实现 1 01 1 1 ( ) ( ) ( )1 m m n n U zbb zb z D z E za za z 12 12 1 01 ( )() ( ) () ( ) n n m m U za za za zU z bbzb zE z 12 ( )(

6、1)(2)() n u ka u ka u ka u kn 01 ( )(1)() m b e kbe kb e km 设计性能校验：常采用数字仿真方法验证 9.1.2 9.1.2 数字数字PIDPID控制算法控制算法 PID控制算法的优越性： c.c.算法简单，易于掌握；算法简单，易于掌握； a.a.P P、I I、D D三个参数的优化配置，三个参数的优化配置， 兼顾了动态过程的现在、过去兼顾了动态过程的现在、过去 与将来的信息，使动态过程快速、与将来的信息，使动态过程快速、 平稳和准确；平稳和准确； b.b.适应性好，鲁棒性强；适应性好，鲁棒性强； 理想PID控制算法 pd 0 i 1d

7、( ) ( )( )( ) d t e t u tKe te t dtT Tt pd i ( )1 ( )1 ( ) U s G sKT s E sTs 连续形式 离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分 0 0 ( )( ) k t i e t dtTe i ( )( )(1)de te ke k dtT 0 ( )(1) ( )( )( ) k pd i i Te ke k u kKe ke iT TT 0 ( )( )( )( )(1) k pid i u kK e kKe iKe ke k 位置算式 理想PID的递推算式 向后差分法离散化 1 (1)/ ( ) ( )( ) ( )

8、szT U z G zG s E z 1 1 (1) 1 (1) d p i TTz K TzT 11 2 1 1 (1)(1) 1 d p i TT Kzz zTT 12 1 1 (1)(12) 1 ddd p i TTTT Kzz zTTTT 112 (1) ( )(1)(12)( ) ddd p i TTTT zU zKzzE z TTTT 理想PID的增量差分形式 012 ( )( )(1)(2)u kq e kq e kq e k ( )(1)( )u ku ku k 0 1 2 (1) 2 (1) d p i d p d p TT qK TT T qK T T qK T 其中 实际

9、微分PID控制算法 pd i ( )11 ( )1 ( )1 f U s G sKT s E sT sTs 实际微分PID的一种连续形式 理想微分PID的不足： （1）干扰作用下机构动作频繁 （2）微分输出常越限,不能充分发挥作用 实际微分的离散化 1 (1)/ ( ) ( )( ) ( ) szT U z G zG s E z 1 11 1(1) 1 1(1)/(1) d p fi TTz K TzTTzT 12 11 1 (1)(12) (1) () p ddd ffi K T TTTT zz zTTT zTTTT 112 ()( )(1)(12)( ) ddd ffp i TTTT TT

10、T zU zK TzzE z TTTT 差分形式 1234 ( )(1)( )(1)(2) ( )(1)( ) u kCu kC e kC e kC e k u ku ku k 1 f f T C TT 2 (1) p d fi K T TT C TTTT 3 (12) p d f K T T C TTT 4 pd f K T C TT 理想微分PID与实际微分PID阶跃响应对比 u(k)u(k) 321 321 微 分 项 积分项 比例项 微分项 积分项 比例项 kT k kT k 0 0 (a) 理想微分PID(b)实际微分PID 图9-2 两种微分PID控制作用的阶跃响应 实际微分PID

11、与理想微分PID对比 （1 1）理想微分）理想微分PIDPID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一 个大幅度的输出，在实际使用这会产生两方面的问题。一是控个大幅度的输出，在实际使用这会产生两方面的问题。一是控 制输出可能超过执行机构或制输出可能超过执行机构或D/AD/A转换的上下限，二是执行机构转换的上下限，二是执行机构 的响应速度可能跟不上，无法在短时间内跟踪这种较大的微分的响应速度可能跟不上，无法在短时间内跟踪这种较大的微分 输出。这样在大的干扰作用情况下，一方面会使算法中的微分输出。这样在大的干扰作用情况下，一方面会使算法中的微分 不能充分发挥作用

12、，另一方面也会对执行机构产生一个大的冲不能充分发挥作用，另一方面也会对执行机构产生一个大的冲 击作用。相反地，实际微分击作用。相反地，实际微分PIDPID算法由于惯性滤波的存在，使微算法由于惯性滤波的存在，使微 分作用可持续多个采样周期，有效地避免了上述问题的产生，分作用可持续多个采样周期，有效地避免了上述问题的产生， 因而具有更好的控制性能。因而具有更好的控制性能。 （2 2）由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易 在系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机在系统中引入高频的干扰，引起执行机构的频繁动作，降低机 构的使用寿

13、命。而实际微分构的使用寿命。而实际微分PIDPID算法中包含有一阶惯性环节，具算法中包含有一阶惯性环节，具 有低通滤波的能力，抗干扰能力较强。有低通滤波的能力，抗干扰能力较强。 其它形式的实际微分PID ( )11 ( )1 ( ) 1 d p d i d U sT s G sK T E sTs s K ( )1 ( )1 ( ) 1 d p d i d U sT s G sK T E sTs s K 手动/自动跟踪与无扰动切换 （1）自动到手动 主要由手动操作器的硬件实现 手动操作器：自动状态下-跟随器 切换过程中-保持器 手动状态下-操作器 （2）手动到自动 起主要作用的是计算机PID算法

14、的软件 需硬件支持，采样手动器或执行机构输 出的所谓阀位值 ，即获得(1)u k 手动手动/ /自动跟踪与无扰动切换自动跟踪与无扰动切换（续）（续） （2 2）手动到自动）手动到自动 目的：使目的：使 ( )0u k 手动状态下：使算法中手动状态下：使算法中 (1)(2)(1)e ke ku k、 等历史状态清零等历史状态清零 切换过程中：目的使切换过程中：目的使 ( )0e k 1 1）SPSP跟踪跟踪PVPV：完全无扰，缺点：完全无扰，缺点SPSP须重新设定须重新设定 2 2）SPSP不跟踪不跟踪PV PV ：无须重设：无须重设SP,SP,切自动时偏差不能过大，切自动时偏差不能过大， 以利

15、减小切换扰动以利减小切换扰动 9.1.3 9.1.3 数字数字PIDPID算法的改进算法的改进 常用改进算法：常用改进算法： 积分分离算法积分分离算法 抗积分饱和算法抗积分饱和算法 微分项改进微分项改进 带死区的算法带死区的算法 积分分离算法 现象现象：一般一般PID,PID,当有较大的扰动或大幅度改变当有较大的扰动或大幅度改变 设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上 系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下， 将引起系统过量的超调和长时间的波动。将引起系统过量的超调和长时间的波动。 积分的主要作用积分的主要作

16、用：在控制的后期消除稳态偏差在控制的后期消除稳态偏差 普通分离算法：大偏差时不积分普通分离算法：大偏差时不积分 当当 时，采用时，采用PIDPID控制控制 当当 时，采用时，采用PDPD控制控制 ( )e k ( )e k 积分分离值的确定原则 a b c y t PD PD PID 图9-3 不同积分分离值下的系统响应曲线 变速积分 ( ) ( )( ) ii u kf e k K e k 1( ) ( ) ( )( ) 0( ) e kB Ae kB f e kBe kAB A e kAB 0 B A+B -B -A-B e(k) t PID 变速积分 变速积分 PD PD 抗积分饱和措施

17、 现象现象：由于控制输出与被控量不是一一对应的，由于控制输出与被控量不是一一对应的， 控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可 能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态，能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态， 当需要控制量返回正常值时，无法及时当需要控制量返回正常值时，无法及时“回回 头头”，使控制品质变差，使控制品质变差 。 抗积分饱和算法：抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分输出限幅，输出超限时不积分 u当当 时，采用时，采用PDPD控制控制 u当当 时，采用时，采用PDPD控制控制 u其他情况，正常的其他情况，正常的PIDPID控制控制

18、max ( )u ku min ( )u ku 串级系统抗积分饱和 副调节器输出副调节器输出达到限幅值时，主调节器输出可达到限幅值时，主调节器输出可 能处于正常状态，此时仍存在积分饱和现象能处于正常状态，此时仍存在积分饱和现象。 串级抗积分饱和串级抗积分饱和：主调节器抗饱和根据副调：主调节器抗饱和根据副调 节器输出是否越限。节器输出是否越限。 抗积分饱和与积分分离的对比抗积分饱和与积分分离的对比 相同相同：某种状态下，切除积分作用。某种状态下，切除积分作用。 不同不同：抗积分饱和根据最后的控制输出越限状：抗积分饱和根据最后的控制输出越限状 态；态； 积分分离根据偏差是否超出预设的分离值。积分分

19、离根据偏差是否超出预设的分离值。 微分项的改进 实质：通过低通滤波，克服微分对高频干扰敏 感的不足。 措施： 1. 实际微分算法； 2. 对微分输入项进行低通滤波； 如均值滤波、去极值滤波、限幅滤波等 3. 微分先行算法： 只对被控量进行微分 不适用于副调节器 带死区的算法 r(t) y(t) T PID e(k) T u(k) H0(s)G(s) B B p(k) ( )( ) ( ) 0( ) e ke kB p k e kB 注意：死区是一个非线性环节，不能象线性环节 一样随便移到PID控制器的后面 实际阀位 计算输出 过程输出 设定值 t t 0 0 u(k) 具有回差的控制系统可能出

20、现的过程响应曲线具有回差的控制系统可能出现的过程响应曲线 9.1.4 9.1.4 数字数字PIDPID参数的整定参数的整定 理论整定方法：依赖于被控对象的数学模型；理论整定方法：依赖于被控对象的数学模型； 仿真寻优方法仿真寻优方法 工程整定方法：近似的经验方法，不依赖模型。工程整定方法：近似的经验方法，不依赖模型。 扩充临界比例带法扩充临界比例带法 扩充响应曲线法扩充响应曲线法 * *控制度的概念控制度的概念 2 0 2 0 min( ) min( ) D e t dt e t dt A 控制度 扩充临界比例带法扩充临界比例带法 n扩充临界比例带法扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比是模

21、拟调节器中使用的临界比 例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整例带法（也称稳定边界法）的扩充，是一种闭环整 定的实验经验方法。按该方法整定定的实验经验方法。按该方法整定PID参数的步骤参数的步骤 如下：如下： n（1）选择一个足够短的采样周期）选择一个足够短的采样周期 。所谓足够短，。所谓足够短， 具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的 1/10以下。以下。 n（2）将数字）将数字PID控制器设定为纯比例控制，并逐控制器设定为纯比例控制，并逐 步减小比例带步减小比例带 （ ），使闭环系统产生临界振），使闭环系统产生临界振 荡。此时的比例带和振

22、荡周期称为临界比例带荡。此时的比例带和振荡周期称为临界比例带 和和 临界振荡周期临界振荡周期 。 min T 1 p K k k T n（3）选定控制度。选定控制度。所谓所谓控制度控制度，就是以模拟调节就是以模拟调节 器为基准，将器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果的控制效果与模拟调节器的控制效果 相比较。控制效果的评价函数通常采用相比较。控制效果的评价函数通常采用 （ 最小的误差平方积分）表示。最小的误差平方积分）表示。 n控制度控制度（9-22） n实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分，控制 度仅表示控制效果的物理概念。例

23、如，当控制度为度仅表示控制效果的物理概念。例如，当控制度为1.05 时，就是指时，就是指DDC控制与模拟控制效果基本相同；控制度控制与模拟控制效果基本相同；控制度 为为2.0时，是指时，是指DDC控制比模拟控制效果差。控制比模拟控制效果差。 n（4）根据选定的控制度查表）根据选定的控制度查表9-1，求得，求得 的值。的值。 n（5）按求得的整定参数投入运行，在投运中观察控制）按求得的整定参数投入运行，在投运中观察控制 效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果。 2 0 min( )et dt 2 0 2 0 min( ) min( ) D et

24、 dt et dt A pid T K T T、 扩充响应曲线法扩充响应曲线法 n与上述闭环整定方法不同与上述闭环整定方法不同，扩充响应曲线法是扩充响应曲线法是 一种开环整定方法。如果可以得到被控对象的动态一种开环整定方法。如果可以得到被控对象的动态 特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一样，特性曲线，那么就可以与模拟调节系统的整定一样， 采用扩充响应曲线法进行数字采用扩充响应曲线法进行数字PID的整定。其步骤的整定。其步骤 如下：如下： n（1）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。）断开数字控制器，使系统在手动状态下工作。 将被控量调节到给定值附近，当达到平衡时，突然将被控量调节到给

25、定值附近，当达到平衡时，突然 改变给定值，相当给对象施加一个阶跃输入信号。改变给定值，相当给对象施加一个阶跃输入信号。 n（2）记录被控量在此阶跃作用下的变化过程曲线）记录被控量在此阶跃作用下的变化过程曲线 （即广义对象的飞升特性曲线），如图（即广义对象的飞升特性曲线），如图9-5所示。所示。 参数调整。参数调整。 Tpt y 0 图图9-5 广义对象的阶跃飞升特性曲线广义对象的阶跃飞升特性曲线 n（3）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯）根据飞升特性曲线，求得被控对象纯 滞后时间滞后时间 和等效惯性时间常数和等效惯性时间常数 ，以及，以及 它们的比值它们的比值 。 n（4）由求得的）由求得的

26、和和 以及它们的比以及它们的比 ， 选择某一控制度，查表选择某一控制度，查表9-2，即可求得数字，即可求得数字 PID的整定参数的的整定参数的 值。值。 n（5）按求得的整定参数投入在投运中观察）按求得的整定参数投入在投运中观察 控制效果，再适当调整参数，直到获得满意控制效果，再适当调整参数，直到获得满意 的控制效果。的控制效果。 p T / p T p T / p T pid T KT T、 、 、 仿真寻优法仿真寻优法 常见积分型性能指标：常见积分型性能指标： 2 0 ( )ISEe t dt 0 ( )IAEe t dt 0 ( )ITAEt e t dt 22 0 ( )( )Je t

27、u tdt 运用仿真工具，或离散化后编程仿真运用仿真工具，或离散化后编程仿真 寻优方法：如单纯形法、梯度法等 寻优方法：如单纯形法、梯度法等 9.2 数字控制器的离散化设计 主要知识点主要知识点 n9.2.1 9.2.1 直接离散设计的基本原理直接离散设计的基本原理 n9.2.2 9.2.2 最少拍控制系统的设计最少拍控制系统的设计 n 大林控制算法大林控制算法 n SmithSmith预估控制预估控制 n9.2.3 9.2.3 纯滞后控制技术纯滞后控制技术 9.2.1 9.2.1 直接离散化设计的基本原理直接离散化设计的基本原理 r(t) y(t) T D(z) E(z) T U(z) H0

28、(s) Y(z) Gp(s) (z) G(z) ( )( ) ( ) ( ) ( )1( ) ( ) Y zD z G z z R zD z G z ( )1 ( )1( ) ( )1( ) ( ) e E z zz R zD z G z ( )( ) ( ) ( ) 1( )( )( ) e zz D z G zzG zz 9.2.2 9.2.2 最少拍控制系统设计最少拍控制系统设计 输入信号的一般表达式 1 ( ) ( ) (1)N A z R z z 误差的一般表达式 1 ( ) ( ) ( )( ) ( ) (1) e e N z A z E zz R z z 例例9.19.1 被控对

29、象 10 ( ) (1) p Gs s s 采样周期 1Ts 输入：单位速度 求：最少拍数字控制器 求解步骤：1. 求等效脉冲传递函数 2. 设计误差传递函数 3. 计算求取最少拍控制器 4. 输出和误差的验证 例例9.19.1解解 例例9.19.1解（续）解（续） 例例9.19.1解（续）解（续） r(t) 5 0 4 3 2 1 y(k) 3T5T7T t 5 0 4 3 2 1 e(k) T3T5T7T t T 单位速度输入下输出和误差变化波形 例例9.19.1讨论讨论 单位阶跃输入时 12123 1 1 ( )( ) ( )(2)2 1 Y zz R zzzzzz z 单位加速度输入时

30、 11 122345 1 3 (1) ( )( ) ( )(2)3.5711.5 2(1) zz Y zz R zzzzzzz z r(t) 0 2 1 y(k) 3T5T7T t 5 0 4 3 2 1 y(k) T3T5T7T t T r(t) 一般性结论一般性结论 按某一种典型输入设计的最少拍系统，按某一种典型输入设计的最少拍系统， 用于阶次较低的输入函数时，系统将出现用于阶次较低的输入函数时，系统将出现 较大的超调，同时响应时间也增加，但是较大的超调，同时响应时间也增加，但是 还能保持在采样时刻稳态无差。相反地，还能保持在采样时刻稳态无差。相反地， 当用于阶次较高的输入函数时，输出不能

31、当用于阶次较高的输入函数时，输出不能 完全跟踪输入，存在静差。完全跟踪输入，存在静差。 最少拍控制器设计的限制条件最少拍控制器设计的限制条件 1 1 1 1 (1) ( ) (1) m r i i n i i Kzz z G z p z 被控对象一般形式 1 1 1 1 ( )(1) ( ) ( )(1) n r i i m ei i zzp z D z Kzz z 则最少拍控制器 当对象分子中含有 时，就必须使闭环脉冲 传递函数的分子中也含有因子 ，以免控制 器中存在超前环节 r z r z r z 最少拍控制器设计的限制条件最少拍控制器设计的限制条件（续）（续） 当对象存在单位圆上和单位圆

32、外的不稳定零点当对象存在单位圆上和单位圆外的不稳定零点 时，避免控制器不稳定时，避免控制器不稳定，必须，必须能把对象中能把对象中 （ 除除 外）的零点作为外）的零点作为 的零点。但这样将的零点。但这样将 会使调节时间加长。会使调节时间加长。 1 i z 1 i z ( ) z 当对象存在单位圆单位圆上和单位圆外的不稳定极点时 ( )( ) ( )( ) e zD z G zz 由于不可能不可能由控制器的不稳定零点完全抵对象的 不稳定极点，只能要求 的零点包含被控对象 的不稳定极点，也将会使过渡过程时间加长。 ( ) e z 小结 考虑控制器的可实现性和系统的稳定性，设计最少 拍控制器应满足：

33、例例9.29.2 被控对象 采样周期 0.2Ts 输入：单位阶跃 求：最少拍数字控制器 10 ( ) (0.11)(0.051) p Gs sss 例例9.29.2解解 例例9.29.2解（续）解（续） 例例9.29.2解（续）解（续） 最少拍无纹波控制器的设计最少拍无纹波控制器的设计 例例9.39.3 被控对象 采样周期 1Ts 输入：单位阶跃 求：1）普通最少拍控制器 2）分析纹波产生原因及解决办法 3）无纹波最少拍控制器 10 ( ) (1) p Gs s s 例例9.39.3解解 解： 被控对象与零阶保持器的等效脉冲传递函数为 11 2 ( ) 10 ( )(1)(1) (1) p G

34、s G zzz sss ZZZZ 1 2 111 10(1) 1 z sss Z Z 11 11 3.68(10.718) (1)(10.368) zz zz 例例9.39.3解（续）解（续） 1 1 ( )(1)( ) e zzF z 1 2 ( )( )zz F z ( )1( ) e zz 1( ) 1F z 2( ) 1F z 1 11 1 11 ( ) ( ) 3.68(10.718)( )( ) (1) (1)(10.368) e zz D z zzG zz z zz 1 1 0.272(10.368) (10.718) z z 1）设闭环脉冲传递函数 设误差脉冲传递函数 由 且取

35、 例例9.39.3解（续）解（续） 输出 误差 11234 1 1 ( )( ) ( ) 1 Y zz R zzzzzz z 1012 1 1 ( )( ) ( )(1)100 1 e E zz R zzzzz z t 1 12345 0 y(k) e(k) 12345 0 t 1 例例9.39.3解（续）解（续） 2）分析纹波产生原因及解决办法 1 1 0.272(10.368) ( )( ) ( )1 10.718 z U zD z E z z 1234 0.2720.2950.270.2480.227zzzz ( )( )( ) ( ) e U zD zz R z一般地，中的( )( )

36、 e D zz 是有限项多项式，那么在三种典型输入 下，一定能在有限拍内结束过渡过程， 实现无纹波。 例例9.39.3解（续）解（续） 例例9.39.3解（续）解（续） 设计最少拍无纹波系统的条件设计最少拍无纹波系统的条件 例例9.39.3解（续）解（续） 3）无纹波数字控制器设计 11 11 3.68(10.718) ( ) (1)(10.368) zz G z zz 11 ( )(1)(1) e zzaz 11 ( )(10.718)zbzz ( )1( ) e zz 0.418a 0.582b 1 1 ( )0.158(10.368) ( ) ( )( )10.418 e zz D z

37、G zzz 例例9.39.3解（续）解（续） 11 1 1 ( )( ) ( )0.582(10.718) 1 Y zz R zzz z 1234 0.582zzzz 111 1 1 ( )( ) ( )(1)(10.418)10.418 1 e E zz R zzzz z r(t) 0 1 0.582 y(k) T2T4T t 0 1 0.418 e(k) T2T3T4T t 3T ( )( ) ( )( )( ) ( ) e U zD z E zD zz R z 1 11 1 0.158(10.368) (10.418)0.1580.0581 10.418 z zz z 9.2.3 9.2

38、.3 纯滞后控制技术纯滞后控制技术 大林（Dahlin）控制算法 1 ( ) 1 s Ke G s T s NT 0 ( ) 1 s e s T s 1 0 ( )(1) (1) NTs e zz s T s Z Z 0 0 /1 1 /11 (1) (1) (1)(1) T T N T T ez zz zez 0 0 /(1) /1 (1) (1) T TN T T ze ez 大林控制算法（续）大林控制算法（续） 1 1 /(1) /1 (1) ( ) (1) T TN T T ze G zK ez ( ) ( ) ( ) 1( ) z D z G zz 0 0 01 01 /(1) /1

39、 /(1)(1) /11 (1) (1) (1)(1) 1 (1)(1) T TN T T T TT TNN T TT T ze ez Kzeze ezez 01 001 /1 /1(1) (1)(1) (1) 1(1) T TT T T TT TT TN eez Keezez 大林控制算法（续）大林控制算法（续） 12 ( ) (1)(1) s Ke G s T sT s 012 00 /11 /11(1) 12 (1)(1)(1) ( ) () 1(1) T TT TT T T TT TN eezez D z Kcc zezez 12 / 112 21 1 1() T TT T cTeT

40、e TT 1221 (1/1/)/ 212 21 1 () TTTT TT T ceTeT e TT 带有纯滞后的二阶惯性环节对象的大林算法 大林控制算法（续）大林控制算法（续） 振铃现象及消除 大林控制算法（续）大林控制算法（续） 振铃现象及消除 振铃幅度RA的定义为：在单位阶跃输入作用 下，数字控制器第0次输出与第1次输出之差 为振铃幅度，即 (0)(1)RAUU 消除振铃的办法： 先找到中控制器可能产生振铃的极点 （ 附近的极点），然后令该极点的 1z1z 01 01 /1 /1123 (1)(1) ( ) (1)(1) 1(1)() T TT T T TT TN eez D z Kez

41、ezzzz 振铃现象及消除 9.2.3 9.2.3 纯滞后控制纯滞后控制（续）（续） 施密斯（Smith）预估控制算法 ( ) ( ) 1( )(1) s p D s D s D s Ge ( )( )( )( ) ( ) 1( )( )1( )( ) s pps s pp D s Gs eD s Gs se D s Gs eD s Gs 施密斯（Smith）预估控制算法（续）（续） 11 ( ) ( ) ( )(1)(1)(1) ps Gs G s Gzzze ss Z ZZ Z 1 ( ) (1)(1) pN Gs zz s Z Z (int)( /)NT Smith预估器的离散化 实现

42、9.3 模糊控制技术基础 规规则则库库 控控制制对对象象 增增量量 计计算算 模模 糊糊 化化 模模 糊糊 判判 决决 设设定定 模模糊糊 推推理理 输输出出 模模糊糊 控控制制器器 e u e E E U （1） 把精确量(一般是系统的误差及误差变化率)转化成模糊量； （2） 按总结的语言规则（如图9-13的规则库中）进行模糊推理； （3） 将推理的结果从模糊量转化成可以用于实际控制的精确量。 9.3.1 9.3.1 模糊控制器的输入输出变量模糊控制器的输入输出变量 1. 模糊控制器的输入、输出变量： 模糊控制器的输入变量通常取误差E、 误差的变化EC，构成二维模糊控制器 2. 描述输入和输

43、出变量的词集 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 NB，NM，NS，O，PS，PM，PB 特别地误差变量的词集 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大 NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB 9.3.19.3.1 模糊控制器的输入输出变量模糊控制器的输入输出变量(续） 3. 变量的模糊化 基本论域：某个变量变化的实际范围 e x e x c x c x u y u y 误差的基本论域为 ， 误差变化的基本论域为 ， 输出变量的基本论域为 ， 变量的模糊子集论域,1,0,1, nnnn 2 2 nab yx ba 基本论域到模糊子集论域的转换公式 9.3.19.3.1 模糊控

44、制器的输入输出变量模糊控制器的输入输出变量(续） 3. 变量的模糊化 E和EC的论域： -6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6 控制量U的论域： -7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7 4. 隶属度 隶属度：描述某个确定量隶属于某个模糊语言变量的程度 模糊控制中变量的隶属度度常采用正态型 模糊变量E的赋制值表 模糊变量EC的赋制值表 模糊变量U的赋制值表 9.3.29.3.2 建立模糊控制规则 条 件 语 句 的 基 本 类 型 ： if A or B and C or D then E 9.3.39.3.3 模糊关系与模糊推理 以if

45、 A then B类型为例 BAR 12345 1.0/0.8/0.5/0.2/0.0/Aaaaaa 1234 0.7/1.0/0.6/0.0/Bbbbb 例 1.00.71.01.01.00.61.00.0 0.80.70.81.00.80.60.80.0 0.50.70.51.00.50.60.50.0 0.20.70.21.00.20.60.20.0 0.00.70.01.00.00.60.00.0 RAB ( , ) m in( ), ( ) RAB xyxx 9.3.39.3.3 模糊关系与模糊推理（续） 0.71.00.60.0 0.70.80.60.0 0.50.50.50.0

46、0.20.20.20.0 0.00.00.00.0 12345 0.4/0.7/1.0/0.6/0.0/Aaaaaa 0.40.71.00.60.0 0.70.70.80.60.0 1.00.50.50.50.0 0.60.20.20.20.0 0.00.00.00.00.0 T BA R 9.3.39.3.3 模糊关系与模糊推理（续） 0.40.7(0.70.7)(1.00.5)(0.60.2)(0.00.0), 0.41.0(0.70.8)(1.00.5)(0.60.2)(0.00.0), 0.40.6(0.70.6)(1.00.5)(0.60.2)(0.00.0), 0.40.0(0.7

47、0.0)(1.00.0)(0.60.0)(0.00.0) (0.40.70.50.20.0),(0.40.70.50.20.0), (0.40.60.50.20.0),(0.00.00.00.00.0) (0.7, 0.7, 0.6, 0.0) “ ”为取小运算，“ ”为取大运算 9.3.49.3.4 模糊判决 1. 最大隶属度法 2. 加权平均判决法 0.1/20.4/30.7/41.0/50.7/60.3/7U 5U 1 1 () () n ii i n i i uu U u 0.1/20.8/31.0/40.8/50.1/6U 20.130.841.050.860.1 4 0.10.81.00.80.1 U 9.3.59.3.5 模糊控制表 9.3.69.3.6 确定实际控制量 22 abba uU n 9.3.79.3.7 模糊控制算法的工程实现 模模糊糊 控控制制器器 A/D 设设定定输输出出被被控控 对对象象 D/A 1. 查表法 2. 软件模糊推理法 3. 模糊控制器专用芯片 本章小结 本章首先分析了数字控制器及其连续化设计方法的