第六章 数字控制器的直接的设计方法ppt课件

1、第六章第六章 数字控制器的直接设计方法数字控制器的直接设计方法6.0 数字控制器的直接设计方法概述数字控制器的直接设计方法概述6.1 参数优化的低阶控制算法参数优化的低阶控制算法6.2 最少拍随动系统的设计最少拍随动系统的设计6.3 最少拍无纹波随动系统的设计最少拍无纹波随动系统的设计6.4 惯性因子法惯性因子法6.5 非最少的有限拍控制非最少的有限拍控制6.6 达林算法达林算法6.7 小结小结6.0 数字控制器的直接设计方法概述数字控制器的直接设计方法概述从被控对象的特性出发，直接根据采样系统理论来设计数字控制器的方法称为直接数字设计。它完全是根据采样系统的特点进行分析与综合，并导出相应的控

2、制规律，因此比模拟化设计具有更一般的意义。本章中所有设计方法都是基于图本章中所有设计方法都是基于图6-2所示闭环系统，确定所示闭环系统，确定其数字控制器可以采用两种方法：其数字控制器可以采用两种方法：1、参数优化方法，即先确定、参数优化方法，即先确定D(z)构造，然后通过某一优构造，然后通过某一优化指标求出化指标求出D(z)中的参数。中的参数。2、按照某一期望的闭环响应、按照某一期望的闭环响应M(z)或期望的误差响应等来或期望的误差响应等来设计数字控制器设计数字控制器D(z)，此法中，此法中D(z)的结构将依赖于对象的结构将依赖于对象G(z)的结构。的结构。6.1 参数优化的低阶控制算法参数优

3、化的低阶控制算法一、确定数字控制器的结构一、确定数字控制器的结构？)2() 1()()(210keakeakeaku由6-6式得：而已知增量式PID算式又可表示为：其中TTTTTTTTdddiKdKdKd2210)1 ()1 (条件如何得出条件如何得出?二、确定数字控制器的参数二、确定数字控制器的参数三、与对象结构有关数字控制器设计的引出三、与对象结构有关数字控制器设计的引出6.2 最少拍随动系统的设计最少拍随动系统的设计 一、基础知识：1、最少拍控制：就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态。它的闭环z传递函数具有形式说明：P是可能情况下的最小正整数。这一传递形式

4、表明闭环系统的脉冲响应在P个采样周期后变为零，从而意味着系统在P拍之内到达稳态。2、对最少拍控制系统设计的具体要求：、对最少拍控制系统设计的具体要求：对特定的参考输入信号，在到达稳态后，对特定的参考输入信号，在到达稳态后，系统在采样点的输出值准确跟踪输入信系统在采样点的输出值准确跟踪输入信号，不存在静差。号，不存在静差。在各种使系统在有限拍内到达稳态的设计在各种使系统在有限拍内到达稳态的设计中，系统准确跟踪输入信号所需的采样中，系统准确跟踪输入信号所需的采样周期数应为最少。周期数应为最少。数字控制器数字控制器D(z)必须在物理上可以实现。必须在物理上可以实现。闭环系统必须是稳定的。闭环系统必须

5、是稳定的。二、最少拍系统的设计二、最少拍系统的设计1、最少拍闭环传递函数、最少拍闭环传递函数M(z)的确定的确定v下表给出了三种典型输入最少拍控制的下表给出了三种典型输入最少拍控制的M(z)。选定选定M(z)后即可根据下式求出最少拍控制器后即可根据下式求出最少拍控制器2、最少拍控制器的可实现性、最少拍控制器的可实现性 所谓控制器的可实现性，是指在控制算法中，不允许出现所谓控制器的可实现性，是指在控制算法中，不允许出现未来时刻的偏差值。因为除了在某些预测算法中可近似使未来时刻的偏差值。因为除了在某些预测算法中可近似使用偏差预测值外，一般说来，未来的偏差是未知的，不能用偏差预测值外，一般说来，未来

6、的偏差是未知的，不能用来计算现时的控制量。这就要求数字控制器的用来计算现时的控制量。这就要求数字控制器的Z传递函传递函数数D(z)不能有不能有z的正幂项。的正幂项。假定给定连续对象有假定给定连续对象有l个采样周期的纯滞后，相应的个采样周期的纯滞后，相应的Z传传递函数为递函数为3、最少拍设计的稳定性考虑、最少拍设计的稳定性考虑 在最少拍控制中，闭环在最少拍控制中，闭环Z传递函数传递函数M(z)的全部极的全部极点都在点都在z=0处，因此系统输出值在采样时刻的稳处，因此系统输出值在采样时刻的稳定性可以得到保证。但系统在采样时刻的输出稳定性可以得到保证。但系统在采样时刻的输出稳定并不能保证连续物理过程

7、的稳定。定并不能保证连续物理过程的稳定。 如果控制器如果控制器D(z)选择不当，控制量选择不当，控制量u就可能是发散就可能是发散的。系统在采样时刻之间的输出值以振荡形式发的。系统在采样时刻之间的输出值以振荡形式发散，实际连续过程将是不稳定的。散，实际连续过程将是不稳定的。1对于含有单位圆上或圆外非零零点的稳定对象的对于含有单位圆上或圆外非零零点的稳定对象的讨论讨论具体参看【例具体参看【例6.1】最少拍控制器的设计。】最少拍控制器的设计。 克服此问题的方法克服此问题的方法 已知控制量已知控制量u对于给定的参考输入量对于给定的参考输入量w的的Z传递函数为传递函数为 因此如果对象因此如果对象G(z)

8、的所有零点都在单位圆内，那么这一的所有零点都在单位圆内，那么这一传递环节传递环节 是稳定的。如果是稳定的。如果G(z)有在单位圆上和圆外的零点有在单位圆上和圆外的零点 为保证这一传递环节的稳定性，为保证这一传递环节的稳定性，M(z)必须含有相同的零必须含有相同的零点，即点，即q 对例题对例题6.1考虑稳定性后设计最少拍控制器过程如下：考虑稳定性后设计最少拍控制器过程如下：q 在【例在【例6.1】中，对象】中，对象G(z)有一个在单位圆外的零点有一个在单位圆外的零点z-2.78。这里，。这里，q 1，对于单位阶跃输入，设计过程为，对于单位阶跃输入，设计过程为q 例题【例题【6.1】当输入改为单位

9、速度信号时最少拍控制器】当输入改为单位速度信号时最少拍控制器设计如下：设计如下：2 2对于含有单位圆上或圆外非零极点的不稳定被控对于含有单位圆上或圆外非零极点的不稳定被控对象的讨论对象的讨论 若不稳定被控对象若不稳定被控对象Z Z传递函数含有单位圆上或传递函数含有单位圆上或圆外的极点圆外的极点z=piz=pi，在理论上可通过最少拍控制器，在理论上可通过最少拍控制器设置零点来抵消这一极点而形成一个稳定闭环控设置零点来抵消这一极点而形成一个稳定闭环控制系统，此时控制系列和输出系列都是收敛的。制系统，此时控制系列和输出系列都是收敛的。 但这种稳定是建立在系统的不稳极点被控制但这种稳定是建立在系统的不

10、稳极点被控制器零点准确抵消的基础上的。在实际控制过程中，器零点准确抵消的基础上的。在实际控制过程中，由一于对系统参数辨识的误差以及参数随时间的由一于对系统参数辨识的误差以及参数随时间的变化，这类抵消是不可能准确实现的。变化，这类抵消是不可能准确实现的。下面讨论一般情况。设不稳定对象的下面讨论一般情况。设不稳定对象的Z Z传递函数为传递函数为式中，式中，pi为系统的不稳极点。为系统的不稳极点。但如果实际对象的传递函数发生了如下变化但如果实际对象的传递函数发生了如下变化若仍使用上述最少拍控制器若仍使用上述最少拍控制器则闭环传递函数将变为则闭环传递函数将变为在输入为单位阶跃时在输入为单位阶跃时输出系

11、列为输出系列为0, 1，0.9, 1.13, 0.821，1.246,，在参数变化后闭环系统，在参数变化后闭环系统不再稳定如图不再稳定如图6-6所示）所示） 结论：在最少拍控制系统结论：在最少拍控制系统设计中，控制器零点与对设计中，控制器零点与对象不稳定极点相消只能给象不稳定极点相消只能给出理论的稳定控制，而实出理论的稳定控制，而实际上，闭环系统是不可能际上，闭环系统是不可能真正稳定的。真正稳定的。 为了解决为了解决对不稳定对象的最少拍控对不稳定对象的最少拍控制问题，应注意在控制器制问题，应注意在控制器中不应出现与对象不稳极中不应出现与对象不稳极点相消的零点，显然，根点相消的零点，显然，根据式

12、据式(6-14)在设计在设计1-M(z)时，时，应该使它包含有应该使它包含有即令：即令：所以，控制是稳定的。所以，控制是稳定的。若对象传递函数若对象传递函数G(z)再变为再变为G*(z)，那么闭环传递函数，那么闭环传递函数就变为就变为M*(z)4、 最少拍控制器设计的一般表达式：最少拍控制器设计的一般表达式： 合理的最少拍系统设计，除了应在最少拍内到达稳态外，合理的最少拍系统设计，除了应在最少拍内到达稳态外，还应考虑数字控制器的可实现性及控制系统的稳定性。还应考虑数字控制器的可实现性及控制系统的稳定性。故若被控对象有故若被控对象有L个采样周期的纯滞后，并有个在单个采样周期的纯滞后，并有个在单位

13、圆上及圆外的零点位圆上及圆外的零点z1,., zi,j个在单位圆上及圆外的极个在单位圆上及圆外的极点点pl ., pj，则最少拍控制器为，则最少拍控制器为三、三、 最少拍系统的局限性最少拍系统的局限性最少拍系统的设计基于采样系统的最少拍系统的设计基于采样系统的Z传递函传递函数，运用的数数，运用的数学方法和得到的控制结构均十分简单，整学方法和得到的控制结构均十分简单，整个设计过程可以个设计过程可以解析地进行，这是它的优点。但是它也存解析地进行，这是它的优点。但是它也存在下述一些局限在下述一些局限性。性。1、 对不同输入类型的适应性差对不同输入类型的适应性差最少拍控制器最少拍控制器D(z)的设计使

14、系统对某一类输的设计使系统对某一类输入的响应为最入的响应为最少拍，但对于其它类型的输入不一定为最少拍，但对于其它类型的输入不一定为最少拍，甚至会引少拍，甚至会引起大的超调和静差。起大的超调和静差。 2、对参数变化过于敏感、对参数变化过于敏感 按最少拍控制设计的闭环系统只有多重极点按最少拍控制设计的闭环系统只有多重极点z0。从理论上。从理论上可以证明，这一多重极点对系统参数变化的灵敏度可达无穷。可以证明，这一多重极点对系统参数变化的灵敏度可达无穷。因此如果系统参数发生变化，将使实际控制严重偏离期望状态。因此如果系统参数发生变化，将使实际控制严重偏离期望状态。 系统输出值系列为系统输出值系列为0,

15、 0, 2.4, 2.4, 4.44, 4.56, 6.384, 6.648,显然显然与期望输出值与期望输出值0,1,2,3,相差甚远，如图相差甚远，如图6-9所示。在这里，由所示。在这里，由于对象参数的变化，实际闭环系统的极点己变为于对象参数的变化，实际闭环系统的极点己变为z1= -0.906，z2,3= 0.453 + j0.12偏离原点甚远。系统响应要经历长久的振偏离原点甚远。系统响应要经历长久的振荡才逐渐接近期望值，已不再具备最少拍响应的性质。荡才逐渐接近期望值，已不再具备最少拍响应的性质。3、控制作用易超出限制范围、控制作用易超出限制范围 在以上的最少拍系统设计中，我们对控制在以上的

16、最少拍系统设计中，我们对控制量并未作出限制，因而，所得到的结果应量并未作出限制，因而，所得到的结果应该是在控制能量不受限制时系统输出稳定该是在控制能量不受限制时系统输出稳定地跟踪输入所需要的最少拍过程。从理论地跟踪输入所需要的最少拍过程。从理论上讲，由于通过设计已给出了达到稳态所上讲，由于通过设计已给出了达到稳态所需的最少拍，如果将采样周期取得充分小，需的最少拍，如果将采样周期取得充分小，便可使系统调整时间任意短。这一结论当便可使系统调整时间任意短。这一结论当然是不实际的。这是因为当采样频率加大然是不实际的。这是因为当采样频率加大时，被控对象时，被控对象Z传递函数中的常数系数将会传递函数中的常

17、数系数将会减小。减小。 由于执行机构的饱和特性，控制量将被限定在最大值以内。由于执行机构的饱和特性，控制量将被限定在最大值以内。这样，按最少拍设计的控制量系列将不能实现，控制效果因这样，按最少拍设计的控制量系列将不能实现，控制效果因而会变坏。此外，在控制量过大时，由于对象实际上存在非而会变坏。此外，在控制量过大时，由于对象实际上存在非线性特性，其传递函数也会有所变化。这些都将使最少拍设线性特性，其传递函数也会有所变化。这些都将使最少拍设计的目标不能如愿实现。计的目标不能如愿实现。4、在采样点之间存在纹波、在采样点之间存在纹波最少拍控制只能保证在采样点上的稳态误差为零。最少拍控制只能保证在采样点

18、上的稳态误差为零。在许多在许多情况下，系统在采样点之间的输出呈现纹波如图情况下，系统在采样点之间的输出呈现纹波如图6-4,图图6-5所示），这不但使实际控制不能达到预期目的，所示），这不但使实际控制不能达到预期目的，而且增而且增加了执行机构的功率损耗和机械磨损。加了执行机构的功率损耗和机械磨损。 因而，最少拍控制在工程上的应用受到很大限制，但人们可因而，最少拍控制在工程上的应用受到很大限制，但人们可以针对最少拍控制的局限性，在其设计基础上加以改进，选以针对最少拍控制的局限性，在其设计基础上加以改进，选择更为合理的期望闭环响应择更为合理的期望闭环响应M(z)，以获得较为满意的控制效，以获得较为满

19、意的控制效果。果。6.3 最少拍无纹波随动系统的设计最少拍无纹波随动系统的设计最少拍无纹波系统的设计，是在最少拍控制存在纹波时，最少拍无纹波系统的设计，是在最少拍控制存在纹波时，对期望闭环响应对期望闭环响应M (z)进行修正，以达到消除采样点之间纹进行修正，以达到消除采样点之间纹波的目的。系统输出在采样点之间的纹波，是由控制量系波的目的。系统输出在采样点之间的纹波，是由控制量系列的波动引起的参见列的波动引起的参见例例6.1），其根源在于控制量的），其根源在于控制量的z变换含有非零极点。根据采样系统理论，如果一采样传递变换含有非零极点。根据采样系统理论，如果一采样传递环节含有在单位圆内的极点，那

20、么这个系统是稳定的，但环节含有在单位圆内的极点，那么这个系统是稳定的，但极点的位置将影响系统的离散脉冲响应参见附录）。特极点的位置将影响系统的离散脉冲响应参见附录）。特别当极点在负实轴上或在第二、三象限时，系统的离散脉别当极点在负实轴上或在第二、三象限时，系统的离散脉冲响应将有剧烈的振荡。一旦控制量出现这样的波动，系冲响应将有剧烈的振荡。一旦控制量出现这样的波动，系统在采样点之间的输出就会引起纹波。统在采样点之间的输出就会引起纹波。因而，除了按因而，除了按6.2.1节选择节选择M(z)以保证控制器的可实现性及以保证控制器的可实现性及闭环系统的稳定性外，还应将被控对象闭环系统的稳定性外，还应将被

21、控对象G(z)在单位圆内的在单位圆内的非零零点包括在非零零点包括在M(z)中，以便在控制量的中，以便在控制量的z变换中消除引变换中消除引起振荡的所有极点。这样做，将增高起振荡的所有极点。这样做，将增高M(z)中中Z的幂次，从的幂次，从而增加了调整时间，但采样点之间的纹波可由此消除。而增加了调整时间，但采样点之间的纹波可由此消除。【例【例6.1】稳定的最少拍控制即为一有纹波过程见图】稳定的最少拍控制即为一有纹波过程见图6-4,图图6-5).这主要是由于对象传递函数有一个零点这主要是由于对象传递函数有一个零点z=-0.2，该极点在构成该极点在构成M(z)时没有被顾及，从而使控制量的时没有被顾及，从

22、而使控制量的z变换有变换有一极点一极点z-0.2，造成了控制量的上下波动。，造成了控制量的上下波动。为了消除该例题存在的纹波，在设计时可采用下方法：为了消除该例题存在的纹波，在设计时可采用下方法：由此可知，控制量系列为由此可知，控制量系列为0.83，-1.0676，0.237 4, 0, 0,，输出量系列，输出量系列为为0, 0.22, 0.875 4, 1, 1,。将图将图6-10与图与图6-4相比，系相比，系统现在在三拍后才到达稳统现在在三拍后才到达稳态，调整时间增加了一拍，态，调整时间增加了一拍，但纹波却消除了。最少拍但纹波却消除了。最少拍无纹波系统的设计，消除无纹波系统的设计，消除了采

23、样点之间的纹波，并了采样点之间的纹波，并在一定程度上减小了控制在一定程度上减小了控制能量，降低了对参数变化能量，降低了对参数变化的灵敏度，但它仍然是针的灵敏度，但它仍然是针对某一种特定输入设计的，对某一种特定输入设计的，而对其它类烈的输入未必而对其它类烈的输入未必理想。理想。6.4 惯性因子法惯性因子法惯性因子法是针对最少拍系统只能适用于特定的惯性因子法是针对最少拍系统只能适用于特定的输入类型，而对其它输入不能取得满意效果而采输入类型，而对其它输入不能取得满意效果而采用的一种改进方法。它以损失控制的有限拍无差用的一种改进方法。它以损失控制的有限拍无差性质为代价，而使系统对多种类型输入有较满意性

24、质为代价，而使系统对多种类型输入有较满意的响应。的响应。这表明，采用惯性因子法后，系统已不可能在有限个采样周期这表明，采用惯性因子法后，系统已不可能在有限个采样周期内准确到达稳态，而只能渐近地趋于稳态，但系统对输入类型内准确到达稳态，而只能渐近地趋于稳态，但系统对输入类型的敏感程度却因此降低。通过选择合适的参数的敏感程度却因此降低。通过选择合适的参数c c，它可对不同，它可对不同类型的输入均作出较好的响应。类型的输入均作出较好的响应。在这里，电机负载的实际转速经轴角编码器转换成数字信号，在微型计算机在这里，电机负载的实际转速经轴角编码器转换成数字信号，在微型计算机中与期望值构成速度偏差，并按所

25、设计的控制算法，计算出控制量送给脉冲中与期望值构成速度偏差，并按所设计的控制算法，计算出控制量送给脉冲发生器。脉冲发生器产生两个不同相位的脉冲序列，它们的相位差正比于控发生器。脉冲发生器产生两个不同相位的脉冲序列，它们的相位差正比于控制量。作用在直流电机上的电压是可控硅整流器的输出电压制量。作用在直流电机上的电压是可控硅整流器的输出电压Va，它正比于脉，它正比于脉冲相位差。冲相位差。经过分析后，可得整个系统的z传递函数为在给定M (z)之后，数字控制器可由下公式解出在选取M (z)时，注意到这里的对象为一阶惯性环节与例6.3有相似之处），故可以预料，按最少拍控制设计出来的系统，不能适应期望值的

26、多种变化。因而，有必要采用惯性因子法进行改进。我们从按速度输入设计的最少拍控制出发，将期望的闭环传递函数由改变为式(6-20)的形式，并取c0.5，则可以得到由此可得数字控制器的Z传递函数为这一控制系统对期望值单位阶跃变化的响应为应该注意的是，使用惯性因子法并不能改善系统对所有输入类型的响应该注意的是，使用惯性因子法并不能改善系统对所有输入类型的响应。在上例中，应。在上例中， c0.5将使系统对加速度输入的静差加大。如果取将使系统对加速度输入的静差加大。如果取c0.5，固然可减小这一静差，但其，固然可减小这一静差，但其 阶跃响应的超调却达阶跃响应的超调却达150%。所以，这种方法只适用于输入类

27、型不多的情况。如果要使所以，这种方法只适用于输入类型不多的情况。如果要使 控制系统控制系统适应面广，则可针对各种输入类型分别设计，在线换接，如图适应面广，则可针对各种输入类型分别设计，在线换接，如图6-15所所示。示。 6.5 非最少的有限拍控制非最少的有限拍控制如果我们在最少拍设计的基础上，把闭环如果我们在最少拍设计的基础上，把闭环Z Z传递函数传递函数M(z)M(z)中中z-1z-1的幂次适当提高一的幂次适当提高一 到二阶，闭环系统的脉冲响应到二阶，闭环系统的脉冲响应将比最少拍时多持续一到二拍才归于零。这时显然已不是将比最少拍时多持续一到二拍才归于零。这时显然已不是最少拍系统，但仍为一有限

28、拍系统。在这一系统的设计中，最少拍系统，但仍为一有限拍系统。在这一系统的设计中，由于维数的增高，将使我们由于维数的增高，将使我们 在设置控制初值在设置控制初值u(0)u(0)或选择或选择M(z)M(z)及及1-M(z)1-M(z)中的若干待定系数时增加一些自由中的若干待定系数时增加一些自由 度。一度。一般情况下，这有利于降低系统对参数变化的敏感性，并减般情况下，这有利于降低系统对参数变化的敏感性，并减小控制作用。小控制作用。 6.6 达林算法达林算法 对于大多数工业生产过程，由于被控对象模烈的不精确性及其参数随时间的漂移，要求控制系统的输出值在最少拍内到达稳态的设计不但不能达到预期的效果，反而

29、会产生大的超调或振荡。对此，除了采用上述两节中的修改算法外，达林Dahlin还提出了一种新的算法，即在选择闭环传递函数时，采用相当于连续一阶惯性环节的M (z)来代替最少拍多项式。如果对象有纯滞后，则M(z)还应包含同样的纯滞后环节。则达林算法的原理如下： 系统响应曲线如图6-17系统输出在采样点上的值可按期望指数形式变化，但控制量系列有大幅度的摆动。达林把这种控制量以二分之一的采样频率振荡的现象称为振铃Ringing）。 振铃现象的产生，是由于控制量的z变换有在单位圆内接近z=-1的极点。离z=-1越近，振铃幅度就越大。单位圆内右半平面上的零点会加剧振铃现象，而右半平面上的极点则削弱振铃现象

30、。v 振铃并不是达林算法中所特有的现象，它与前面所述的最少拍控制中的纹波现象实质上是一致的。振铃现象会引起在采样点之间系统输出纹波，并使执行机构磨损。在有交互作用的多参数系统中，甚至会威胁到系统的稳定性，因此在系统设计中，必须将它消除。从控制量的z变换(式子6-23)可以看出，它把G(z)的全部零点作为其极点。所以，如果G(z)有单位圆内接近于z=-1的零点，就会引起振铃。v 振铃的消除方法振铃的消除方法v 由于在达林算法中数字控制器的结构与最少拍算法不由于在达林算法中数字控制器的结构与最少拍算法不同，同，v 所以不能用所以不能用6.3节中介绍节中介绍 的方法消除引起振铃的控制器的方法消除引起振铃的控制器极极v 点。达林提出了一种简单的修正办法，即只要在控制点。达林提出了一种简单的修正办法，即只要在控制器对器对v 应的极点因子中令应的极点因子中令z1，就可消除振铃现象。而且根，就可消除振铃现象。而且根据终据终v 值定理，系统的稳态输出可保持不变。值定理，系统的稳态输