1、济南大学机械工程学院机电系统检测与控制机电系统检测与控制Measurement and Control in Mechatronics System 第七章 数字控制器的设计本章主要内容：1）了解数字控制器的概念和基本设计方法；2）掌握基本的离散化方法 差分变化法和零阶保持器法；3）掌握数字 PID算法和设计方法特别是参数整定方法；4）了解 PID的数字控制器的改进算法。第一节 概述模拟控制系统中，系统的控制器是连续模拟环节 模拟调节器。数字控制系统中，则使用数字控制器。数字调节器的控制过程：首先通过模拟量输入通道对控制参数进行采样，并将其转换成数字量；然后计算机按一定控制算法进行运算处理，运
2、算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产过程。1、用数字控制器代替模拟调节器的原因1）模拟调节器调节能力有限，数字控制器则能实现复杂 控制规律；在微机控制系统中，我们用微型计算机做数字控制器。3）数字控制器具有灵活性，通过改变控制程序可以实现控制参数和控制方式的修改；4）计算机除实现数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等功能。2）计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制；作为连续控制系统的结构图D(S) GP(S)R(S)C(S)+-作为离散控制系统的结构图H(S) GP(S)R(S)C(S)+- D(Z)G(S)2、数字控制器的两种设计方法1）模拟化设计方法（间接设计法）
3、将计算机控制系统近似的看成模拟系统，用连续系统的理论来进行动态分析和设计，再将计算结果转变成数字计算机的控制算法。一般用拉氏变换来进行分析。2）离散化设计方法（直接设计法）把计算机控制系统经过适当变换，变成纯粹的离散系统，用 Z变换等工具进行分析设计，直接设计出控制算法。本章主要讨论第一种设计方法，在下一章将介绍第二种。模拟化设计方法的基本思路当系统的采样频率 足够高 时，采样系统的特性接近于连续变化的模拟系统，因而可以忽略采样开关和保持器，将整个系统看成是连续变化的模拟系统，从而用 s域的方法设计校正装置 D(s)， 再使用 s域到 Z域的离散化方法求得离散传递函数 D(z)。 设计的实质就
4、是将一个模拟调节器离散化，用数字控制器取代模拟调节器。系统结构简图如下：将 D(S)离散化为 D(Z)， D（ Z）就是所求的控制器的脉冲传递函数。第二节 离散化方法拉普拉斯变换的定义规定： f (t)：时间 t的函数，而且当 t0 时 f (t) = 0;s：复函数；：运算符号，放在某量之前，表示该量用拉普拉斯积分 进行交换；F (s)： f (t) 的拉普拉斯变换。于是， f(t)的拉普拉斯变换被定义为：Z 变换的定义采样信号 对式（ 3-2）进行拉氏变换，得到设 并将 写成 ，则得就叫做 的 z变换，并且以 表示 的 z变换。一、差分变换法把原始的连续校正装置传递函数 D(s)转换成微分方程，再用差分方程近似该微分方程。我们这里采用后向差分法。一阶差分公式： 二阶差分公式：
