机电一体化系统设计工业控制计算机及其接口技术.ppt

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1、机电一体化Mechatronics,机电一体化系统的五大要素与功能,工业控制计算机系统是机电一体化系统的中枢，其主要作用是按编制好的程序完成系统信息采集、加工处理、分析和判断，作出相应的调节和控制决策，发出数字形式或模拟形式的控制信号，控制执行机构的动作，实现机电一体化系统的目的功能。,第5章 工业控制计算机及其接口技术5.1 工业控制计算机5.2计算机控制接口技术5.3可编程控制器5.4数字控制器设计,5.1 工业控制计算机,一、工业控制计算机系统的组成,5.1 工业控制计算机,二、工业控制计算机系统的基本要求,1.具有完善的过程输入/输出功能2.具有实时控制功能3.具有可靠性4.具有较强的

2、环境适应性和抗干扰能力5.具有丰富的软件,5.1 工业控制计算机,三、工业控制计算机的分类及其应用特点,在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、体系结构、复杂程度、系统功能等，正确地选用工业控制计算机系统。根据计算机系统软硬件及其应用特点，常将工业控制计算机分为：可编程序控制器、总线型工业控制计算机以及单片机三类。,5.2 计算机控制接口技术,机电一体化系统通常都由许多要素和子系统构成，为了确保各个要素与系统之间能够顺利的进行信息、物质、能量的传输和转换，在它们之间必须具备有一定的联系条件，这些联系条件都统称为接口。简单地说就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互联接的硬件及相关协议软件。

3、,从某种意义上讲，机电一体化产品的设计，就是在根据功能要求选择了各要素后，所进行的接口设计。从这一观点出发，机电一体化产品的性能很大程度上取决于接口的性能，即各要素和各子系统之间的接口性能是机电一体化系统性能好坏的决定性因素。因此，接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。,5.2 计算机控制接口技术,从不同的角度及工作特点出发，机电一体化系统的接口有多种分类方法，根据与外部传递信息的不同，将接口分为：1）人机接口；2）信息采集接口；3）控制输出接口；4）系统间接口。,接口的分类和特点,人机接口,人机对话设备,计算机,信息采集接口,控制输出接口,机电接口,传感器,执行元件,机械分系统,机电一体化

4、系统的基本组成,1.人机接口 人机接口实现人与机电一体化系统的信息交流、信息反馈，保证对机电一体化系统的实时监测、有效控制；人机接口又包括输入接口与输出接口两类。通过输入接口，操作者向系统输入各种命令及控制参数，对系统运行进行控制；通过输出接口，操作者对系统的运行状态、各种参数进行监测。,2.信息采集接口和控制输出接口信息处理系统通过信息采集接口接受传感器输出的信号，检测机械系统运行参数，经过运算处理后，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件，以调节机械系统的运行状态，使其按要求动作。信息采集接口和控制输出接口是计算机和外部设备相互交换信息的桥梁。,总体来讲，机

5、电一体化系统对接口的要求是：1）能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；2）能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；3）具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。,一、人机接口,人机接口是操作者与机电系统之间进行信息交换的接口。按照信息的传递方向，可以分为两大类：输入接口与输出接口。常用的输入设备有控制开关、BCD 二十进制码拨盘、键盘、触摸屏等，常用的输出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、扬声器等等。,1.开关输入接口 对于一些二值型控制命令和参数，常采用简单的开关作为输入设备。,输入接口,控制微机通过 I/O 口或扩展 I/O

6、口对开关点电位进行检测，从而判断开关的状态。由于这类开关都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开瞬间产生抖动，造成开关点点电位产生一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性有关，一般为 510ms。按钮的稳定闭合期由操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒之间。所以，在进行接口设计时需要采取软件或硬件措施进行消抖处理。,软件消抖是在检测到开关状态后，延时一段时间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同则认为有效。延时时间应大于抖动时间。硬件消抖常采用下图所示电路。,2.拨盘输入接口,(1).BCD 码拨盘结构 拨盘种类很多，作为人机接口使用最方便的是十进制输入、BCD码输出的BCD码

7、拨盘，其结构如右图所示。,拨盘内部有一可转动圆盘，具有“09”十个位置，可以通过前面两个“+、-”按钮进行位置选择，对应每个位置，前面窗口有数字提示，拨盘后面有五根引出线，分别定义为 A、1、2、4、8。当拨盘在不同位置时，1、2、4、8线的通断关系如下表所示。,2.拨盘输入接口,从表中可以看出，若将A线作为控制线，将 1、2、4、8 线作为数据线，当A线接到控制电平时，数据线输出的即是与拨盘位置相对应的BCD码。一片拨盘可以输入一位十进制数，当需要输入多位十进制数时，可以选用多片拨盘拼接，并通过相应的接口设计给每片拨码盘赋予相应的十进制权值。,(2)BCD码拨盘的接口(a)静态接口,由上述可

8、知，BCD 码拨盘可以直接与控制微机的并行口或扩展并行口相连，以BCD码形式输入信息。右图示出了BCD码拨盘与8031的P1口的接口电路。从图中可以看出，每一片拨盘占用4根I/0口线，8031可以通过P1口直接读取拨盘数据。,(b)动态接口,当进行读码盘操作时，将P1.7置为低电平，P1.4、P1.5、Pl.6置为高电平，此时从P1.0P1.3读取的即为第四位码盘(千位)的值。同理，分别将P1.6、P1.5、P1.4中的一位置为低电平，而将其它输出口线置为高电平，即可从P1.0P1.3读取百位、十位和个位的输入值。,3.键盘输入接口(1).矩阵式键盘工作原理矩阵式键盘由一组行线(Xi)与一组列

9、线(Yi)交叉构成，按键位于交叉点上，为对各个键进行区别，可以按一定规律分别为各个键命名键号，如右图所示。,将列线通过上拉电阻接至+5V电源，当无键按下时，行线与列线断开，列线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。例如，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Yl被短路，此时Yl的电平由X3电位决定。如果将列线接至控制微机的输入口，行线接至控制微机的输出口，则在微机控制下依次从X0X3输出低电平，并使其它线保持高电平，则通过对YOY3的读取即可判断有无键闭合、哪一个键闭合。,(2)键盘接口电路 右图示出了8031通过 P1口与一个44键盘的接口电路，其中P1.0P1.3作行扫描

10、输出线，P1.4P1.7作列检测输入线。,(3)键输入程序键输入程序具有下面四项功能：(a)判断键盘上有无键闭合 其方法为在扫描线P1.0P1.3上全部送“0”，然后读取P1.4P1.7状态，若全部为“1”，则无键闭合，若不全为“1”，则有键闭合；(b)判别闭合键的键号 其方法为对键盘行线进行扫描，依次从P1.0、P1.1、Pl.2、P1.3 送出低电平，并从其它行线送出高电平，相应地顺序读入P1.4P1.7的状态，若P1.4P1.7全为“1”，则行线输出为“0”的这一列上没有键闭合；若P1.4P1.7不全为“1”，则说明有键闭合。行列交叉点即为该键键号，例如P1.0P1.3输出为1101，读

11、回P1.4P1.7为1011，则说明位于第3行与第2列相交处的键处于闭合状态，键号为6；,(c)去除键的机械抖动 其方法是读得键号后延时10ms，再次读键盘，若此键仍闭合则认为有效，否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的；(d)使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理，采用的方法是等待闭合键释放后再做处理。,目前常用的数码显示器有发光管的 LED 和液晶的 LCD 两种，显示方式可以是静态显示或动态显示。,输出接口,静态显示：显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。LED 显示器工作在静态显示方式时，其阴极(或阳极)点连接在一起接地(或+5V)，每一个的段选线（a，b，c

12、，d，e，f，g，dp）也分别与一个8位口相连。,适用位数较小时,动态显示：一位一位的轮流点亮各位显示器。位数很多时，一般采用动态显示方法。,8155 控制的动态 LED 显示如下图所示。,PA口为扫描口，PB口为段数据口。,二、信息采集接口,人机接口,人机对话设备,计算机,信息采集接口,控制输出接口,机电接口,传感器,执行元件,机械分系统,二、信息采集接口,在模拟量信息采集通道中，先利用传感器将从信号源检测到的非电量转换为电量，并进行信号处理（包括放大、滤波、线性补偿等），再经采样-保持器，将模拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后，送A/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送入计算机。,

13、二、信息采集接口,1.常用数据采集的结构形式2.常用的A/D转换器,二、信息采集接口,1.常用数据采集的结构形式,多路A/D通道。每个信号源检测的信号都有各自独立的采集通道，该结构形式使用了较多数量的采样-保持器、A/D转换器，成本高，但转换速度高。,二、信息采集接口,1.常用数据采集的结构形式,多路同时采样、分时转换通道。多路信号源来的数据经各自的采样-保持器后，经模拟多路转换开关控制，共用一个A/D转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用的A/D转换器上转换。这种通道结构节省硬件，但转换速度比较慢。,二、信息采集接口,1.常用数据采集的结构形式,多路信号

14、源共享采样-保持器和A/D转换器。多路信号源的数据先经多路开关，然后按某种顺序切换到具有采样-保持器和A/D转换器的通道上，此结构共用一套采样一保持器和A/D转换器，节省硬件成本，但转换速度更慢。,三、控制输出接口,人机接口,人机对话设备,计算机,信息采集接口,控制输出接口,机电接口,传感器,执行元件,机械分系统,控制输出接口设计任务和特点,对控制信号进行匹配、转换、功率放大，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，使之按照设计要求运行。不同的元件需要的驱动信号不同，同时由于执行元件多为大功率设备，需要考虑抗干扰性能。,三、控制输出接口,1.模拟量输出接口2.开关型功率接口3.直流伺服电机的功率

15、接口4.交流电机变频调速功率接口5.步进电机功率驱动接口,三、控制输出接口,1.模拟量输出接口,在机电一体化产品中，很多被控对象要求用模拟量作控制信号，如交流电动机变频调速、直流电动机调速器等，而计算机系统是数字系统，不能输出模拟量，这就要求控制输出接口能完成D/A转换，且必须具有输出保持功能，这是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期地在一个时间段内得到输出信号，即这时执行部件得到的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却要求连续的模拟信号，因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内能得到输出信号，就必须有输出保持器。,将数字量转换为模拟量 通过D/A转换器完成 要求：可靠性、精度

16、、保持性,1.模拟量输出接口,（1）D/A转换通道的结构形式 D/A转换通道依据输出保持器与D/A转换器的位置关系有两种结构形式。,1.模拟量输出接口,这种结构的通道转换速度快、工作可靠，能满足各路同时进行D/A转换输出的要求，即使其中有一路D/A转换出故障，其他几路仍可继续正常工作。但该结构D/A转换器的个数较多，成本较高，一般用于需要同一时刻进行D/A转换的场合。,（1）D/A转换通道的结构形式 D/A转换通道依据输出保持器与D/A转换器的位置关系有两种结构形式。,1.模拟量输出接口,多路通道共用一个D/A转换器，在CPU的控制下，D/A转换器分时工作，依次把D/A转换器转换成的模拟电压或

17、电流，通过多路切换开关，传送给各路模拟量输出保持器，由于保持的是模拟量，故是一种模拟量保持方式。多应用于速度要求不高的场合。,2.开关型功率接口,什么是TTL电平、CMOS电平、RS232电平？它们有什么区别呢？,2.开关型功率接口,（一）、TTL电平标准 输出 L：2.4V。输入 L：2.0V TTL器件输出低电平要小于0.8V，高电平要大于2.4V。输入，低于1.2V就认为是0，高于2.0就认为是1。于是TTL电平的输入低电平的噪声容限就只有(0.8-0)/2=0.4V，高电平的噪声容限为(5-2.4)/2=1.3V。,2.开关型功率接口,（二）、CMOS电平标准 输出 L：0.9*Vcc

18、。输入 L：0.7*Vcc.由于CMOS电源采用12V，则输入低于3.6V为低电平，噪声容限为1.8V，高于3.5V为高电平，噪声容限高为1.8V。比TTL有更高的噪声容限。,2.开关型功率接口,（三）、RS232标准逻辑1的电平为-3-15V，逻辑0的电平为+3+15V，注意电平的定义反相了一次。,2.开关型功率接口,1）光电隔离技术2）晶闸管接口3）继电器输出接口,2.开关型功率接口,1）光电隔离技术,在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器，光电隔离器是把发光元件与受光元件封装在一起，当发光二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为7001000nm，受光元件接收光照

19、以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，受光元件随即截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。,2.开关型功率接口,1）光电隔离技术,2.开关型功率接口,1）光电隔离技术,2.开关型功率接口,2）晶闸管接口,可控硅器件(晶闸管，SCR)是一种三端点（阳极、阴极、控制极也称栅极或门极）器件。,可控硅器件(晶闸管，SCR)是一种三端点（阳极、阴极、控制极也称栅极或门极）器件。根据内部结构不同可分为：,单向可控硅只能在阳极电位相对阴极为正时才能触发导通,双向可控硅只要阳极和阴极间的电压大于某一个值时而不管其极性如何都能触发导通,栅极可关断可控硅当栅极加正脉冲时导通，加负脉冲时关断,一旦触发导通

20、后控制极就失去控制作用，只有当阳极电流小于维持电流时才能关断,2.开关型功率接口,2）晶闸管接口,第5章 工业控制计算机及其接口技术5.1 工业控制计算机5.2计算机控制接口技术5.3可编程控制器5.4数字控制器设计,5.4数字控制器设计,在模拟系统中，其过程控制方式就是将被测参数（如位移、速度等）由传感器变换成统一的标准信号送人调节器，在调节器中与给定值进行比较，然后把比较出的差值经运算后送到执行机构，改变进给控制量，以达到自动调节之目的。,5.4数字控制器设计,在数字控制系统中，则使用数字调节器来模拟模拟调节器。其调节过程是首先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，根

21、据这些数字量由计算机按一定控制算法进行运算处理，运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，以达到调节的目的。这里计算机执行按某种算法编写的程序，实现对被控制对象的控制和调节，称为数字调节器。,5.4数字控制器设计,数字调节器与模拟调节器相比，具有如下优点：1)模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。而数字调节器能实现复杂控制规律的控制。2)计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制。3)数字调节器具有灵活性。其控制规律灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且改变控制程序或控制参数即可，使用起来简单方便。4)可靠性高。由于计算机的控制算法

22、是用软件实现，因此比用硬件组成的调节器具有较高的可靠性，且系统维护简单。,5.4数字控制器设计,计算机取代连续时间控制系统中的控制器，再加上必要的附加装置即组成数字控制系统。数字控制系统中的信号转化问题：采样、量化、转换以及保持,5.4数字控制器设计,一、控制信号的采样与复原二、Z变换三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）五、PID数字控制器的设计,信号的采样：把时间上连续的信号变成时间上离散的采样信号或数字信号的过程。,一、控制信号的采样与复原,若采样周期T保持不变则称为周期采样。对于有多个采样器的系统，若采样器的采样周期都相等且为常数，且采样器的开

23、关同时开闭，则称为同步周期采样。若多个采样器的开关以各自不同的采样周期进行采样，则称为多速率采样，如果采样周期随机变化，则称为随机采样。,可用脉冲函数来描述采样过程：若f(t)为连续函数，对于，可得：k=0,1,2,3采样过程可以看成是理想开关闭合一次，在该时刻作用一个单位脉冲函数。,若单位脉冲函数：则f*(t)可以看成是T(t)被连续信号f(t)调幅的结果。此时采样,2、信号的复原：由采样信号f*(t)不失真的还原出连续信号f(t)的过程。,香农采样定理：若f(t)是一个带宽为2 max的有限带宽信号，则起采样信号f*(t)能够无失真地恢复到原信号的条件为s max。将离散信号恢复为连续信号

24、的装置称为保持器。,最常用的近似保持器是零阶保持器。其原理是：将前一个时刻的采样值保持到下一个采样时刻。可以将其看成是两个信号的合成：h(t)=1(t)-1(t-kT),其传递函数：频域特性为：,二、Z变换,Z变换是用来分析和综合离散时间系统的一种数学工具。（一）Z变换：1、定义假设离散信号f*(t)为：对其进行拉普拉斯变换，可得：,令Z=esT，可得：2、连续信号的z变换方法：（1）从连续时间信号求z变换：直接由z变换定义确定z变换 查表求取z变换,例：求下列信号的z变换：,（2）从拉普拉斯求z变换：反变换成时域信号，再采用前面的方法确定z变换 将其展开成简单的部分分式，然后查表求取z变换例

25、：已知F(s),求F(z)。,3、z变换的性质（1）线形定理：若f1(t)、f 2(t)的z变换为：F1(z)、F2(z)，且有f(t)=af1(t)+bf 2(t)，则：F(z)=aF1(z)+bF2(z)（2）滞后定理：若zf(t)=F(z),且t0时，f(t)=0，则有:Zf(t-mT)=z-mF(z),（3）超前定理：若zf(t)=F(z)，则有:若f(kT)=0，则Zf(t+mT)=zmF(z)（4）初值定理：若zf(t)=F(z)，且 存在 则有:（5）终值定理：若zf(t)=F(z)，且f(t)具有固定的有限终值，则有:,（二）Z反变换：根据z变换函数F(z)反求出原来的采样函数

26、f*(t)或者f(kT),记为：采用z变换的方法对控制系统进行分析求解并设计控制器以后，通过反变换将z平面上的解转换回时域内，一个脉冲序列或差分方程。,1、幂级数展开法：,将 z变换表达式展开成幂级数形式，然后根据z变换的定义，幂级数中各项z-k的系数就是在各个采样时刻的原函数值f(kT)。例：求 的反变换f(kT)，其中|az-1|1.与定义式比较可得，f(0)=1，f(T)=a,f(2T)=a2,2、部分分式法：,z变换表达式具有有理分式时，先将其分解成简单的部分分式，然后根据z变换定理以及查表方式获得其反变换。例：求 的反变换f(0)=1，f(T)=10,f(2T)=30,（三）脉冲传递

27、函数,1）定义：在输入和输出的初始条件均为零的情况下，一个环节或系统的输出脉冲序列的z变换与输入脉冲序列的z变换之比称为该环节或系统的z脉冲传递函数。脉冲传递函数用来描述离散系统的特性和结构。,2）如何计算脉冲传递函数,方法：1、已知连续系统的传递函数G(s)，则可将其分解为部分分式，由G(s)求出G(z)；2、若已知采样系统的差分方程，则可将差分方程作变换以后由脉冲传递函数定义取得G(z)注意：计算G(z)虽然只用到了G(s)，但是G(z)包含了采样器的性质。G(z)=zg(t)=zL-1G(s),例：求系统的脉冲传递函数,解：将连续传递函数分解因式：,3）z传递函数的连接方式,脉冲传递函数

28、同样有串联、并联、反馈等连接方式。在求系统传递函数时，对于串联环节要注意两个环节间是否有采样器。有采样器时：,串联环节无采样器时：两个环节间无采样器，则可合并为一个连续环节,并联环节中，无论采样器处于什么位置，其脉冲传递函数结构形式与并联环节的拉氏传递函数相同,4）闭环系统的脉冲传递函数,若为单位反馈闭环系统，H(s)=1，则有：,求闭环传递函数：,被控对象为：作z变换：,5.4数字控制器设计,一、控制信号的采样与复原二、Z变换三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）五、PID数字控制器的设计,计算机取代连续时间控制系统中的控制器，再加上必要的附加装置即

29、组成数字控制系统。,5.4数字控制器设计,5.4数字控制器设计,设计数字控制器D(z)有几种方法。从设计思路来看，可归纳为连续化设计法和离散化设计法。连续化设计法又称间接设计法，该设计方法的基本思路是，当系统的采样频率足够高时，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(z)，再使用s域到z域的离散化方法求得离散传递函数D(z)。设计的实质是将一个模拟调节器离散化，用数字调节器取代模拟调节器。,5.4数字控制器设计,设计的基本步骤是，根据系统已有的连续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后按照一定的对应

30、关系将模拟调节器离散化，得到等价的数字调节器，从而确定计算机的控制算法。离散化设计法又称直接设计法，这种方法可直接在离散域用z域根轨迹设计法、W域频率特性设计法和解析设计法等设计数字调节器D(z)。,5.4数字控制器设计,三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）,连续设计法是数字控制器设计的一种经典方法。该方法把数字控制器D(z)及其与计算机外部进行信息交换的A/D转换器、D/A转换器看成一个整体，首先针对被控对象在S域设计出满足要求的连续控制器D(s)，再由D(s)经过离散化求出所需的数字控制器D(z)。这种设计方法要求采样周期T足够短，以避免产生较大的模型误差。,5.4数字控制器设计,三、

31、数字控制器的连续设计法（间接设计法）,（1）设计连续控制器。首先假定所研究的系统为连续系统，并考虑计算机控制器信号输出保持器的影响，在控制器输出和被控对象之间插人保持器环节，然后按照连续控制系统的设计方法，在、域设计针对被控对象的满足要求的连续控制器D(s)。（2）离散化处理。选择合适的采样频率和离散化力一法，通过将连续控制器D(s)离散化得到数字控制器D(z)。编制的正确性。,5.4数字控制器设计,三、数字控制器的连续设计法（间接设计法）,（3）控制系统性能检验。检验数字控制系统的性能，对因离散化处理而引起的相位滞后等予以数字补偿，若系统性能未能满足设计一要求，则返回由D(s)开始重新设计，

32、直至满足设计要求。（4）实现数字控制算法。根据D(z)编制计算机程序。（5）试验性验证。通过仿真技术或其他方法，进一步验证系统设计和程序编制的正确性。,5.4数字控制器设计,四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）,直接设计方法的原理根据对控制系统性能要求，应用离散控制理论，直接设计数字控制系统。,系统的闭环脉冲传递函数：,数字控制器的脉冲传递函数：,广义对象的传递函数：,步骤：1）根据控制系统性能指标和其他约束条件，确定2）确定3）编程实现,5.4数字控制器设计,四、数字控制器的离散设计法（直接设计法）,1）最少拍数字控制器设计2）最少拍无波纹数字控制器设计3）大林数字控制器设计,5.4数字

33、控制器设计,五、PID数字控制器的设计,PID数字控制器是按偏差、积分和微分的比例进行控制的调节器（简称PID调节器），是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参数易于调整实际运行经验及理论分析证明，运用PID调节器在对相当多的工业对象进行控制时能够取得满意的效果。随着计算机技术的发展，采用计算机系统来实现PID控制时，其软件系统灵活、易修改的优点得以发挥，所以PID数字控制器被越来越广泛地应用。,1.PID控制器的离散化,在模拟系统中，PID算法的表达式为：,1.PID控制器的离散化,离散式的PID表达式为：,2.PID算法的程序设计,（1）位置式位置式PID调节器的输

34、出是全量输出，是执行机构所达到的位置。,（2）增量式增量式PID就是对位置式PID取增量，数字调节器的输出值是增量。,（3）速度式PID运算后的输出是位置相对于时间的变量,3.几种改进的PID数字控制器：（1）积分分离式PID控制器 适合被控对象不允许有过大超调的场合 原理：给定最大允许偏差E0 当|E(k)|E0，采用正常的PID控制 当|E(k)|E0，去掉积分环节以减小超调量,108,（2）带死区的PID控制器 被控对象稳定，但不希望执行机构过于频繁的动作。原理：给定误差死区宽度E0 当|E(k)|E0，取E(k)=0，以使得P(k)=0 当|E(k)|E0，采用正常的PID控制 结果：系统输出量相对与给定值的误差较小时，执行机构没有动作，误差较大时控制器按照PID规律进行控制。,109,（3）不完全微分的PID算法（4）具有纯滞后补偿的PID算法,方法：理论计算：参数作用直观、机理清楚、易于优化。但是难于精确，需要在实际应用时进行调整。工程整定：以实验为基础，不依赖被控对象的数学模型。（1）按扩充临界比例度法整定T和Kp、TI、TD（2）按扩充响应曲线法整定T和Kp、TI、TD,111,4.PID数字控制器参数确定：,