东北大学自动化复习课件10数字控制器的模拟化设计方法.ppt

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 计算机控制系统 教学模块4 数字控制器的模拟化设计方法 东北大学· 教学单元1-模块导学 教学单元2-连续控制器的离散化方法 教学单元3-数字PID控制器 教学单元4-Smith预估控制 本教学模块内容: 教学模块4 数字控制器的模拟化设计方法 东北大学· 教学单元1 模块导学 1.1 学习本教学模块所需掌握的基础知识 需要熟悉的基础知识： 模拟系统控制器设计的基本方法（频率设计法、根轨迹设计法） 控制系统的性能指标 需要掌握的基础知识： z变换与z反变换 s平面与z平面的频率特性分析方法 控制系统的稳定性分析方法 1.2 本教学模块中控制器的设计策略 设计思想： 采用经典的连续系统控制器设计理论进行数字控制器的设计，达到控制器设计过程简单实用、便于掌握的目的。 此即为模拟化设计方法。 设计路线 连续系统 对象与指标 连续控制器 D(s) 离散控制器 D(z) 离散化处理（保证系统的稳定性，使数字控制器与模拟控制器在频率响应上相似） 连续系统设计方法（根轨迹法、频率特性法） 数字控制算法 u(k) 核心问题是什么?——连续控制器的离散化 1.3 模拟化设计方法原理分析 典型计算机控制系统的基本结构 数字信号（时间上离散、幅值上量化）：r(k)——给定输入，y(k)——系统 输出，e(k)= r(k)- y(k)——偏差信号，u(k)——控制信号； 模拟信号（时间上连续、幅值上连续） ：y(t)——系统输出（被控量）， u(t)—控制量； 离散模拟信号（时间散上离散，幅值上连续） ： y*(t)——被控量信号。 数 字 控 制 器 执 行 机 构 被 控 对 象 D/A A/D 测 量 变 送 y(t) y(t) y*(t) y(k) r(k) e(k) u(k) u(t) + - 计算机 采样开关 D(z)——离散部分的数字控制器；Wh0(s)——零阶保持器； W(s)——连续部分的被控对象。 数字控制系统的简化结构 T——采样周期 数 字 控 制 器 执 行 机 构 被 控 对 象 D/A A/D 测 量 变 送 y(t) y(t) y*(t) y(k) r(k) e(k) u(k) u(t) + - 计算机 采样开关 A/D和D/A的转换精度足够高，检测装置响应足够快 离散化直接设计方法（直接设计方法） ——把连续部分离散化，把整个系统变成离散化系统，直接设计数字控制器D(z)——Wd(z)已知，根据系统性能指标要求[比如最小拍]确定整个系统的闭环脉冲传递函数WB(z)，确定数字控制器D(z) 。 直接设计方法包括：根轨迹设计法、频率响应设计法、解析设计法（最小拍……） T——采样周期 广义被控对象模型 模拟化设计方法 采样频率足够高 连续控制系统 r(t) e(t) _ 计算机控制系统 忽略 忽略 T——采样周期 D(z) 离散化处理 模拟化设计方法中忽略因素的影响分析 计算机控制系统的典型结构也可以表示为： 采样开关和零阶保持器的影响 E*(s)——误差信号E(s)的采样信号 D(z) Wh0(s) W(s) T R(s) E(s) Y(s) + - E*(s) T——采样周期 控制器 零阶保持器 被控对象 等效计算机控制系统的开环输出为： ——采样频率 采样开关和零阶保持器的影响 采样周期T很小 零阶保持器具有低通滤波器特性 计算机控制系统的等效开环传递函数： 考虑了零阶保持器和采样开关的被控对象广义模型 被控对象广义模型 等效开环传递函数： 连续系统的开环传递函数为： 结论：零阶保持器和采样开关的影响大体相当于系统中附加了一个T/2的延时环节。因此，模拟化设计方法只适用于采样周期较小的情况。 泰勒级数展开并取前2项 （1）数字控制器模拟化设计方法的核心问题是连续控制器的离散化，这也是本模块的重点，所以在教学单元2中介绍了连续控制器的离散化方法。 （2）两种典型的控制器及其工程化改进：对典型连续控制器进行离散化处理，得到典型控制器的离散形式（数字控制器）： PID控制器—常用的经典控制器（教学单元3） Smith预估控制—解决大滞后问题的经典控制器（教学单元4） 1.4 本教学模块的体系设计 ·教学单元一结束· 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15