计算机控制技术 教学课件 刘川来 胡乃平 第05章 数据处理与控制策略

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2、术DesigntechnologyOfDigitalontroler9/9/20214计算机控制技术计算机控制系统的设计是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法大多数计算机控制系统是由处理数字信号的过程控制计算机和连续的被控过程组成的数字信号与连续信号并存的“混合系统”数字控制器的分析和设计方法数字控制器的连续化设计技术数字控制器的离散化设计技术9/9/20215计算机控制技术5.1.1数字控制器的连续化设计技术概述数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行设计，然后通过某种近似将连续控制器离散化

3、为数字控制器，并由计算机来实现。设计问题G(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器，D(z)是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。y(t)u(t)e(k)+-G(s)e(t)D(z)H(s)Tu(k)Tr(t)9/9/20216计算机控制技术5.1.1数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计步骤设计假想的连续控制器选择采样周期T将D(s)离散化为D(z)设计由计算机实现的控制算法校验9/9/20217计算机控制技术5.1.1数字控制器的连续化设计技术(1)设计假想的连续控制器采用连续系统的设计方法(如频率特性法

4、、根轨迹法等)设计出假想的连续控制器D(s)。D(s)G(s)y(t)e(t)r(t)+-u(t)9/9/20218计算机控制技术5.1.1数字控制器的连续化设计技术(2)选择采样周期T采样定理：采样周期T≤π/ωmax由于被控对象的物理过程及参数的变化比较复杂，致使模拟信号的最高角频率ωmax很难确定。采样定理仅从理论上给出了采样周期的上限，实际采样周期的选择要受到多方面因素的制约,如：系统控制品质的要求、执行机构的特性、控制系统抗干扰和快速响应的要求、计算工作量、计算机的成本、控制对象的时间常数Tp和纯滞后时间τ9/9/20219计算机控制技术5.1.1数字控制器的连续

5、化设计技术(3)将D(s)离散化为D(z)常用连续系统离散化的方法：双线性变换法后向差分法前向差分法冲击响应不变法零极点匹配法零阶保持法9/9/202110计算机控制技术为了由D(s)求解D(z)，由上式得且有(5.3)式(5.3)就是利用双线性变换法由D(s)求取D(z)的计算公式。,利用级数展开可得双线性变换或塔斯廷(Tustin)近似双线性变换法:9/9/202111计算机控制技术前向差分法:利用级数展开可将，写成以下形式上式称为前向差分法或欧拉法的计算公式。为了由D(s)求取D(z)，由上式可得上式便是前向差分法由D(s)求取D(z)的计算公式且有9/9/20211

6、2计算机控制技术后向差分法:利用级数展开可将，写成以下形式为了由D(s)求取D(z)，由上式可得上式便是后向差分法由D(s)求取D(z)的计算公式且有9/9/202113计算机控制技术5.1.1数字控制器的连续化设计技术(4)设计由计算机实现的控制算法设数字控制器D(z)的一般形式为上式可改写为上式用时域表示为利用上式即可实现计算机编程，因此上式称为数字控制器D(z)的控制算法。9/9/202114计算机控制技术5.1.1数字控制器的连续化设计技术(5)校验控制器D(z)设计完成并求出控制算法后，需要检验其闭环特性是否符合设计要求，可采用数字仿真来验证，若满足设计要求，设计

7、结束，否则应修改设计。9/9/202115计算机控制技术5.1.2数字控制器的离散化设计技术概述数字控制器的连续化设计，立足于连续控制系统控制器的设计，然后在计算机上进行数字模拟来实现的，该方法在被控对象的特性不太清楚时，可充分利用成熟的连续化设计技术，并把它移植到计算机上予以实现由于控制任务需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法离散化设计技术比连续化设计技术更具有一般意义，它完全是根据采样