计算机控制系统 第2版 教学课件 作者 李正军 第6章.ppt

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1、第6章计算机控制系统的控制规律6.1被控对象的传递函数与性能指标6.1.1计算机控制系统被控对象的传递函数计算机控制系统主要由数字控制器（或称数字调节器）、执行器、测量元件、被控对象组成，下面只介绍被控对象。计算机控制系统的被控对象是指所要控制的装置或设备，如工业锅炉、水泥立窑、啤酒发酵罐等。被控对象用传递函数来表征时，其特性可以用放大系数K、惯性时间常数，积分时间常数和纯滞后时间来描述。被控对象的传递函数可以归纳为如下几类。1．放大环节放大环节的传递函数2．惯性环节惯性环节的传递函数为：当时，，（6-1）（6-2）3．积分环节积分环节的传递函数为：4．纯滞后环节纯滞后环节的

2、传递函数为：实际对象可能是放大环节与惯性环节、积分环节或纯滞后环节的串联。放大环节、惯性环节与积分环节的串联：（6-3）（6-5）（6-4）放大环节、惯性环节、纯滞后环节的串联：放大环节、积分环节与纯滞后环节串联：被控对象经常受到的n(t)扰动，为了分析方便，可以把对象特性分解为控制通道和扰动通道，如图6-1所示。（6-6）（6-7）扰动通道的动态特性同样可以用放大系数、惯性时间常数和纯滞后时间来描述。被控对象也可以按照输入、输出量的个数分类，当对象仅有一个输入U(s)和一个输出Y(s)时，称为单输入单输出对象，如图6-2所示。控制量被控制量Y(s)扰动量N(s)U(s)++对

3、象图6-1对象的控制通道和扰动通道Y(s)G(s)U(s)图6-2单输入单输出对象Yn(s)扰动通道Gn(s)Yu(s)控制通道G(s)当对象有多个输入和单个输出时，称为多输入单输出对象，如图6-3所示。当对象具有多个输入和多个输出时，称为多输入多输出对象，如图6-4所示。图6-3多输入单输出对象．．．．．．．．．Ynn(s)Y1(s)Y11(s)+U1(s)Un(s)++Yn(s)+Y1n(s)Yn1(s)图6-4多输入多输出对象．．．Yu(s)Y(s)+Nλ(s)+Yn1(s)N1(s)U(s)+Ynλ(s)Gn1(s)Gnλ(s)G(s)G11(s)Gn1(s)G1n(s

4、)Gnn(s)计算机控制系统的性能跟连续系统类似，可以用稳定性、能控性、能观测性、稳态特性、动态特性来表征，相应地可以用稳定裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个系统的优劣。1．系统的稳定性计算机控制系统在给定输入作用或外界扰动作用下，过渡过程可能有四种情况，如图6-5所示。6.1.2计算机控制系统的性能指标y(t)tc）衰减振荡ta)发散振荡y(t)ty(t)b）等幅振荡y(t)td）非周期衰减图6-5过渡过程曲线（1）发散振荡被控参数y(t)的幅值随时间逐渐增大，偏离给定值越来越远，如图6-5a所示。这是不稳定的情况，在实际系统中是不允许的，容易造成严重事故。（2）等

5、幅振荡被控参数y(t)的幅值随时间作等幅振荡，系统处于临界稳定状态，如图6-5b所示。在实际系统中也是不允许的。（3）衰减振荡被控参数y(t)在输入或扰动作用下，经过若干次振荡以后，回复到给定状态，如图6-5c所示。当调节器参数选择合适时，系统可以在比较短的时间内，以比较少的振荡次数，比较小的振荡幅度回复到给定值状态，得到比较满意的性能指标。（4）非周期衰减系统在输入或扰动作用下，被控参数单调、无振荡地回复到给定值状态，如图6-5d所示。同样，只要调节器参数选择得合适，可以使系统既无振荡，又比较快地结束过渡过程。在连续系统中为了衡量系统稳定的程度，引进了稳定裕量的概念，稳定裕量

6、包括相角裕量和幅值裕量。同样，在计算机控制系统中，可以引用连续系统中稳定裕量的概念，因此，也可用相角裕量和幅值裕量来衡量计算机控制系统的稳定程度。2．系统的能控性和能观测性控制系统的能控性和能观测性在多变量最优控制中是两个重要的概念，能控性和能观测性从状态的控制能力和状态的测辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。如果所研究的系统是不能控的，那么，最优控制问题的解就不存在。3．动态指标在古典控制理论中，用动态时域指标来衡量系统性能的优劣。动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性，动态指标包括超调量，调节时间，峰值时间，衰减比和振荡次数N。系统的过渡过程特性如图6-6

7、所示。tstp△B2B1y0ymy(t)ty∞ess图6-6过渡过程特性（1）超调量表示了系统过冲的程度，设输出量y(t)的最大值ym，输出量y(t)的稳态值，则超调量定义为超调量通常以百分数表示。（2）调节时间ts调节时间ts反映了过渡过程时间的长短，当t>ts，若，则ts定义为调节时间，式中是输出量y(t)的稳态值，取0.02或0.05。（3）峰值时间tp峰值时间tp表示过渡过程到达第一个峰值所需要的时间，它反映了系统对输入信号反应的快速性。（6-8）4）衰减比衰减比表示了过渡过程衰减快