计算机控制系统的设计方法ppt课件.ppt

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1、第一节计算机控制系统的基础知识一、信号的采样与保持信号从幅值上可以区分为：（1）模拟量：即幅值连续变化并可以为任意值的信号；（2）离散量：只在时间轴的离散点上幅值可以为任意值的信号；（3）数字量：即幅值用一定位数的二进制编码形式表示，这个过程称为量化。从时间上可以区分为：（1）连续时间信号：即时间轴上任何时刻都存在的信号；（2）离散时间信号：即时间轴上断续出现的信号。图2-1采样过程示意把时间和幅值上均连续的模拟信号，按一定的时间间隔（采样周期T）转变为只在瞬时才有脉冲输出信号的过程称为采样过程。实现采样的装置称为采样器或采样开关，如图2-1所示。计算机控制系统中的被

2、控对象接受的是连续模拟信号，因此，在满足采样定理的条件下，采用保持器将计算机输出的离散信号恢复为被控对象能够接受的连续模拟信号。在计算机控制系统中，D/A转换器具有零阶保持器的作用，其信号的保持过程如图2-2所示。图2-2零阶保持器的信号保持过程二、计算机控制系统中的信号类型控制系统按照它所包含的信号形式通常可以划分为以下几种类型。（1）连续控制系统，典型结构如图2-3a所示，系统中各处均为连续时间信号；（2）离散控制系统，典型结构如图2-3b所示，系统各处均为离散时间信号；（3）采样控制系统，典型结构如图2-3c所示，其中既包含连续时间信号，也包含离散时间信号，是一

3、个混合信号系统；（4）数字控制系统，典型结构图如图2-3d所示，其中包含有数字信号。所谓数字信号是指在时间上离散、幅值上量化的信号。(a)连续控制系统(b)离散控制系统(c)采样控制系统(d)数字控制系统图2-3四种类型控制系统的典型结构图图2-4计算机控制系统的信号变换图连续信号经采样周期为的理想采样开关后，其采样信号可以表示为：(2-1)式中，为脉冲响应信号，对式（2-1）做拉氏变换得：(2-2)从式（2-2）可以看出，是的超越函数，因此仅用拉氏变换这一数学工具无法使问题简化。为此，引入另一个复变量，并令1.Z变换三、计算机控制系统的数学描述代入式（2-2），并令

4、，则(2-4)式（2-4）定义为采样信号的变换，它是变量的幂级数形式，从而有利于问题的简化求解。2．脉冲传递函数与差分方程在连续系统中，通常用传递函数分析控制系统的性能。对于计算机控制系统，同样可以利用脉冲传递函数在域中分析控制系统的性能。与连续系统中传递函数的定义类似，把在初始条件为零时，系统输出量的变换与输入量的变换之比定义为脉冲传递函数，即(2-5)对于连续系统的动态过程可以用微分方程来描述，同样，对于计算机控制系统的动态过程可以用差分方程来描述。设计算机控制系统的输入量序列为，输出量序列为，控制系统的差分方程一般表示为(2-6)根据Z变换的定义，S平面内的极点

5、经过变换后，在Z平面内有对应极点为。复变量S有实部和虚部，即(2-10)代入式（2-3），有(2-11)四、S平面到Z平面的映射这样，复变量的模值及相角与复变量的实部和虚部的关系为(2-12)图2-5Z平面极点分布与脉冲响应第二节计算机控制系统的模拟化设计方法一、计算机控制系统模拟化设计步骤如前所述，计算机控制系统就其中的信号类型而言是一种混合系统。典型的计算机控制系统结构如图2-6所示。图2-6计算机控制系统结构图从图中的两点向左看，计算机控制系统等效为一个如图2-7所示的连续系统。因此，计算机控制系统中的数字控制器可按下面的设计步骤进行设计。图2-7等效连续系统结

6、构图1．设计模拟控制器根据给定被控对象的特性及设计要求的性能指标，利用连续系统中的设计方法设计模拟控制器。2．选择合适的采样周期采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率，理论上应根据采样定理选择采样周期。但实际上，被控对象的物理过程和参数变化比较复杂，难以获得模拟信号的最高频率。3．模拟控制器的离散化根据选定的采样周期，选择合理的离散化方法将模拟控制器离散化为数字控制器，以便计算机能够实现。4．仿真校验是否达到设计要求利用计算机仿真软件，对所设计的数字控制器进行校验，若其闭环特性满足系统设计要求，则设计结束，进行下一个步骤；否则，修改控制器参数，直到达到满足

7、要求为止。5．数字控制器的计算机实现将数字控制器变成易于计算机编程的差分方程的形式。在实际工程中，通常以采样定理为理论依据，根据系统控制品质要求、系统抗干扰要求和系统快速响应要求，从以下几个方面综合考虑。1．从被控对象的特性方面考虑若被控对象的时间常数为，一般采样周期选为：。对于具有较大纯滞后时间的被控对象，常选，为被控对象的滞后时间。二、采样周期的选择2．从系统抗干扰性能和随动性方面考虑如果系统受到高频干扰信号的影响，应该选择采样周期使采样频率低于干扰信号的频率，保证系统具有足够的抗干扰能力。如果系统受到低频干扰信号的影响，且干扰信号的频率准确已知