第6章数字控制系统的离散化设计――Z域法ppt课件.ppt

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1、第6章数字控制系统的离散化设计——Z域法Z域设计是数控系统离散化设计的一类方法。已知：对象特性G(s)、对控制系统的性能指标，设计数字控制器D(z)。6.1引言数字控制器D(z)保持器Gh0(s)连续对象G(s)r(t)y(t)Gd(z)图6-1-1离散化设计1.设计步骤采样周期T在设计中仍是要认真考虑的一个因素。2.对H(z)、He(z)的约束6.2有限拍(deadbeat)控制系统设计又称时间最佳系统，其设计准则为：系统在典型信号作用下，经过有限拍（即有限个采样周期T），使其输出的稳态误差为零。6.2.1He(z)的一般模型6.2.2系

2、统设计例6-2-1跟踪阶跃输入跟踪速度输入124124跟踪阶跃输入跟踪速度输入124124221242跟踪阶跃输入跟踪加速度输入1242跟踪速度输入1242图6-2-2控制器输出u(t)、系统输出y(k)（每隔0.5s）例6-2-3已知对象特性设计单位阶跃输入下的有限拍控制器D(z)，T=0.2s。求得6.2.3几点结论(5)仅由有限拍稳态误差为零准则设计的系统，输出y(t)若有振荡，在采样点上是观测不到的，称为隐藏振荡，或样点间脉动。6-3有限拍无振荡系统设计——系统在典型信号作用下，经有限拍，使控制器输出无振荡，采样输出误差为零。数控系

3、统的离散时间性质，决定其仅在采样点上是闭环反馈。采样点间开环控制，因此y(k)的振荡在误差信号采样点上反映不出来。设研究的对象特性G(s)无产生振荡的极点。按对H(z)的约束构造之H(z)，仅保留Gd(z)不在单位圆内的零点，因此对象Gd(z)在单位圆内的零点成为D(z)的极点。如果这些极点有产生衰减振荡的单极点或共轭复极点，则u(t)、y(t)有振荡。6.3.1系统设计系统检验：6.3.2几点结论有限拍无振荡与有振荡设计，对同一对象，同一典型输入，前者比后者系统的调整时间延长。无振荡设计，控制器极点不包含对象的零点。无振荡环节，U(z)对R

4、(z)的Z传函是z-1升幂的有限多项式，u(k)无振荡。无振荡设计，u(k)无振荡。对阶跃输入，若Gd(z)有积分环节，经有限拍，u(k)=0；若无积分环节，经有限拍，u(k)=常数。对速度输入，若Gd(z)有积分环节，经有限拍，u(k)=常数；若无积分环节，经有限拍，u(k)恒速变化。某一典型输入下无振荡设计，在其他典型输入下，输出也无振荡。6.3.3引入加权因子6.3.4极点位置与有限拍设计6.3.5采样周期的选择在有限拍设计时，T越小，过渡过程越短，但不可无限短。确定T的下限准则为：系统各环节必须工作在线性范围内，同时满足实时性要求。有

5、限拍设计不足之二是，系统设计过于依赖对象极点位置，系统参数变化会引起极点偏移，因此工程上不易实现有限拍设计。6.4根轨迹法根轨迹的特性分析如下：6.4.1闭环系统的根轨迹图6-4-2例6-4-1系统根轨迹6.4.2根轨迹法设计设计准则：由KDD(z)改造Gd(z)的特性，使闭环Z传函的极点位于Z平面所需位置上。图6-4-3例6-4-2系统根轨迹(a) 未校正系统(b)加校正(c)加校正(d)加不同校正,系统单位阶跃响应6.5对象具有时延的控制系统设计本节针对具有时延的连续对象，设计两种D(z)：史密斯预报器（Smithpredictor）和大

6、林算法(Dahlinalgorithm)。6.5.1史密斯预报器6.5.2大林算法振铃及其抑制6.6直接设计法设计准则：1.构造闭环H(z)，分子分母阶次差与Gd(z)相同。2.H(z)包含Gd(z)单位圆附近及圆外零点，H(z)的极点可按相应连续系统的闭环极点转换而配置。3.H(z)应满足对系统稳态误差的要求。6.7复合控制系统设计含有前馈与反馈控制(feedforwardandfeedbackcontrol)的系统，称为复合控制系统(complexcontrolsystem)。其特点是，系统既能满足对输入r(t)响应的性能要求，又能对外干

7、扰达到有效的抑制。6.7.1对输入前馈、干扰反馈控制的系统6.7.2对输入反馈、干扰前馈控制的系统6.8小结配置所希望的系统动特性极点：也即希望H(z)具有接近连续系统相对阻尼比，自然频率为ω0的动特性，T越小，二者越接近。系统的Z域设计，是在已知对象特性G(s)情况下，先构造希望的闭环特性H(z)，再设计数字控制器D(z)的过程。1.构造H(z)——确定其增益、零点与极点的过程，受对象特性Gd(z)、及控制器D(z)可实现等因素的制约。（1）Gd(z)与T有关，z=0的极点数与G(s)的时延和T有关；（2）H(z)的极点应包含两部分：包含

8、Gd(z)中z=0的所有极点（代表对象时延），否则D(z)物理上不可实现；思考与练习