計算機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)習(xí).ppt

1,復(fù)習(xí)重點(diǎn),重點(diǎn)掌握各章節(jié)的思想、原理；能夠敘述，清晰表達(dá)。 基本概念：Z變換，閉環(huán)離散系統(tǒng)傳遞函數(shù)的計算； 閉環(huán)系統(tǒng)的R(Z)Y(Z)Gc(Z)E(Z)之間的關(guān)系，靈活應(yīng)用。 差分方程的解法；常用定理（超前滯后等）。 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析； 有限拍系統(tǒng)的設(shè)計計算； PID控制的原理； 串級控制、前饋控制、純滯后控制的原理分析。,2,第一章,1 計算機(jī)輸出反饋控制系統(tǒng)的組成、框圖畫法 輸入、輸出、對象G(S)、控制器、單位反饋（輸出反饋）、非單位反饋。G(S)前后開關(guān)問題。 2 控制對象： 放大環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、純滯后環(huán)節(jié) 控制通道、擾動通道 每個通道由放大系數(shù)K、慣性時間常數(shù)Tm、積分時間常數(shù)Ti 純滯后時間t來表示； 3 采樣定理：采樣周期T，采樣角頻率s=2/T，連續(xù)信號y(t)的頻譜特性中的最高角頻率max，為了使得采樣的離散信號y*(t)能夠不失真地恢復(fù)原來的連續(xù)信號，必須正確的選擇采樣角頻率：s =2 max。采樣定理是為了正確地選擇采樣周期T。,3,第一章,4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D） 量化單位q，量化誤差 q/2 例題：010000Pa，線性轉(zhuǎn)換為05V，物理量與電壓值之間的關(guān)系式？若要求采樣精度為1Pa，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是多少？量化誤差？,4,第一章,5 計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo) 控制系統(tǒng)的性能可用穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)、動態(tài)指標(biāo)來表征。 穩(wěn)定性（4種可能）：發(fā)散振蕩、衰減振蕩、等幅振蕩、非周期衰減 動態(tài)指標(biāo)：超調(diào)量p=(ym -y)/ y 、調(diào)節(jié)時間ts、峰值時間tp、衰減比、振蕩次數(shù)N； 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：ess=y0-y, 6 對象特性對控制性能的影響 放大系數(shù)K（分控制通道和擾動通道） 慣性時間常數(shù)T （分控制通道和擾動通道） 純滯后時間（分控制通道和擾動通道）,5,第二章,1 線性連續(xù)系統(tǒng)與線性離散系統(tǒng)的比較 連續(xù)系統(tǒng)用線性常微分方程描述，離散系統(tǒng)用線性常系數(shù)差分方程描述； 連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(S)只與連續(xù)環(huán)節(jié)有關(guān)，離散系統(tǒng)傳遞函數(shù)除了與連續(xù)環(huán)節(jié)有關(guān)外，還與采樣開關(guān)有關(guān)。 2 Z變換 Z變換定義 根據(jù)Y(kT)求Y(Z)，習(xí)題2.4； 根據(jù)Y(Z)求Y(kT)，習(xí)題2.3; Z變換的性質(zhì)和定理：線性，超前，滯后，初值，終值。 3 Z反變換：部分分式法，常除法，留數(shù)法 p47 Z變換對,6,第二章,4 Z變換求解差分方程 用到超前，滯后定理。 步驟： 對差分方程作Z變換； 利用已知條件代入Z變換式； 由Z變換式求出Y(Z); 由Y(Z)反變換求y(kT)。 例題2.17,7,第二章,5 Z傳遞函數(shù) 又稱脈沖傳遞函數(shù)。 G(S)=Y(S)/R(S) G(Z)=Y(Z)/R(Z) 已知G(S)求G(Z),查表 6 Z傳遞函數(shù)的性質(zhì) Z傳遞函數(shù)與差分方程： 已知差分方程求系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù)，例題2.28 已知Z傳遞函數(shù)求差分方程，例題2.29（不要求） 開環(huán)Z傳遞函數(shù)：串聯(lián)（3種情況P57），并聯(lián) 閉環(huán)Z傳遞函數(shù)：推導(dǎo)過程,8,第二章,7 用傳遞函數(shù)來分析離散系統(tǒng)的過渡過程特性 Gc(Z)=Y(Z)/R(Z) Y(Z)=Gc(Z)*R(Z) 若已知Gc(z),在給定R(Z)的情況下，可求出Y(Z),經(jīng)過Z反變換，可以求出y(kT)。根據(jù)過渡過程曲線y(kT)可以分析系統(tǒng)的動態(tài)特性：超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差。 P61 例題2.34,9,第二章,8 用Z傳遞函數(shù)來分析離散系統(tǒng)的誤差特性 P62.圖2.18 誤差傳遞函數(shù)Ge(Z)=E(Z)/R(Z)=1Gc(z) 系統(tǒng)的誤差除了與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，環(huán)節(jié)的參數(shù)有關(guān)外，還與系統(tǒng)的輸入型式有關(guān)； 系統(tǒng)在各采樣時刻kT的誤差值，可以由E(Z)展開式的各項(xiàng)系數(shù)來確定； 可以由e(kT)分析動態(tài)特性：超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間等。 當(dāng)K-無窮大時，可以求穩(wěn)態(tài)誤差ess。 若已知E(Z)和R(Z),可以求出e(kT),可以求出Ge(z)和Gc(z)，可以求出Y(Z),可以求出y(kT).,10,第二章,9 線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 S平面與Z平面的映射關(guān)系； 特征方程的根是否在單位圓內(nèi)。 當(dāng)無法求解特征方程的根時，可以用勞斯穩(wěn)定判據(jù)。 勞斯判據(jù)要點(diǎn)： Z-W變換：Z=(1W)/(1-W) 特征方程的系數(shù)符號不相同，不穩(wěn)定； 若符號相同，建立勞斯行列表； 。,11,第二章,10 綜合應(yīng)用 類型1：根據(jù)離散系統(tǒng)方框圖，求系統(tǒng)閉環(huán)Z傳遞函數(shù)，得到特征方程，進(jìn)行穩(wěn)定性分析。再深入：給定輸入信號，求輸出響應(yīng)，求穩(wěn)態(tài)誤差，求動態(tài)指標(biāo)。 輸入信號的型式：單位階躍、單位速度、單位加速度的型式、表達(dá)式。 類型2：求臨界放大系數(shù)K。,12,第四章 離散化設(shè)計（有限拍）,1 有限拍設(shè)計思想 在給定輸入R(Z)的情況下，根據(jù)G(Z)求D(Z),使得調(diào)節(jié)時間最短。 在R(Z)一定的情況下（典型輸入信號），選擇合適的Ge(z)，就可以求出E(Z)，也就是可以求出e(0),e(T),e(2T),e(kT),13,第四章 有限拍設(shè)計,典型輸入信號型式：單位階躍、單位速度。 可以求出Y(Z) 對Y(Z)作反變換，可以求出y(kT) 可以畫出動態(tài)響應(yīng)曲線，分析超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時間等。 以上是基于有波紋設(shè)計；針對具體的輸入信號設(shè)計，當(dāng)改變輸入信號型式時，性能變差；單位階躍1拍，單位速度2拍；單位加速度3拍。,14,第四章 有限拍設(shè)計,2 有限拍調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)性 物理上的可實(shí)現(xiàn)性 (1) 當(dāng)對象特性HG(z)分子中包含Z -r因子時，有限拍調(diào)節(jié)器將可能無法實(shí)現(xiàn)。 這是因?yàn)檫@時所設(shè)計的有限拍調(diào)節(jié)器，在D(z)中，會存在Zr環(huán)節(jié)(超前特性），即在環(huán)節(jié)施加輸入信號之前的r個采樣周期就應(yīng)當(dāng)有輸出e(k+r)，這樣的超前環(huán)節(jié)是不可能實(shí)現(xiàn)的。 因此，在設(shè)計控制器時，Gc(z)必須含有Z-r,即要把純滯后保留下來。,15,第四章 有限拍設(shè)計,(2) n=m 在設(shè)計D(z)時，要保證其分母的多項(xiàng)式次數(shù)大于或等于分子的多項(xiàng)式次數(shù)。 (3)如果對象中含有不穩(wěn)定的極點(diǎn)和零點(diǎn)時，為了保證控制器是穩(wěn)定的，即D(z)不包含單位圓上和單位圓外的極點(diǎn). 為了物理上可實(shí)現(xiàn)，則： 選擇閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)時，將Gc(z)中的單位圓上和單位圓外的零點(diǎn)作為自己的零點(diǎn)，并包含Z-r因子，增加待定系數(shù)； 選擇誤差傳遞函數(shù)Ge(z)時，將Ge(z)中的單位圓上和單位圓外極點(diǎn)作為自己的零點(diǎn)（1-z-1）除外，并保持與Gc(z)相同的階次； 根據(jù)Gc(z)=1-Ge(z)，解出待定系數(shù)。 例題4.2,16,第四章 有限拍設(shè)計,3 有限拍無波紋設(shè)計 現(xiàn)象：輸出響應(yīng)采樣點(diǎn)之間存在波紋； 原因：D(Z)輸出存在波紋； 解決辦法：由E2(z)=D(z)E1(z)=D(Z)Ge(z)R(z) 在確定的輸入下，若選定D(z)Ge(z)是Z-1的有限多項(xiàng)式，則經(jīng)過有限拍，e2(kT)就能達(dá)到恒定值（無波紋輸出）,17,第五章 模擬化設(shè)計,1 數(shù)字PID控制 調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的關(guān)系為PID,18,第五章 模擬化設(shè)計,2離散化處理 上式稱為位置式PID.,19,第五章 模擬化設(shè)計,3 四種調(diào)節(jié)器 比例調(diào)節(jié)器P 比例積分調(diào)節(jié)器PI 比例微分調(diào)節(jié)器PD 比例積分微分調(diào)節(jié)器PID,20,第五章 模擬化設(shè)計,4 數(shù)字PID控制的改進(jìn) 積分分離 不完全微分 微分先行 帶死區(qū) 5數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 比例控制Kp對系統(tǒng)性能的影響； 積分控制Ti對系統(tǒng)性能的影響； 微分控制Td對系統(tǒng)性能的影響；,21,第八章 復(fù)雜規(guī)律計算機(jī)控制,1 串級控制 原理： 控制框圖：圖8.4 特點(diǎn)：減小副控對象時間常數(shù)；提高系統(tǒng)工作頻率； 提高抑止二次擾動的能力；對負(fù)荷變化的適 應(yīng)能力提高。 2 前饋控制 原理：框圖 靜態(tài)前饋、動態(tài)前饋、前饋反饋、前饋串級（圖8.30） 特點(diǎn)：克服擾動。,22,第八章 復(fù)雜規(guī)律計算機(jī)控制,3 純滯后對象的控制 大林算法（不要求） 純滯后補(bǔ)償控制， 基本思想：與純滯后對象并聯(lián)補(bǔ)償器，使得 等效對象不包含純滯后特性。,23,習(xí)題分析,1、基本題 概念題 Z變換、Z反變換、解差分方程，閉環(huán)傳遞函數(shù) 2、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 3、有限拍調(diào)節(jié)器設(shè)計 給出有限拍調(diào)節(jié)器系統(tǒng)框圖：G(Z)、D(Z)、R(Z) 求單位階躍輸入時的調(diào)節(jié)器、輸出響應(yīng)、分析過 渡過程特性 ，求Y(Z)等 。 待定系數(shù)法求有限拍調(diào)節(jié)器P124. 極點(diǎn)對沖思想。 4、PID調(diào)節(jié)器器設(shè)計 給出廣義對象