數(shù)字控制系統(tǒng)理論與設(shè)計PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1數(shù)字控制系統(tǒng)理論與設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)理論與設(shè)計 什么是數(shù)字控制系統(tǒng)？什么是數(shù)字控制系統(tǒng)？ （組成、結(jié)構(gòu)、性能、分類） 為何研究數(shù)字控制系統(tǒng)？為何研究數(shù)字控制系統(tǒng)？ （與連續(xù)系統(tǒng)的差異） 如何研究數(shù)字控制系統(tǒng)？如何研究數(shù)字控制系統(tǒng)？ （數(shù)字控制系統(tǒng)理論） 第1頁/共26頁例例: : 雷達(dá)天線位置伺服控制系統(tǒng)雷達(dá)天線位置伺服控制系統(tǒng)雷達(dá)電機(jī)及齒輪放大校正位置測量轉(zhuǎn)速測量校正位置給定計算計算機(jī)機(jī)數(shù)字控制器D/AA/DA/DA/D模擬控制缺點：模擬控制缺點：不便于修改參數(shù)；不便于修改參數(shù)；難以實現(xiàn)復(fù)雜控制；難以實現(xiàn)復(fù)雜控制；第2頁/共26頁(1) 原理框圖原理框圖被控對象計算機(jī)測量裝置D/AA/

2、D給定輸出G(s)H(s)用計算機(jī)實現(xiàn)控制器的作用用計算機(jī)實現(xiàn)控制器的作用 計算機(jī)控制系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中含有數(shù)字信號系統(tǒng)中含有數(shù)字信號 數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)n 被控對象（包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)）；被控對象（包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)）；n 測量裝置；測量裝置；n 數(shù)字控制器（計算機(jī)）；數(shù)字控制器（計算機(jī)）；n 輸入輸入/ /輸出通道輸出通道(A/D(A/D，D/A)D/A)第3頁/共26頁 (3) (3) 控制過程實質(zhì)控制過程實質(zhì)輸入計算輸出輸入計算輸出第4頁/共26頁 模擬器件與數(shù)字器件混合（結(jié)構(gòu)不同）模擬器件與數(shù)字器件混合（結(jié)構(gòu)不同） 模擬信號與數(shù)字信號混合（信號形式不同）模擬信號與數(shù)字信號混合（信號形

3、式不同） 離散控制、時間延遲（控制方式不同）離散控制、時間延遲（控制方式不同） 一個計算機(jī)同時控制多個對象（工作方式不同一個計算機(jī)同時控制多個對象（工作方式不同）（2 2）優(yōu)點）優(yōu)點 能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高；能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高； 便于集中監(jiān)控；便于集中監(jiān)控； 形小體輕，性能價格比高；形小體輕，性能價格比高；（3 3）缺點）缺點 抗干擾能力低；抗干擾能力低； 設(shè)計、實現(xiàn)復(fù)雜；設(shè)計、實現(xiàn)復(fù)雜；（1 1）特點）特點第5頁/共26頁(1)(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2)(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDCDirect Digital Contro

4、l)(3)(3)計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCCSupervisory Computer Control)(4)(4)分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)分布式計算機(jī)控制系統(tǒng) (DCCSDistributed Computer Control system)第6頁/共26頁 （計算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的差異）（計算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的差異）例例1 1： 濾波濾波器器11s u(t)y(t)輸入與采樣時刻相同輸入與采樣時刻相同輸入與采樣時刻不相同輸入與采樣時刻不相同差異一：差異一： 數(shù)字控制系統(tǒng)為數(shù)字控制系統(tǒng)為時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)實線實線 模擬控制模擬控制圓點圓點 計算機(jī)控制計算機(jī)控制第7頁/共26頁

5、1( )(1)G ss s2( )7010sD ss（1）連續(xù)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)）連續(xù)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)超前校正超前校正第8頁/共26頁TzTzzEzu1012170)()() 1(70)() 12(70)()101 () 1(kekeTkuTku計算機(jī)仿真計算機(jī)仿真:第9頁/共26頁0120 0.51.01.500.511.522.5 0.40.81.21.600.511.522.5-200204060采樣周期越小，數(shù)字控制越接近模擬控制效果采樣周期越小，數(shù)字控制越接近模擬控制效果T=0.025s T=0.05s00.511.522.50 20 40 60 80 系統(tǒng)系統(tǒng)輸出輸出計算計算機(jī)輸機(jī)輸

6、出出第10頁/共26頁00.511.522.5 0.40.81.21.62 采樣周期過大，系統(tǒng)不穩(wěn)定采樣周期過大，系統(tǒng)不穩(wěn)定（藍(lán)線（藍(lán)線 模擬控制；紅線模擬控制；紅線 計算機(jī)控制）計算機(jī)控制）第11頁/共26頁(3)(3)用計算機(jī)實現(xiàn)用計算機(jī)實現(xiàn)最小拍控制（數(shù)字控制器）最小拍控制（數(shù)字控制器）差異二：數(shù)字控制系統(tǒng)性能差異二：數(shù)字控制系統(tǒng)性能的好壞取決于控制策略。的好壞取決于控制策略。 若采用模擬調(diào)節(jié)規(guī)律，采樣周期越小，控制性能越若采用模擬調(diào)節(jié)規(guī)律，采樣周期越小，控制性能越接近模擬系統(tǒng)。接近模擬系統(tǒng)。 若直接設(shè)計數(shù)字控制器，可以獲得連續(xù)控制器無法若直接設(shè)計數(shù)字控制器，可以獲得連續(xù)控制器無法獲得的

7、優(yōu)異的控制效果。獲得的優(yōu)異的控制效果。1( )0.3681.582( )0.418Tsu zzE zz012340.40.81.2蘭線蘭線 模擬控制模擬控制紅線紅線 計算機(jī)控制計算機(jī)控制仿真程序S3第12頁/共26頁11KT s u(t)y(t)輸出信號中出現(xiàn)了輸出信號中出現(xiàn)了0.1Hz0.1Hz的差拍信號。的差拍信號。差異三：差異三： 采樣頻率不恰當(dāng)會產(chǎn)生采樣頻率不恰當(dāng)會產(chǎn)生假頻現(xiàn)象假頻現(xiàn)象。第13頁/共26頁例例4 4： A/DA/D字長不同（量化效應(yīng)不同）字長不同（量化效應(yīng)不同）差異四：差異四： 量化效應(yīng)產(chǎn)生量化效應(yīng)產(chǎn)生極限環(huán)振極限環(huán)振蕩蕩第14頁/共26頁思路：思路：將數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行

8、近似等效；利用將數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行近似等效；利用已知理論分析；然后考慮其特殊性。已知理論分析；然后考慮其特殊性。 數(shù)字控制系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)是時變非線性時變非線性環(huán)節(jié)，因此，要對環(huán)節(jié)，因此，要對它進(jìn)行嚴(yán)格的分析是十分困難的。它進(jìn)行嚴(yán)格的分析是十分困難的。 第15頁/共26頁(1)(1)連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)G(s)D(s)r(t)e(t)u(t)y(t) 每個信號均為連續(xù)模擬量每個信號均為連續(xù)模擬量第16頁/共26頁G(s)D(z)r(t)e(t)u(t)y(t)保持器e(k)u(k)混合信號：混合信號：連續(xù)模擬量：連續(xù)模擬量：r(t),e(t),u(t),y(t)離散模擬量：離散模擬量：e(

9、k),u(k)第17頁/共26頁例：爐溫控制系統(tǒng)例：爐溫控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)閥門放大器與電動機(jī)r(t)e(t)u(t)y(t)爐子連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)爐子時間常數(shù)大，產(chǎn)生大的超調(diào)閥門放大器與電動機(jī)r(t)e(t)y(t)爐子采樣控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)第18頁/共26頁y(t)G(s)D(z)r(t)e(t)u(t)D/Ae*(k)u*(k)A/D混合信號混合信號:連續(xù)模擬量連續(xù)模擬量: r(t),e(t),u(t),y(t)數(shù)字信號數(shù)字信號: e*(k),u*(k)第19頁/共26頁G(s)D(z)r(t)e(t)u(t)y(t)保持器e(k)u(k)y(t)G(s)D(z)r(

10、t)e(t)u(t)D/Ae*(k)u*(k)A/D 采樣控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng) 數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)r(k)y(k)G(z) 數(shù)字控制數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)忽略忽略量化效量化效應(yīng)應(yīng) 采樣控制采樣控制系統(tǒng)系統(tǒng) 離散控制離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)G(s)G(s)與保與保持器離散持器離散 連續(xù)控制連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)AB作為作為一個環(huán)一個環(huán)節(jié)節(jié)AB1.3.2 1.3.2 幾種控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系幾種控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系第20頁/共26頁離散系統(tǒng)理論離散系統(tǒng)理論差分方程及差分方程及Z Z變換理論變換理論 經(jīng)典設(shè)計方法經(jīng)典設(shè)計方法 狀態(tài)空間設(shè)計方法狀態(tài)空間設(shè)計方法 最優(yōu)設(shè)計法最優(yōu)設(shè)計法 系統(tǒng)辨識及自適應(yīng)控制系統(tǒng)辨識及自適應(yīng)

11、控制采樣系統(tǒng)理論采樣系統(tǒng)理論 采樣理論采樣理論 連續(xù)模型及性能指標(biāo)的離散化連續(xù)模型及性能指標(biāo)的離散化 采樣周期的選擇采樣周期的選擇 采樣控制系統(tǒng)的仿真采樣控制系統(tǒng)的仿真數(shù)字系統(tǒng)理論數(shù)字系統(tǒng)理論量化效應(yīng)的影響量化效應(yīng)的影響非線性特性的影響非線性特性的影響控制算法的編程控制算法的編程第21頁/共26頁第一章第一章 概論（概論（1 1學(xué)時）學(xué)時） 計算機(jī)控制系統(tǒng)(組成、特點、分類) 數(shù)字控制系統(tǒng)的新問題(與模擬控制系統(tǒng)的差異） 數(shù)字控制系統(tǒng)的理論 第二章第二章 數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（2 2學(xué)時）學(xué)時） A/D的數(shù)學(xué)描述 D/A的數(shù)學(xué)描述 信號的采樣與保持 采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第22頁/共26頁第四章第四章 采樣系統(tǒng)分析（采樣系統(tǒng)分析（6 6學(xué)時學(xué)時） 等效連續(xù)系統(tǒng)分析 采樣系統(tǒng)的離散模型 采樣系統(tǒng)的方框圖分析 采樣系統(tǒng)性能分析第三章第三章 離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)分析（分析（3學(xué)時）學(xué)時） Z變換與差分方程 脈沖傳遞函數(shù) 穩(wěn)定性分析 穩(wěn)態(tài)誤差分析 動態(tài)性能分析第23頁/共26頁第五章第五章 數(shù)字控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計（數(shù)字控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計（4 4學(xué)時學(xué)時） 基本原理 各種離散等效方法及特點 數(shù)字PID設(shè)計（解析法和試驗