最新東北大學(xué)自動(dòng)化復(fù)習(xí)課件10數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)教學(xué)單元2-連續(xù)控制器的離散化方法教學(xué)單元3-數(shù)字PID控制器教學(xué)單元4-Smith預(yù)估控制本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·

教學(xué)單元1模塊導(dǎo)學(xué)教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·教學(xué)單元11.1學(xué)習(xí)本教學(xué)模塊所需掌握的基礎(chǔ)知識(shí)需要熟悉的基礎(chǔ)知識(shí)：模擬系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的基本方法（頻率設(shè)計(jì)法、根軌跡設(shè)計(jì)法）控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)需要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)：z變換與z反變換s平面與z平面的頻率特性分析方法控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法1.1學(xué)習(xí)本教學(xué)模塊所需掌握的基礎(chǔ)知識(shí)需要熟悉的基礎(chǔ)知識(shí)1.2本教學(xué)模塊中控制器的設(shè)計(jì)策略設(shè)計(jì)思想：采用經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)理論進(jìn)行數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)，達(dá)到控制器設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單實(shí)用、便于掌握的目的。此即為模擬化設(shè)計(jì)方法。1.2本教學(xué)模塊中控制器的設(shè)計(jì)策略設(shè)計(jì)思想：設(shè)計(jì)路線連續(xù)系統(tǒng)對(duì)象與指標(biāo)連續(xù)控制器D(s)離散控制器D(z)離散化處理（保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使數(shù)字控制器與模擬控制器在頻率響應(yīng)上相似）連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（根軌跡法、頻率特性法）數(shù)字控制算法u(k)核心問題是什么?——連續(xù)控制器的離散化設(shè)計(jì)路線連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)控制器離散控制器離散化處理（保證系統(tǒng)1.3模擬化設(shè)計(jì)方法原理分析典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)（時(shí)間上離散、幅值上量化）：r(k)——給定輸入，y(k)——系統(tǒng)輸出，e(k)=r(k)-y(k)——偏差信號(hào)，u(k)——控制信號(hào)；模擬信號(hào)（時(shí)間上連續(xù)、幅值上連續(xù)）：y(t)——系統(tǒng)輸出（被控量），

u(t)—控制量；離散模擬信號(hào)（時(shí)間散上離散，幅值上連續(xù)）：y*(t)——被控量信號(hào)。數(shù)字控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象D/AA/D測(cè)量變送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k)u(t)+-計(jì)算機(jī)采樣開關(guān)1.3模擬化設(shè)計(jì)方法原理分析典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)D(z)——離散部分的數(shù)字控制器；Wh0(s)——零階保持器；W(s)——連續(xù)部分的被控對(duì)象。數(shù)字控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)T——采樣周期數(shù)字控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象D/AA/D測(cè)量變送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k)u(t)+-計(jì)算機(jī)采樣開關(guān)A/D和D/A的轉(zhuǎn)換精度足夠高，檢測(cè)裝置響應(yīng)足夠快D(z)——離散部分的數(shù)字控制器；Wh0(s)——零階保持器離散化直接設(shè)計(jì)方法（直接設(shè)計(jì)方法）——把連續(xù)部分離散化，把整個(gè)系統(tǒng)變成離散化系統(tǒng)，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z)——Wd(z)已知，根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求[比如最小拍]確定整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)WB(z)，確定數(shù)字控制器D(z)。直接設(shè)計(jì)方法包括：根軌跡設(shè)計(jì)法、頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)法、解析設(shè)計(jì)法（最小拍……）T——采樣周期廣義被控對(duì)象模型離散化直接設(shè)計(jì)方法（直接設(shè)計(jì)方法）——把連續(xù)部分離散化，把模擬化設(shè)計(jì)方法采樣頻率足夠高連續(xù)控制系統(tǒng)r(t)e(t)_計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)忽略忽略T——采樣周期D(z)離散化處理模擬化設(shè)計(jì)方法采樣頻率足夠高連續(xù)控制系統(tǒng)r(t)e(t)模擬化設(shè)計(jì)方法中忽略因素的影響分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)也可以表示為：采樣開關(guān)和零階保持器的影響E*(s)——誤差信號(hào)E(s)的采樣信號(hào)D(z)Wh0(s)W(s)TR(s)E(s)Y(s)+-E*(s)T——采樣周期控制器零階保持器被控對(duì)象等效計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開環(huán)輸出為：——采樣頻率模擬化設(shè)計(jì)方法中忽略因素的影響分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)采樣開關(guān)和零階保持器的影響采樣周期T很小零階保持器具有低通濾波器特性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的等效開環(huán)傳遞函數(shù)：考慮了零階保持器和采樣開關(guān)的被控對(duì)象廣義模型采樣開關(guān)和零階保持器的影響采樣周期T很小零階保持器具有低通被控對(duì)象廣義模型等效開環(huán)傳遞函數(shù)：連續(xù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：結(jié)論：零階保持器和采樣開關(guān)的影響大體相當(dāng)于系統(tǒng)中附加了一個(gè)T/2的延時(shí)環(huán)節(jié)。因此，模擬化設(shè)計(jì)方法只適用于采樣周期較小的情況。泰勒級(jí)數(shù)展開并取前2項(xiàng)被控對(duì)象廣義模型等效開環(huán)傳遞函數(shù)：連續(xù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：（1）數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)方法的核心問題是連續(xù)控制器的離散化，這也是本模塊的重點(diǎn)，所以在教學(xué)單元2中介紹了連續(xù)控制器的離散化方法。（2）兩種典型的控制器及其工程化改進(jìn)：對(duì)典型連續(xù)控制器進(jìn)行離散化處理，得到典型控制器的離散形式（數(shù)字控制器）：

PID控制器—常用的經(jīng)典控制器（教學(xué)單元3）

Smith預(yù)估控制—解決大滯后問題的經(jīng)典控制器（教學(xué)單元4）1.4本教學(xué)模塊的體系設(shè)計(jì)（1）數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)方法的核心問題是連續(xù)控制器的離散化·教學(xué)單元一結(jié)束··教學(xué)單元一結(jié)束·計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)教學(xué)單元2-連續(xù)控制器的離散化方法教學(xué)單元3-數(shù)字PID控制器教學(xué)單元4-Smith預(yù)估控制本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·

教學(xué)單元1模塊導(dǎo)學(xué)教學(xué)模塊4數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·教學(xué)單元11.1學(xué)習(xí)本教學(xué)模塊所需掌握的基礎(chǔ)知識(shí)需要熟悉的基礎(chǔ)知識(shí)：模擬系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的基本方法（頻率設(shè)計(jì)法、根軌跡設(shè)計(jì)法）控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)需要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)：z變換與z反變換s平面與z平面的頻率特性分析方法控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法1.1學(xué)習(xí)本教學(xué)模塊所需掌握的基礎(chǔ)知識(shí)需要熟悉的基礎(chǔ)知識(shí)1.2本教學(xué)模塊中控制器的設(shè)計(jì)策略設(shè)計(jì)思想：采用經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)理論進(jìn)行數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)，達(dá)到控制器設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單實(shí)用、便于掌握的目的。此即為模擬化設(shè)計(jì)方法。1.2本教學(xué)模塊中控制器的設(shè)計(jì)策略設(shè)計(jì)思想：設(shè)計(jì)路線連續(xù)系統(tǒng)對(duì)象與指標(biāo)連續(xù)控制器D(s)離散控制器D(z)離散化處理（保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使數(shù)字控制器與模擬控制器在頻率響應(yīng)上相似）連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（根軌跡法、頻率特性法）數(shù)字控制算法u(k)核心問題是什么?——連續(xù)控制器的離散化設(shè)計(jì)路線連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)控制器離散控制器離散化處理（保證系統(tǒng)1.3模擬化設(shè)計(jì)方法原理分析典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)（時(shí)間上離散、幅值上量化）：r(k)——給定輸入，y(k)——系統(tǒng)輸出，e(k)=r(k)-y(k)——偏差信號(hào)，u(k)——控制信號(hào)；模擬信號(hào)（時(shí)間上連續(xù)、幅值上連續(xù)）：y(t)——系統(tǒng)輸出（被控量），

u(t)—控制量；離散模擬信號(hào)（時(shí)間散上離散，幅值上連續(xù)）：y*(t)——被控量信號(hào)。數(shù)字控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象D/AA/D測(cè)量變送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k)u(t)+-計(jì)算機(jī)采樣開關(guān)1.3模擬化設(shè)計(jì)方法原理分析典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)D(z)——離散部分的數(shù)字控制器；Wh0(s)——零階保持器；W(s)——連續(xù)部分的被控對(duì)象。數(shù)字控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)T——采樣周期數(shù)字控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象D/AA/D測(cè)量變送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k)u(t)+-計(jì)算機(jī)采樣開關(guān)A/D和D/A的轉(zhuǎn)換精度足夠高，檢測(cè)裝置響應(yīng)足夠快D(z)——離散部分的數(shù)字控制器；Wh0(s)——零階保持器離散化直接設(shè)計(jì)方法（直接設(shè)計(jì)方法）——把連續(xù)部分離散化，把整個(gè)系統(tǒng)變成離散化系統(tǒng)，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z)——Wd(z)已知，根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求[比如最小拍]確定整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)WB(z)，確定數(shù)字控制器D(z)。直接設(shè)計(jì)方法包括：根軌跡設(shè)計(jì)法、頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)法、解析設(shè)計(jì)法（最小拍……）T——采樣周期廣義被控對(duì)象模型離散化直接設(shè)計(jì)方法（直接設(shè)計(jì)方法）——把連續(xù)部分離散化，把模擬化設(shè)計(jì)方法采樣頻率足夠高連續(xù)控制系統(tǒng)r(t)e(t)_計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)忽略忽略T——采樣周期D(z)離散化處理模擬化設(shè)計(jì)方法采樣頻率足夠高連續(xù)控制系統(tǒng)r(t)e(t)模擬化設(shè)計(jì)方法中忽略因素的影響分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)也可以表示為：采樣開關(guān)和零階保持器的影響E*(s)——誤差信號(hào)E(s)的采樣信號(hào)D(z)Wh0(s)W(s)TR(s)E(s)Y(s)+-E*(s)T——采樣周期控制器零階保持器被控對(duì)象等效計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開環(huán)輸出為：——采樣頻率模擬化設(shè)計(jì)方法中忽略因素的影響分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)采樣開關(guān)和零階保持器的影響采樣周期T很小零階保持器具有低通濾波器特性計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的等效開環(huán)傳遞函數(shù)：考慮了零階保持器和采樣開關(guān)的被控對(duì)象廣義模型采樣開關(guān)和零階保持器的影響采樣周期T很小零階保持器具有低通被控對(duì)象廣義模型等效開環(huán)傳遞函數(shù)：連續(xù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：結(jié)論：零階保持器和采樣開關(guān)的影響大體相當(dāng)于系統(tǒng)中附加了一個(gè)T/2的延時(shí)環(huán)節(jié)。因此，模擬化設(shè)計(jì)方法只適用于采樣周期較小的情況。泰勒級(jí)數(shù)展開并取前2項(xiàng)被控對(duì)象廣義模型等效開環(huán)傳遞函數(shù)：連續(xù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：（1）數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)方法的核心問題是連續(xù)控制器的離散化，這也是本模塊