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7.3数字控制器的直接设计1ppt
直接实现法的结构示意图 7.4.2 级联实现法 如果D(z) 是以零极点的形式给出的,即 (m≤n) zi(i = 1, 2, …, m)为零点,pi(i = 1, 2, …, n)为极点,且均是已知的。 …… 这个结果就是串联系统传递函数的表达式,故称级联。 优点是适合高阶控制器函数的设计, 但是,控制器的设计结果往往不是以零极点的形式给出的,这时必须先将其转换为零极点形式。 图7-51 级联实现法的结构示意图 7.4.3 并行实现法 对给定的D(z),可以用分解定理(或留数法)写成部分分式 这是并联系统传递函数的表达式, 故称为并行实现法。 图7-52 并联实现法的结构示意图 如果Φ(z)已知,则可直接求得数字控制器D(z): * 例7-19题:已知被控对象的传递函数为 , 设采样周期T=0.5s时,试设计单位速度输入时的最少拍数字控制器D(z),用零阶保持器连接控制器与被控对象。 解:系统的广义对象传递函数G(z)为 计算结果G(z) 有单位圆外的零点z=-1.517,u=1,无纯滞后环节,d=0,有单位圆上极点,j=v=1,输入为斜坡,则q=2,所以F2(z)和F1(z)的阶次为: Φ(z) 中包含了G(z) 的单位圆外零点。 设计的数字控制器为: 误差E(z)为: 系统输出Y(z)为: 数字控制器输出U(z)为: (五)最少拍控制器存在的问题 (1)对不同输入信号类型的适应性差 (2)对系统参数变化敏感 (3)控制易于超过允许范围 (4)在采样点之间存在纹波 7.3.2 最少拍无纹波系统 非采样点存在纹波的原因是,当偏差为0时,控制器输出序列u(k)不为常值(或0),而是振荡收敛的,使得输出产生周期振荡。 如果偏差为0时,控制量输出为常值,而且输出可以完全跟踪输入信号,则非采样点之间有没有纹波。 1.被控对象的必要条件 ① 对阶跃输入,当t≥nT时,有y(t)=常数; ② 对速度输入,当t≥nT时,有y (t)=常数,这样,G(s)中必须至少含有一个积分环节; ③ 对加速度输入,当t≥nT时,有y(t)=常数,这样,G(s)中必须至少含有两个积分环节。 2.确定Φ(Z)的约束条件 由控制信号U(z)的定义式 若广义对象 则系统输出为 无纹波要求:u(L)=u(L+1)=u(L+2)=…=常数或零 控制信号 要使稳态时控制量为常数,就要求 是一个有限项。 因此, 也是一有限项,即能够整除。 所以, 有纹波设计与无纹波设计的唯一区别是: 有纹波设计时,Φ(Z)包含G(z)单位圆上或单位圆外的零点; 无纹波设计时, Φ(Z)包含G(z)的全部零点。 3.最少拍无波纹控制器确定Φ(Z)的步骤 (1)被控对象G(z)含有足够的积分环节以满足“必要条件”。 (2)满足有纹波系统的性能要求,按式 选择Φe(z) ,即无纹波系统与有纹波系统关于Φe(z)的设计 方法相同。 (3)满足无纹波系统Φ (z)的约束条件选择Φ (z) 。 (4)F1(z)和F2(z)阶数的确定。 4.无纹波系统的调整时间 无纹波系统的调整时间要比按快速性设计的系统的调整时间增加若干拍,增加的拍数等于G(z)在单位圆内的零点数。 【例7-21】 在P147的例子中,试设计在单位速度输入函数时的最少拍无纹波系统,并画出误差曲线、控制曲线和输出响应曲线。 图5-41 仿真波形图 7.3.3 纯滞后系统 在热工和化工等生产过程中,含有较大的纯滞后环节的被控对象。 针对对象 当对象的纯滞后时间τ与对象惯性时间常数Tm之比,即τ/Tm≥0.5时,采用常规的PID算法控制,很难获得良好的控制性能。 对于此类系统,如果要求控制系统的输出值在最少拍内到达稳态,则不但不能达到预期的效果,反而会使稳定性变差、过渡过程时间拉长。 针对问题 这类控制系统对快速性的要求是次要的,其主要指标是系统无超调或超调量很小,并且允许有较长的调整时间。 此类对象的设计要求 带纯滞后环节的连续控制系统 1. 史密斯预估算法 (1)史密斯预估补偿控制原理 闭环传递函数为: 系
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