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第五章数字控制器的离散化设计方法;主要知识点;5.1 数字控制器的离散化设计步骤;离散化方法设计数字控制器的步骤:;三种典型输入 :;典型输入信号Z变换的一般形式: ;一个采样周期为一拍
最少拍要求时间最优,速度最快
最少拍无差数字控制器的设计任务:根据式(5-7)求出数字控制器的脉冲传递函数D(z),使闭环系统在某种特定的典型输入作用下,能以最少拍结束响应过程,而且在采样时刻系统不存在稳态误差,输出能够准确地跟踪输入。 ;;最少拍特性,提出设计要求: ;5.2.1 典型输入下理想最少拍无差系统的设计;系统的偏差E(z)为:
准确性要求,稳态误差应该为零,根据终值定理,系统的稳态误差为:
所以:
且p≥q ;;;2、三种典型输入下的理想最少拍无差控制系统设计与分析;(2)单位速度输入
;(3)单位加速度输入;;5.2.2 最少拍控制器的物理可实现性和稳定性要求;式中常数项b0 不等于零。
其差分方程为:
如果控制器是可实现的,不允许出现未来时刻的偏差值,即;;(2)最少拍控制器的稳定性要求;;最少拍无差系统设计的两个稳定性约束条件:;5.2.3 最少拍有纹波控制器的设计;确定 φ(z)和φe(z) ;当广义被控对象的脉冲传递函数G(z)中含有单位圆上z=1的极点,即aj=1时,方程组中的第一个方程与后面的v个方程有相同之处,因此方程少于q+v个,根据快速性要求,此时应该降阶处理,所降阶数等于G(z)中z=1的极点个数。
假设G(z)中有w个z=1的极点,则φ(z)的表达式为:
;例5-1 已知被控对象的传递函数为:;;(4)写出误差传递函数表达式
(5)求出待定系数
根据准确性和稳定性要求,得方程组:;;;;5.2.4 最少拍无差控制器的局限性;例5.2 ;;;;;一般性结论 ;(2)对参数变化过于敏感;(3)未考虑执行机构的饱和特性;(4)采样点之间存在纹波;5.3 最少拍无纹波随动系统的设计; 解:闭环脉冲函数 和偏差 的形式;;;1、设计无纹波系统的必要条件;控制器输出:;满足了设计的必要条件,才能保证控制量收敛于恒值,系统不产生纹波。
2、最少拍无纹波设计的约束条件
要使系统的稳态输出在采样点之间不出现纹波,就要求控制信号收敛于常数。
因此KU(Z)只能是关于 的有限多项式。;闭环脉冲传递函数必须包含广义被控对象G(Z) 中所有的零点。;例5-4 采样周期T=1秒,已知被控对象的传递函数为:;;;;最少拍无纹波控制器的设计;例5.4解 ;针对单位速度输入函数设计最少拍无纹波系统, m=1,v=1, l=1,q=2,q+ v-1=2,q+ v -w -1=1,;;经过三拍以后,控制量收敛于常数0.1,系统输出在采样点之间无纹波。
当输入为单位阶跃时,闭环系统的输出为:
系统偏差:
;;经过三拍以后,控制量收敛于常数零,系统输出在采样点之间无纹波。
与例5-2相比,对于相同的输入信号,最少拍无纹波系统比最少拍无差系统的调节时间延长了一拍,所多拍数就是 在单位圆内的零点数。当输入信号的类型改变后,只要满足无纹波设计的必要条件,系统仍然是无纹波的系统,适应性比最少拍无差系统要好,但是超调量增大,控制质量下降,表明最少拍无纹波系统对参数仍然比较敏感。;5.4 数字控制器的频域设计法;如果能找到一种变换,把z平面中以原点为圆心的单位圆周映射到某一复平面的虚轴,把单位圆内部区域映射到该复平面的开左半平面,那么我们就可以基于系统的性能指标,用类似连续系统的频域设计法来直接研究离散控制系统,设计出数字控制器,这就是数字控制器的频域设计法。
这种方法比较简单、而且应用方便,特别是可以把对控制系统的性能要求转变为对频率特性的要求,使得采用频域法设计的系统一般都能满足系统的要求,因此频域设计法是数字控制系统设计中一种常用且强有力的方法。;5.4.1 w变换;;;;5.4.2 数字控制器的频率特性;1、相位滞后校正器;;;;;;5.4.3 数字控制器的频域法-w变换法设计步骤;;;;;;;;;;;;;;;;5.5 纯滞后对象的控制算法—大林算法;5.5.1 大林算法的设计原则及数字控制器的形式;大林算法适用于被控对象是具有纯滞后的一阶或二阶惯性稳定环节 。
设计原则:以大林算法为模型设计数字控制器,使整个闭环系统的传递函数相当于一个带纯滞后的一阶惯性环节,即:
其闭环脉冲传递函数的比例系数为1,当系统达到稳态时,输出等于输入,系统不存在静差;闭环系统的滞后时间与被控对象的滞后时间相同,而且把纯滞后环节移到闭环回路之外,不影响系统的稳定性,消除了纯滞后部分对系统的影响。
;;;;;;;;;;;;;5.5.3 大林算法的设计步骤;;;
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