数字控制系统理论与设计数字控制系统理论与设计.ppt

数字控制系统理论与设计 Instructor: Prof. 林 桦 E-mail: LHUA@mail.H 课件下载：controlsystem@126.com 密码：control_system Tel: 804(O) 参考书: 1. 动态系统的数字控制（Digital Control of Dynamic System）第3版 Gene F.Franklin等，清华大学出版社，2001 2．计算机控制系统－理论、设计与实现 高金源 北京航空航天大学出版社 3. 计算机控制系统－原理与设计 （第三版） （Computer-Controlled Systems Theory and Design）电子工业出版社，2001 1.了解数字控制系统的基本概念和理论； 2.掌握数字控制系统的建模、分析及设计方法； 3.对数字控制器实现时的某些问题进行深入的讨论。 本课程目的 什么是数字控制系统？ （组成、结构、性能、分类） 为何研究数字控制系统？ （与连续系统的差异） 如何研究数字控制系统？ （数字控制系统理论） 第1章 概 述（1-2学时） 1.1 数字控制系统(计算机控制系统） 例: 雷达天线位置伺服控制系统 雷达 电机及齿轮 放大 校正 位置测量 转速测量 校正 位置给定 计算机 数字控制器 D/A A/D A/D A/D 模拟控制缺点： 不便于修改参数； 难以实现复杂控制； 1.1.1 计算机控制系统的组成 (1) 原理框图 被控对象 计算机 测量装置 D/A A/D 给定 输出 G(s) H(s) 用计算机实现控制器的作用 —— 计算机控制系统 系统中含有数字信号 —— 数字控制系统 被控对象（包括执行机构）； 测量装置； 数字控制器（计算机）； 输入/输出通道(A/D，D/A) (2) 硬件组成 (3) 控制过程实质 输入－计算－输出 模拟器件与数字器件混合（结构不同） 模拟信号与数字信号混合（信号形式不同） 离散控制、时间延迟（控制方式不同） 一个计算机同时控制多个对象（工作方式不同） 1.1.2 数字控制系统的特点（与模拟控制系统相比） （2）优点 能实现复杂的控制规律，适应性强、灵活性高； 便于集中监控； 形小体轻，性能价格比高； （3）缺点 抗干扰能力低； 设计、实现复杂； （1）特点 (1)数据采集系统 1.1.3 计算机控制系统的分类（按功能分） (2)直接数字控制系统 (DDC－Direct Digital Control) (3)计算机监督控制系统(SCC－Supervisory Computer Control) (4)分布式计算机控制系统 (DCCS－Distributed Computer Control system) 1.2 数字控制系统的新问题 （计算机控制系统与连续系统的差异） 例1： 滤波器 u(t) y(t) 输入与采样时刻相同 输入与采样时刻不相同 差异一： 数字控制系统为时变系统 实线 — 模拟控制 圆点 — 计算机控制 例2：连续控制系统 （1）连续控制系统阶跃响应 超前校正 （2）用计算机实现模拟调节规律（前向差分） 计算机仿真: 仿真结果（兰线 —模拟控制；红线 — 计算机控制） ——采样周期越小，数字控制越接近模拟控制效果 T=0.025s T=0.05s 系统输出 计算机输出 采样周期增大为T=0.5s 仿真 —— 采样周期过大，系统不稳定 （蓝线 — 模拟控制；红线 — 计算机控制） (3)用计算机实现最小拍控制（数字控制器） 差异二：数字控制系统性能的好坏取决于控制策略。 若采用模拟调节规律，采样周期越小，控制性能越接近模拟系统。 若直接设计数字控制器，可以获得连续控制器无法获得的优异的控制效果。 兰线 — 模拟控制 红线 — 计算机控制 仿真程序S3 例3：一阶滤波器，输入为f=4.9Hz的周期信号。连续系统与计算机系统（采样频率为10Hz）输出比较。 u(t) y(t) 输出信号中出现了0.1Hz的差拍信号。 差异三： 采样频率不恰当会产生假频现象。 例4： A/D字长不同（量化效应不同） 差异四： 量化效应产生极限环振荡 1.3 数字控制系统理论 思路：将数字控制系统进行近似等效；利用已知理论分析；然后考虑其特殊性。 数字控制系统是时变非线性环节，因此，要对它进行严格的分析是十分困难的。 (1)连续控制系统 1.3.1 控制系统的几种类型（按信号形式分） G(s) D(s) r(t) e(t) u(t) y(t) —— 每个信号均为连续模拟量 G(s) D(z) r(