2016上微机控制技术4.1控制系统性能指标补充采样系统概述.pptVIP

第四章 常规及复杂控制技术 计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。 本章主要介绍计算机控制系统的常规及复杂控制技术。 　　①常规控制技术介绍数字控制器的连续化设计技术和离散化设计技术；大多数系统，常规控制技术就能达到较好的控制效果。 　　②复杂控制技术只介绍介绍纯滞后控制－Dahlin算法。串级控制、前馈—反馈控制将在过程控制课程中讲解。解耦控制、模糊控制是研究生课程。 4.1 控制系统的性能指标 控制系统的设计问题由三个基本要素组成，它们是模型、指标和容许控制，三者缺一不可。性能指标的提法随设计方法的不同而不同，最常见的有时域指标、频域指标、零极点分布及二次型积分指标等。 + _ 图4-1 计算机控制系统的结构图 数字 控制器 零阶 保持器 被控对象 e(t) e(k) u(k) u(t) r(t) y(t) T T 扰动v(t) 4.1.1 稳态性能指标：稳态误差，参考“计算机控制理论与设计”P29 稳态误差表达式（2.98）－（2.101），补充讲解 4.1.2 动态性能指标 时域指标：超调量，调节时间等。 频域指标：开环有幅值余量，相角余量；闭环有：谐振频率，谐振峰值等 零极点分布：主要是主导极点分布。 对常用的三种输入信号： 1、位置品质系数 “计算机控制理论与设计”P30， （2.102）－（2.103）补充讲解 2、速度品质系数 （2.104）－（2.106）补充讲解 3、加速度品质系数 （2.107）－（2.109）补充讲解 4.1.3 抗干扰性能 干扰输入的误差传函为： E(z)=V(z)G(z)/(1+D(z)G(z)) 分成两种情况： 一般地低频段： D(z)G(z)》1， E(z) ≈ V(z)/D(z) 如果D(z)有较高的增益，则对干扰有较好的抑制作用。特别当D(z)中包含有积分环节，对于恒定干扰（即w＝0，z＝1），D(1) →∞，即系统可以完全抑制恒定干扰。 高频段一般有： D(z)G(z)《1，则： E(z) ≈ V(z)D(z)，如果，G(z)较小，则E(z)也较小。 参考“计算机控制理论与设计”P34 4.1.4 对控制作用的限制 控制量的幅值受到限制，控制能量受到限制等 补充：采样系统概述 1、模拟调节器控制系统 自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成。其控制系统结构图如下图 图1 模拟控制系统结构图 2、计算机数字控制系统 首先通过A/D对控制参数进行采样，将其转换为数字量。控制器用数字调节器来实现各种控制算法。运算结果由D/A输出，并通过执行机构去控制生产过程。控制器的控制规律或控制作用是由计算机来完成的。 图2 计算机控制系统原理图 计算机控制系统的工作过程： （1）计算机系统每隔T秒启动A/D转换，A/D将模拟输入变成数字量B（k），并寄存在寄存器中，直到存入下一次转换结果为止。所以A/D可等效于理想采样开关。等效的条件是：A/D转换时间TA/D远小于采样周期T，且远远小于系统连续部分的惯性时间常数。实际中这两个条件通常总能满足。 （2）控制算法计算及控制输出：u(k)=f[e(k),r(k)]，输出给D/A。计算机相当于一个数字调节器和一个虚拟采样开关相串联的电路。 （3）计算机输出u(k)，D/A立即将其变换成模拟量u(t)，并且一直保持到下一次输出新的u(k)为止，所以D/A相当于一个零阶保持器。 图2 计算机控制系统原理图变成下图： 图3 计算机控制系统结构图 3、控制系统设计方法 图3所示系统由计算机和模拟对象组成，系统中数字与模拟两部分由A/D、D/A连接起来，这样的系统也称为混合数字系统。工程中大多数是这样的系统。 方法 一：连续化设计方法 由于A/D、计算机、D/A构成的组合体的输入输出都是模拟量，被控对象是模拟量，所以该系统可以看成是一个连续变化的模拟系统。这样就可以用连续系统的理论进行动态分析和设计，得到D(s)，再将D(s)变成数字控制算法。这种设计方法称为连续化设计方法或模拟化设计方法，或称为间接设计法。 基本思路是：当系统的采样频率足够高时，采样系统的特性接近于连续变化的模拟系统，因而可以忽略采样开关和零阶保持器，从而用S域方法设计校正器D(s)，再使用S域到Z域的离散化方法求得离散传递函数D(z)。其本质是将一个模拟调节器离散化，用数字调节器取代模拟调节器。 方法二；离散化设计方法 由于D/A、计算机、A/D构成的组合体的输入、输出都是数字量，这一系统又具有离