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: LHUAmail.H 课件下载： 密码：control_system Tel: 87543658804(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,计算机,D/A,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,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 (DDCDirect Digital Control),(3)计算机监督控制系统 (SCCSupervisory Computer Control),(4)分布式计算机控制系统 (DCCSDistributed 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,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。,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。,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）, 每个信号均为连续模拟量,混合信号： 连续模拟量：r(t),e(t),u(t),y(t) 离散模拟量：e(k),u(k),(2)采样控制系统,例：炉温控制系统,采样控制系统,连续控制系统,炉子时间常数大，产生大的超调,(3) 数字控制系统,混合信号: 连续模拟量: r(t),e(t),u(t),y(t) 数字信号: e*(k),u*(k),采样控制系统,数字控制系统,1.3.2 几种控制系统之间的联系,离散系统理论 差分方程及Z变换理论 经典设计方法 状态空间设计方法 最优设计法 系统辨识及自适应控制,采样系统理论 采样理论 连续模型及性能指标的离散化 采样周期的选择 采样控制系统的仿真,数字系统理论 量化效应的影响 非线性特性的影响 控制算法的编程,1.3.3 数字控制系统理论,课程大纲,第一章 概论（1学时） 计算机控制系统(组成、特点、分类) 数字控制系统的新问题(与模拟控制系统的差异） 数字控制系统的理论,第二章 数字控制系统数学描述（2学时） A/D的数学描述 D/A的数学描述 信号的采样与保持 采样系统结构,第四章 采样系统分析（6学时） 等效连续系统分析 采样系统的离散模型 采样系统的方框图分析 采样系统性能分析,课程大纲（续）,第三章 离散系统分析（3学时） Z变换与差分方程 脉冲传递函数 稳定性分析 稳态误差分析 动态性能分析,第五章 数字控制系统的模拟化设计（4学时） 基本原理 各种离散等效方法及特点 数字PID设计（解析法和试验法整定PID参数）,课程大纲（续）,第六