数字控制器课件.ppt

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1、数字控制器第1页，此课件共112页哦第三章 常规数字控制器的设计2.2.离散化设计方法离散化设计方法首先用适当的离散化方法将连续部分（如图所示的首先用适当的离散化方法将连续部分（如图所示的保持器和被控对象）离散化，使整个系统完全变成离保持器和被控对象）离散化，使整个系统完全变成离散系统，然后用离散控制系统的设计方法来设计数字散系统，然后用离散控制系统的设计方法来设计数字控制器，最后用计算机实现控制功能。控制器，最后用计算机实现控制功能。第2页，此课件共112页哦第三章第三章 常规数字控制器的设计常规数字控制器的设计3 3两种方法的比较两种方法的比较 模拟化设计方法可引用成熟的经典设计理论和方法

2、。但在模拟化设计方法可引用成熟的经典设计理论和方法。但在“离离散散”处理时，系统的动态特性会因采样周期的增加而改变，甚处理时，系统的动态特性会因采样周期的增加而改变，甚至导致闭环系统的不稳定。至导致闭环系统的不稳定。离散化设计方法运用的数学工具是离散化设计方法运用的数学工具是Z Z变换与离散状态空间分析法。变换与离散状态空间分析法。这种方法是一种直接数字设计方法，不仅更具有一般性，而且这种方法是一种直接数字设计方法，不仅更具有一般性，而且稳定性好、精度高。相对而言有时称为精确法。稳定性好、精度高。相对而言有时称为精确法。需要注意的是，需要注意的是，该法的精确性仅限于线性范围内以及采样点上才成立

3、。该法的精确性仅限于线性范围内以及采样点上才成立。第3页，此课件共112页哦32模拟控制器的离散化 表征模拟校正装置的重要参数是：极点与零点的数目；频带宽度与截止频率；DC增益；相位裕度；增益裕度、超调量、闭环频率响应峰值等。在离散化过程中，上述特性都要保持下来是不大可能的。在选择模拟控制器的离散化方法时，首先必须明白对离散化控制算法有何要求，以保证模拟校正装置的主要特性能得到保持。第4页，此课件共112页哦321Z变化法变化法 Z变换法就是在D(z)与D(s)之间建立的一种映射关系（），这种映射关系保证模拟控制器的脉冲响应的采样值与数字控制器的输出相同。Tsez)()()(sDsEsUnna

4、sAasAasAsD2211)(11211111)(21zeAzeAzeAzDTanTaTan第5页，此课件共112页哦在设计中所需要的高频部分出现频率混迭问题。为了解决这一问题:增加采样角频率 ，使 远高于控制器的截止频率。ss第6页，此课件共112页哦2.带有零阶保持器的带有零阶保持器的Z Z变换法变换法n在原线性系统的基础上串联一个虚拟的零阶保持器，再进行Z变换从而得到D(s)的离散化模型D(z)(1)(sDseZzDsT第7页，此课件共112页哦3.差分变换法（又称数值积分法）n将微分方程离散化为差分方程，最后求z传递函数。第8页，此课件共112页哦第9页，此课件共112页哦整理后得到

5、z传递函数或 Tzs11sTz11对比可看出：或第10页，此课件共112页哦这就是后向差分变换式：这就是后向差分变换式：TzssDzD11)()(Teedtdeii1前向差分:Tzs1sTz1或第11页，此课件共112页哦4.双线性变换法根据z变换定义:2/2/TsTsTseeez2/1.!3)2/(!2)2/(2/1322/TsTsTsTseTs2/12/TseTs212/1TsTsz展成级数：同理：得双线性变换公式：第12页，此课件共112页哦双线性变换公式可以进行实s传递函数与z传递函数相互转换，转换公式如下：)1()1(211|)()(zTzssDzDeiiui-ui-1第13页，此课

6、件共112页哦各种离散化方法的比较各种离散化方法的比较第14页，此课件共112页哦33 数字数字PID控制控制-模拟控制器的离散化设计方法模拟控制器的离散化设计方法331理想微分理想微分PID控制控制 设系统的误差为e(t)，则模拟PID控制规律为)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtutdip它所对应的连续时间系统传递函数为 11)()(sTsTKsEsUdip第15页，此课件共112页哦（1）比例调节器控制规律：0uekup（2）比例积分调节器控制规律：tipuedtTeku00)1(（3）PID调节器控制规律：tdipudtdeTedtTeku00)1(第16页，此课件共11

7、2页哦PID控制器连续时间系统传递函数 11)()(sTsTKsEsUdip第17页，此课件共112页哦PID模拟控制器的离散化n用矩形法来计算数值积分：kitTiede00)()(Tkekedttde)1()()(n用后向差分来代替微分：第18页，此课件共112页哦则离散化的PID控制规律为：kidipuTkekeTTieTkekku00)1()()(1)()(n上式表示的控制算法提供了执行机构的位置所以称为上式表示的控制算法提供了执行机构的位置所以称为PID位置控制算法位置控制算法。n这种算式中有一累加项这种算式中有一累加项 ，随着时间，随着时间k的增加，累加的的增加，累加的项次也依次增加

8、，不利于计算机计算。另外，如果由于某种干项次也依次增加，不利于计算机计算。另外，如果由于某种干扰因素导致扰因素导致u(k)为某一极限值时，被控对象的输出也将作大幅度的为某一极限值时，被控对象的输出也将作大幅度的剧烈变化，由此可能导致严重的事故。就其原因，剧烈变化，由此可能导致严重的事故。就其原因，位置式算式存在以位置式算式存在以上缺陷的主要原因是它所给出的只是当前控制量的大小，与此前时刻上缺陷的主要原因是它所给出的只是当前控制量的大小，与此前时刻控制量的大小却完全不相关。为此，有必要改进上述算法。控制量的大小却完全不相关。为此，有必要改进上述算法。Tekii 0第19页，此课件共112页哦 在

9、很多控制系统中，由于执行机构是采用步在很多控制系统中，由于执行机构是采用步进电机或多圈电位器进行控制的，所以，只要给进电机或多圈电位器进行控制的，所以，只要给出一个增量信号即可。出一个增量信号即可。n写出K-1的输出值：100)2()1()(1)1()1(kidipuTkekeTTieTkekku上两式相减得PID增量式控制算法第20页，此课件共112页哦)2()1()21()()1()2()1(2)()()1()()1()()(keTTkkeTTkkeTTTTkkekekeTTkeTTkekekkukukudpdpdipdip1A2A3A第21页，此课件共112页哦增量式PID算法与位置式P

10、ID算法的比较：两者本质相同，只是前者需要使用有附加积分作用的执行机构。但有如下优点：1、计算机只输出增量，误动作时影响小，必要时可增设逻辑保护；2、手动/自动切换时冲击小；3、算式不需要累加，只需记住四个历史数据，即e(k-2),e(k-1),e(k)和u(k-1),占用内存少，计算方便，不易引起误差累积。第22页，此课件共112页哦数字PID控制算法程序框图 第23页，此课件共112页哦PID控制规律的脉冲传递函数形式123()()(1)(2)pu kKAe kA e kA e k两边求z变换，并注意到 ，得)1()()(kukuku)()()()()(231211zEzAzEzAzEAK

11、zUzzUp)(1)()(123121zEzzAzAAKzUp第24页，此课件共112页哦 理想微分PID控制的实际效果并不理想，从阶跃响应看，它的微分作用只能维持一个采样周期。由于工业用执行机构(如气动调节阀或电动调节机构)的动作速度限制，致使偏差大时，微分作用不能充分发挥，再加之理想微分还容易引进高频干扰。为此，实际应用中，几乎所有的数字控制回路，通常都加一低通滤波器来限制高频干扰的影响。问题：第25页，此课件共112页哦n实际微分PID控制算式一 通过一级低通滤波器来限制高频干扰的影响 332实际微分PID控制 11)(sTsGfc低通滤波器和理想微分PID算式相结合后的传递函数为：)1

12、1(1)()()(sTsTsTKsEsUsDdifp第26页，此课件共112页哦则差分方程：)2()1()()1()(3210keakeakeakuaku若令（Kd为微分系数）ddfKTT)()1()(kukuku第27页，此课件共112页哦(2)实际微分PID控制算式之二 实际微分PID算式的传递函数：121 22112112fdpidTTTTTTKKKTTTTTTT，2111222121(1)(1)(1)(1)()()(1)(1)pddKT sTsK TsT sD sTTTT ssTssKK)11(11)()()(1122sTKsKTsTsEsUsDd第28页，此课件共112页哦微分作用输

13、出差分方程为：)1()()()1()(2222keTkeTTkuKTkuTKTdddd)1()()()1()(222222keTTKTKkeTTKTTKkuTTKTkuddddddd图中的前置方块主要起微分作用，所以它也称为微分先行PID控制。第29页，此课件共112页哦积分作用输出差分方程为：比例作用输出差分方程为：)()1()(11kuTTKkukudii)()(1kuKkudp位置型算式为：)1()()()1()1()1()1()()()()()(22222211111keTTKTKkeTTKTTKkuTTKTTTKkukukuTTKkuKkukukuddddddiiddip第30页，此

14、课件共112页哦(3)实际微分实际微分PID控制算式之三控制算式之三 不完全微分不完全微分)111()(sKTsTsTKsDdddip第31页，此课件共112页哦由图可见，本算法是微分环节上加一个惯性环节由图可见，本算法是微分环节上加一个惯性环节，故也称不完全微分，故也称不完全微分PID控制控制n它仅改变了标准PID控制器的微分部分，使得在偏差发生突变时，微分作用可比较平缓。第32页，此课件共112页哦比例、积分和微分三个框的输出差分方程)1()()(kekeKkupp)()(keTTKkuipi)1()()1()(kekeKKkuTTKTkudpddddd)1()()(kukukuddd)(

15、)()()(kukukukudip)()1()(kukuku第33页，此课件共112页哦3.3.3 标准标准PID控制算法的改进控制算法的改进 在实际应用中，数字在实际应用中，数字PID控制器的控制效果有时不如模拟控制器的控制效果有时不如模拟PID控制控制器。器。原因：主要是因为数字调节器的控制量在一个采样周期内原因：主要是因为数字调节器的控制量在一个采样周期内保持不变，使得在这段时间内系统相当于开环运行。其次由保持不变，使得在这段时间内系统相当于开环运行。其次由于计算机的数字运算以及数字量输入输出的时间，使得控制于计算机的数字运算以及数字量输入输出的时间，使得控制作用在时间上有延滞，计算机的

16、有限字长及作用在时间上有延滞，计算机的有限字长及AD，DA转换转换精度也给控制量带来了误差。精度也给控制量带来了误差。办法：充分发挥计算机运算速度快，逻辑判断功能强，编制办法：充分发挥计算机运算速度快，逻辑判断功能强，编制程序灵活等优势。程序灵活等优势。手段：对手段：对PID算法进行了一系列改进。算法进行了一系列改进。第34页，此课件共112页哦3.3.3 标准PID控制算法的改进 3.3.3.1 积分项的改进 在PID控制中，积分作用是消除余差。n梯形积分提高积分项的运算精度 将矩形积分 用梯形积分来代替代价：增大存储量和需要更多的运算时间。kjje0)(kjjeje02)1()(第35页，

17、此课件共112页哦n消除积分不灵敏度消除积分不灵敏度 容易出现小于字长的精度而丢弃，此时也就无积分作用，这种现象称为积分不灵敏区或称积分作用丢失。采用以下措施：n增加A/D转换位数，加长运算字长，这样可提高运算精度。1.当积分项连续出现小于输出精度的情况下，不要把它们作为“零”舍掉，而是把它们一次一次累加起来，即njiijuS0)(直到累加值Si大于时，再输出Si。同时把累加单元Si清零。)()(keTTKkuipi)(kui第36页，此课件共112页哦(3)PID(3)PID算法积分饱和现象及其抑制算法积分饱和现象及其抑制 maxminuuukjiTjeT0)(1yt0ut0umaxr*ab

18、ab图312 PID位置式算法的积分饱和现象 在实际过程控制中，控制变量由于受很多条件的约束而被限制在一个有限范围内,如：采用标准PID位置式算法，只要系统的偏差没有消除，积分作用就会继续增加或减少。最后使控制量达到上或下的极限值，使得系统进入饱和范围。第37页，此课件共112页哦过限削弱积分法过限削弱积分法yt0ut0umaxe0积分不积累e0积分积累一旦控制变量进入饱和区，则程序只执行削弱积分项的运算，而停止增大积分项的运算。第38页，此课件共112页哦积分分离法积分分离法 积分分离法的基本思想为：当误差e大于某个规定的门限值时，删去积分作用，从而使ei不至于过大。只有当e较小时，才引入积

19、分作用，以消除稳态误差。)1()()()(0TkekeTTeTKkeKkukidiiipAkeAkeKi)(0)(1若若其中，称为门限值。第39页，此课件共112页哦3.3.3.2 3.3.3.2 微分项的改进微分项的改进 由于微分作用是在相邻的采样周期内进行，因此它的强弱不仅与微分时间Td，放大系数Kp有关，而且与采样周期T也有明显关系。当T太小时，二次采样之间被控参数变化一般不会太大，因而微分作用就弱。为了在T小时增加微分作用，可增加Kp或Td，但这样一来，会使抗噪声特性恶化，微分作用对它们又特别敏感，因此应设法减少噪声和数据误差在微分项中的影响。)1()()1()()(kekeKkeke

20、TTKkuddpd)1()()1()()(kekeKkekeTTKkuddpd 在数字PID算式的微分项中如何减少数据误差和噪声，也是应用中经常遇到的一个问题，这一点可以从微分项表达式看出。第40页，此课件共112页哦微分项的改进方法 偏差平均 减少计算次数 测量值微分当控制系统给定值r(k)发生阶跃变化时，微分动作将导致控制量u(k)的大幅度变化，这不利于生产的稳定操作。因此，在微分项中不考虑给定值r(k)，只对测量值y(k)(即被控量)进行微分。mjjemke1)(1)()1()()(kekeKkudd)2()1(2)()(kekekeKkudd式中平均项系数m的选取，取决于被控对象的特性

21、。改成:第41页，此课件共112页哦必须注意，对串级控制的副回路而言，给定值是由主回路必须注意，对串级控制的副回路而言，给定值是由主回路输出给定的，其变化一般也应加以微分处理，因此，应采输出给定的，其变化一般也应加以微分处理，因此，应采用原微分项算式对偏差进行微分。用原微分项算式对偏差进行微分。需要指出的是，数字需要指出的是，数字PIDPID算式中的测量值微分的微分项算式中的测量值微分的微分项的物理意义，与模拟的物理意义，与模拟PIDPID算式中的微分项一样，它们的输算式中的微分项一样，它们的输出都与被控参数的变化率成正比。只是由于数字出都与被控参数的变化率成正比。只是由于数字PIDPID在采

22、样在采样周期内进行一次，因此这里所指的变化率实际上具有平均变化周期内进行一次，因此这里所指的变化率实际上具有平均变化率的概念。同样数字率的概念。同样数字PIDPID微分项具有超前作用，它与微分项具有超前作用，它与“零阶保零阶保持器持器”具有的滞后正相反，因此可以互相补偿，以改善具有的滞后正相反，因此可以互相补偿，以改善控制性能。控制性能。第42页，此课件共112页哦3333 干扰的抑制 数字数字PIDPID控制器的输入量是系统的给定值控制器的输入量是系统的给定值r r和系统和系统实际输出实际输出y y的偏差值的偏差值e e。在进入正常调节过程后，由于。在进入正常调节过程后，由于e e值值不大，

23、相对而言，干扰对控制器的影响也就很大。为了消不大，相对而言，干扰对控制器的影响也就很大。为了消除干扰的影响，除了在硬件上采取相应的措施以外，在控除干扰的影响，除了在硬件上采取相应的措施以外，在控制算法上也应采取一定措施。制算法上也应采取一定措施。四点中心差分法的思想是：不直接采用误差四点中心差分法的思想是：不直接采用误差e(i)e(i)，而是用过去和现在四个采样时刻的误差平均值作为基而是用过去和现在四个采样时刻的误差平均值作为基准准：4/)3()2()1()()(ieieieieie第43页，此课件共112页哦()()(1)()()(2)()(3)()()41.50.50.51.5ddTTe

24、ke ke ke ke ke ke ke ke kTT通过加权求和，构成近似微分)3()2(3)1(3)(6)(kekekekeTTTkeTdd)3()2(3)1(3)(6)()()(0kekekekeTTieTTkeKkudkiip)4()3(2)2(6)1(2)(6)()2(3)1(3)3()(61)(kekekekekeTTkeTTkekekekeKkudip修正后的PID位置算法：修正后的PID增量式算法：第44页，此课件共112页哦334 数字PID调节器的参数整定 PID调节器的设计一般来说可以分成两个部分，首先是选择调节器的结构，以保证闭环系统的稳定，并尽可能地消除稳态误差。一旦

25、调节器的结构确定下来，调节器设计的下一步任务就归结为参数整定。3341 PID调节器参数对系统性能的影响 放大倍数Kp对系统性能的影响 对系统的动态性能：加大，将使系统动作灵敏，响应速度加快，偏大，衰减振荡次数增多，调节时间变长。当太小又会使系统的响应速度缓慢。Kp的选择以输出响应产生4：1衰减过程为宜。对系统的稳态性能：在系统的稳定性的前提下,加大Kp可以减少余差(又称残差或稳态误差)，但靠它不能消除余差。因此，Kp的整定主要依据系统的动态性能。第45页，此课件共112页哦积分时间对系统性能的影响 对系统的动态性能：积分时间Ti通常影响系统的稳定性。Ti太小，系统将不稳定，Ti偏小振荡次数较

26、多；Ti太大，系统的动态性能变差；当Ti较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。对系统的稳态性能：积分时间Ti的作用有助于消除系统余差，提高了系统的控制精度，但若Ti太大，积分作用太弱，则不能减少余差。微分时间Td对系统性能的影响 对系统的动态性能：微分时间常数Td 的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差(余差)减少，提高控制精度。但微分作用有可能放大系统的噪声，减低系统的抗干扰能力。对系统的稳态性能：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。iT第46页，

27、此课件共112页哦第47页，此课件共112页哦 采样周期采样周期T的选取应与的选取应与PID参数的整定综参数的整定综合起来考虑，选取采样周期时，一般应考虑合起来考虑，选取采样周期时，一般应考虑以下因素：以下因素：n扰动信号(2)对象的动态特性(3)计算机所承担的工作量(4)对象所要求的控制品质(5)与计算机及AD、DA转换器性能有关(6)考虑执行机构的响应速度。3342 采样周期的选定 第48页，此课件共112页哦第49页，此课件共112页哦3343 实验确定法整定PID参数(1)试凑法:试凑法是通过计算机仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各调节参数(，)对系统响应的影响，

28、反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。首先只整定比例系数，将 由小变大，使系统响应曲线略有超调。若在比例调节的基础上，系统稳态误差太大，则必须加入积分环节。若使用PI调节器消除了稳态误差，但系统动态响应经反复调整后仍不能令人满意，则可以加入微分环节，构成PID调节器。pKPID参数的整定可以按模拟调节器的方法来进行。参数整定通常有两种方法，即理论设计法和实验确定法。pKiTdT第50页，此课件共112页哦(2)PID(2)PID参数的工程整定法参数的工程整定法 临界比例法 这一方法适用于能自平衡的被控对象，首先选定一个足够短的采样周期。用比例调节器构成闭环使系统工作。逐渐加大比例系数

29、，直到系统发生持续等幅振荡，即系统输出或误差信号发生等幅振荡。记此时的比例系数为 ，临界比例度 ，临界振荡周期为 。按下面的经验公式得到不同类型调节器参数。0202)()()()(模拟控制数字控制控制度dttedttepKrKrrK1rT控制度是以模拟调节为基准，将直接数字控制即DDC的控制效果与模拟控制效果相比较。第51页，此课件共112页哦(2)PID(2)PID参数的工程整定法参数的工程整定法 阶跃曲线法 yt0T 让系统处于手动操作的开环状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号，并记录下被控量在阶跃输入下的整个变化过程曲线。在阶跃响应

30、曲线的拐点处作切线求得滞后时间，被控对象时间常数，然后根据表34求得各参数。第52页，此课件共112页哦3344 数字PID的变参数整定(1)按照负荷预先设置整定参数方法(2)时序控制按一定时间顺序采用相应的Kc、Td、Ti参数。(3)人工模型模拟现场操作工人的操作方法，根据经验决定各种情况下的参数值，并编入程序中，然后在执行程序时，自动改变这些参数和给定值。第53页，此课件共112页哦举例：举例：1 1、对于一阶惯性对象，负荷变化不大，工艺要求不变，可采用、对于一阶惯性对象，负荷变化不大，工艺要求不变，可采用P P控制，例如：压力、液位、串级副付回路等。控制，例如：压力、液位、串级副付回路等

31、。2 2、对于一阶惯性加纯滞后对象，负荷变化不大，要求控制精度较高、对于一阶惯性加纯滞后对象，负荷变化不大，要求控制精度较高的场合，可采用的场合，可采用PIPI控制，例如用于压力、流量、液位控制。控制，例如用于压力、流量、液位控制。3 3、对于纯滞后时间较大，控制性能要求高的场合，可采用对于纯滞后时间较大，控制性能要求高的场合，可采用PIDPID控制，如控制，如过热蒸汽温度控制，成分控制等。过热蒸汽温度控制，成分控制等。4 4、对于二阶以上惯性加纯滞后对象，负荷变化较大，控制性能要求较对于二阶以上惯性加纯滞后对象，负荷变化较大，控制性能要求较高时，应采用串级、前馈高时，应采用串级、前馈-反馈，

32、前馈反馈，前馈-串级或纯滞后补偿等复杂串级或纯滞后补偿等复杂控制。控制。第54页，此课件共112页哦3345 数字PID参数的最优整定(1)性能指标的选择 02)(dtteISE0|)(|dtteIAE0|)(|dttetIATEkjjTjTeIATE02|)(|数字kjjjTeIATE0|)(|数字(2)寻优方法 FppdDppiBppTETTTCTTTKAK)(,)(,)(多参数的寻优已有不少成熟的算法，如单纯型加速法、梯度法等。由于单纯型加速法具有控制参数收敛快，计算工作量小等优点，因此被普遍应用。第55页，此课件共112页哦34 最少拍数字控制系统的设计最少拍数字控制系统的设计)()(

33、1)()()(zGzDzGzDz)(1)()(1)(zzzGzD)(1)(sGsesGpTs 若已知广义对象的脉冲传递函数G(z)，并且根据对控制系统的性能的要求确定(z)，则数字控制器D(z)也就确定下来了。第56页，此课件共112页哦直接设计法的步骤为：1根据对控制系统性能指标的要求和其它的约束条件，确定闭环系统脉冲函数。2根据D(z)计算公式，确定数字控制器。3编程实现。最少拍控制系统是在最少的几个采样周期内达到在采样时刻输入输出无误差的系统。直接数字设计法设计最少拍控制系统，要考虑以下几点。(1)对于特定的参考输入信号，到达稳态后，系统在采样时刻精确实现对输入的跟踪。(2)系统以最快速

34、度达到稳态。(3)D(z)应是物理可实现的。(4)闭环系统应是稳定的。数字控制器的直接数字设计方法，就是根据控制系统的性能要求，应用离散控制理论，直接设计数字控制系统。第57页，此课件共112页哦(1)对系统稳态误差的要求 111)(zzR311)1()(zTzzR31112)1(2)1()(zzzTzRmzzAzR)1()()(1阶跃信号 斜坡信号 加速度信号 一般表达式：其中，A(z)中不含z=1的因子。第58页，此课件共112页哦)()(1()()()()()()(zRzzRzzRzYzRzE系统的误差信号应满足 称1-(z)为误差脉冲传递函数。根据z变换的终值定理。)(1()1()()

35、1(lim)(1)()1(lim)()1(lim)(lim1111111zzzAzzzRzzEzkemzzzk系统的稳态误差e()为零，则要求1-(z)中必须含有(1z-1)的至少m次因子，即：)()1()(111zFzzpmp 其中，F1(z)为一个待定的z-1多项式。第59页，此课件共112页哦(2)最快速达到稳态的要求)()()1()1()()()1()(11111zAzFzzzAzFzzEmpmp)()1()(111zFzzm 因为A(z)和F1(z)都是z-1多项式，所以E(z)是z-1的有限阶多项式。它的次数等于E(z)趋于零的拍数。为使E(z)尽快为零，我们希望这个多项式的次数为

36、最小。选 若要使设计的数字控制器最简单，且E(z)以最少的拍数达到零，可选F1(z)1。但选F1(z)1，可能使系统不能满足D(z)物理可实现和稳定性的要求，下面我们再进一步分析其它性能要求。设计最少拍控制系统的一般公式。第60页，此课件共112页哦(3)D(z)物理可实现的要求 10110112012()()()lmmnnlzbb zb zG zaa za zzgg zg z 所谓数字控制器D(z)物理可实现问题，是要求数字控制器算法中不允许出现对未来时刻的信息的要求。这是因为未来信息尚属未知，不能用来计算控制量。具体说来，就是D(z)的无穷级数展开式中不能出现z的正幂项。设广义对象的脉冲传

37、递函数为 )1(1)(rrrrzzz若我们希望闭环脉冲传递函数(z)为第61页，此课件共112页哦 )1(1)()1(1110)1(1)1)()(lrlrlrlrrrrrlrrrrzdzdzzzggzzzzD)()(1zzzlppzzzz 221101)(其中：可求得数字控制器的脉冲传递函数 显然，rl若，则D(z)的无穷级数展开式将出现z的正幂项。这意味着在计算u(k)时需要e(k+1)，e(k+2)，等信息，这是不可能的。因为，这时的D(z)不是物理可实现的。为此，闭环脉冲传递函数(z)应具有形式：第62页，此课件共112页哦(4)闭环稳定性要求)(1)()()(zzGzDz G(z)若有

38、单位圆上或单位圆外的极点，并且该极点没有与D(z)或1-(z)的零点对消的话，则它也将成为(z)的极点，从而造成闭环系统不稳定。如果我们利用D(z)的零点去对消G(z)不稳定的极点，虽然从理论上来说可以得到一个稳定的闭环系统，但是这种稳定是建立在零极点完全对消的基础上的。当系统的参数产生漂移，或者辨识的对象有误差时，这种零极点的对消不可能准确实现，从而引起闭环系统不稳定。因此，我们只能利用1(z)的零点来对消这些极点。第63页，此课件共112页哦)()()()(zRzGzzU另外，若G(z)有位于单位圆外或单位圆上的零点，则数字控制器输出序列u(k)将随着时间的推移而趋向于无穷大，造成闭环系统

39、不稳定。为克服这一现象，(z)的零点必须包含G(z)的所有在单位圆外或单位圆上的零点。总之，为保证闭环系统稳定，1(z)的零点必须包含有G(z)的不稳定极点，而(z)零点必须包含有G(z)的不稳定零点。设)()1()1()(1111zGzPzZzGviiiwi第64页，此课件共112页哦121()(1)()wiizZ zF z)()1()(1311zFzPzvii G(z)是G(z)的不包含单位圆外或单位圆上的零极点部分。上式表示G(z)有Z1，Z2，Z3，Zw等w个单位圆外或单位圆上的零点，P1，P2，P3，P等单位圆外或单位圆上的极点。为保证闭环稳定性，(z)和1(z)必须满足：F2(z)

40、是z-1的有限阶多项式，可以利用它使(z)满足其它的要求。F3(z)是z-1的有限阶多项式，可以利用它使1(z)满足其它的要求。第65页，此课件共112页哦应当指出，当G(z)有z1的极点时，相对于该极点，根据对系统稳态误差要求导致的式与根据闭环稳定性要求导致的式是一致的。为使系统具有最少拍响应，可以将这两项合并。换句话说，若P1，P2，P3，P中有k个为1时，则将式中对应的(1-z-1)k与式中的(1-z-1)m合并为(1-z-1)j，且取j=max(k，m)。？)()1()(1311zFzPzvii)()1()(111zFzzm)()1()(1311zFzPzvii)()1()(111zF

41、zzm第66页，此课件共112页哦综合以上4个对(z)的要求，总结出最少拍控制系统设计步骤如下：1求出广义对象的脉冲传递函数)()1()(1)(1ssGZzsGseZzGppTs第67页，此课件共112页哦)()1()1()(01111zGzPzZzzGviiwii2.设G(z)中有个采样周期的纯滞后，w个单位圆外或单位圆上的零点Z1，Z2，Z3，Zw，个单位圆外或单位圆上的极点P1，P2，P3，P。即 设输入信号为：mzzAzR)1()()(1问题：单位圆内的零极点为什么不考虑？其中，G(z)没有单位圆外或单位圆上的零、极点。第68页，此课件共112页哦3综合考虑前面讨论的对(z)的4个要求

42、，令：)()1()(1011zzZzzwiippzzz 1100)(viimzFzPzz111)()1()1()(1qqzfzfzfzF 22111)(第69页，此课件共112页哦4(z)的阶次为(l+w+p)、1-(z)的阶次为(m+q)因(z)与1-(z)的阶次相同，应有：lwpmvq1vmp1qlw 若G(z)有k个z=1的极点，则可将相应的(1-z-1)k由式 中的中提出，并与(1-z-1)m合并为一项(1-z-1)j，其中j=max(k，m)。)()1()1()(01111zGzPzZzzGviiwii其中p，q待定。为满足上式，且保证(z)有最低的阶次，应选 第70页，此课件共11

43、2页哦5根据下式 wiviimilzFzPzzzZz111101)()1()1()()1(1同次幂系数相等的原则。可得出个方程，由之确定0(z)和F(z)中的未知系数和 1mvlw iif6得出最少拍数字控制器)(1)()(1)(zzzGzD则可得：(z)与1-(z)。第71页，此课件共112页哦例31 设计算机控制系统结构如图221所示。其中)1025.0(10)(sssGp已知：采样周期T=0.025，输人为斜坡信号。试设计最少拍控制系统D(z)。)1025.0(101)(sssesGTs系统广义对象传递函数为 第72页，此课件共112页哦)368.01)(1()718.01(092.0)

44、1025.0(10)1()(111121zzzzssZzzG其脉冲传递函数:G(z)的极点为1(单位圆上)和0.368(单位圆内)；零点为一0.718(单位圆内)。其中只有极点1在单位圆上，故w=0，=1。对于斜坡信号有 ，即m=2。由于稳态误差为零，要求 必须有因子 ，而稳定性要求必须有因子 ，前者显然已包含了后者，故可取m+=2。另外，由G(z)可得出 。从而有 ，。21)1()()(zzAzR)(1z21)1(z)1(1 z1l11pmv 10qw 第73页，此课件共112页哦根据以上分析，设:)()1()(1011zzZzzwiiviimzFzPzz111)()1()1()(1对单位斜

45、坡输入，闭环系统的输出序列为:第74页，此课件共112页哦 543211112112125.0115.04.0316.054.0)718.01(092.0)368.01)(1()1()2()()()(zzzzzzzzzzTzzzzGzCzU数字控制器的输出序列(即控制变量)为:第75页，此课件共112页哦例32 考虑如图221所示的系统，设广义对象的脉冲传递函数)268.01()1()2.01)(78.21(000392.0)(121111zzzzzzG设系统采样周期T0.05s，典型输人信号为阶跃信号和斜坡信号，试设计最少拍控制系统。第76页，此课件共112页哦所求的最少拍数字控制器:)27

46、7.11)(2.01()636.01)(286.01(1840)277.11()1()46.0723.0)(78.21()2.01)(78.21(00039.0)286.01()1()(1)()(1)(1111121111111121zzzzzzzzzzzzzzzzzGzD第77页，此课件共112页哦在单位阶跃输入下系统的输出为:12311123410.7231.5541.277()()110.7232.277zzzC zzzzzzzz 在单位斜坡输入下系统的输出:111231 21 223450.05(0.7231.5541.277)()()(1)(1)0.05(0.723345)Tzzzz

47、zC zzzzzzzz 第78页，此课件共112页哦最少拍控制系统具有最快速的向应。但是它的输出在采样点之间存在有纹波，同时它还需要有很大的控制作用，这个控制作用有可能加剧采样点之间的振荡，还可能在DA输出 端引起饱和。另外，针对某一典型输入所设计的最少拍控制器，对其它输人信号适应性较差。同时，最少拍控制系统还对参数变化过于敏感，参数变化有可能导致控制效果急剧下降。因此，除个别情况以外，最少拍控制系统实用意义不大。第79页，此课件共112页哦35 最少拍无纹波控制系统设计最少拍无纹波控制系统设计n 按最少拍控制系统设计出来的闭环系统，在有限拍后即按最少拍控制系统设计出来的闭环系统，在有限拍后即

48、进人稳态。这时闭环系统输出进人稳态。这时闭环系统输出c(k)在采样时刻精确地跟在采样时刻精确地跟踪输入信号。踪输入信号。n虽然在采样时刻闭环系统输出与所跟踪的参考输入一致，虽然在采样时刻闭环系统输出与所跟踪的参考输入一致，但是在两个采样时刻之间，系统的输出存在着纹波或振荡。但是在两个采样时刻之间，系统的输出存在着纹波或振荡。n这种纹波不但影响系统的控制性能，产生过大的超调和这种纹波不但影响系统的控制性能，产生过大的超调和持续振荡，而且还增加了系统功率损耗和机械磨损。持续振荡，而且还增加了系统功率损耗和机械磨损。n最少拍系统产生纹波的原因最少拍系统产生纹波的原因 纹波产生根源是零阶保持器的输入序

49、列纹波产生根源是零阶保持器的输入序列u(k)在稳态误差在稳态误差消除后，仍然围绕自己的平均值上下波动。消除后，仍然围绕自己的平均值上下波动。第80页，此课件共112页哦35 最少拍无纹波控制系统设计最少拍无纹波控制系统设计n由由n可以得到控制信号可以得到控制信号U(z)对输入对输入R(z)的脉的脉冲传递函数为：冲传递函数为：n设广义对象脉冲传递函数为设广义对象脉冲传递函数为 )()()()(zGzzRzU)()()(zQzPzG()()()C zz R z()()()C zG z U z第81页，此课件共112页哦则：则：nP(z)的零点即是的零点即是G(z)的零点。的零点。n由于由于R(z)

50、R(z)到到U(z)U(z)的脉冲传递函数是一个有理分的脉冲传递函数是一个有理分式，从而它的单位脉冲响应为无限长。式，从而它的单位脉冲响应为无限长。n如果我们在选择如果我们在选择 时，令时，令 包含包含G(z)的所有的所有零点，则由式零点，则由式(3105)，P(z)与与中相应因子产中相应因子产生相消，使得由生相消，使得由R(z)到到U(z)的脉冲传递函数为一的脉冲传递函数为一阶次有限的阶次有限的z-1多项式，这就表示它的脉冲响应多项式，这就表示它的脉冲响应时间为有限长了。这样，经过有限拍之后，控时间为有限长了。这样，经过有限拍之后，控制变量制变量u(k)或者为零，或者为常数，不会再产或者为零