数字控制系统理论与设计.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字控制系统理论与设计,Instructor:,Prof.,林 桦,E-mail:LHUAmail.H,课件下载,：,controlsystem,密码,：,control_system,Tel:[phone],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(t),e(t),u(t),y(t),保持器,e(k),u(k),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,阀门,放大器与,电动机,r(t),e(t),u(t),y(t),炉子,连续控制系统,炉子时间常数大，产生大的超调,阀门,放大器与,电动机,r(t),e(t),y(t),炉子,采样控制系统,(3),数字控制系统,y(t),G(s),D(z),r(t),e(t),u(t),D/A,e*(k),u*(k),A/D,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),G(s),D(z),r(t),e(t),u(t),y(t),保持器,e(k),u(k),y(t),G(s),D(z),r(t),e(t),u(t),D/A,e*(k),u*(k),A/D,采样控制系统,数字控制系统,r(k),y(k),G(z),数字控制系统,忽略,量化效应,采样控制系统,离散控制系统,G(s),与保持器离散,连续控制系统,AB,作为一个环节,A,B,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）,第六章 数字控制系统离散化设计（,6,学时）,Z,平面根轨迹设计,频率域设计,状态反馈控制规律的极点配置设计,状态观测器设计（预测、现时、降维）,课程大纲（续）,第六章 数字控制系统实现中的某些问题（,2,学时）,实时控制的实现,控制算法的编排,量化效应分析,