数字控制系统理论与设计

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1、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_systemTel: 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

2、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

3、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 C

4、ontrol),(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

5、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

6、（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

7、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,