《计算机控制系统》课程教学资源（PPT课件）第3章 常规数字控制技术

计算机控制常规数字控制技术第3章郝成

郝 成 第3章 常规数字控制技术 计算机控制

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：②复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制、前馈一反馈控制、解耦控制

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； ②复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控 制、前馈—反馈控制、解耦控制

3.1数字控制器的连续化设计技术设计方法：数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现

3.1 数字控制器的连续化设计技术 设计方法：数字控制器的连续化设计是 忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器， 在S域中按连续系统进行初步设计，求出连续 控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离 散化为数字控制器，并由计算机来实现

3.1.1数字控制器的连续化设计步骤计算机控制系统的结构框图：e(k)u(ku(t)r(t)e(t)y(t)艾茵D(z)H(s)G(s)T1这是一个采样系统的框图：控制器D(Z)的输入量是偏差，U(k)是控制量，H(S)是零阶保持器，G(S)是被控对象的传递函数

计算机控制系统的结构框图： 这是一个采样系统的框图：控制器D(Z)的输 入量是偏差，U(k)是控制量，H(S)是零阶保持 器，G(S)是被控对象的传递函数。 D(z) H(s) G(s) r(t) e(t) e(k) u(k) u(t) y(t) T T + _ 3.1.1 数字控制器的连续化设计步骤

1.假想的连续控制器D(S)设计的第一步就是找一种近似的结构，来设计一种假想的连续控制器D(S)，这时候我们的结构图可以简化为：r(t)e(t)u(t)y(t)D(s)G(s)已知G(S)来求D(S)的方法有很多种，比如频率特性法、根轨迹法等

D(s) G(s) r(t) + e(t) u(t) y(t) _ 已知G(S)来求D(S)的方法有很多种，比如 频率特性法、根轨迹法等。 1.假想的连续控制器D(S) 设计的第一步就是找一种近似的结构，来 设计一种假想的连续控制器D(S)，这时候我们 的结构图可以简化为：

2.选择采样周期T香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率。在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器H(S)来实现。零阶保持器的传递函数为：e'sT-H(s)=S

1 ( ) sT e H s s - - = 2.选择采样周期T 香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信 号的最低采样频率。在计算机控制系统中，完成 信号恢复功能一般由零阶保持器H(S)来实现。零 阶保持器的传递函数为：

其频率特性为jw2 -e-jw2e'jwT2e1-H(jw)=2jwjwWTWTsinsinwT22WT--WTWT222

其频率特性为 j j j j 2 2 2 j 2 1 e 2e (e e ) (j ) j 2j sin sin 2 2 e 2 2 2 T T T T T H T T T T T T T w w w w w w w w w w w w w - - - - - - = = = = ?

从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移(滞后)。对于小的采样周期，可把零阶保持器H(S)近似为：(sT)1- 1+sTe~ST212H(s)ssTT=T(1- s=+:)?Te2

2 2 ( ) 1 1 1 2 ( ) (1 ) 2 sT T s sT sT e H s s s T T s Te - - - + - + - = ? = - + ? 从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号 产生附加相移(滞后)。对于小的采样周期，可把 零阶保持器H(S)近似为：

上式表明，当T很小时，零阶保持器H(S)可用半个采样周期的时间滞后环节来近似它使得相角滞后了。而在控制理论中，大家都知道，若有滞后的环节，每滞后一段时间其相位裕量就减少一部分。我们就要把相应减少的相位裕量补偿回来。假定相位裕量可减少5°～15°，则采样周期应选为：T 》 (0.15 ~ 0.5)Q

上式表明，当T很小时，零阶保持器H(S) 可用半个采样周期的时间滞后环节来近似。 它使得相角滞后了。而在控制理论中，大家 都知道，若有滞后的环节，每滞后一段时间， 其相位裕量就减少一部分。我们就要把相应 减少的相位裕量补偿回来。假定相位裕量可 减少5° ～15° ，则采样周期应选为： ( ) 1 0 15 0 5 c T . ~ . ω »

其中c是连续控制系统的剪切频率。按上式的经验法选择的采样周期相当短。因此，采用连续化设计方法，用数字控制器去近似连续控制器，要有相当短的采样周期

其中ωC是连续控制系统的剪切频率。 按上式的经验法选择的采样周期相当短。 因此，采用连续化设计方法，用数字控制器去 近似连续控制器，要有相当短的采样周期