数字控制系统理论与设计PPT课件

1.2
u(z) 1.582 z 0.368
E(z)
z 0.418
0.8 0.4
0
兰线 — 模拟控制 红线 — 计算机控制
1
2
3
4
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。
第1章 概 述（1-2学时）
▪ 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）
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
模拟控制缺点： ➢不便于修改参数； ➢难以实现复杂控制；
被控对象
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
(2) 硬件组成
(3) 控制过程实质 输入－计算－输出
1.1.2 数字控制系统的特点
（与模拟控制系统相比）
（1）特点
▪ 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）
r(k)
G(z)
e(t) A
e(k)
D(z)
u(k) 保持器 u(t)
B
G(s)
y(k) y(t)
数字控制系统
r(t)
e(t) A/D e*(k)
u*(k)
D(z)
D/A
u(t)
放大器与 电动机
阀门
y(t)
炉子
采样控制系统
采样控制系统
(3) 数字控制系统
r(t) e(t)
e*(k)
u*(k)
u(t)
y(t)
A/D
D(z)
D/A
G(s)
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)
1.3.2 几种控制系统之间的联系
采样控制系统 r(t)
(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)
1 y(t)
计算机仿真:
u(z) 70 z 1 2T E(z) z 110T
仿真结果（兰线 —模拟控制；红线 — 计算机控制）
1.5
1.6
系统 1.0
1.2
0.8
输出 0.5
0.4
00
1
2
0 0.5 1 1.5 2 2.5
80
60
计算机 60
40
40
输出
20
20
0
0
-20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
（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；
1.1.3 计算机控制系统的分类 （按功能分）
(1)数据采集系统 (2)直接数字控制系统 (DDC－Direct Digital Control)
数字控制系统理论与设计
Instructor: Prof. E-mail: 课件下载： 密码：control_system
参1. 考动书态: 系T统el的: 数字87控54制36（5D8i－gi8t0al4(COo)ntrol of Dynamic
System）第3版 Gene F.Franklin2001
s 1
输入与采样时刻相同
输入与采样时刻不相同
实线 — 模拟控制 圆点 — 计算机控制
差异一： 数字控制系统为时变系统
例2：连续控制系统 G(s) 1 s(s 1)
超前校正 D(s) 70 s 2
s 10
（1）连续控制系统阶跃响应
（2）用计算机实现模拟调节规律（前向差分） u(k 1) (110T )u(k) 70(2T 1)e(k) 70e(k 1)
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。
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。
1.3.1 控制系统的几种类型 （按信号形式分）
(1)连续控制系统
r(t) e(t)
u(t)
y(t)
D(s)
G(s)
—— 每个信号均为连续模拟量
(2)采样控制系统
T=0.025s
T=0.05s
——采样周期越小，数字控制越接近模拟控制效果
采样周期增大为T=0.5s 仿真
（蓝线 — 模拟控制；红线 — 计算机控制）
2 1.6 1.2 0.8 0.4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
—— 采样周期过大，系统不稳定
(3)用计算机实现最小拍控制（数字控制器）
仿真程序S3
T 1s
2．计算机控制系统－理论、设计与实现 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
本课程目的
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。
r(t) e(t) e(k)
u(k)
u(t)
y(t)
D(z)
保持器
G(s)
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)
例：炉温控制系统
r(t)
e(t)
放大器与 电动机
u(t)
阀门
y(t)
炉子
连续控制系统 炉子时间常数大，产生大的超调
r(t) e(t)
数字控制器
位置给定 A/D
校正 计算机
校正 D/A 放大 电机及齿轮 雷达
A/D
转速测量
A/D
位置测量
1.1.1 计算机控制系统的组成
(1) 原理框图
给定
A/D
计算机
D/A
H(s)
测量装置
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)
G(s) 输出
例3：一阶滤波器，输入为f=4.9Hz u(t) K y(t)
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。
源自文库T1s 1
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