计算机控制-第三章(1)2012

1、计算机控制系统计算机控制系统 1 计算机控制系统的经典设计方法计算机控制系统的经典设计方法 l连续域连续域- -离散化设计离散化设计 在连续域设计控制律在连续域设计控制律D(s)D(s)，将，将D(s)D(s)离散化离散化 计算机控制系统的间接设计方法计算机控制系统的间接设计方法 l离散域设计离散域设计 将被控对象离散化，直接在离散域设计控制律将被控对象离散化，直接在离散域设计控制律 卡尔曼滤波器，预测控制，离散方程卡尔曼滤波器，预测控制，离散方程 l经典设计方法经典设计方法 单输入单输入- -单输出系统，单输出系统，SISOSISO系统系统 根轨迹设计，频率域设计根轨迹设计，频率域设计 2

2、3.2 3.2 数字数字PIDPID控制器设计控制器设计 3.3 3.3 控制系统控制系统z z平面设计性能指标要求平面设计性能指标要求 3.43.4 z z平面根轨迹设计平面根轨迹设计 3 3.5 .5 w w变换及频率域设计变换及频率域设计 3 连续域连续域-离散化设计思想离散化设计思想 l在连续域内已设计好控制律在连续域内已设计好控制律D(s)D(s) l将将D(s)D(s)离散化离散化, ,便于计算机编程实现便于计算机编程实现 1)1)充分利用对连续系统的分析和设计经验充分利用对连续系统的分析和设计经验 2)2)离散化方法简单离散化方法简单, ,结论明确结论明确 控制系统控制系统数字化

3、数字化, ,多变量复杂控制律实现多变量复杂控制律实现 利用各种变换利用各种变换,D(s),D(s)D(z)D(z) 4 5.1.1 设计原理和步骤设计原理和步骤 5 若若De(s)=D(s),或或De(j )=D(j ), 则则uD(t)=uA(t) / 2 sin(/2) ()*()() /2 j T Ds n T ujeDjE jjn T 6 连续：连续： 离散：离散： 经经ZOH后：后： ZOH传递函数：传递函数： ()()() A ujD jE j * 1 ()() s n EjE jjn T *()*()*()ujEjDj 1 ()*()*() j T D e ujEjDj j /2

4、 1sin(/2) ()e /2 j T j T ZOH eT GjT jT 7 sin(/2) 1, /2 T T T 较小在低频段 一般动态系统有惯性，阻尼，低通特性，高频段幅值衰减大一般动态系统有惯性，阻尼，低通特性，高频段幅值衰减大 信号经信号经ZOHZOH，保留基本频谱，高频部分衰减大，保留基本频谱，高频部分衰减大 /2 ()=*() () j T D ujeDjE j ()()() () DA ujujD jE j / 2 *()() j T DjeD j 连续域连续域-离散化设计的步骤如下：离散化设计的步骤如下： 第第1 1步：根据系统的性能，选择采样频率步：根据系统的性能，选择

5、采样频率 第第2 2步：考虑步：考虑ZOHZOH的相位滞后，设计数字控制算法等效传递的相位滞后，设计数字控制算法等效传递 函数函数D De e(s)(s) 第第3 3步：选择合适的步：选择合适的离散化方法离散化方法，将，将DeDe( (s s) )离散化，获得脉离散化，获得脉 冲传递函数冲传递函数D D( (z z) )，使两者性能尽量等效使两者性能尽量等效。 第第4 4步：检验计算机控制系统闭环性能。若满足指标要求，步：检验计算机控制系统闭环性能。若满足指标要求， 进行下一步；否则，重新进行设计。进行下一步；否则，重新进行设计。 l选择更合适的离散化方法选择更合适的离散化方法 l提高采样频率

6、提高采样频率 l修正连续域设计，如增加稳定裕度指标等修正连续域设计，如增加稳定裕度指标等 第第5 5步：将步：将D D( (z z) )变为数字算法，在计算机上编程实现。变为数字算法，在计算机上编程实现。 8 ()(),( )=(1/2) ( ) j T ee D jD jeD ssTD s 或 5.1.2 各种离散化方法各种离散化方法 9 等效离散等效离散 D(z) D(s) 一阶向后差法一阶向后差法 一阶向前差法一阶向前差法 双线性变换法及修正双线性变换法双线性变换法及修正双线性变换法 保持器等价法（阶跃响应不变法）保持器等价法（阶跃响应不变法） z变换法变换法(脉冲响应不变法脉冲响应不变

7、法) 1、与、与z变换相关的离散化方法变换相关的离散化方法 (1) 10 (2) 带零阶保持器带零阶保持器z变换法（阶跃响应不变法）变换法（阶跃响应不变法） 一阶保持器一阶保持器z变换法（斜坡响应不变法）变换法（斜坡响应不变法） 1 e ( )( ) sT D zZD s s ( )( )D zZ D s 2. 一阶向后差分法一阶向后差分法 (1)(1)离散化公式离散化公式 11 1 1 ()() z s T DzDs 实质：实质： ( )( )/( )1/ ,( )( )D sC sU ssc tu t dt ( ) /= ( )(1)/ t kT dc tdtc kc kT ( )(1)(

8、 )c kc kTu k 1 (1)/szT 1 1 z sT s与与z之间的变换关系：之间的变换关系： （直接代入）（直接代入） 或：或： 总面积前总面积前k-1k-1步面积和当前面积步面积和当前面积 当前面积步长第当前面积步长第k k步的输入值步的输入值 1 ( ) ( ) ( )11 C zTTz D z U zzz 2. 一阶向后差分法一阶向后差分法 (2)(2)主要特性主要特性 若若D(s)稳定，则稳定，则D(z)一定稳定一定稳定 串联特性，变换前后稳态增益不变，串联特性，变换前后稳态增益不变， 。 T大，离散后失真大大，离散后失真大 12 111 (1) 122 (1) Ts z

9、TsTs sj 2 22 22 11(1)() 0, 24(1)() TT z TT （分 母 大 与 分 子 ） 图图5-4 一阶向后差分法的映射关系一阶向后差分法的映射关系 01 ( )( ) sz D sD z (3) (3) 应用应用 4. 一阶向前差分法一阶向前差分法 (1)(1)离散化公式离散化公式 1 1 ( ) ( ) ( )11 C zTTz D z U zzz ( )(1)(1)c kc kTu k 13 做做z变换，得变换，得 1 1 11zz s TTz 1 zTs 1 ( )( ) z s T D zD s ( )( )/( )1/ ,( )( )D sC sU ss

10、c tu t dt ( ) /= (1)( )/ t kT dc tdtc kc kT s与与z之间的变换关系：之间的变换关系： （直接代入）（直接代入） 或：或： 系统离散：系统离散： 当前面积步长第当前面积步长第k k1 1步的输入值步的输入值 3.一阶向前差分法一阶向前差分法 (2)(2)主要特性主要特性 s平面与平面与z平面映射关系平面映射关系 若若D(s)稳定，则稳定，则D(z)不不 一定稳定：一定稳定： 稳态增益不变稳态增益不变 01 ( )( ) sz D sD z 14 图图5-8 一阶向前差分法的映射关系一阶向前差分法的映射关系 (3) (3) 应用应用 由于这种变换不能保证

11、由于这种变换不能保证D(z)一定稳定，所以应用较少。一定稳定，所以应用较少。 1 zTs 4.双线性变换法（突斯汀双线性变换法（突斯汀-Tustin变换法）变换法） (1)(1)离散化公式离散化公式 15 用梯形面积代替用梯形面积代替 矩形面积矩形面积 ( )( )/( )1/D sC sU ss 进行进行z变换，得变换，得 s与与z之间的变换关系之间的变换关系 图图5-9 梯形积分法梯形积分法 21 1 ( )( ) z s T z D zD s ( )(1) ( )(1) 2 T c kc ku ku k 0 ( )( )d t c tu tt 2 (1) (1) z s Tz 1 2 1

12、 2 T s z T s 11 (1) ( )/2(1) ( )zC zTzu z 4.双线性变换法双线性变换法 (2)(2)主要特性主要特性 l当当 =0（s平面平面虚轴虚轴)映射为映射为z平面的平面的单位圆周单位圆周。 l当当 0（s右半平面），映射到右半平面），映射到z平面单位圆外平面单位圆外 。 l当当 0（s左半平面），映射到左半平面），映射到z平面单位圆内平面单位圆内 。 若若D(s)稳定，则稳定，则D(z)一定稳定，一定稳定，映射一一对应映射一一对应 频率特性无混叠频率特性无混叠 频率频率畸变：畸变：s s域虚轴映射为域虚轴映射为z z域单位圆周长域单位圆周长 16 1 1 22

13、 2 11 222 TT T j s z TTT sj sj 图图5-10 双线性变换映射关系双线性变换映射关系 22 2 22 1 22 1 22 TT z TT 2 (1) (1) z s Tz /2/2 /2/2 2 1 e2 ee 1 e ee DDD D D jTjTjT A j DT jTjT j TT 2 sin(/2)22 tan 2cos(/2)2 DD D jTT j TTT 2 tan 2 D A T T s域角频率域角频率 z域角频率为域角频率为 D 4.双线性变换法双线性变换法 频率畸变：双线性变换的一对一映射，频率畸变：双线性变换的一对一映射， 保证了离散频率特性保

14、证了离散频率特性 ，但产生了，但产生了。 17 图图5-11双线性变换的频率关系双线性变换的频率关系 2 tan 2 D A T T 图图5-12双线性变换的频率关系双线性变换的频率关系 2 2 D AD T T 当采样频率当采样频率 DT 足够小足够小 4. 双线性变换法双线性变换法 (2)(2)主要特性主要特性 串联特性，变换前后，串联特性，变换前后， 。 变换后变换后D(z)的阶次不变，且的阶次不变，且 。 并有：并有： 18 01 ( )( ) sz D sD z (3) (3) 应用应用 使用方便，有较高的精度和前述一些好的特性，工程上应使用方便，有较高的精度和前述一些好的特性，工程

15、上应 用较为普遍，选好离散化的采样周期。用较为普遍，选好离散化的采样周期。 主要用于主要用于，不宜用于高通环节的离散化。，不宜用于高通环节的离散化。 2 (e)0 s j T D 5. 预修正双线性变换预修正双线性变换 1 1 ()() jT D jD e 19 1 1 2 2 m T tg T 5. 预修正双线性变换预修正双线性变换 (1)(1)离散化公式离散化公式 20 1 1 1 tan(/2)1 ( )( ) z s Tz D zD s 实际可以直接采用上面的变换公式进行变换实际可以直接采用上面的变换公式进行变换 该方法本质上仍为双线性变换法，因此具有双线性变换法的各种特该方法本质上仍

16、为双线性变换法，因此具有双线性变换法的各种特 性。但由于采用了频率预修正，故可以保证在性。但由于采用了频率预修正，故可以保证在关键频率关键频率处连续频率处连续频率 特性与离散后频率特性相等，即满足：特性与离散后频率特性相等，即满足： 在其他频率点幅相频特性会变化在其他频率点幅相频特性会变化 稳态增益不变，只要关键频率不为稳态增益不变，只要关键频率不为0 (3) (3) 应用应用 由于该方法的上述特性，所以主要用于原连续控制器在某些特征频由于该方法的上述特性，所以主要用于原连续控制器在某些特征频 率处要求离散后频率特性保持不变的场合。率处要求离散后频率特性保持不变的场合。 1 1 (e)(j)

17、jT DD 6. 零极点匹配法零极点匹配法 (1)离散化方法离散化方法 e sT z 21 特点：特点： 零、极点分别按零、极点分别按 一一对应匹配一一对应匹配 若分子阶次若分子阶次m小于分母阶次小于分母阶次n，离散变换时，在，离散变换时，在D(z)分子上加分子上加 (z+1)n-m因子因子 确定确定D(z)的增益的增益k1的方法：的方法： 按右式来匹配按右式来匹配 若若D(s)分子有分子有s因子，可依高频段增益相等原则确定增益因子，可依高频段增益相等原则确定增益,即即 也可选择某关键频率处的幅频相等，即也可选择某关键频率处的幅频相等，即 1 ()(e) ( )e( )(1) ()(e) i

18、i z T i sTn m mm pT i nm kszkz D szD zz spz 01 ( )( ) sz D sD z 1 ( )( ) sz D sD z 1 1 (j)(e) jT DD 6. 零极点匹配法零极点匹配法 (2)主要特性主要特性 零极点匹配法要求对零极点匹配法要求对D(s)分解为极零点形式，且需要分解为极零点形式，且需要 进行稳态增益匹配，因此工程上应用不够方便。进行稳态增益匹配，因此工程上应用不够方便。 由于该变换是基于由于该变换是基于z变换进行的，所以可以保证变换进行的，所以可以保证D(s)稳稳 定，定，D(z)一定稳定。一定稳定。 当当D(s)分子阶次比分母低时，在分子阶次比分母低时，在D(z)分子上匹配有分子上匹配有 (z+1)因子，可获得双线性变换的效果，即可防止频率因子，可获得双线性变换的效果，即可防止频率 混叠。混叠。 22 （3）应用）应用 由于没有混叠，一一对应，无频率畸变，应用