最少拍及无波纹最少拍系统设计原则+实例

1、一、在最少拍设计时，(z)及e(z)的选取应遵循下述原则：1)e(Z)的分子中必须包含(1 Z最少拍设计开始 1当 r(t) 1(t)时，有 R(z) Z 1(t)，则取 F(z) 11 ze(z) (1 z1)mF(z) 1 z1 )m因式(保证系统稳态误差为零)。注意：e(z) (1 z1)mF(z),式中：F(z)为不含(1 Z1)因子的待定的Z1的有限项多项式。一般取F (z) 1 az 1 bz 2为有限项多项式。2)以z1为变量的(z)展开式的项数应尽量少(保证瞬态过程在有限拍内结束， 保证随动系统为最少拍系统)。3) Gc(z)应是物理可实现的有理多项式，其零点数不能大于极点数(

2、即(z)的分母与分子阶次之差应大于、等于 G(z)的分母与分子的阶次之差)。一般已知WG(z)这条都满足。4) e(z)的零点必须包含G(z)中位于单位圆上及单位圆外的极点(保证闭环系统稳定)。5) (z)的零点必须包含G(z)中位于单位圆上及单位圆外的零点(保证控制器稳定)。6) (z)中必须包含G(z)中的纯延迟环节(保证控制器是物理可实现的)。注意：前3条一定需要，后三条不一定需要。二.最少拍系统设计实例情况1:假定G(z)无延迟，且不含不稳定零点和不稳定极点(即不含单位圆上和单位圆外的零极点(pi 1，z 1除外)，且G(z)的分母多项式最多比分子 多项式高一次。在上述条件下构造(z)

3、和时，只需考虑设计原则中的前三条即可，故取1 m _e(z) (1 z ) F(z), F(z) 1。下面就再这样的假设条件下，讨论最少拍系统在不同典型输入作用下，数字控制器脉冲传递函数Gc(z)的确定方法。比如：单位阶跃输入：所以，数字控制器脉冲传递函数为:G/z)G(z) e(z)(1 z1)G(z)最少拍设计到此结束注意：几拍看误差脉冲序列和输出脉冲序列的 Z变换。即：E(z) e(z)R(z) 1C(z) (z)R(z) z根据Z变换的定义式E(z)e( nT) z n, C(z)c( nT) z n 知:n 0n 0e(0) 1,e(T) e(2T)c(0) 0,c(T) c(2T)

4、最少拍系统的单位阶跃响应曲线如图 P524图所示。可见，最少拍系统经过一拍便可完全跟踪输入r(t) 1(t),这样的离散系统称为一拍系统，其调节时间ts T0P524图 最少拍系统的单位阶跃响应序列注：若输入为单位斜坡或单位加速度输入时方法一样，只是输入和e(z)不同。情况2:若G(z)有延迟或含单位圆上和单位圆外的零极点例:设单位反馈线性定常离散系统的连续部分和零阶保持器传递函数分别为3.68z1(1 0.717z1)(1 z 1)(1 0.368z 1)其中采样周期T 1s。若要求系统在单位斜坡输入时实现最少拍控制，试求数字控制器脉冲传递函数Gc(z) 0解：1)系统开环脉冲传递函数为:G

5、(z) (1 z1) Z 21010(1 z1) -1z(1 e )Zts2(s 1)(z 1)2 (z 1)(z eT)注意：G(z)中分子和分母的阶次同，因此设计原则中的第三条满足。2)【分析】：G(z)中的纯滞后环节-用(z)包含纯滞后环节来 对消G(Z)中在单位圆上的极点-用e(Z)的零点对消一一Tz 111(1 z 1)(1 0.2z 1)(1 0.015z 1)R(z) +*09*D(z) -G(z) C(z)试设计Gc(z)在单位阶跃输入时实现最少拍控制。解：注意：G(z)中分子和分母的阶次同，因此设计原则中的第三条满足。【分析】： G(z)中的纯滞后环节-用(z)包含纯滞后环节

6、来 对消G(z)中在单位圆外有不稳定零点(1 1.2z 1)-用(z)的零点来对消G(z)中在单位圆上的极点-用e(z)的零点对消 因为 r(t) 1(t), R(z) Z 1(t)r ，则1 z试探取F (z) 1 az 1 (注意，F (z) 1不满足后面的所有要求)。 一.因为 r(t) t, R(z) Zt 则(1 z )试探取F(z) 1 (如果F(z) 1不满足后面的所有要求，则取F(z) 1 az 1 bz 2有限项多项式)。则 e(z) (1 z1)2 (1)注：e(z)既满足稳态误差为0,且其零点正好补偿G(z)在单位圆上的极点则(z) 1 e(z) 2z1 z2 z1(2

7、z1) (2)注： (z)已包含G(z)的纯滞后环节z 1 oGc(z)(z)G(z) e(z)110.543(1 0.368z1)(1 0.5z 1)(1 z 1)(1 0.717z 1)例 已知系统结构图如图。其中开环脉冲传递函数为:G(z)0.5z 1(1 0.05z 1)(1 1.2z 1)则 e(z) (1 z 四.无波纹最少拍系统设计实例例已知开环脉冲传递函数为113.68z 1(1 0.717z 1)( 1 az 1) ( 1 )注：e(z)含(1 z1)既满足稳态误差为0,且其零点正好补偿G(z)在单位圆上 的极点。注意：之所以F (z) 1 az1,是因为，(z)中必须有z

8、1(1 1.2z1),因1 1为(z) 1 e(z),故 e(z) (1 z )( 1 az )。则(z) bz 1(1 1.2z 1) (2)注：(z)中z1(1 1.2z 1)已包含G(z)的纯滞后环节z 1以及G(z)中在单位圆外有 不稳定零点(1 1.2z1)。注意：之所以(z) bz1(1 1.2z1)增加这个系数 b,是为了满足 (z) 1 e(z)。根据有：(z) 1 e(z) (3)将(1) (2)代入(3)式，则1.2b z 2 (1 a)z 1 az 2 (注意：等式两侧z1和z 2系数分别相等)1.2baa 0.545ab 0.455于是:e(z) (1 z 1)(1 0

9、.545 z1)(z)1-1Gc(z)0.455 z (1 1.2 z )而必须使F(z)的零点能补偿G(z)的单位圆上或单位圆外的极点。显然，在这种 情况下，线性离散系统响应典型控制输入的调整时间长于相应典型最少拍系统(如P525表所示)的调整时间，从而变成次最少拍或准最少拍系统。三.无波纹最少拍系统设计原则最少拍系统对输入信号适应性差，在有限拍数后，只能作到采样时刻上无误差。由于最少拍系统的输出在非采样时刻存在纹波，这是工程上所不容许的，应设法消除。无纹波最少拍系统的设计要求是：在某一种典型输入作用下设计的系统， 其输出响应经过尽可能少的采样周期后，不仅在采样时刻上输出可以完全跟踪 输入，

10、而且在非采样时刻不存在纹波。在无波纹最少拍设计时，(z)及e(z)的选取应遵循下述原则：. 一1m.1) e(z)的分子中必须包含(1 z )因式(保证系统稳态误差为零 )。注意：(De(z) (1 z Tz 1r (t) t,则 R(z) ri(1 z )根据无纹波最少拍系统的设计原则，有:e(z) (1 z 1)2(1 az1) (1)注：e(z)包含(1 z1)2既满足稳态误差为0,又抵消了 G(z)中在单位圆上的极点。注意：之所以 F(z) 1 az 1 ,是因为，(z)中必须有z 1(1 0.717z1),因为 )m F(z),式中：F(z)为不含(1 z1)因子的待定的z 1的有限

11、项多项1 2式。一般取 F(z) 1 az bz为有限项多项式。2)以z 1为变量的(z)展开式的项数应尽量少(保证瞬态过程在有限拍内结束，保证随动系统为最少拍系统)。3) Gc(z)应是物理可实现的有理多项式，其零点数不能大于极点数(即 (z)的分母与分子阶次之差应大于、等于 G(z)的分母与分子的阶次之差)。一般已知的G(z)这条都满足。(4) (z)中必须包含 G(z)中的纯延迟环节(保证控制器是物理可实现的)(5) e(z)的零点必须包含 G(z)中位于单位圆上及单位圆外的极点(保证闭环系统稳定)(z)的零点必须包含 G(z)的全部零点(保证控制器稳定，无纹波)。G(z)R(z)C(z

12、)注意：只有(6)区别于最少拍系统设计，其余同最少拍系统的设计方法解：注意：G(z)中分子和分母的阶次同，因此设计原则中的第三条满足。【分析】：G(z)中的纯滞后环节-用(z)包含纯滞后环节来 对消G(z)中在单位圆内的零点(1 0.717z 21(z) 1e(z),故 e(z) (1 z ) (1 az )。则(z) z 1 (1 0.717 z 1)(b cz 1) (2)注：(z)中z1(1 0.717 z 1)已包含G(z)的纯滞后环节z 1以及G(z)中在单位圆内的零点(1 0.717z 1)0注意：之所以 (z) z项(b cz 1),是为了满足(z) 1e(z) o)-用(z)的

13、零点来对消G(z)中在单位圆上的极点-用e(z)的零点对消1 .单位斜坡输入：1(1 0.717z1)(b cz1)增加这根据有:(z) 1 e(z) (3)将(1)(2)代入(3)式，则bz 1 (c20.717b)z 2310.717cz3 (2 a)z 1 (2a231)z az0.717b等式两侧zb 2 ac 2a 10.717c az 2和z 3系数分别相等)a 0.592b 1.408c 0.8261)设计 Gc(z):丁 TH)e(z) (1 z1)2(1 0.592 z1)111(z) 1.408 z (1 0.717z )(1 0.587z )Gc(z)(z)G(z) e(

14、z)-110.383(10.368z )(1 0.587z )(1z )(1 0.592z )2)检验是否有波纹：M(z) Gc(z)E(z) Gc(z) e(z)R(z)12340.383z0.0172z0.1(z z L )数字控制器的输出序列m(0) 0,m(T) 0.383, m(2T) 0.017, m(3T) m(4T) L 0.1显然，m(nT)经过三拍后达到稳态值。从此，输出c(t)无波纹跟踪单位斜坡输入r(t)2 .单位阶跃输入：1)设计 Gc(z):、1r(t) 1(t),则 R(z) 1。1 z根据无纹波最少拍系统的设计原则，有：e(z) (1 z 1)(1 az1) (

15、1)注：e(z)包含(1 z1)既满足稳态误差为0,又抵消了 G(z)中在单位圆上的极点注意：之所以F(z) 1 az1,是因为，(z)中必须有z 1(1 0.717z1),因为(z) 1e(z),故 e(z) (1 z 1)( 1 az 1 )。则(z) bz 1(1 0.717 z1) (2)注：(z)中z1(1 0.717 z 1)已包含G(z)的纯滞后环节z 1以及G(z)中在单位圆内的零点(1 0.71 7z 1)。注意：之所以(z) bz 1(1 0.717z 1)增加这个系数b,是为了满足(z) 1 e(z) 0根据有：(z) 1e(z) (3)将(1) (2)代入(3)式，则0

16、.717b z(1 a)z 1 az 2 (注意：等式两侧z1和z2系数分别相等)得到b 10.717b aa 0.418b 0.582于是e(z)(z)Gc(z)(1 z 1)( 1 0.418 z1)0.582 z 1(1 0.717z 1)-1(z)1.582(1 0.368z )G(z) e(z)1 0.418z 12)检验是否有波纹： _ 1M (z) Gc(z) e(z)R(z) 1.582(1 0.368z )控制量在第二拍达到稳态值，从此，输出c(t)无波纹、无误差地跟踪阶跃输入r(t)o但是，最小拍系统(含无波纹)的缺点：最小拍系统(含无波纹)的设计要求被控对象的数学模型十分准确，否则将不能达到期望的结果。而且当被控对象的数学模型含有不稳定 的零、极点时，数字控制器的设计会比较复杂。11(z)0.91(1 0.2z 1)(1 0.015z 1)G(z) e(z)(1 0.05z 1)(1 0.545z 1)最少拍设计结束 问题：几拍_1E(z) e(z) R(z) 1