第二章(三)计算机控制系统的模拟化设计方法(全).pdf

第二章(三) 采样控制系统的模拟化设计 2014-2-25 1 采样控制系统的模拟化设计方法 采样控制系统的的设计方法一般有两种： 将连续域设计好的控制律D(s)利用不同的离散化方法变换 为离散控制律D(z) ，这种方法称为“连续域-离散化设计”方 法，或称为“模拟化”设计方法。它允许设计师用熟悉的各 种连续域设计方法设计出令人满意的连续域控制器，然后将 连续控制器离散化。 在离散域先建立被控对象的离散模型G(z) ，然后直接在离 散域进行控制器设计。常用方法包括直接数字设计法、W变 换设计法和Z域根轨迹设计法等。 2014-2-25 2 采样控制系统的模拟化设计方法 采样控制系统的典型结构图如下图所示。采样控制系统是离 散系统，包含计算机、AD、DA、零阶保持器等离散环节，但是只 要合理选择系统的元部件和足够高的采样频率，系统可以近似看 成是连续的。在这种情况下，将AD ，数字控制器和DA看成是一个 整体，等效为连续的控制器D(s)。这样采样控制系统可视为控制器 为D(s)的连续控制系统，从而利用已积累了丰富经验的连续域设计 技术。 2014-2-25 3 采样控制系统的模拟化设计方法 在如图(a)所示的连续控制系统中，HG(s)为被控对象，D(s)是 系统满足设计要求的模拟校正网络（模拟控制器）。用连续系统 的设计方法确定D(s) ，再由D(s)求出图(b)中数字校正网络（数字 控制器）D(z)。最终使图(b)采样控制系统的性能逼近图(a)的连续 系统。 2014-2-25 4 采样控制系统的模拟化设计方法—设计步骤 用连续系统的设计方法确定D(s) ； 采用合适的离散化方法由D(s)求G(z) ； 验证数字控制系统的性能是否满足要求； 将D(z)化为递推算式，并编制计算机程序； 进行混合仿真以验证系统设计与程序编制是否正确。 2014-2-25 5 采样控制系统的模拟化设计方法--模拟控制器的离散化 模拟控制器离散化的实质是求原连续传递函数D(s)的等效离散传递函 数D(z)。“等效”是指D(s)与D(z)在以下特性方面的相似性：脉冲响应特 性、阶跃响应特性、频率特性、稳态增益等。 通常有多种离散化方法，但要求在离散前后，两者必须具有近似相 同的动态特性，即相同的时域和频域响应特性。对于给定的连续控制器， 选择合适的离散化方法是较难处理的问题。 不同的离散化方法所具有的特性不同，离散后的脉冲传递函数与原 传递函数相比，并不能保持全部特性，并且不同特性的接近程度也不一 致。因此设计者必须要了解不同方法的特点，并且要确定那种特性是最 重要的，据此来选择合适的离散化方法。 2014-2-25 6 采样控制系统的模拟化设计方法--模拟控制器的离散化 常用离散化方法 z变换法（脉冲不变法）； 零阶保持器z变换法（阶跃响应不变法）； 数值积分法（置换法）：包括一阶后向差分法、一阶前向 差分法、双线性变换等； 零极点匹配法。 2014-2-25 7 采样控制系统的模拟化设计方法--带零阶保持器的Z变换法 1、带零阶保持器的Z变换法 在模拟控制器的基础上串联一个虚拟的零阶保持器，再进行z变换， 从而得到D(s)的离散化形式D(z)。加入这一虚拟保持器的目的是使该数 字控制器的输入更逼近D(s)的输入，从而D(z)的响应更