數(shù)字控制器設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1數(shù)字?jǐn)?shù)字(shz)控制器設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)第一頁，共170頁。第第3頁頁/共共170頁頁第2頁/共170頁第二頁，共170頁。n它是時(shí)間上離散、幅值上連續(xù)它是時(shí)間上離散、幅值上連續(xù)(linx)的信的信號(hào)。號(hào)。第第4頁頁/共共170頁頁第3頁/共170頁第三頁，共170頁。控制系統(tǒng)的基控制系統(tǒng)的基本信號(hào)本信號(hào)(xnho)形式形式 第第5頁頁/共共170頁頁第4頁/共170頁第四頁，共170頁。采采樣樣(ci yn)過過程程示示意意圖圖 第第6頁頁/共共170頁頁第5頁/共170頁第五頁，共170頁。第第7頁頁/共共170頁頁第6頁/共170頁第六頁，共170頁。第第8頁頁/共共170頁頁第7

2、頁/共170頁第七頁，共170頁?？乜刂浦葡迪到y(tǒng)統(tǒng)(kn zh x tn)的的典典型型結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖圖 第第9頁頁/共共170頁頁第8頁/共170頁第八頁，共170頁。第第10頁頁/共共170頁頁第9頁/共170頁第九頁，共170頁。n連續(xù)連續(xù)(linx)系統(tǒng)的輸入系統(tǒng)的輸入/輸出關(guān)系時(shí)域表示輸出關(guān)系時(shí)域表示 第第11頁頁/共共170頁頁第10頁/共170頁第十頁，共170頁。第第12頁頁/共共170頁頁第11頁/共170頁第十一頁，共170頁。第第13頁頁/共共170頁頁第12頁/共170頁第十二頁，共170頁。第第14頁頁/共共170頁頁第13頁/共170頁第十三頁，共170頁。1)(t)+a

3、1y(t)+a0y(t)n =bmu(m)(t)+bm-1u(m-1)(t)+b1u(t)+b0u(t)第第15頁頁/共共170頁頁第14頁/共170頁第十四頁，共170頁。換與輸入拉氏變換之比，則換與輸入拉氏變換之比，則第第16頁頁/共共170頁頁第15頁/共170頁第十五頁，共170頁。連續(xù)連續(xù)(linx)系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入/輸出關(guān)系方塊圖表示輸出關(guān)系方塊圖表示 第第17頁頁/共共170頁頁第16頁/共170頁第十六頁，共170頁。n故得故得第第18頁頁/共共170頁頁第17頁/共170頁第十七頁，共170頁。任意任意離散離散信號(hào)信號(hào)(xnho)序序列圖列圖示法示法 第第19頁頁/共共170

4、頁頁第18頁/共170頁第十八頁，共170頁。12345672 1.51.4 1.40.9 0.80第第20頁頁/共共170頁頁第19頁/共170頁第十九頁，共170頁。n整個(gè)單位脈沖序列為第第21頁頁/共共170頁頁第20頁/共170頁第二十頁，共170頁。第第22頁頁/共共170頁頁第21頁/共170頁第二十一頁，共170頁。第第23頁頁/共共170頁頁第22頁/共170頁第二十二頁，共170頁。一階差分一階差分(ch fn)與一階差商的關(guān)系與一階差商的關(guān)系 第第24頁頁/共共170頁頁第23頁/共170頁第二十三頁，共170頁。第第25頁頁/共共170頁頁第24頁/共170頁第二十四頁，

5、共170頁。0第第26頁頁/共共170頁頁第25頁/共170頁第二十五頁，共170頁。第第27頁頁/共共170頁頁第26頁/共170頁第二十六頁，共170頁。解得解得令令第第28頁頁/共共170頁頁第27頁/共170頁第二十七頁，共170頁。第第29頁頁/共共170頁頁第28頁/共170頁第二十八頁，共170頁。s平面平面(pngmin)在在z平面平面(pngmin)的映像的映像 第第30頁頁/共共170頁頁第29頁/共170頁第二十九頁，共170頁。第第31頁頁/共共170頁頁第30頁/共170頁第三十頁，共170頁。第第32頁頁/共共170頁頁第31頁/共170頁第三十一頁，共170頁。第

6、第33頁頁/共共170頁頁第32頁/共170頁第三十二頁，共170頁。第第34頁頁/共共170頁頁第33頁/共170頁第三十三頁，共170頁。第第35頁頁/共共170頁頁第34頁/共170頁第三十四頁，共170頁。第第36頁頁/共共170頁頁第35頁/共170頁第三十五頁，共170頁。n對于由兩個(gè)有理多項(xiàng)式之比表示對于由兩個(gè)有理多項(xiàng)式之比表示的的F(z) ，有，有第第37頁頁/共共170頁頁第36頁/共170頁第三十六頁，共170頁。第第38頁頁/共共170頁頁第37頁/共170頁第三十七頁，共170頁。第第39頁頁/共共170頁頁第38頁/共170頁第三十八頁，共170頁。第第40頁頁/共共

7、170頁頁第39頁/共170頁第三十九頁，共170頁。第第41頁頁/共共170頁頁第40頁/共170頁第四十頁，共170頁。第第42頁頁/共共170頁頁第41頁/共170頁第四十一頁，共170頁。零階保持零階保持(boch)器輸入器輸入/輸出特性輸出特性 第第43頁頁/共共170頁頁第42頁/共170頁第四十二頁，共170頁。11)(0seZzHsT第第44頁頁/共共170頁頁第43頁/共170頁第四十三頁，共170頁。第第45頁頁/共共170頁頁第44頁/共170頁第四十四頁，共170頁。第第46頁頁/共共170頁頁第45頁/共170頁第四十五頁，共170頁。第第47頁頁/共共170頁頁第4

8、6頁/共170頁第四十六頁，共170頁。第第48頁頁/共共170頁頁第47頁/共170頁第四十七頁，共170頁。第第49頁頁/共共170頁頁第48頁/共170頁第四十八頁，共170頁。圖圖5-11(a) 串聯(lián)串聯(lián)(chunlin)環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)的Z 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 第第50頁頁/共共170頁頁第49頁/共170頁第四十九頁，共170頁。5-11CnG（z）= G1 G2 （z） 。第第51頁頁/共共170頁頁第50頁/共170頁第五十頁，共170頁。圖圖5-11(b) (c) 串聯(lián)串聯(lián)(chunlin)環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)的Z傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 例例5-7第第52頁頁/共共170頁頁第51頁/共170頁第五

9、十一頁，共170頁。圖5-12 含零階保持(boch)器的串聯(lián)環(huán)節(jié) 0第第53頁頁/共共170頁頁第52頁/共170頁第五十二頁，共170頁。第第54頁頁/共共170頁頁第53頁/共170頁第五十三頁，共170頁。第第55頁頁/共共170頁頁第54頁/共170頁第五十四頁，共170頁。圖圖5-13 離散離散(lsn)結(jié)構(gòu)圖的等效關(guān)系結(jié)構(gòu)圖的等效關(guān)系 第第56頁頁/共共170頁頁第55頁/共170頁第五十五頁，共170頁。表表5-2 典型典型(dinxng)的閉環(huán)的閉環(huán)離散系離散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及對圖及對應(yīng)的輸應(yīng)的輸入入/輸輸出傳遞出傳遞關(guān)系關(guān)系第第57頁頁/共共170頁頁第56頁/共170頁第

10、五十六頁，共170頁。)(1)()(212zGGzNGzY第第58頁頁/共共170頁頁第57頁/共170頁第五十七頁，共170頁。第第59頁頁/共共170頁頁第58頁/共170頁第五十八頁，共170頁。圖圖5-16 例例5-12的系統(tǒng)的系統(tǒng)(xtng)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 第第60頁頁/共共170頁頁第59頁/共170頁第五十九頁，共170頁。Simulink仿真等效仿真等效(dn xio)結(jié)構(gòu)圖及時(shí)間響應(yīng)曲線結(jié)構(gòu)圖及時(shí)間響應(yīng)曲線 第第61頁頁/共共170頁頁第60頁/共170頁第六十頁，共170頁。Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖及時(shí)間響應(yīng)仿真結(jié)構(gòu)圖及時(shí)間響應(yīng)(xingyng)曲線曲線 第第62頁頁/共共

11、170頁頁第61頁/共170頁第六十一頁，共170頁。第第63頁頁/共共170頁頁第62頁/共170頁第六十二頁，共170頁。的速率、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作快慢等的速率、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作快慢等因素綜合考慮。因素綜合考慮。n2以給定值的變化頻率選擇采以給定值的變化頻率選擇采樣樣(ci yn)周期周期n3以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型選擇采樣以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型選擇采樣(ci yn)周期周期第第64頁頁/共共170頁頁第63頁/共170頁第六十三頁，共170頁。被控量被控量流量流量壓力壓力液面液面溫度溫度位置位置電流環(huán)電流環(huán)速度環(huán)速度環(huán)采樣周期采樣周期15s310s68s1020s1050ms15ms520ms表表5-3 采

12、樣周期采樣周期(zhuq)經(jīng)驗(yàn)參考值經(jīng)驗(yàn)參考值 第第65頁頁/共共170頁頁第64頁/共170頁第六十四頁，共170頁。每周期采樣次數(shù)每周期采樣次數(shù)N25102050100200500零階保持零階保持1.50.60.30.150.060.030.0150.006表表5-4 采樣頻率的采樣保持采樣頻率的采樣保持(boch)誤差誤差 2第第66頁頁/共共170頁頁第65頁/共170頁第六十五頁，共170頁。n N1=1015c第第67頁頁/共共170頁頁第66頁/共170頁第六十六頁，共170頁。d第第68頁頁/共共170頁頁第67頁/共170頁第六十七頁，共170頁。第第69頁頁/共共170頁頁

13、第68頁/共170頁第六十八頁，共170頁。n而在實(shí)際工作中，選擇采樣周期而在實(shí)際工作中，選擇采樣周期為最大采樣周期的為最大采樣周期的1/2，即，即22第第70頁頁/共共170頁頁第69頁/共170頁第六十九頁，共170頁。第第71頁頁/共共170頁頁第70頁/共170頁第七十頁，共170頁。n當(dāng)忽略回路中所有的采樣器和零當(dāng)忽略回路中所有的采樣器和零階保持器時(shí)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就如同階保持器時(shí)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就如同連續(xù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一樣，如圖所示。連續(xù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一樣，如圖所示。第第72頁頁/共共170頁頁第71頁/共170頁第七十一頁，共170頁。第第73頁頁/共共170頁頁第72頁/共170頁第七十二頁，

14、共170頁。第第74頁頁/共共170頁頁第73頁/共170頁第七十三頁，共170頁。第第75頁頁/共共170頁頁第74頁/共170頁第七十四頁，共170頁。第第76頁頁/共共170頁頁第75頁/共170頁第七十五頁，共170頁。圖圖5-22 雙線性變換的幾何雙線性變換的幾何(j h)意義意義 )(1)(sEssU第第77頁頁/共共170頁頁第76頁/共170頁第七十六頁，共170頁。ssEsUsD1)()()() 1()(2) 1()(kekeTkuku)(2)(2)()(11zEzTzETzUzzU第第78頁頁/共共170頁頁第77頁/共170頁第七十七頁，共170頁。第第79頁頁/共共17

15、0頁頁第78頁/共170頁第七十八頁，共170頁。第第80頁頁/共共170頁頁第79頁/共170頁第七十九頁，共170頁。第第81頁頁/共共170頁頁第80頁/共170頁第八十頁，共170頁。擇必須滿足擇必須滿足c=10c的條件的條件(tiojin)，否則系統(tǒng)達(dá)不到較好的，否則系統(tǒng)達(dá)不到較好的性能指標(biāo)。性能指標(biāo)。(例）例）第第82頁頁/共共170頁頁第81頁/共170頁第八十一頁，共170頁。n例第第83頁頁/共共170頁頁第82頁/共170頁第八十二頁，共170頁。n差差ess=0.1；n 階躍響應(yīng)為二階最佳響應(yīng)。階躍響應(yīng)為二階最佳響應(yīng)。第第84頁頁/共共170頁頁第83頁/共170頁第八十

16、三頁，共170頁。離散控制器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)離散控制器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(xingyng)及斜坡響應(yīng)及斜坡響應(yīng)(xingyng)仿真波形圖仿真波形圖 第第85頁頁/共共170頁頁第84頁/共170頁第八十四頁，共170頁。第第86頁頁/共共170頁頁第85頁/共170頁第八十五頁，共170頁。第第87頁頁/共共170頁頁第86頁/共170頁第八十六頁，共170頁。第第88頁頁/共共170頁頁第87頁/共170頁第八十七頁，共170頁。第第89頁頁/共共170頁頁第88頁/共170頁第八十八頁，共170頁。第第90頁頁/共共170頁頁第89頁/共170頁第八十九頁，共170頁。第第91頁頁/共共170

17、頁頁第90頁/共170頁第九十頁，共170頁。n增量型控制量增量型控制量1,0,第第92頁頁/共共170頁頁第91頁/共170頁第九十一頁，共170頁。圖圖5-25 積分分離積分分離(fnl)PID控制結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)圖圖 第第93頁頁/共共170頁頁第92頁/共170頁第九十二頁，共170頁。圖圖5-26 抗積分飽和抗積分飽和(boh)PID控制結(jié)構(gòu)圖控制結(jié)構(gòu)圖 第第94頁頁/共共170頁頁第93頁/共170頁第九十三頁，共170頁。第第95頁頁/共共170頁頁第94頁/共170頁第九十四頁，共170頁。第第96頁頁/共共170頁頁第95頁/共170頁第九十五頁，共170頁。圖圖5-27 不完全

18、不完全(wnqun)微分結(jié)構(gòu)圖微分結(jié)構(gòu)圖 第第97頁頁/共共170頁頁第96頁/共170頁第九十六頁，共170頁。圖圖5-28 不完全不完全(wnqun)微分的階躍響應(yīng)微分的階躍響應(yīng) 第第98頁頁/共共170頁頁第97頁/共170頁第九十七頁，共170頁。第第99頁頁/共共170頁頁第98頁/共170頁第九十八頁，共170頁。第第100頁頁/共共170頁頁第99頁/共170頁第九十九頁，共170頁。第第101頁頁/共共170頁頁第100頁/共170頁第一百頁，共170頁。第第102頁頁/共共170頁頁第101頁/共170頁第一百零一頁，共170頁。圖圖5-31 微分微分(wi fn)平滑原理圖

19、平滑原理圖 第第103頁頁/共共170頁頁第102頁/共170頁第一百零二頁，共170頁。圖5-32 棒棒控制與數(shù)字(shz)PID控制相結(jié)合 第第104頁頁/共共170頁頁第103頁/共170頁第一百零三頁，共170頁。n控制(kngzh)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。第第105頁頁/共共170頁頁第104頁/共170頁第一百零四頁，共170頁。例增益例增益KP即臨界比例增益即臨界比例增益KK ，以及此時(shí)的振蕩周期即臨界振蕩以及此時(shí)的振蕩周期即臨界振蕩周期周期TK 。第第106頁頁/共共170頁頁第105頁/共170頁第一百零五頁，共170頁。第第107頁頁/共共170頁頁第106頁/共170頁第一百零六

20、頁，共170頁。第第108頁頁/共共170頁頁第107頁/共170頁第一百零七頁，共170頁。控控 制制 度度控制規(guī)控制規(guī)律律T/TKKP/KKTI/TKTD/TK1.05PI0.030.530.88PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.91PID0.0430.470.470.161.50PI0.140.420.99PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.05PID0.160.270.400.22模擬調(diào)節(jié)模擬調(diào)節(jié)器器PI0.570.83PID0.700.500.13表表5-5 比例比例(bl)度法度法PID參數(shù)整定表參數(shù)整定表 第

21、第109頁頁/共共170頁頁第108頁/共170頁第一百零八頁，共170頁。n表5-6給出了響應(yīng)曲線法PID參數(shù)整定表。第第110頁頁/共共170頁頁第109頁/共170頁第一百零九頁，共170頁。控控 制制 度度控制規(guī)律控制規(guī)律T/KP /（T0 /）TI /TD /1.05PI0.100.843.40PID0.051.152.000.451.20PI0.200.783.60PID0.161.001.900.551.50PI0.500.683.90PID0.340.851.620.652.00PI0.800.574.20PID0.600.601.500.82模擬調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器PI0.903

22、.30PID1.202.000.40表表5-6 響應(yīng)曲線響應(yīng)曲線(qxin)法法PID參數(shù)整定表參數(shù)整定表 第第111頁頁/共共170頁頁第110頁/共170頁第一百一十頁，共170頁。第第112頁頁/共共170頁頁第111頁/共170頁第一百一十一頁，共170頁。圖圖5-34 被控對象階躍響應(yīng)特性被控對象階躍響應(yīng)特性(txng)曲線曲線 第第113頁頁/共共170頁頁第112頁/共170頁第一百一十二頁，共170頁。第第114頁頁/共共170頁頁第113頁/共170頁第一百一十三頁，共170頁。第第115頁頁/共共170頁頁第114頁/共170頁第一百一十四頁，共170頁。節(jié)節(jié)n2）用閉環(huán)系

23、統(tǒng)仿真法）用閉環(huán)系統(tǒng)仿真法第第116頁頁/共共170頁頁第115頁/共170頁第一百一十五頁，共170頁。數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)(shj)方法流程圖方法流程圖 第第117頁頁/共共170頁頁第116頁/共170頁第一百一十六頁，共170頁。求，要求穩(wěn)態(tài)誤差為求，要求穩(wěn)態(tài)誤差為0或在某個(gè)或在某個(gè)精度范圍內(nèi)，若穩(wěn)態(tài)誤差為精度范圍內(nèi)，若穩(wěn)態(tài)誤差為0，則稱為無差系統(tǒng)。則稱為無差系統(tǒng)。n快速性是指系統(tǒng)對輸出跟蹤輸入快速性是指系統(tǒng)對輸出跟蹤輸入信號(hào)的調(diào)節(jié)時(shí)間的要求，調(diào)節(jié)時(shí)信號(hào)的調(diào)節(jié)時(shí)間的要求，調(diào)節(jié)時(shí)間要盡可能短。當(dāng)誤差達(dá)到指定間要盡可能短。當(dāng)誤差達(dá)到指定穩(wěn)態(tài)誤差精度時(shí)，認(rèn)為穩(wěn)態(tài)誤差精度時(shí)

24、，認(rèn)為(rnwi)調(diào)節(jié)過程結(jié)束。調(diào)節(jié)過程結(jié)束。第第118頁頁/共共170頁頁第117頁/共170頁第一百一十七頁，共170頁。計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)(xtng)的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 第第119頁頁/共共170頁頁第118頁/共170頁第一百一十八頁，共170頁。第第120頁頁/共共170頁頁第119頁/共170頁第一百一十九頁，共170頁。第第121頁頁/共共170頁頁第120頁/共170頁第一百二十頁，共170頁。第第122頁頁/共共170頁頁第121頁/共170頁第一百二十一頁，共170頁。第第123頁頁/共共170頁頁第122頁/共170頁第一百二十二頁，共170頁。第第124頁頁/共

25、共170頁頁第123頁/共170頁第一百二十三頁，共170頁。.1)(2211ppzfzfzfzF)()()()()(zFzCzzRzEe第第125頁頁/共共170頁頁第124頁/共170頁第一百二十四頁，共170頁。第第126頁頁/共共170頁頁第125頁/共170頁第一百二十五頁，共170頁。111)1 (1)(zzz第第127頁頁/共共170頁頁第126頁/共170頁第一百二十六頁，共170頁。第第128頁頁/共共170頁頁第127頁/共170頁第一百二十七頁，共170頁。第第129頁頁/共共170頁頁第128頁/共170頁第一百二十八頁，共170頁。圖圖5-37 采用采用(ciyng)

26、Simulink的仿真波形圖的仿真波形圖 第第130頁頁/共共170頁頁第129頁/共170頁第一百二十九頁，共170頁。第第131頁頁/共共170頁頁第130頁/共170頁第一百三十頁，共170頁。第第132頁頁/共共170頁頁第131頁/共170頁第一百三十一頁，共170頁。應(yīng)該使閉環(huán)應(yīng)該使閉環(huán)(Z) 的零點(diǎn)包含的零點(diǎn)包含(bohn)G(z) 的單位圓上或單位的單位圓上或單位圓外的全部零點(diǎn)。圓外的全部零點(diǎn)。 e(Z) 的零點(diǎn)的零點(diǎn)包含包含(bohn)G(z) 的單位圓上或的單位圓上或單位圓外的全部極點(diǎn)。單位圓外的全部極點(diǎn)。第第133頁頁/共共170頁頁第132頁/共170頁第一百三十二頁，

27、共170頁。第第134頁頁/共共170頁頁第133頁/共170頁第一百三十三頁，共170頁。.1)(12121111mmzfzfzfzF第第135頁頁/共共170頁頁第134頁/共170頁第一百三十四頁，共170頁。.)(222121212nnzfzfzfzF第第136頁頁/共共170頁頁第135頁/共170頁第一百三十五頁，共170頁。第第137頁頁/共共170頁頁第136頁/共170頁第一百三十六頁，共170頁。第第138頁頁/共共170頁頁第137頁/共170頁第一百三十七頁，共170頁。第第139頁頁/共共170頁頁第138頁/共170頁第一百三十八頁，共170頁。第第140頁頁/共共

28、170頁頁第139頁/共170頁第一百三十九頁，共170頁。第第141頁頁/共共170頁頁第140頁/共170頁第一百四十頁，共170頁。第第142頁頁/共共170頁頁第141頁/共170頁第一百四十一頁，共170頁。n第第143頁頁/共共170頁頁第142頁/共170頁第一百四十二頁，共170頁。第第144頁頁/共共170頁頁第143頁/共170頁第一百四十三頁，共170頁。第第145頁頁/共共170頁頁第144頁/共170頁第一百四十四頁，共170頁。圖圖5-42 帶純滯后環(huán)節(jié)帶純滯后環(huán)節(jié)(hunji)的連續(xù)控制系統(tǒng)的連續(xù)控制系統(tǒng) 第第146頁頁/共共170頁頁第145頁/共170頁第一百

29、四十五頁，共170頁。圖圖5-43 史密斯預(yù)估史密斯預(yù)估(y )補(bǔ)償原理圖補(bǔ)償原理圖 第第147頁頁/共共170頁頁第146頁/共170頁第一百四十六頁，共170頁。第第148頁頁/共共170頁頁第147頁/共170頁第一百四十七頁，共170頁。加入預(yù)估加入預(yù)估(y )補(bǔ)償器方塊圖的等效變換補(bǔ)償器方塊圖的等效變換 第第149頁頁/共共170頁頁第148頁/共170頁第一百四十八頁，共170頁。第第150頁頁/共共170頁頁第149頁/共170頁第一百四十九頁，共170頁。R第第151頁頁/共共170頁頁第150頁/共170頁第一百五十頁，共170頁。第第152頁頁/共共170頁頁第151頁/共170頁第一百五十一頁，共170頁。第第153頁頁/共共170頁頁第152頁/共170頁第一百五十二頁，共