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计算机控制课程作业 姓名：王娟娟 班级：自动化 学号： 091 数字控制器的直接设计 摘要 随着工业领域和科学发展的进步，传统的控制方法已经不适用于现在的控制要求，于是数字控制运用而生。数字控制器的主要作用和模拟控制是一样的：控制（闭环）系统的响应，数字控制器区别模拟控制器主要是在实际数字控制器，必定是一台计算机（或者一台微控制器），因为一台数字计算机不能接收模拟信号，它不能被直接接合来反馈传递函数或者设定值，同样，一台数字计算机不能产生一个实际的模拟信号。而数字控制中一个最主要的系统就是最小拍控制系统。所谓最小拍系统，是指在典型输入（如单位阶跃、单位斜坡或单位加速度信号）作用下，系统具有最快的响应速度，能在有限拍内结速过渡过程，而且在采样时刻上无稳态误差的离散系统。最小拍系统是一种时间最优的控制系统，它可以做到无超调，而且设计方法也很简单。误差信号反映了系统输出对输入信号的复现差异程度，通过分析该信号的变化情况，可以直接看出系统的动态误差和稳态误差。目前最小拍比较常见的应用是在输入信号为典型阶跃输入的机械装置精确位置控制和液压伺服系统等方面，为弥补其存在静差的缺陷也采用与其它控制策略结合的方案。 一、 背景分析 微处理器的诞生已经完全改革了整个检测和控制工业，最初，液位风力和机械连接被用来作为控制器和传感元件，在控制工程中，这部分带有许多灵活性，并用这些元件实现连续控制，之后这些产品，就被晶体管和运算放大器这些电子模拟元件取代了，电子元件为广泛的PID 控制器敞开大门，允许几乎所有的控制方案来适应实际中的各类系统。数字控制器的主要作用和模拟控制是一样的：控制（闭环）系统的响应，数字控制器区别模拟控制器主要是在实际数字控制器，必定是一台计算机（或者一台微控制器），因为一台数字计算机不能接收模拟信号，它不能被直接接合来反馈传递函数或者设定值，同样，一台数字计算机不能产生一个实际的模拟信号，例如3PA~15PA 的大气压力，0V~10V 电压信号，或者4mA~20mA电流信号，所以它不能直接与最终控制元件相接合。数字控制器中的A/D 转换器接收数字量的给定值和测量值，根据它的内部程序软件获得相关信息，并通过D/A 转换器前产生一个合适的输出，软件编程来实现适合闭环控制系统的控制算法。传统模拟控制器已经被执行控制算法的计算机软件取代了，其唯一目的是产生偏差信号作为给定值和反馈值的差异。对于一台数字计算机能够通过模拟和数字转换器，接收给定值和反馈值并且在内部产生偏差信号，这是一个非常微不足道的任务。因此，在实际中，控制器被一系列计算机代码所取代，它接收数字设定值并且减去检测值。 上世纪六十年代美国控制理论学者Kalman 提出了无差拍数字控制的基本思想，作为一种优点和缺点都很突出的控制策略，其优势在于动态响应快。但是，要求系统的数学模型比较精确，鲁棒性也比较差。采用和计算所造成的延时限制了输出脉宽，以上缺陷限制了无差拍的应用，经常要与其它控制方法结合或采用改进算法。 在连续控制系统中，PID 控制器一般来说能够取得满意的响应性能，PID 控制作用的调整只限于调整比例增益，积分增益以及微分增益。数字控制在逆变器方面的应用中，控制 算法却不仅限于此[24]，事实上，数字控制器可以产生很多种控制作用，如快速系统离散域直接设计和慢速系统离散域直接设计；其中，慢速系统离散域直接设计一般应用于被控对象具有大惯性，长滞后性质的情况下。当控制器是采用快速系统离散域直接设计法来设计，同时输入为特殊类型的典型输入时，在一定的采样周期——零阶保持器 D(z) —— 数字控制器 Φ (z) —— 系统的闭环脉冲传递函数 系统开环脉冲传递函数为： ?K(z)?D(z)?G(z) ?(z)??K(z) 1??K(z)?D(z)G(z)1?D(z)G(z)系统的闭环脉冲传递函数为： （2）求广义对象的脉冲传递函数G(z) ?1?e?Ts?G(z)?Z?H0(s)GC(s)??Z?GC(s)?——广义对象的脉冲传递函数 s?? （3）求取数字控制器的脉冲传递函数D(z) ?e(z)?E(z)R(z)?1 1?D(z)G(z)?1??(z) 系统误差脉冲传递函数： 数字控制器输出闭环脉冲传递函数为： ?U(z)?U(z)R(z)?D(z) 1?D(z)G(z)??(z) G(z) 若已知以上脉冲传递函数，可计算出D(z)： 已知Φ(z)，可计算出D(z)： D(z)?1??(z) G(z)1??(z) 已知Φe(z)，可计算出D(z)： D(z)?1 G(z)?1??e(z) ?e(z) 已知ΦU(z)，可计算出D(z)： D(z)??U(z) 1??U(z)G(z)??U(z)1?