计算机控制系统的离散化设计.doc
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前 言 《计算机控制系统》 系统地论述了计算机控制系统的结构、原理、设计和应用,既有理论分析也有应用实例 ,论述了直接数字控制系统(DDC)、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS) 和可编程控制器系统(PLS或PLC)4类典型的计算机控制系统。 直接数字控制系统(DDC)是计算机控制的基础,本书深入论述了DDC系统的形成、发 展、体系结构、控制算法、硬件、软件、设计和应用,分析了DDC系统的输入、输出、控 制和运算功能,并引入了功能块及组态的概念;集散控制系统(DCS)是计算机控制的主 流系统,本书概述了DCS的产生、发展、特点和优点,论述了DCS的体系结构、控制站、 操作员站、工程师站和应用设计,分析了DCS的分散控制和集中管理的设计思想,以及分 而自治和综合协调的设计原则。 通过本课程设计,使学生能较好的使用离散化设计方法对被控对象进行校正分析;对计 算机控制系统DDC设计过程中的方案设计有初步了解,通过该设计在一定程度上使学生对 计算机控制系统所学知识进行整合,使其得到一次全面、系统、独立的培养。 目 录 第一章 计算机控制系统的离散化设计 1 1.1有限拍设计 1 1.1.1有限拍设计的概述 1 1.1.2 有限拍调节器 2 1.1.3 采样频率的选择 2 1.2 有限拍无纹波设计 3 1.2.1 有限拍无波纹设计概述 3 1.2.2有限拍无纹波设计实例 3 本章小结 5 第二章 DDC系统的设计和应用 6 2.1.DDC系统的设计 6 2.1.1 DDC系统的设计原则 6 2.1.2 DDC系统的设计过程 6 2.2.DDC系统的应用 6 2.2.1.DDC系统的应用设计 6 2.2.2.DDC系统的应用实例 6 本章小结 13 总 结 14 参考文献 15 第一章 计算机控制系统的离散化设计 计算机控制系统的设计,是指在给定系统性能指标的条件下,设计出数字调节器,使 系统达到要求的性能指标。 本章介绍的离散化设计是在Z平面上设计的方法,对象可以用离散模型表示,也可以 用离散化模型表示的连续对象。离散化设计比模拟设计精确,所以离散化设计有的也称 为精确设计法。离散化设计时也应该合理选择采样周期,系统必须工作在线性区。 本章将重点介绍有限拍无波纹设计。 1.1 有限拍设计 1.1.1 有限拍设计的概述 有限拍设计是系统在典型的输入作用下,设计出数字调节器,使系统的调节时间最短 或者系统在有限个采样周期内结束过渡过程。有限拍控制实质上是时间最优化控制,系 统的性质指标是调节时间最短(或者尽可能的短)。 1.1.2 有限拍调节器 图1- 1中D(z)是数字调节器模型,由计算机实现,是零阶保持器的传递函数。有限拍 数字调节器 跟对象特性HG(z)和闭环Z传递函数Gc(z)有关,也跟误差Z传递函数Ge(z)有关。 图1-1 有限拍随动系统 G(s)是控制对象的传递函数,零阶保持器和控制对象离散化以后,成为广义对象的Z 传递函数HG(z) HG(z)=Z[] (1-1) 有限拍随动系统的闭Z环传递函数 (1-2) 有限拍随动系统的误差Z传递函数 = (1-3) 有限拍随动系统的调节器由(1-2)和( 1-3)可得: (1-4) 随动系统的调节时间也就是系统的误差e(kT)达到恒定值或趋于零所需要的时间,根据Z 变换的定义: = (1-5) 由式(1- 5)就可知道。有限拍系统就是要求系统在典型的输入作用下,当k N时,为 恒定值或等于零。N为尽可能小的正整数。 设计有限拍调节器时,必须顾及D(z)的可实现性要求,合理选择Ge(z)和Gc(z)。 (1)D(z)必须是可实现的,D(z)不包含单位圆上(z=1除外)和单位圆外的极点;D(z) 不包含超前环节。 (2)选择Gc(z)时,应把HG(z)分子中因子,作为Gc(z)分子的因子,即Gc(z)的分 子部分必须包含HG(z)分子中因子(r=1,2,3,...);应把HG(z)的单位圆上( =1除外)和单位圆外的零点作为Gc(z)的零点。 (3)选择Ge(z)时,必须考虑输入型式,并把HG(z)的所有不稳定极点,即单位圆上( =1除外)和单位圆外的零点作为Ge(z)的零点。 1.1.3 采样频率的选择 按照典型输入设计的有限拍系统,其调节时间为一个到几个采样周期T,也就是说 明调节时间和采样周期T有关,当系统的采样频率无限增加,也就是采样周期无限 缩短时,系统的调节时间不是趋于零的,因为采样频率的上限受饱和特性的 限制,不可能无限提高。 1.2 有限拍无纹波设计 1.2.1 有限拍无波纹设计概述 有限拍系统采用Z变换方法进行设计,采样点上的误差为零,不能保证采样点之间误 差值为零,有限拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波。纹波不仅造成误差,也能消 耗功率,消费能量,而且造
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