计算机控制系统设计中的离散设计方法主要关注如何将连续时间系统的理论应用于数字控制系统。在离散设计中,我们通常从s平面转换到z平面,因为计算机控制系统基于离散时间信号,而z变换是处理这些信号的主要工具。
s平面与z平面之间的关系是关键,它们并不具有一一对应的关系。在s平面上,每一条与采样频率相差整数倍的直线都会映射到z平面上的同一个点。s平面上的特殊区域和曲线,如稳定区、穿越频率和奈奎斯特稳定性判据,都会以特定的方式映射到z平面上。例如,s平面上的等阻尼曲线映射为z平面上的对数螺旋线,而主频带内的特征曲线会变为z平面上的射线或小圆。
设计计算机控制系统时,主要考虑以下几个方面:
1. 稳态跟踪精度:这是衡量控制系统在达到稳态后,被控变量与设定值之间误差的指标。理想情况下,误差应足够小,甚至为零。这可以通过调整系统结构,如增益和极点位置来实现。
2. 暂态性能:包括超调百分数σ%,过度过程时间ts和上升时间tr。这些参数决定了系统响应的速度和稳定性。超调百分数反映了响应峰值相对于稳态值的过度,而过度过程时间和上升时间则涉及系统从初始状态到达稳态所需的时间。
3. 抗干扰能力:系统应对内部和外部扰动有良好的抑制能力,以保持性能的稳定性。
4. 控制作用:选择合适的控制策略以实现期望的系统响应。
在z平面上,设计要求的体现有所不同。例如,稳态跟踪精度与系统类型(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)和输入信号类型(阶跃、斜坡、加速度)密切相关。对于阶跃输入,Ⅰ型及以上系统的稳态误差与位置误差系数Kp成反比,通过增大Kp可以减小误差。斜坡输入则要求系统至少为Ⅱ型,以便通过调整速度误差系数Kv来控制稳态误差。对于加速度输入,只有Ⅲ型系统才能实现有限的稳态误差。
在实际应用中,例如天线方位控制系统,设计时需要考虑系统的动态响应和稳态特性。通过调整闭环系统的极点和零点位置,可以优化系统的跟踪精度和抗干扰能力。极点远离z=1可提高Kv,减小稳态误差,但可能导致动态响应变慢。零点靠近z=1可以增大Kv,但也可能增加超调和恶化动态特性。因此,零点的选取需要兼顾动态和稳态性能的平衡。
计算机控制系统设计的离散设计方法涉及s-z变换、系统类型、稳态跟踪精度、暂态性能和抗干扰能力等多个方面,设计过程中需综合考虑这些因素以实现理想的控制效果。