數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法課件

教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·關(guān)守平guanshouping@計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·關(guān)守平計(jì)算機(jī)控1本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)

教學(xué)單元2-最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法

教學(xué)單元3-最小拍控制器的工程化改進(jìn)

教學(xué)單元4-大林算法控制器的設(shè)計(jì)

教學(xué)單元5-大林算法工程應(yīng)用中關(guān)鍵參數(shù)的選擇

本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)2教學(xué)單元1模塊導(dǎo)學(xué)東北大學(xué)·關(guān)守平guanshouping@教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法教學(xué)單元1模塊導(dǎo)學(xué)東北大學(xué)·關(guān)守平教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的3熟悉1、z變換與z反變換2、典型輸入信號(hào)的特征（階躍信號(hào)，速度信號(hào)，加速度信號(hào)）掌握1、離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的建立2、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)性能分析1.1學(xué)習(xí)本教學(xué)模塊所需掌握的基礎(chǔ)知識(shí)熟悉1、z變換與z反變換掌握1、離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的建立14模擬設(shè)計(jì)方法模擬控制器的離散化直接設(shè)計(jì)方法1、根軌跡設(shè)計(jì)方法2、頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)方法3、解析設(shè)計(jì)方法1.2數(shù)字控制器經(jīng)典設(shè)計(jì)方法分析（離散控制器）（離散對(duì)象）（1）最小拍控制（2）大林算法工程化應(yīng)用問(wèn)題①學(xué)術(shù)研究能力②工程應(yīng)用能力模擬設(shè)計(jì)方法模擬控制器的離散化直接設(shè)計(jì)方法1、根軌跡設(shè)計(jì)方法5離散化設(shè)計(jì)方法——把連續(xù)部分離散化，把整個(gè)系統(tǒng)變成離散化系統(tǒng)，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z)——直接數(shù)字控制設(shè)計(jì)方法1.3解析設(shè)計(jì)方法基本原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：u(k)離散化設(shè)計(jì)方法——把連續(xù)部分離散化，把整個(gè)系統(tǒng)變成離散化系統(tǒng)6Wd(z)D(z)+_r(k)e(k)y(k)u(k)直接數(shù)字化設(shè)計(jì)方法Wh0(s)W(s)部分分式法留數(shù)計(jì)算法解析設(shè)計(jì)方法基本原理Wd(z)D(z)+_r(k)e(k)y(k)u(k)直接數(shù)7閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：閉環(huán)系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)：（1）（2）解析設(shè)計(jì)方法基本原理閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：閉環(huán)系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)：（1）（2）解析設(shè)計(jì)8于是得到：設(shè)計(jì)步驟：確定Wd(z)確定WB(z)或We(z)計(jì)算得到D(z)編制控制算法（差分方程）（3）解析設(shè)計(jì)方法基本原理于是得到：設(shè)計(jì)步驟：（3）解析設(shè)計(jì)方法基本原理9問(wèn)題：如何給定WB(z)或We(z)?考慮D(z)的物理可實(shí)現(xiàn)性考慮閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（y(k)和u(k)收斂）考慮滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求：準(zhǔn)確性考慮滿足系統(tǒng)的暫態(tài)指標(biāo)的要求解析設(shè)計(jì)方法基本原理問(wèn)題：如何給定WB(z)或We(z)?解析設(shè)計(jì)方法基本原理10物理可實(shí)現(xiàn)性：指設(shè)計(jì)得到的數(shù)字控制器D(z)，在物理邏輯上必須滿足因果關(guān)系。判斷D(z)在物理上能夠?qū)崿F(xiàn)的條件:分母多項(xiàng)式最高階次n大于或等于分子多項(xiàng)式的最高階次m，即n≥m。否則就會(huì)出現(xiàn)要求數(shù)字控制器有超前輸出，這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。解析設(shè)計(jì)方法基本原理物理可實(shí)現(xiàn)性：解析設(shè)計(jì)方法基本原理11物理不可實(shí)現(xiàn)舉例對(duì)上式進(jìn)行交叉相乘，得z反變換，得或解析設(shè)計(jì)方法基本原理物理不可實(shí)現(xiàn)舉例對(duì)上式進(jìn)行交叉相乘，得z反變換，得或解12穩(wěn)定性：指由計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，必須是穩(wěn)定的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性包含兩方面的含義：一是整個(gè)系統(tǒng)的輸出Y(z)能夠較好地復(fù)現(xiàn)控制系統(tǒng)的輸入R(z)，不能發(fā)散；進(jìn)一步，當(dāng)被控對(duì)象模型的參數(shù)發(fā)生微小變化時(shí)，Y(z)也不能發(fā)散；二是數(shù)字控制器的輸出U(z)不能發(fā)散，應(yīng)以較少的振蕩次數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。解析設(shè)計(jì)方法基本原理穩(wěn)定性：解析設(shè)計(jì)方法基本原理13穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：指系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差指標(biāo)，即準(zhǔn)確性。對(duì)于離散系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求在特定輸入信號(hào)作用下，其輸出序列值應(yīng)該與輸入序列值相等，即穩(wěn)態(tài)誤差為零，這就是“無(wú)差”的概念。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可能還會(huì)進(jìn)一步要求系統(tǒng)在采樣點(diǎn)之間也沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差。解析設(shè)計(jì)方法基本原理穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：指系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差指標(biāo)，即準(zhǔn)確性。解析設(shè)計(jì)方法基本原14暫態(tài)指標(biāo)：調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。最小拍控制著重強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，即系統(tǒng)的輸出響應(yīng)能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；大林控制算法則強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的超調(diào)量，即要求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)無(wú)超調(diào)或很小的超調(diào)。解析設(shè)計(jì)方法基本原理暫態(tài)指標(biāo)：調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。解析設(shè)計(jì)方法基本原理15·教學(xué)單元一結(jié)束··教學(xué)單元一結(jié)束·16教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·關(guān)守平guanshouping@計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法東北大學(xué)·關(guān)守平計(jì)算機(jī)控17本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)

教學(xué)單元2-最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法

教學(xué)單元3-最小拍控制器的工程化改進(jìn)

教學(xué)單元4-大林算法控制器的設(shè)計(jì)

教學(xué)單元5-大林算法工程應(yīng)用中關(guān)鍵參數(shù)的選擇

本教學(xué)模塊內(nèi)容:教學(xué)單元1-模塊導(dǎo)學(xué)18教學(xué)單元1模塊導(dǎo)學(xué)東北大學(xué)·關(guān)守平guanshouping@教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法教學(xué)單元1模塊導(dǎo)學(xué)東北大學(xué)·關(guān)守平教學(xué)模塊5數(shù)字控制器的19熟悉1、z變換與z反變換2、典型輸入信號(hào)的特征（階躍信號(hào)，速度信號(hào)，加速度信號(hào)）掌握1、離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的建立2、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)性能分析1.1學(xué)習(xí)本教學(xué)模塊所需掌握的基礎(chǔ)知識(shí)熟悉1、z變換與z反變換掌握1、離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的建立120模擬設(shè)計(jì)方法模擬控制器的離散化直接設(shè)計(jì)方法1、根軌跡設(shè)計(jì)方法2、頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)方法3、解析設(shè)計(jì)方法1.2數(shù)字控制器經(jīng)典設(shè)計(jì)方法分析（離散控制器）（離散對(duì)象）（1）最小拍控制（2）大林算法工程化應(yīng)用問(wèn)題①學(xué)術(shù)研究能力②工程應(yīng)用能力模擬設(shè)計(jì)方法模擬控制器的離散化直接設(shè)計(jì)方法1、根軌跡設(shè)計(jì)方法21離散化設(shè)計(jì)方法——把連續(xù)部分離散化，把整個(gè)系統(tǒng)變成離散化系統(tǒng)，直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z)——直接數(shù)字控制設(shè)計(jì)方法1.3解析設(shè)計(jì)方法基本原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：u(k)離散化設(shè)計(jì)方法——把連續(xù)部分離散化，把整個(gè)系統(tǒng)變成離散化系統(tǒng)22Wd(z)D(z)+_r(k)e(k)y(k)u(k)直接數(shù)字化設(shè)計(jì)方法Wh0(s)W(s)部分分式法留數(shù)計(jì)算法解析設(shè)計(jì)方法基本原理Wd(z)D(z)+_r(k)e(k)y(k)u(k)直接數(shù)23閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：閉環(huán)系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)：（1）（2）解析設(shè)計(jì)方法基本原理閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：閉環(huán)系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)：（1）（2）解析設(shè)計(jì)24于是得到：設(shè)計(jì)步驟：確定Wd(z)確定WB(z)或We(z)計(jì)算得到D(z)編制控制算法（差分方程）（3）解析設(shè)計(jì)方法基本原理于是得到：設(shè)計(jì)步驟：（3）解析設(shè)計(jì)方法基本原理25問(wèn)題：如何給定WB(z)或We(z)?考慮D(z)的物理可實(shí)現(xiàn)性考慮閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（y(k)和u(k)收斂）考慮滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求：準(zhǔn)確性考慮滿足系統(tǒng)的暫態(tài)指標(biāo)的要求解析設(shè)計(jì)方法基本原理問(wèn)題：如何給定WB(z)或We(z)?解析設(shè)計(jì)方法基本原理26物理可實(shí)現(xiàn)性：指設(shè)計(jì)得到的數(shù)字控制器D(z)，在物理邏輯上必須滿足因果關(guān)系。判斷D(z)在物理上能夠?qū)崿F(xiàn)的條件:分母多項(xiàng)式最高階次n大于或等于分子多項(xiàng)式的最高階次m，即n≥m。否則就會(huì)出現(xiàn)要求數(shù)字控制器有超前輸出，這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。解析設(shè)計(jì)方法基本原理物理可實(shí)現(xiàn)性：解析設(shè)計(jì)方法基本原理27物理不可實(shí)現(xiàn)舉例對(duì)上式進(jìn)行交叉相乘，得z反變換，得或解析設(shè)計(jì)方法基本原理物理不可實(shí)現(xiàn)舉例對(duì)上式進(jìn)行交叉相乘，得z反變換，得或解28穩(wěn)定性：指由計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，必須是穩(wěn)定的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性包含兩方面的含義：一是整個(gè)系統(tǒng)的輸出Y(z)能夠較好地復(fù)現(xiàn)控制系統(tǒng)的輸入R(z)，不能發(fā)散；進(jìn)一步，當(dāng)被控對(duì)象模型的參數(shù)發(fā)生微小變化時(shí)，Y(z)也不能發(fā)散；二是數(shù)字控制器的輸出U(z)不能發(fā)散，應(yīng)以較少的振蕩次數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。解析設(shè)計(jì)方法基本原理穩(wěn)定性：解析設(shè)計(jì)方法基本原理29穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：指系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差指標(biāo)，即準(zhǔn)確性。對(duì)于離散系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求在特定輸入信號(hào)作用下，其輸出序列值應(yīng)該與輸入序列值相等，即穩(wěn)態(tài)誤差為零，這就是“無(wú)差”的概念。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可能還會(huì)進(jìn)一步要求系統(tǒng)在采樣點(diǎn)之間也沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差。解析設(shè)計(jì)方法基本原理