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数字控制系统理论与设计数字控制系统理论与设计Instructor:Prof.林桦E-mail:LHUA@mail.Hust.edu.cn课件下载：controlsystem@126.com密码：control_systemTel:87543658－804(O)参考书:1.动态系统的数字控制（DigitalControlofDynamicSystem）第3版GeneF.Franklin等，清华大学出版社，20012．计算机控制系统－理论、设计与实现高金源北京航空航天大学出版社3.计算机控制系统－原理与设计（第三版）（Computer-ControlledSystemsTheoryandDesign）电子工业出版社，20011.了解数字控制系统的基本概念和理论；2.掌握数字控制系统的建模、分析及设计方法；3.对数字控制器实现时的某些问题进行深入的讨论。本课程目的什么是数字控制系统？（组成、结构、性能、分类）为何研究数字控制系统？（与连续系统的差异）如何研究数字控制系统？（数字控制系统理论）第1章概述（1-2学时）1.1数字控制系统(计算机控制系统）例:雷达天线位置伺服控制系统雷达电机及齿轮放大校正位置测量转速测量校正位置给定计算机数字控制器D/AA/DA/DA/D模拟控制缺点：不便于修改参数；难以实现复杂控制；1.1.1计算机控制系统的组成(1)原理框图被控对象计算机测量装置D/AA/D给定输出G(s)H(s)用计算机实现控制器的作用——计算机控制系统系统中含有数字信号——数字控制系统被控对象（包括执行机构）；测量装置；数字控制器（计算机）；输入/输出通道(A/D，D/A)(2)硬件组成(3)控制过程实质输入－计算－输出模拟器件与数字器件混合（结构不同）模拟信号与数字信号混合（信号形式不同）离散控制、时间延迟（控制方式不同）一个计算机同时控制多个对象（工作方式不同）1.1.2数字控制系统的特点（与模拟控制系统相比）（2）优点能实现复杂的控制规律，适应性强、灵活性高；便于集中监控；形小体轻，性能价格比高；（3）缺点抗干扰能力低；设计、实现复杂；（1）特点(1)数据采集系统1.1.3计算机控制系统的分类（按功能分）(2)直接数字控制系统(DDC－DirectDigitalControl)(3)计算机监督控制系统(SCC－SupervisoryComputerControl)(4)分布式计算机控制系统(DCCS－DistributedComputerControlsystem)1.2数字控制系统的新问题（计算机控制系统与连续系统的差异）例1：滤波器11su(t)y(t)输入与采样时刻相同输入与采样时刻不相同差异一：数字控制系统为时变系统实线—模拟控制圆点—计算机控制1()(1)Gsss例2：连续控制系统2()7010sDss（1）连续控制系统阶跃响应超前校正（2）用计算机实现模拟调节规律（前向差分）TzTzzEzu1012170)()()1(70)()12(70)()101()1(kekeTkuTku计算机仿真:仿真结果（兰线—模拟控制；红线—计算机控制）01200.51.01.500.511.522.50.40.81.21.600.511.522.5-200204060——采样周期越小，数字控制越接近模拟控制效果T=0.025sT=0.05s00.511.522.5020406080系统输出计算机输出采样周期增大为T=0.5s仿真00.511.522.50.40.81.21.62——采样周期过大，系统不稳定（蓝线—模拟控制；红线—计算机控制）(3)用计算机实现最小拍控制（数字控制器）差异二：数字控制系统性能的好坏取决于控制策略。若采用模拟调节规律，采样周期越小，控制性能越接近模拟系统。若直接设计数字控制器，可以获得连续控制器无法获得的优异的控制效果。1()0.3681.582()0.418TsuzzEzz012340.40.81.2兰线—模拟控制红线—计算机控制仿真程序S3例3：一阶滤波器，输入为f=4.9Hz的周期信号。连续系统与计算机系统（采样频率为10Hz）输出比较。11KTsu(t)y(t)输出信号中出现了0.1Hz的差拍信号。差异三：采样频率不恰当会产生假频现象。例4：A/D字长不同（量化效应不同）差异四：量化效应产生极限环振荡1.3数字控制系统理论思路：将数字控制系统进行近似等效；利用已知理论分析；然后考虑其特殊性。数字控制系统是时变非线性环节，因此，要对它进行严格的分析是十分困难的。(1)连续控制系统1.3.1控制系统的几种类型（按信号形式分）G(s)D(s)r(t)e(t)u(t)y(t)——每个信号均为连续模拟量G(s)D(z)r(t)e(t)u(t)y(t)保持器e(k)u(k)混合信号：连续模拟量：r(t...