控制论个人学习笔记-采样系统理论/计算机控制系统

目录

• 采样系统理论/计算机控制系统
  • 基本概念
  • 信号的采样与保持
  • 离散系统的数学模型
  • 离散系统的稳定性与稳态误差
  • 离散系统的动态性能分析
  • 离散系统的数字校正（拓展部分）

采样系统理论/计算机控制系统

基本概念

• 采样控制系统(即脉冲控制系统)-信号是脉冲序列形式

  • 保持过程：把脉冲序列转变为连续信号的过程。保持器：实现保持的装置。

• 数字控制系统(即计算机控制系统)-信号是数字序列形式

• 离散系统的特点

  数字控制系统的特点:具有控制精度高，控制速度块及性能价格比高等特点，很好的通用性

信号的采样与保持

• 采样过程

• 采样过程的数学描述

• Shannon采样定理

• 信号保持

  保持器的数学作用：解决各离散采样点之间的插值问题

  零阶保持器的传函为$$G_h(s)=frac{1-e^{Ts}}{s}$$ ，其中(T)是保持时间

  零阶保持器是一种按常值外推的保持器，它把前一采样时刻(nT)的采样值一直保持到下一个采样时刻((n+1)T)到来之前。零阶采样器的采样信号是阶梯信号。取阶梯信号的中点连接起来，则可以得到与连续信号形状相同但时间滞后(T/2)的响应(old{e}(t-T/2))。(当然是在(T)足够小的前提下)

离散系统的数学模型

• 描写离散系统的数学形式——差分方程

• 线性离散系统差分方程及其解法

  1. 经典法：求齐次方程的通解和非齐次方程的特解
  2. 迭代法：直接递推
  3. 生成函数法(z变换法)：先z变换，求出那个生成函数后，再反z变换

  ↓求脉冲传递函数(重点)↓

  对一个连续函数做Z变换是什么意思？

  我的理解是做代换 (t=nT),然后对那个离散序列做z变换。

• 脉冲传递函数

  (G(z)=mathscr{Z}[G(s)]) （(mathscr{Z})是花体Z）

  (G(z)=Z[g^*(t)]=Z[g(t)]=Z[G^*(s)]=Z[G(s)])

• 开环系统脉冲传递函数

  串联环节之间有采样开关的情况：有理想采样器隔开的n个线性连续环节串联的脉冲传函等于n个环节z变换的乘积。

  串联环节之间没有采样开关的情况：没有理想采样器隔开的n个线性连续环节串联的脉冲函数等于n个环节乘积后的z变换

  理解的策略:采样开关分隔成为几段，段内直接(G_1(s)G_2(s)...G_n(s)),然后做Z变换，每段都是z的表达式，这些表达式再乘起来。

  有零阶保持器的开环系统脉冲传递函数：此时，开环系统脉冲传函为

  (G(z)=frac{C(z)}{R(z)}=(1-z^{-1})mathscr{Z}[frac{G_p(s)}{s}])

• 闭环系统脉冲传递函数

  求闭环系统脉冲传函，一般先设第一个采样开关两侧的信号为(E(z)),然后根据信号在前向通路及回路中的流动形式，列写出一系列方程，解得闭环系统脉冲传函。

  ↑求脉冲传递函数(重点)↑

离散系统的稳定性与稳态误差

• 离散系统稳定的条件

  1. 时域中离散系统稳定的充要条件

     当且仅当描述离散系统的差分方程所有特征根的模(|a_i|<1(i=1,2,...,n)),稳定

  2. z域中离散系统稳定的充要条件

     当且仅当所有特征根的模均小于1，稳定

• 离散系统的稳定性判据

  (omega)变换与劳斯判据。如果用莫比乌斯变换(z=frac{omega+1}{omega-1})代入离散系统的闭环系统方程，并整理得到关于(omega)的方程。于是可以利用劳斯判据判断离散系统的稳定性。

• 离散系统的稳态误差

  • 终值定理法

    即，数学上有，(a_{ss}=limlimits_{z ightarrow1}(z-1)A(z)) 当然这要求序列a（和函数A的信息量一样）有较好的性质

  • 静态误差系数法

    (k_p=limlimits_{z ightarrow1}G(z))

    (k_v=limlimits_{z ightarrow1}(z-1)G(z))

    (k_a=limlimits_{z ightarrow1}(z-1)^2G(z))

    	(1(t))	(t)	(frac{1}{2}t^2)
    0型	(frac{1}{1+k_p})	(infty)	(infty)
    1型	0	(frac{T}{k_v})	(infty)
    2型	0	0	(frac{T^2}{k_a})

离散系统的动态性能分析

• 离散系统的时间响应

  （利用幂级数展开法）先求出部分点值，这些点值拟合曲线，然后计算时域里的那些指标

• 采样器和保持器对系统性能的影响

• 闭环极点与动态响应的关系

离散系统的数字校正（拓展部分）

线性离散系统的设计方法分为模拟化设计和离散化设计两种。

1.模拟化设计是先把系统的数字部分等效为连续环节，然后按照连续系统理论设计校正装置，最后将校正装置数字化。

2.离散化设计法又称直接数字设计法，即把系统按离散化进行分析，求出系统的脉冲传函，然后按离散系统理论设计数字校正装置（又称数字控制器）

• 最少拍系统设计

  离散系统的数字校正问题即确定数字控制器(D(z))。具体方法：由离散系统性能指标确定闭环脉冲传函或误差传函，然后确定数字控制器的脉冲传函，并加以实现。

最少拍系统：一个采样周期为一拍，最少拍系统是指在典型输入作用下，能以有限拍结束响应过程，且在采样时刻上无稳态误差的离散系统。最少拍系统的设计是针对典型输入作用进行的。

最少拍系统的设计原则：若系统广义被控对象(G(z))无延迟，且在z平面单位圆上以及单位圆外无零极点，要求选择闭环脉冲传函，使系统在典型输入作用下，经过最少采样周期后能使输出序列在各采样时刻的稳态误差为零，达到完全跟踪的目的，从而确定所需要的数字控制器的脉冲传函(D(z))。

在各种典型输入作用下，由最少拍系统的输出响应序列可得以下结论：

1. 快速性：按单位斜坡输入设计的最少拍系统，在各种典型输入作用下，动态过程均为两拍。
2. 准确性：单位阶跃和单位斜坡输入的最少拍系统的稳态误差均为0，但对单位加速度输入存在的稳态误差为(T)。
3. 动态性：系统对单位斜坡输入的动态响应性能较好，对单位阶跃响应性能较差。
4. 平稳性：均存在波纹，不实用。

• 无波纹最少拍系统设计

  无波纹最少拍系统的设计要求：在某种典型输入作用下设计的系统，其输出响应经过尽可能少的采样周期后，不仅在采样时刻上输出可以完全跟踪输入，而且在非采样时刻不存在波纹。

  无波纹输出要求在有限个采样周期后，零阶保持器的输出达到相对稳定。要满足这一要求，除了采用前面介绍的最小拍系统设计方法外，还需要对被控对象的传函和闭环脉冲传函提出相应的要求。

  无波纹最少拍系统(Rightarrow)被控对象传函(G_p(s))中，至少应包含((q-1))个积分环节。

  无波纹最少拍系统的附加条件：(Phi(z))的零点应抵消(G(z))的全部零点，即应有：(Phi(z)=P(z)M(z))，式中，(M(z))为待定(z^{-1})多项式。