北航計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大作業(yè)

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大作業(yè)姓名：陳啟航學(xué)號(hào)：13031144教師：周銳日期：2016年6月1日22綜合習(xí)題1已知: ，1） 試用 Z 變換、一階向后差分、向前差分、零極點(diǎn)匹配、Tustin變換和預(yù)修正的Tustin（設(shè)關(guān)鍵頻率4）變換等方法將D(s)離散化，采樣周期分別取為0.1s 和 0.4s；2） 將 D(z)的零極點(diǎn)標(biāo)在Z 平面圖上3） 計(jì)算D（j）和各個(gè)D(ejT )的幅頻和相頻特性并繪圖,w由0 20rad，計(jì)算40 個(gè)點(diǎn)，應(yīng)包括4 點(diǎn)，每個(gè)T繪一張圖（Z變換方法單畫）4） 計(jì)算 D(s)及T=0.1，T=0.4 時(shí)D(z)的單位脈沖響應(yīng)，運(yùn)行時(shí)間為4 秒5） 結(jié)合所得的結(jié)果討論分析各種離

2、散化方法的特點(diǎn)6） 寫出報(bào)告，附上結(jié)果。解：（1） Z變換法：a.離散化：T=0.1s 時(shí)， Dz=4zz-0.6703；T=0.4s 時(shí)，Dz=4zz-0.2019；b.Dz的零極點(diǎn)c. Dj和DejT幅頻相頻特性曲線連續(xù)系統(tǒng)：T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)d. Ds和Dz單位脈沖響應(yīng)Ds單位脈沖響應(yīng)：Dz單位脈沖響應(yīng)：T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)（2） 各種離散化方法：a.離散化后的D(z)1、 一階向后差分：T=0.1s時(shí) D(z)=0.2857zz-0.7143T=0.4s時(shí) D(z)=0.6154zz-0.38462、 一階向前差分：T=0.1s時(shí)Dz=0.4z-0.6T=0.4s時(shí)D

3、z=1.6z+0.63、 零極點(diǎn)匹配T=0.1s時(shí)Dz=0.1648z+1z-0.6703T=0.4s時(shí)Dz=0.3991(z+1)z-0.20194、 Tustin變換T=0.1s時(shí)Dz=0.1667(z+1)z-0.6667T=0.4s時(shí)Dz=0.4444(z+1)z-0.11115、 預(yù)修正的Tustin變換（設(shè)關(guān)鍵頻率=4）T=0.1s時(shí)Dz=0.1685(z+1)z-0.6629T=0.4s時(shí)Dz=0.5073(z+1)z+0.0146b.Dz的零極點(diǎn)1、一階向后差分2、一階向前差分3、零極點(diǎn)匹配4、 Tustin變換5、預(yù)修正的Tustin變換（設(shè)關(guān)鍵頻率=4）c. Dj和DejT

4、幅頻相頻特性曲線1、一階向后差分T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)2、一階向前差分T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)3、零極點(diǎn)匹配T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)4、Tustin變換T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)5、 預(yù)修正的Tustin變換（設(shè)關(guān)鍵頻率=4）T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)d. Ds和Dz單位脈沖響應(yīng)1、一階向后差分T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)2、一階向前差分T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)3、零極點(diǎn)匹配T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)4、Tustin變換T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)5、預(yù)修正的Tustin變換（設(shè)關(guān)鍵頻率=4）T=0.1s時(shí)T=0.4s時(shí)二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和總結(jié)：在本題中，當(dāng)采樣周期T=0

5、.4s時(shí)所有離散方法的都會(huì)出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，使得采樣信號(hào)失真。因?yàn)榇瞬蓸又芷诓粷M足采樣定理導(dǎo)致采樣信號(hào)失真現(xiàn)象。當(dāng)滿足采樣定理時(shí)，各種離散化方法的特點(diǎn)如下： Z變換法 由Z變換的脈沖響應(yīng)可看出，連續(xù)系統(tǒng)與離散后的系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)相同，故其可以應(yīng)用在要求脈沖響應(yīng)不變的場合。但是Z變換容易產(chǎn)生頻率混疊，而且變換本身也十分麻煩，在多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)時(shí)無法單獨(dú)改變某一串聯(lián)環(huán)節(jié)（即無串聯(lián)性）。一階向后差分法 穩(wěn)定性保持不變，無混疊但畸變嚴(yán)重。在采樣周期很小的情況下，所得的頻率特性與原連續(xù)系統(tǒng)的頻率特性比較接近但在采樣周期較大時(shí)相差較大。一階向前差分法由于其映射關(guān)系，將原系統(tǒng)離散后可能不穩(wěn)定。但在本題中，系統(tǒng)

6、離散后依然穩(wěn)定，所以用此方法也可以。在采樣周期很小的情況下，所得的頻率特性與原連續(xù)系統(tǒng)的頻率特性比較接近但在采樣周期較大時(shí)相差較大。零極點(diǎn)匹配法當(dāng)D(s)分子階次低于分母時(shí)，D(z)中將帶有（z+1）項(xiàng)，可以防止頻率混疊，頻率保持良好。但在使用單零點(diǎn)匹配時(shí)將帶來相位的較大延遲，同時(shí)，零極點(diǎn)匹配法在使用中要求將穩(wěn)態(tài)增益進(jìn)行匹配，因此在使用中不是很方便。Tustin變換法采樣周期較小的情況下，在低頻段范圍內(nèi)，s域與z域的頻率近似保持線性，所以在此范圍內(nèi)Tustin變換頻率失真較小。但隨著頻率的升高，Tustin變換頻率范圍變得很窄，高頻失真嚴(yán)重。所以主要應(yīng)用于低頻環(huán)節(jié)離散化。修正Tustin變換法

7、由于此方法只能保證在指定頻率點(diǎn)附近時(shí)的頻率特性與原系統(tǒng)相近，但在其他頻率點(diǎn)附近無法保證不失真，故其多用在要求在某些特征頻率處離散前后頻率特性保持不變的場合。綜合習(xí)題2計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 已知：1）被控對(duì)象為一個(gè)帶有均質(zhì)圓盤負(fù)載的直流力矩電機(jī)，其伺服系統(tǒng)方框圖如下：2）D/A輸出5v，電機(jī)轉(zhuǎn)速=26rad/s其中，電機(jī)傳遞函數(shù)為角速率/u；模擬控制其由KG1,KG2,KG3組成，數(shù)字控制器由采樣、CPU（控制率）和D/A組成。給定參數(shù)如下：·電機(jī)傳函Gs=(s)u(s)=kms(Tms+1),km=2 rad/s/V,Tm=0.1s·電機(jī)啟動(dòng)電壓uA=1.7v·

8、;測速機(jī)傳遞系數(shù)k=1 v/rad/s·電位計(jì)最大轉(zhuǎn)角為345°，輸出±5v·功放KA=2=KG3·采樣周期T=0.010s2 設(shè)計(jì)要求：1） D/A輸出120mv，電機(jī)啟動(dòng)：uA=1.7v2） D/A輸出5v，電機(jī)轉(zhuǎn)速=26rad/s3） 設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋增益，使系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)0.9，n20rad/s4） 設(shè)可測，設(shè)計(jì)降維觀測器，觀測器衰減速率是系統(tǒng)閉環(huán)衰減速率的4倍。5） 求離散控制率D(z)6） 將D(z)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，配置適當(dāng)?shù)谋壤蜃印?） 編制程序框圖，給出控制律的差分方程。仿真驗(yàn)證調(diào)節(jié)器的控制效果。假設(shè)系統(tǒng)受到擾動(dòng)，初試狀態(tài)為：初速8）仿真

9、驗(yàn)證調(diào)節(jié)器的控制效果。假設(shè)系統(tǒng)受到擾動(dòng)，初試狀態(tài)為：初速度w=0，初始角度=10?？纯词欠窠?jīng)過一定時(shí)間后，系統(tǒng)狀態(tài)回到平衡的零態(tài)。9） （選作）引進(jìn)指令信號(hào)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的指令跟蹤控制器，仿真給出閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。解：一）速度回路設(shè)計(jì)：根據(jù)要求1），有KG1KG31.70.12=14.215取KG1·KG3=15根據(jù)要求2），有uDA=lims0s·KG1·KG3·kmTs+1+KG1·KG2·KG3·K·km·1s=KG1·KG3·km1+KG1·KG2·KG3

10、·K·km=265 rad/s /V所以KG2=0.159二）狀態(tài)反饋增益設(shè)計(jì)：取=0.9，n=20rad/s則要求的閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)為s1,2=-18±j8.7178映射到z平面中，離散域的極點(diǎn)為z1,2=0.8321±0.0727i離散域的特征方程為z2-1.6642z+0.6977對(duì)該系統(tǒng)，開環(huán)傳遞函數(shù)為：Gs=300s2+105.4s取轉(zhuǎn)角=x1，角速度=x2為狀態(tài)變量x=(x1,x2)T，系統(tǒng)狀態(tài)方程為x=Ax+Buy=Cx其中A=010-57.7B=0300C=0 1則離散狀態(tài)方程為xn+1=Fxn+Gu(n)y(n)=Cx(n)F=eAT=L-

11、1(sI-A)-1|t=T=10.007600.5616G=0TeAtBdt=0.012492.2795設(shè)狀態(tài)反饋增益為：k=k1k2閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為zI-F+GK=z-1+0.01249k10.01249k2-0.00762.2795k1z-0.5616+2.2795k2=z2+0.01249k1+2.2795k2-1.5616z+0.0103k1-2.2795k2+0.5616對(duì)應(yīng)系數(shù)相等，得k1=1.4699k2=-0.0531k=1.4699-0.0531閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：xk+1=0.98160.0083-3.35060.6826xk+0.012492.2795u(k)yk=1

12、0x(k)三）設(shè)計(jì)降維觀測器：降維觀測器方程為x2k+1=F22-LF12x2k+F21-LF11yk+G2-LG1uk+Ly(k+1)其中，F(xiàn)22=0.6826,F12=0.0083,F21=-3.3506,F11=0.9816,G2=2.2795,G1=0.01249閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)：s1,2=-18±j8.7178觀測器極點(diǎn)：L=-18×4=-72閉環(huán)極點(diǎn)：z=eLT=0.4868則有F22-LF12=0.4868L=23.59觀測器方程：x2k+1=0.4868x2k-26.5065yk+1.9839uk+23.59y(k+1)設(shè)計(jì)速度回路：rk=0，所以u(píng)k=-kx(

13、k)則zz-0.4868z-0.1053z=-26.5065z-2.9161z+23.59zz整理得zz=23.59z-1.2472z-0.5921四）離散控制律設(shè)計(jì)：狀態(tài)反饋輸入：uk=-kxk=-1.4699k+0.0531k則有Uz=-1.4699z+0.0531zzz=23.59z-1.2472z-0.5921計(jì)算控制律D(z)得Dz=U(z)z=-0.2173z+3.1841z-0.5921-0.6919-0.5921D/AA/D-0.2173z-1tut五）控制律的實(shí)現(xiàn)：采用直接零極型編排：配置比例因子：穩(wěn)態(tài)增益：Dz|z=1=2.229高頻增益：Dz|z=-1=0.093A/D，D/A增益補(bǔ)償取1，比例因子取22。配置比例因子后結(jié)構(gòu)圖如下：14-14-0.17298-0.5921D/AA/D-0.05432