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文檔簡介
1、課程概要4課程導學4.1課程重點與難點(1)“計算機控制系統(tǒng)導學與概述”模塊掌握“計算機控制系統(tǒng)”的基本概念和主要特點:1)信號混合:模擬信號、離 散模擬信號、數(shù)字信號的信號變換問題。2)結(jié)構(gòu)混合:離散域內(nèi)設(shè)計的控制器,在連 續(xù)域?qū)嵤┛刂菩袨椋簝深愒O(shè)計算法。(2)“信號轉(zhuǎn)換與z變換”模塊理解計算機控制系統(tǒng)是一個模擬和數(shù)字混合系統(tǒng)的真正含義;掌握信號變換原理 及香農(nóng)采樣定理的意義;理解和掌握z變換和z反變換的定義、方法及基本定理。(3)“計算機控制系統(tǒng)數(shù)學描述與性能分析”模塊脈沖傳遞函數(shù)的定義;穩(wěn)定性的充要條件;s平面與z平面的映射關(guān)系(多對一); 勞斯判據(jù)和朱利判據(jù)的區(qū)別和聯(lián)系。三種典型輸入的
2、穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù),系統(tǒng)類型與穩(wěn)態(tài) 誤差的關(guān)系;z平面極點分布與暫態(tài)響應(yīng)的關(guān)系。(4)“數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法”模塊連續(xù)控制器的離散化過程中可能出現(xiàn)的頻率混疊、頻率畸變等現(xiàn)象;對PID控制算 法所具有的哲學思想的理解,對改進的PID控制器特性的理解(比如帶死區(qū)的PID特性); Smith預估控制器的設(shè)計思想及工程化意義。(5)“數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法”模塊重點是最小拍控制器和大林算法控制器設(shè)計原理及其特性分析;難點是“零極點 不能對消的概念”和“振鈴現(xiàn)象的原因及其消除方法”。(6)“數(shù)字控制器實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)”模塊如何保證控制器的精度和規(guī)定的時間內(nèi)完成控制器運算,是數(shù)字控制器工程化問 題的核心
3、問題,對這一問題分析研究貫穿本模塊始終。4.2部分難點及解決辦法:(1)難點1:計算機控制系統(tǒng)的信號變換過程。連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)都是單一信號系統(tǒng),而計算機控制系統(tǒng)則是一種混合信號系 統(tǒng),包括連續(xù)信號,離散信號,數(shù)字信號。信號從連續(xù)經(jīng)過A/D采樣變成離散(數(shù)字), 再從離散(數(shù)字)經(jīng)D/A變成連續(xù)的過程給控制系統(tǒng)設(shè)計帶來了一系列問題,學生對 此難以準確理解。解決辦法:首先從時域進行定性分析:信號從連續(xù)變成了離散,將丟失采樣點之 間的信息,進而變成數(shù)字量,并產(chǎn)生量化誤差;而從數(shù)字(離散)變成連續(xù),將增加 采樣點之間的估計信息,因此該過程存在著部分信息的丟失。然后從頻域進行定量分 析:信號從連續(xù)的非
4、周期頻譜經(jīng)采樣變成了離散的周期頻譜,再從離散的周期頻譜經(jīng) 濾波器(保持器)濾波變成了近似的連續(xù)非周期頻譜。(2)難點2:香農(nóng)采樣定理的物理意義。解決辦法:這個問題與難點1是相聯(lián)系的。香農(nóng)采樣定理解決了計算機控制系統(tǒng) 中最重要的一個問題,即采樣周期的選擇問題,其解決問題的思想是通過信號的頻譜 分析過程。如難點1所述,計算機控制系統(tǒng)中存在著信號從連續(xù)到離散,再從離散到 連續(xù)的變換過程,理想的結(jié)果是經(jīng)過上述過程后,信號仍然是一個與原連續(xù)信號一致 的非周期頻譜。而要實現(xiàn)這一理想的信號變換過程,采樣后離散信號的周期頻譜必須 是彼此分離的,不重疊(也稱不混疊),而香農(nóng)采樣定理則給出了離散信號頻譜不重疊 的
5、條件,即采樣頻率必須大于所采樣信號最大頻率的兩倍。(3)難點3:采樣周期對系統(tǒng)性能的影響。香農(nóng)采樣定理已經(jīng)給出了采樣周期的選擇方法,在滿足香農(nóng)采樣定理的條件下, 與連續(xù)系統(tǒng)相比,計算機控制系統(tǒng)的性能應(yīng)該變化不大。在此條件下,還有分析采樣 周期對系統(tǒng)性能影響的必要嗎?學生對此也難以理解。解決辦法:從香農(nóng)采樣定理可以分析得到,采樣周期越小越好。但是采樣周期的 減小,即采樣頻率的增加,將給計算機系統(tǒng)的硬件設(shè)備提出更高的要求,控制系統(tǒng)的 硬件成本增加;另外香農(nóng)采樣定理只給出了理論指導原則,實際應(yīng)用還有些問題,主 要是系統(tǒng)數(shù)學模型不好精確地測量,系統(tǒng)的最高角頻率不好確定,況且采樣周期的選 擇與很多因素有
6、關(guān),因此工程上講究“適當”就好。而要做到“適當”,必須知道采樣 周期增大時,控制性能變差的情況。因此所謂采樣周期對系統(tǒng)性能的影響,就是研究 采樣周期變大時系統(tǒng)性能的變化,主要指對系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能的影響。一般來說,由于保持器(常用零階保持器)的存在,系統(tǒng)的穩(wěn)定性將隨著采樣周 期的增大而變差,其原因是由于保持器的負相角位移隨著采樣周期的增大而增加;同 理隨著采樣周期的增大,系統(tǒng)的暫態(tài)特性將變差。而對于穩(wěn)態(tài)性能來說,若被控對象 包含足夠多的積分環(huán)節(jié),則采樣周期與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差沒有關(guān)系;否則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤 差將隨著采樣周期的增大而增加。(4)難點4:為什么可以用連續(xù)系統(tǒng)的方法設(shè)計數(shù)字控制器
7、。連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法是為大家所熟悉的,如果能夠用連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計計算機控制系 統(tǒng)的數(shù)字控制器,還有必要研究其它不熟悉的設(shè)計方法,比如離散化設(shè)計方法嗎?解決辦法:數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法,即將連續(xù)控制器離散化的設(shè)計方法, 其實質(zhì)上是忽略了連續(xù)控制器離散化后控制器本身性能的變化,忽略了保持器的影響, 因此是一種近似化的設(shè)計方法,應(yīng)用前提是系統(tǒng)的采樣周期較小,即采樣頻率較高的情況下,具有一定的局限性。優(yōu)點是設(shè)計方法為大家所熟悉,設(shè)計工具較多,且被控 對象模型不要求特別精確。直接離散化的設(shè)計方法,則與模擬化設(shè)計方法特點互補,即對采樣周期沒有特別 要求,但要求比較精確的被控對象數(shù)學模型。(5)難點5:直接離散化設(shè)計方法中的“零極點對消”到底是什么含義?“零極點不能對消”是計算機控制系統(tǒng)中的一個基本概念,但是究竟為什么不能 對消,是一個必須要解釋清楚的問題,否則學生對于計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性不能得 到深入的理解。解決辦法:要搞清楚“零極點不能對消”的原因,首先必須理解計算機控制系統(tǒng) 的穩(wěn)定性問題。計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,包括兩個方面的含義:(1)系統(tǒng)的輸出不 能發(fā)散,即閉環(huán)系統(tǒng)的特征根都在單位圓內(nèi);(2)控制器輸出的控制量序列不能發(fā)散, 即控制器不能包含不穩(wěn)定的極點(1,0點除外)。所謂“零極點對消”包含兩層含義:1)被控對象不穩(wěn)定的極點不能用控制器不穩(wěn) 定的零點來對消。否則盡管控制系統(tǒng)理
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