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文檔簡介

第七章

線性離散控制系統(tǒng)的分析

基于工程實踐的需要,作為分析與設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論,離散系統(tǒng)理論的發(fā)展非常迅速。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)相比既有本質(zhì)上的不同,又有分析研究方面的相似性。利用z變換法研究離散系統(tǒng),可以把連續(xù)系統(tǒng)的許多概念和方法推廣用于線性離散系統(tǒng)。

7.1

離散控制系統(tǒng)的基本概念

7.2信號的采樣與保持

7.3Z變換理論

7.4離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

7.5離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差

7.6離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析

7.1

離散系統(tǒng)的基本概念

如果控制系統(tǒng)中的所有信號都是時間變量的連續(xù)函數(shù),這樣的系統(tǒng)稱為連續(xù)時間系統(tǒng),簡稱連續(xù)系統(tǒng);如果控制系統(tǒng)中有一處或幾處信號是一串脈沖或數(shù)碼,則這樣的系統(tǒng)稱為離散時間系統(tǒng),簡稱為離散系統(tǒng)。通常把系統(tǒng)中的離散信號是脈沖序列形式的離散系統(tǒng),稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng);而把數(shù)字序列形式的離散系統(tǒng),稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或計算機控制系統(tǒng)。

1.采樣控制系統(tǒng)

一般說來,采樣系統(tǒng)是對來自傳感器的連續(xù)信號在某些規(guī)定的時間瞬時上取值,如果在有規(guī)律的間隔上系統(tǒng)取到了離散信息,則這種采樣稱為周期采樣;反之,如果信息之間的間隔是時變的或隨機的,則稱為非周期采樣,或隨機采樣。本章僅討論等周期采樣。

例7-1,圖7-1是爐溫采樣控制系統(tǒng)原理圖。工作原理如下:......由例7-1可見,在采樣系統(tǒng)中不僅有模擬部件,還有脈沖部件。為了使兩種信號在系統(tǒng)中能相互傳遞,在連續(xù)信號和脈沖序列之間要用采樣器,而在脈沖序列和連續(xù)信號之間要用保持器,以實現(xiàn)兩種信號的轉(zhuǎn)換,

(1).信號采樣和復(fù)現(xiàn)在采樣控制系統(tǒng)中,把連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖序列的過程稱為采樣過程,簡稱采樣。實現(xiàn)采樣的裝置稱為采樣器,或稱采樣開關(guān)。T表示采樣周期,采樣持續(xù)時間τ遠小于采樣周期T,為了簡化系統(tǒng)分析,可認為τ趨于零。

在采樣控制系統(tǒng)中,把脈沖序列轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)信號的過程稱為信號復(fù)現(xiàn)過程,實現(xiàn)復(fù)現(xiàn)過程的裝置稱為保持器。需要在采樣保持器后面串聯(lián)信號復(fù)現(xiàn)濾波器,使脈沖信號復(fù)現(xiàn)成連續(xù)信號。最簡單的由保持器把脈沖信號復(fù)現(xiàn)為階梯信號,如圖7-3?!?/p>

(2).采樣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖根據(jù)采樣器在系統(tǒng)中所處的位置不同,可以構(gòu)成各種采樣系統(tǒng)。在各種采樣控制系統(tǒng)中,用得最多的是誤差采樣控制的閉環(huán)采樣系統(tǒng),其典型結(jié)構(gòu)圖如圖7-4所示。當采樣開關(guān)和系統(tǒng)其余部分的傳遞函數(shù)都具有線性特性時,這樣的系統(tǒng)就稱為線性采樣系統(tǒng)。

2.數(shù)字控制系統(tǒng)

數(shù)字控制系統(tǒng)是一種以數(shù)字計算機為控制器去控制具有連續(xù)工作狀態(tài)的被控對象的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

例7-2,......計算機控制系統(tǒng)的典型原理圖如圖7-6所示。圖7-6的等效采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7-9所示。

3.離散控制系統(tǒng)的特點--控制靈活,高抗擾能力,...4.離散系統(tǒng)的研究方法--采用z變換法…………

為了定量研究離散系統(tǒng),必須對信號的采樣過程和保持過程用數(shù)學(xué)的方法加以描述。

1.采樣過程把連續(xù)信號變換為脈沖序列的的裝置稱為采樣器,又叫采樣開關(guān)。采樣器的采樣過程可以用一個周期性閉合的采樣開關(guān)來表示,如圖7-10所示。

e*(t)

e(t)

幅值調(diào)制器e*(t)

e(t)

圖7-10(a)采樣開關(guān)

t

0T2T3T...7.2信號的采樣與保持將采樣信號用如下數(shù)學(xué)式子表示

(7-1)(7-2)假定當t<0時e(t)=0,因此脈沖序列從零開始。則

(7-3)

圖7-11采樣過程

e*(t)e(t)

2.采樣過程的數(shù)學(xué)描述

e*(t)信號的數(shù)學(xué)描述可分兩方面討論。

(1)采樣信號的拉氏變換對采樣信號e*(t)進行拉氏變換,可得E*(s)=?[e*(t)]=?(7-4)根據(jù)拉氏變換的位移定理,有

?[δ(t?nT)]=所以對樣信號的拉氏變換(7-5)

上式將E*(s)與采樣函數(shù)e(nT)聯(lián)系了起來,可以直接看出e*(t)的時間響應(yīng)。

例7-3,設(shè)e(t)=1(t),有

例7-4,設(shè)e(t)=e?at,t≥0,a為常數(shù),有

例7-5,設(shè)e(t)=e?t?e?2t,t≥0,有

2.采樣信號的頻譜

研究采樣信號的頻譜目的是找出E*(s)與E(s)之間的相互聯(lián)系。式(7-2)表明δT(t)是周期函數(shù),可將其展開成傅氏級數(shù)形式:(7-6)

式中,ωs=2π/T,稱為采樣角頻率;cn是傅氏系數(shù),為

δT(t)僅在t=0時有值(7-7)

上式代入式(7-6),有(7-8)則,采樣信號為(7-9)

對上式取拉氏變換,運用拉氏變換的位移定理,得到(7-10)

令s=jω代入式(7-10)得到E*(jω)--采樣信號e*(t)的頻譜,E(jω)為連續(xù)信號的頻譜(圖7-12),|E(jω)|中的最大角頻率域(ωmax)ωh,|E*(jω)|具有以ωs為周期的無窮多個頻譜分量(圖7-13),n=0時,E*(jω)=E(jω)/T,為主分量。理想濾波器如圖7-15所示,要想從采樣信號e*(t)中完全復(fù)現(xiàn)出采樣前的連續(xù)信號,對采樣角頻率ωs有一定要求。--E(j)00--

圖7-12

連續(xù)信號e(t)的頻譜圖7-13(b)采樣信號e*(t)的頻譜

3.香農(nóng)采樣定理系統(tǒng)中要把采樣信號恢復(fù)成原連續(xù)信號,主要決定于采樣信號是否包含原信號的全部信息。這又與采樣頻率有關(guān),采樣頻率越高,則采樣信號就越能反映原信號的變化規(guī)律,即越多包含原信號的信息。香農(nóng)采樣定理指出采樣信號可以無失真地復(fù)現(xiàn)原連續(xù)信號的理論上最小采樣周期T。

香農(nóng)采樣定理:如果采樣器的輸入信號e(t)具有有限帶寬,并且最高次諧波角頻率為ωh,則使信號e(t)完滿地從采樣信號e*(t)中恢復(fù)的采樣周期T滿足下列條件:

(7-12)或

4.采樣周期的選取采樣定理給出采樣周期T的上限,至于T到底選擇多大,涉及許多因素。采樣周期選的越小,即采樣頻率ωs越高,對控制過程的信息獲得越多,復(fù)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)的能力越強,控制效果越好;但T太小會增加計算負擔(dān)。反之T太大會帶來較大的誤差,降低動態(tài)性能,甚至不穩(wěn)定。以下是經(jīng)驗選取規(guī)則:(1)對隨動系統(tǒng)采樣頻率應(yīng)選ωs=10ωc,或采樣周期T=π/5ωc;其中,ωc為開環(huán)系統(tǒng)的截止頻率。(2)對給定的時域指標,通常選采樣周期T=ts/40或tr/10。(3)對面向結(jié)構(gòu)圖的仿真系統(tǒng),一般可選采樣周期T=Tmin/10;其中,Tmin指所有環(huán)節(jié)中最小的那個時間常數(shù)。工業(yè)過程控制參考表7-1選擇采樣周期T。

在隨動系統(tǒng)中一般認為開環(huán)系統(tǒng)的截止頻率ωc與閉環(huán)系統(tǒng)的諧振頻率ωr相當接近,近似有ωc=ωr,工程實踐表明隨動系統(tǒng)的采樣角頻率可近似取為(7-13)由于T=2π/ωs

,所以采樣周期可按下式選?。?7-14)從時域性能指標來看,采樣周期T可通過單位接躍響應(yīng)的上升時間tr或調(diào)節(jié)時間ts按下列經(jīng)驗公式選?。?/p>

(7-15)

采樣周期T(秒)

1

5

5

20

20

控制過程

流量

壓力

液位

溫度

成分表7-1工業(yè)過程T的選擇

或者(7-16)

工程實踐表明,根據(jù)表7-1給出的參考數(shù)據(jù)選擇采樣周期T,可以取得滿意的控制效果。

5.信號保持若采樣頻率滿足采樣定理,把采樣后的信號通過理想低通濾波器濾去高頻分量,濾波器的輸出就是原來的連續(xù)信號。但具有如圖7-15所示理想濾波特性的濾波器是不存在的。工程上只能采樣具有低通濾波功能的保持器來代替。

(1)保持器的數(shù)學(xué)描述在采樣時刻上有

當0<Δt<T時,連續(xù)信號究竟有多大,通常采用如下多項式外推公式描述采樣器:(7-17)保持器具有“外推”作用,通常把按常數(shù)、線性函數(shù)和拋物線函數(shù)外推的保持器分別稱為零階(m=0)、一階(m=1)和二階保持器(m=2)。一般常用的是零階保持器。

(2)

零階保持器零階保持器是按照常值外推的一種保持器,它把采樣時刻kT的采樣值恒定不變地保持到下一時刻(n+1)T到來時。如圖7-17所示,采樣信號e*(t)變成等價的階梯信號eh(t)。

eh(t)

Gh(s)e*(t)e(t)K圖7-17零階保持器采樣開關(guān)

保持器e(t)t(a)

(b)

如果給零階保持器ZOH輸入一單位脈沖函數(shù)δ(t),則其脈沖響應(yīng)函數(shù)gh(t)是幅值為1持續(xù)時間為T的矩形脈沖,可分解為兩個單位階躍函數(shù)的和,即上式兩邊取拉氏變換,得到零階保持器的傳遞函數(shù)為

(7-19)令s=jω,得頻率特性為

(7-20)用ωs表示,上式為(7-21)零階保持器的幅頻特性和相頻特性如圖7-18所示。由此看出,當ω=nωs=n(2π/T)時

又所以圖7-18零階保持器的頻率特性

(3)一階保持器

一階保持器以兩個采樣時刻的值為基礎(chǔ)實行外推,它的外推輸出式中Δt為nT~(n+1)T之間的時間變量。如圖7-19所示,其外推公式為:

(7-22)0t2t3t…..圖7-19應(yīng)用一階保持器恢復(fù)信號采樣類似是方法,可得一階保持器的傳遞函數(shù):(7-23)

一階保持器的頻率特性為:

(7-24)

下圖是按上式畫得的頻率特性曲線。虛線為零階保持器的頻率特性。(7-26)

與零階保持器相比,一階保持器復(fù)現(xiàn)原信號的準確度較高。然而,一階保持器允許通過的信號高頻分量較多,易造成紋波;一階保持器的相角滯后較大,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加不利,因此很少采用一階保持器,更不采用高階保持器,而普遍采用零階保持器。

7.3Z變換線性離散系統(tǒng)的性能可以用z變換的方法來獲得,z變換又稱為采樣拉氏變換,是研究線性離散系統(tǒng)的重要數(shù)學(xué)工具。

1.Z變換定義設(shè)e(t)是可拉氏變換的,則對于采樣信號

e*(t)的拉氏變換為(7-26)

上式為s的超越函數(shù),為了便于應(yīng)用,令z=eTs

(7-27)則e*(t)的z變換定義為(7-28)記作(7-29)上式后一記號是為了書寫方便,仍指采樣信號e*(t)的z變換。應(yīng)當指出,z變換僅是采樣拉氏變換中取z=esT的變量置換。

2.Z變換方法

求離散函數(shù)的z變換有多種方法,下面只介紹兩種常用方法。

(1).級數(shù)求和法級數(shù)求和法是直接根據(jù)z變換的定義,將式(7-28)寫成展開形式:(7-30)

例7-6,求單位階躍函數(shù)1(t)的z變換

解:由于e(t)=1(t),即則有

上式條件|z?1|<1,意味著σ=Re(s)>0。這也是單位階躍函數(shù)可拉氏變換的條件。

例7-7,試求單位脈沖序列的z變換

解:由拉氏變換知,

因此,

注意,上兩例中相同的z變換對應(yīng)于相同的采樣函數(shù)e*(t),但是不一定對應(yīng)于相同的連續(xù)函數(shù)e(t)。

例,已知e(t)=e-at,求z變換E(z)。解:

(2).部分分式法

先求已知連續(xù)時間函數(shù)e(t)的拉氏變換E(s),然后將有理分式函數(shù)E(s)展成部分分式之和的形式,使每一部分對應(yīng)一個簡單的時間函數(shù),其相應(yīng)的z變換是已知,于是可求出E(z)。

例7-8,已知連續(xù)函數(shù)拉氏變換E(s)=a/s(s+a),求E(z)。解:將E(s)展成部分分式:

取拉式反變換,可得

則得

例7-9,已知e(t)=sinωt,試求其E(z)。解:對e(t)取拉氏變換,得

上式展為部分分式

則z變換為

化簡后得

常用時間函數(shù)的z變換如表7-2所示。

3.Z變換性質(zhì)z變換有一些基本定理,其內(nèi)容在許多方面與拉式變換的基本定理有相似之處。

(1)線性定理

若E1(z)=Z[e1(t)],E2(z)=Z[e2(t)],a為常數(shù),則

(2)實數(shù)位移定理

如果E(z)=Z[e(t)],則有(7-33)以及(7-34)

(3)復(fù)數(shù)位移定理如果E(z)=Z[e(t)],則有

例7-11,計算e(t)=te?at的z變換。解:由表7-2知

根據(jù)復(fù)數(shù)位移定理,有

(4)

終值定理

如果E(z)=Z[e(t)],函數(shù)序列e(nT)為有限值,且極限存在,則函數(shù)序列的終值為(7-36)

例7-12,設(shè)求e(nT)的終值。解:由終值定理得,

(5)卷積定理設(shè)x(nT),y(nT)為兩個采樣函數(shù),其離散卷積定義為(7-38)若必有(7-39)

4.z反變換所謂z反變換就是已知z變換表達式E(z),求相應(yīng)離散序列e(nT)或者e*(t)的過程,記為

常用的z反變換法有如下三種。(1)

部分分式法(或查表法)

基本思想是將E(z)/z展開成部分分式,然后查Z變換表。設(shè)已知E(z)無重極點,先求出E(z)的極點,再將E(z)/z展開成如下部分分式之和:

其中Ai為E(z)/Z在極點zi處的留數(shù),再寫出E(z),然后逐項查z變換表,得到

最后寫出采樣函數(shù)

(7-41)

例7-13,已知E(z),求其z反變換。

解:因為

所以

差z變換表,有再由式(7-41),得(2)冪級數(shù)法(或長除法)E(z)通常可以表示為z?1的兩個多項式之比:(7-42)

對上式作綜合除法,得到z?1的冪級數(shù)展開式(7-43)

如果無窮冪級數(shù)是收斂的,則上式中的系數(shù)就是e*(t)的脈沖強度e(nT),因此可直接寫出e*(t)的脈沖序列表達式(7-44)在實際應(yīng)用中,常常只需要計算有限的幾項就夠了。

例7-14,......(3)反演積分法(留數(shù)法)當E(z)的z反變換無法用上述兩種方法求出時,只能采用留數(shù)法,然留數(shù)法對任何的E(z)也是適應(yīng)的。E(z)表示為(7-45)上式中級數(shù)的系數(shù)e(nT)的求取,要用到柯西留數(shù)定理。用zn?1乘以式(7-45)兩端,得到(7-46)設(shè)為z平面上包圍E(z)zn?1全部極點的封閉曲線,且設(shè)沿反時針對式(7-46)兩端積分,可得

(7-47)

由復(fù)變函數(shù)論可知故式(7-47)的右端中有一項為:

其余各項均為零,由此得(7-48)

根據(jù)留數(shù)定理,上式為(7-49)

式中Res[?]表示函數(shù)的留數(shù)。e(nT)等于E(z)zn?1在其所有極點上的留數(shù)之和。若zi為E(z)zn?1的單極點,則(7-50)若E(z)zn?1有m重極點zi,則(7-51)7.4

離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

為了研究離散系統(tǒng)的性能,必須首先建立數(shù)學(xué)模型,線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有差分方程,脈沖傳遞函數(shù)和離散狀態(tài)空間表達式,這里討論差分方程和脈沖傳遞函數(shù)。

1.離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)定義

將輸入序列r(n),變換為輸出序列c(n)的一種變換關(guān)系,稱為離散系統(tǒng),記作(7-53)如果式(7-53)所示的變換關(guān)系是線性的,則稱為線性離散系統(tǒng);如果這種關(guān)系是非線性的,則稱非線性離散系統(tǒng)。

(1)線性離散系統(tǒng)如果離散系統(tǒng)(7-53)滿足疊加原理,則稱線性離散系統(tǒng)。

(2)線性定常離散系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系不隨時間改變的線性離散系統(tǒng)為線性定常離散系統(tǒng)。

2.線性常系數(shù)差分方程及其解法

連續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型為微分方程,而離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型為差分方程。對于線性定常離散系統(tǒng),k時刻的輸出c(k),不僅與k時刻的輸入r(k)有關(guān),還與k時刻以前的輸入信號r(k-1)、r(k-2)、...有關(guān),同時還與k時刻前面的輸出信號c(k-1)、c(k-2)、...有關(guān),這種關(guān)系可用n階后向差分方程來描述:

亦可表示為:(7-54)線性定常離散系統(tǒng)也可用n階前向差分方程來描述:

(7-55)求解線性定常差分方程常用的有迭代法和Z變換法。

(1)迭代法

若已知差分方程(7-54)或(7-55),并且給定輸出序列的初值,可利用遞推關(guān)系,在計算機上逐步計算出解序列。

例7-16,已知差分方程c(k)=r(k)+5c(k-1)-6c(k-2),輸入序列r(k)=1,k=2,3,...,初始條件c(0)=0,c(1)=1,試用迭代法求解輸出序列c(k)。解:根據(jù)初始條件及遞推關(guān)系,得

(2)

Z變換法對差分方程兩端取z變換,并利用實數(shù)位移定理,得到z為變量的代數(shù)方程,然后對代數(shù)方程輸出解C(z)取z反變換,求出系統(tǒng)的輸出系列c(k)。

例7-17,已知差分方程c*(t+2T)+3c*(t+T)+2c*(t)=0;或簡寫為c(k+2)+3c(k+1)+2c(k)=0。初始條件c(0)=0,c(1)=1,求解差分方程。解:對方程進行z變換,根據(jù)實數(shù)位移定理,得

代入初值,得

z反變換求出

3.

脈沖傳遞函數(shù)

(1)

脈沖傳遞函數(shù)定義對于線性離散系統(tǒng),脈沖傳遞函數(shù)的定義與線性連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的定義類似。離散開環(huán)控制系統(tǒng)如圖7-17所示。它的輸入r(t)經(jīng)采樣開關(guān)后,變?yōu)殡x散時域r*(t),它的輸出一般為連續(xù)信號c(t)。假設(shè)在輸出端有一虛擬采樣開關(guān),其采樣周期與輸入開關(guān)采樣周期同步,得到離散輸出信號c*(t)。

G(s)r*(t)

r(t)

c*(t)

c(t)

圖7-22開環(huán)離散控制系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)定義為在零初始條件下,輸出c*(t)的z變換與輸入r*(t)的z變換之比。脈沖傳遞函數(shù)用G(z)表示,則(7-56)

所謂零初值是指t<0時,r(-T),r(-2T),...,c(-T),c(-2T),...均為零。這時離散時間輸出為:

然而大多數(shù)實際系統(tǒng)輸出c(t)往往是連續(xù)信號,而不是采樣信號c*(t),c*(t)只在采樣時刻與連續(xù)輸出信號c(t)一樣。

(2)

脈沖傳遞函數(shù)意義如果輸入為單位序列r(nT)=δ(nT),則系統(tǒng)輸出稱為單位脈沖響應(yīng)序列,記作c(nT)=K(nT)。在離散系統(tǒng)中,K(nT)和K[(n?k)T]稱為“加權(quán)序列”。系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)G(z):(7-58)如果描述線性定常離散系統(tǒng)的差分方程為

在零初值條件下,對上式進行z變換,并應(yīng)用z變換的實數(shù)位移定理,得

將輸出信號離散化,得到

(7-59)這表明了脈沖傳遞函數(shù)與差分方程的關(guān)系。

(3)脈沖傳遞函數(shù)求法

記作(7-61)例7-19,已知開環(huán)離散控制系統(tǒng)如圖7-23,求脈沖傳遞函數(shù)。

解:將G(s)展成部分分式

查z變換表,得r*(t)

r(t)

c*(t)c(t)

圖7-23開環(huán)離散控制系統(tǒng)

4.開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)當開環(huán)離散系統(tǒng)由幾個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成時,由于采樣開關(guān)的數(shù)目和位置不同,求出的脈沖傳遞函數(shù)也不同。

(1)采樣拉氏變換的兩個重要性質(zhì)

1)采樣函數(shù)的拉氏變換具有周期性;

2)若采樣函數(shù)的拉氏變換E*(s)與連續(xù)函數(shù)的拉氏變換G(s)相乘后再離散化,則E*(s)可從離散符號中提出。

(2)有串聯(lián)環(huán)節(jié)時的開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)

1)串聯(lián)環(huán)節(jié)間有采樣開關(guān),如圖7-24(a)所示。根據(jù)定義,可得

r*(t)

r(t)

c*(t)c(t)

圖7-24(a)串連環(huán)節(jié)間有采樣開關(guān)G1(s)G2(s)d*(t)

因此,開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)(7-65)

2)

串連環(huán)節(jié)間無采樣開關(guān),如圖7-24(b)所示。系統(tǒng)連續(xù)信號的拉氏變換為C(s)=G1(s)G2(s)R*(s)對C(s)離散化,有(7-66)對上式取z變換,得C(z)=G1G2(z)R(z)于是開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)為(7-67)

r*(t)

r(t)

c*(t)c(t)

圖7-24(b)串連環(huán)節(jié)間無采樣開關(guān)

G1(s)G2(s)顯然,式(7-65)與式(7-67)是不等的,即

從這種意義上說,z變換無串聯(lián)性。舉例說明。

例7-20,已知G1(s)=1/s,G2(s)=a/(s+a),r(t)=1(t),根據(jù)式(7-65)和式(7-67),求取脈沖傳遞函數(shù)G(z)和輸出C(z)。解:

對于輸入r(t)=1(t),

由式(7-65)求出:

由式(7-67)求出:

顯然串聯(lián)環(huán)節(jié)間有無采樣開關(guān)時脈沖傳遞函數(shù)和輸出不相同。

(3)

有零階保持器時的開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)數(shù)字控制系統(tǒng)中的被控過程前通常應(yīng)有零階保持器,如圖7-25(a)所示。為了便于求脈沖傳遞函數(shù),將圖7-25(a)變換為圖7-25(b)所示等效開環(huán)系統(tǒng)。脈沖傳遞函數(shù)計算過程為:(7-68)

對上式進行z變換,可得

于是,脈沖傳遞函數(shù)為(7-69)Gp(s)

r*(t)

r(t)c*(t)c(t)

圖7-25(a)帶零階保持器開環(huán)離散系統(tǒng)

5.閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)

由于采樣器可以有多種配置,閉環(huán)離散系統(tǒng)沒有惟一是結(jié)構(gòu)形式。圖7-26是一種比較常見的誤差采樣閉環(huán)離散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中虛線所示采樣開關(guān)是為了便于分析而虛設(shè)的。由圖可見,輸出信號和誤差信號的拉氏變換為

誤差采樣信號e*(t)的拉氏變換為

整理得(7-70)由于(7-71)-對式(7-70)及(7-71)取z變換,得(7-72)(7-73)

由式(7-72)定義誤差脈沖傳遞函數(shù)(7-74)

由式(7-73)定義脈沖傳遞函數(shù)(7-75)

與連續(xù)系統(tǒng)相類似,閉環(huán)離散系統(tǒng)的特征方程為(7-76)式中,GH(z)為開環(huán)離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。

例7-22,

設(shè)閉環(huán)系統(tǒng)如圖7-22所示,試證其閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為

證明:由圖得E*1(s)=G*1(s)E*(s)C(s)=G2(s)E*1(s)=G2(s)G*1(s)E*(s)由于E(s)=R(s)?H(s)C(s)=R(s)?H(s)G2(s)G*1(s)E*(s)對上式離散化,有E*(s)=R*(s)?H(s)G*2(s)G*1(s)E*(s)即

所以輸出信號的采樣拉氏變換為

對上式進行z變換,證得

例7-23,設(shè)閉環(huán)離散系統(tǒng)如圖7-28所示,試證其輸出采樣信號的z變換函數(shù)為

證明:由圖得C(s)=G(s)E(s)E(s)=R(s)?H(s)C*(s)所以C(s)=G(s)R(s)?G(s)H(s)C*(s)對上式離散化,得

解得

對上式取z變換,證得

從上式求不出閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù),但可以求出閉環(huán)系統(tǒng)輸出采樣信號c*(t)。對于采樣器在閉環(huán)系統(tǒng)中具有各種配置的閉環(huán)離散系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖,及其輸出采樣信號的z變換函數(shù),可參見表7-3。

6.z變換的局限性

用z變換法分析線性定常離散系統(tǒng)時,應(yīng)注意幾個問題:

1)z變換的推導(dǎo)假定,只有當采樣持續(xù)時間與系統(tǒng)的最大時間常數(shù)相比是很小的時候才能成立。

2)輸出z變換函數(shù)只確定了c(t)在采樣瞬時上的數(shù)值,不能反映c(t)在采樣間隔中的信息,因此C(z)的z反變換c(nT)職能代表c(t)在采樣瞬時t=nT時的數(shù)值。

3)用z變換法分析離散系統(tǒng)時,系統(tǒng)連續(xù)部分傳遞函數(shù)Gp(s)的極點數(shù)至少要比零點數(shù)多兩個,即G(s)的脈沖過渡函數(shù)K(t)在t=0時沒有跳躍,或者滿足(7-77)否則,用z變換法得到的c*(t)與實際的c(t)差別較大,甚至完全不符合。-7.5

離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差本章主要討論如何在z域和w域中分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時給出計算離散系統(tǒng)在采樣瞬時穩(wěn)態(tài)誤差的方法。首先研究s平面與z平面的映射關(guān)系。

1.s域到z域的關(guān)系

在z變換定義中,z=esT給出了s域到z域的關(guān)系。s域中的任一點可表示為s=σ+jω,映射到z域則為

于是,s域到z域的基本映射關(guān)系式為(7-78)令σ=0,相當于取s平面的虛軸,但卻能夠ω從?∞變到∞時,映射到z平面以原點為圓心的單位原。左半s平面對應(yīng)z平面的單位圓內(nèi),右半s平面對應(yīng)單位圓外。

(1)等σ線映射s平面上的等σ垂線,映射到z平面上的軌跡,是以原點為圓心,以|z|=eσT為半徑的圓,如圖7-32所示。所以左半s平面上的等σ線映射為z平面上的同心圓圓內(nèi);右半s平面上的等σ線映射為z平面上的同心圓圓外。

(2)等ω

線映射

由式(7-78)知,s平面上的等ω水平線,映射到z平面上的軌跡是一簇從原點出發(fā)的射線,其相角z=ωT,如圖7-33所示。

(3)

等線映射s平面上的等線可用下式描述其中,為線與虛軸之間的夾角,于是則(7-79)左半s平面等線映射為z平面單位圓內(nèi)一簇收斂對數(shù)螺旋線。起點為正實軸的1處,終點為原點。

2.離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件

定義:若離散系統(tǒng)在有界序列作用下,其輸出序列也是有界的,則稱該離散系統(tǒng)是穩(wěn)定的。把描述連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法推廣到離散系統(tǒng),對于線性定常離散系統(tǒng),時域中的數(shù)學(xué)模型是線性定常微分方程,z域中的數(shù)學(xué)模型是脈沖傳遞函數(shù),因此線性定常離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件,可從以下兩方面進行研究。(1)時域中離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件

設(shè)線性定常差分方程為:

推出差分方程的特征方程如下:(7-80)當特征方程的根|αi|<1,時,i=1,2,...,n,必有

故系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是:

當且僅當差分方程所有特征根的模|αi|<1,時,i=1,2,...,n,則相應(yīng)的線性定常離散系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

(2)z域中離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件設(shè)典型離散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7-26所示,其特征方程

設(shè)特征方程的根或閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點,為各不相同的z1,z2,...,zn。由s域到z域的映射關(guān)系知:

當σ<0,即左半s平面對應(yīng)z平面的單位圓內(nèi)部區(qū)域,即s平面的穩(wěn)定域映射到z平面單位圓內(nèi)的區(qū)域為穩(wěn)定域;當σ>0,即右半s平面對應(yīng)z平面的單位圓外部區(qū)域,即s平面不穩(wěn)定域映射到z平面單位圓外的部分為不穩(wěn)定域;s平面上的虛軸,映射為z平面上單位圓周,對應(yīng)臨界穩(wěn)定情況。因此z域中線性定常離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是:Re

Re

Im

Im

圖7-31s平面到Z平面映射

當且僅當離散特征方程的全部特征根均分布在z平面上的單位圓內(nèi),或者所有特征根的模小于1,相應(yīng)的線性定常離散系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

上式穩(wěn)定條件對于有重根的情況,也是穩(wěn)定是。此外在現(xiàn)實系統(tǒng)中,臨界穩(wěn)定系統(tǒng)也屬于不穩(wěn)定范疇。[S]

[Z]

例7-25,

設(shè)一離散系統(tǒng)的差分方程描述:

試分析系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件。解:系統(tǒng)齊次方程為可求出通解:由于c(0)≠0,因此當|a|<1時才有故系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是|a|<1。

例7-26,設(shè)離散系統(tǒng)如圖7-26所示,其中G(s)=10/s(s+1),H(s)=1,T=1,試分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

解:求出開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)閉環(huán)特征方程由解出因為|z2|>1,所以該離散系統(tǒng)不穩(wěn)定。

可以看出二階連續(xù)時間系統(tǒng)總是穩(wěn)定的,而引入采樣器后,控制系統(tǒng)有可能變得不穩(wěn)定。(穩(wěn)定性降低)

3.離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)

在離散系統(tǒng)中需要判斷系統(tǒng)特征方程根是否都在z平面上的單位圓內(nèi)。為了能應(yīng)用連續(xù)系統(tǒng)的勞思判據(jù),必須引入另一種z域到w域的線性變換,使z平面上的單位圓內(nèi)區(qū)域,映射成w平面上的左半平面,這種坐標新的變換稱為雙線性變換,或稱為w變換。令(7-81)

或(7-82)其中z和w均為復(fù)變量,為將上式代入式(7-82),有

顯然

由于上式分母為正,因此u=0等價為x2+y2=1,表明

w平面上的虛軸對應(yīng)于z平面上的單位圓;

u<0等價為x2+y2<1,

表明左半w平面對應(yīng)于z平面上單位圓內(nèi)的部分,也即穩(wěn)定域;

u>0等價為x2+y2>1,

表明右半w平面對應(yīng)于z平面上單位圓外的部分,即不穩(wěn)定域。這種對應(yīng)關(guān)系如圖7-36所示。由w變換可知,式(7-81)可將線性定常離散系統(tǒng)在z平面上的特征方程1+GH(z)=0,轉(zhuǎn)換為在w平面上的特征方程1+GH(w)=0,與在s平面上應(yīng)用勞思穩(wěn)定判據(jù)情況一樣??芍苯討?yīng)用勞思表判斷離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性,稱為w域中的勞思穩(wěn)定判據(jù)。

例7-27,設(shè)閉環(huán)離散系統(tǒng)如圖7-37所示,其中采樣周期T=0.1s,試求系統(tǒng)穩(wěn)定時K的臨界值。解:求出G(s)的z變換Re

Re

Im

Im

圖7-36z平面與w平面的對應(yīng)關(guān)系[Z]

[W]

閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

系統(tǒng)的特征方程得到

令z=(w+1)/(w-1)代入上式,整理得到列出勞思表

由勞思表第一列系數(shù)可看出,使系統(tǒng)穩(wěn)定,故系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界增益Kc=4.33。

4.采樣周期與開環(huán)增益對穩(wěn)定性的影響

影響離散系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素,除具有與連續(xù)系統(tǒng)相同的因素外,還有采樣周期T的數(shù)值。先看具體的例子。

例7-28,設(shè)有零階保持器的離散系統(tǒng)如圖7-38所示,試求1)當采樣周期T為1s和0.5s時,系統(tǒng)的臨界開環(huán)增益;2)當r(t)=1(t),K=1,T分別為0.1s,1s,2s,4s時,系統(tǒng)的輸出響應(yīng)c(kT)。解:系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

閉環(huán)特征方程為當T=1s時,有

令z=(w+1)/(w?1),得

根據(jù)勞思判據(jù)易得Kc=2.4。當T=0.5s時,w域特征方程

根據(jù)勞思判據(jù)得Kc=4.37。由于閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)

且有R(z)=z/(z?1),可求出C(z)令K=1,T分別為0.1s,1s,2s,4s,可由C(z)的反變換求出c(kT),分別畫于圖7-39之中??芍蓸又芷谠介L,離散系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,甚至不穩(wěn)定。

5.離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差

離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差需要針對不同形式的離散系統(tǒng)老求取,這里介紹利用z變換的終值定理方法,求取誤差采樣的離散系統(tǒng)在采樣瞬時的穩(wěn)態(tài)誤差。

設(shè)單位反饋誤差采樣系統(tǒng)如圖7-40所示,其中G(s)為連續(xù)部分的傳遞函數(shù),e*(t)為誤差采樣信號,其z變換函數(shù)

其中

為系統(tǒng)誤差脈沖傳遞函數(shù)。G(s)

r(t)

c(t)e*(t)

?若離散系統(tǒng)穩(wěn)定,則可用z變換的終值定理求出采樣瞬時的穩(wěn)態(tài)誤差:(7-83)上式表明線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān),與輸入序列有關(guān),也與采樣周期有關(guān)。

例7-29,設(shè)離散系統(tǒng)如圖7-40,其中G(s)=1/s(0.1s+1),T=0.1s,輸入連續(xù)信號r(t)=1(t)和t,試求相應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差。解:G(s)的z變換為

誤差脈沖傳遞函數(shù)由于閉環(huán)極點z1=0.368+j0.482,z2=0.368-j0.482,全部位于z平面上的單位圓內(nèi),因此可用終值定理求穩(wěn)態(tài)誤差。當r(t)=1(t),r(nT)=1(nT),R(z)=z/(z?1),求得

當r(t)=t,r(nT)=nT,R(z)=Tz/(z?1)2,求得

當G(s)比較復(fù)雜時,e(∞)的計算量較大,因此希望把連續(xù)系統(tǒng)中系統(tǒng)的型別及靜態(tài)誤差系數(shù)的概念推廣到線性定常離散系統(tǒng),以簡化穩(wěn)態(tài)誤差的計算過程。

6.離散系統(tǒng)的型別與靜態(tài)誤差系數(shù)

與連續(xù)系統(tǒng)類似(s=0),根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(z)在z=1的極點個數(shù)將系統(tǒng)分為0型、1型、2型……系統(tǒng)。

(1)單位階躍輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差當r(t)=1(t)時,其z變換函數(shù)由式(7-83)知,穩(wěn)態(tài)誤差為(7-84)

式中Kp為靜態(tài)位置誤差系數(shù)。(7-85)

(2)

單位斜坡輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差當r(t)=t時,其z變換函數(shù)為

穩(wěn)態(tài)誤差為

(7-86)式中Kv為靜態(tài)速度誤差系數(shù)(7-87)

單位斜坡信號作用下無穩(wěn)態(tài)誤差的條件是開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(z)中至少有兩個z=1的極點,即Ⅱ型以上系統(tǒng)。

(3)單位加速度輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差當r(t)=t2/2,其z變換函數(shù)

因而穩(wěn)態(tài)誤差為(7-88)

式中Ka為靜態(tài)加速度誤差系數(shù)。(7-89)

單位加速度輸入作用下無穩(wěn)態(tài)誤差的條件是開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(z)中至少要有三個z=1的極點,即Ⅲ型及Ⅲ型以上系統(tǒng)。不同型別單位反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,見表7-4。7.6

離散系統(tǒng)的動態(tài)性能分析本節(jié)介紹在時域中如何求取離散系統(tǒng)的時間響應(yīng),指出采樣器和保持器對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響,以及在z平面上分析離散系統(tǒng)閉環(huán)零極點與其動態(tài)性能的關(guān)系。

1.離散系統(tǒng)的時間響應(yīng)

應(yīng)用z變換法分析系統(tǒng)動態(tài)性能時,通常假定外作用為單位階躍函數(shù)1(t)。如果求出離散系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)(z)=C(z)/R(z),其中R(z)=z/(z?1),則系統(tǒng)輸出的z變換函數(shù)

將上式展成冪級數(shù),通過z反變換可以求出輸出信號脈沖序列c*(t)。離散系統(tǒng)時域指標的定義與連續(xù)吸引相同,故根據(jù)階躍響應(yīng)曲線c*(t)可以分析系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

例7-30,設(shè)有零階保持器的離散系統(tǒng)如圖7-38所示,其中r(t)=1(t),T=1s,K=1,試分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。解:開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(z)

差z變換表,得出

閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

將R(z)代入上式,求出C(z)

通過綜合除法,將C(z)展成無窮冪級數(shù):

由上式求得系統(tǒng)在單位階躍作用下的輸出序列c(nT)。根據(jù)c(nT)數(shù)值可以繪出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)c*(t),如圖7-41所示。由圖可求得給定離散系統(tǒng)近似性能指標:上升時間tr=2s,峰值時間tp=4s,調(diào)節(jié)時間ts=12s,超調(diào)量40%。

2.采樣器和保持器對動態(tài)性能的影響

前面曾指出,采樣器和保持器不影響開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點,僅影響開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的零點。但對閉環(huán)系統(tǒng)而言,必然引起閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)極點的改變,因此采樣器和保持器會影響閉環(huán)離散系統(tǒng)的動態(tài)性能。舉例說明:在例7-30中,沒有采樣器和保持器則成為連續(xù)系統(tǒng),其閉環(huán)傳遞函數(shù)

系統(tǒng)的阻尼比=0.5,自然頻率ωn=1,單位階躍響應(yīng):

相應(yīng)的時間響應(yīng)曲線如圖7-42中曲線1所示。在例7-30中若只有采樣器,而沒有保持器時系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為

相應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

代入R(z)=z/(z?1),得系統(tǒng)輸出z變換

可求出c(t)在采樣時刻上的值c(nT),并繪出c*(t)曲線,如圖7-42中曲線2所示。在例7-30中,既有采樣器又有保持器

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