ch3 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真.ppt

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1、第3章采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成采樣控制系統(tǒng)仿真采樣控制系統(tǒng)的快速數(shù)字仿真具有延遲環(huán)節(jié)的仿真數(shù)字控制器在離散模擬法中，把連續(xù)系統(tǒng)經(jīng)過采樣、保持、復(fù)原、采樣構(gòu)成離散系統(tǒng)。這里的采樣開關(guān)、保持器是人為加進(jìn)去的，目的是使連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為離散系統(tǒng)。在實(shí)際系統(tǒng)中，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這種采樣開關(guān)以及保持器是實(shí)際存在的。這樣的系統(tǒng)叫做采樣系統(tǒng)，現(xiàn)在用的較多的采樣系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)中的被控對(duì)象的狀態(tài)變量是連續(xù)變化的，然而它的輸入變量和控制變量卻是只在采樣點(diǎn)（時(shí)刻）取值的間斷的脈沖序列，其數(shù)學(xué)模型是差分方程或離散狀態(tài)

2、方程。這一類在一處或多處存在采樣脈沖序列信號(hào)的控制系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)。3.1采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由4部分組成：（1）離散部分?jǐn)?shù)字機(jī)或數(shù)字控制器（含單片機(jī)、單板機(jī)以及DSP）（2）連續(xù)部分被控對(duì)象（3）采樣開關(guān)或A/D（4）D/A或保持器離散部分和連續(xù)部分之間的聯(lián)系用D/A或A/D控制過程（原理）誤差信號(hào)e(t)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入給數(shù)字控制器，數(shù)字控制器進(jìn)行某種控制規(guī)律的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果u(kT)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換傳到被控對(duì)象上。在采樣間隔期間，由保持器保持控制信號(hào)。一般D/A轉(zhuǎn)換器要將計(jì)算機(jī)第k次的輸出值保持一段時(shí)間

3、，直到計(jì)算機(jī)第k+1次計(jì)算結(jié)果輸出給它以后其值才改變一次，因而通常把D/A轉(zhuǎn)換器看成零階保持器。采樣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在信號(hào)傳遞過程中，既有時(shí)間連續(xù)信號(hào)（對(duì)象部分）又有離散信號(hào)（數(shù)字控制器或計(jì)算機(jī)的輸入、輸出）；系統(tǒng)工作在真實(shí)的離散狀態(tài)下，系統(tǒng)有自己的工作節(jié)拍，按規(guī)定的采樣周期工作。只有在采樣時(shí)刻，數(shù)字控制器D(z)才有輸出，完成一次控制作用。3.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有離散部分（數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器）和連續(xù)部分（被控對(duì)象）兩部分組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要考慮解決：（1）連續(xù)部分仿真—已講過（如離散相似算法）（2）

4、離散部分仿真（3）兩部分如何連接問題，以及要注意什么問題圖中：D(z)------控制器H(s)------保持器G(s)------受控對(duì)象T1------采樣周期一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真基本方法如圖所示采樣控制系統(tǒng)：在對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行離散化時(shí)，其采樣開關(guān)是虛擬的，即其采樣間隔，采樣器所處位置及保持器的類型是用戶根據(jù)仿真精度和仿真速度要求加以確定的。一般來說，在連續(xù)系統(tǒng)仿真時(shí)，仿真所用的離散化模型中的虛擬采樣間隔（即仿真步距）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說是唯一的，且是同步的。而采樣控制系統(tǒng)則不同，其采樣周期，采樣器所處位置及保持器的類型是實(shí)際

5、存在的。因此，在對(duì)采樣控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，連續(xù)部分離散化模型中的仿真步距與實(shí)際采樣周期有可能相同，也可能不同。與離散模擬法得到的系統(tǒng)進(jìn)行比較，兩者結(jié)構(gòu)相近（被控對(duì)象連續(xù)，系統(tǒng)中均有采樣器和保持器）。所以離散模擬法可以很方便地用于采樣控制系統(tǒng)的仿真。采樣控制系統(tǒng)的采樣周期，采樣器所處位置及保持器的類型都是實(shí)際存在的。連續(xù)部分離散化模型中的仿真步距與實(shí)際采樣周期可能相同，也可能不同。（離散相似法中虛擬采樣間隔一般來說是相同的，且是同步的）對(duì)于給定的采樣控制系統(tǒng)，首先必須解決的是：如何來確定仿真步距？實(shí)際系統(tǒng)分為離散和連續(xù)兩部分，如

6、何處理在不同采樣間隔下的差分模型？采樣控制系統(tǒng)仿真特點(diǎn)：采樣周期與仿真步距相同；采樣周期大于仿真步距；改變數(shù)字控制器的采樣間隔仿真步距的選擇有以下三種情況：一般來說，采樣周期T1根據(jù)下述因素確定：系統(tǒng)頻帶寬度；實(shí)際采樣開關(guān)硬件的性能；實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的計(jì)算程序的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)短。由于種種原因（如控制算法比較復(fù)雜、數(shù)字控制器完成所需要時(shí)間較長(zhǎng)，等等）采樣周期T1比較大，但對(duì)系統(tǒng)中連續(xù)部分若按采樣周期選擇仿真步長(zhǎng)T2，將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，因此，有必要使T1>T2。另外，當(dāng)系統(tǒng)中連續(xù)部分存在非線性時(shí)，正如離散相似法所考慮的那樣，為了便于仿

7、真程序處理，需要將系統(tǒng)分成若干部分分別建立差分模型，此時(shí)，就要在各部分的入口設(shè)置虛擬采樣器及保持器，而每增設(shè)一對(duì)虛擬采樣器和保持器，都將引入幅值和相位誤差。為了保證仿真計(jì)算有足夠的精度，必須縮小仿真步距T2，因此，也必須使T1>T2。1、連續(xù)受控對(duì)象的仿真受控對(duì)象有很多方法可以用來對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。若用離散模擬法，則有：T2——連續(xù)系統(tǒng)計(jì)算步距。為了觀測(cè)在相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng),T2應(yīng)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的采樣周期T1。通常選：T1=N2T2N2為大于1的整數(shù)，也就是在仿真時(shí)，通常每計(jì)算一次離散部分，連續(xù)部分要相應(yīng)地計(jì)算N2次，

8、N2為整數(shù)就是為了相互配合好。因?yàn)橹挥羞@樣，連續(xù)部分的輸入/輸出才能在每個(gè)周期的最后一刻與離散部分的輸入/輸出達(dá)到同步，即連續(xù)部分才能將采樣周期最后一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)的輸出值和系統(tǒng)的輸入比較，作為下一個(gè)采樣周期數(shù)字控制器的輸入；同時(shí)離散部分的輸出信號(hào)再次傳遞給連續(xù)部分，以作為連續(xù)部