采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真課件.ppt

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1、第五章采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真第一節(jié)采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第二節(jié)采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的方法利用simulink對(duì)采樣控制系統(tǒng)仿真小結(jié)采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):采樣系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)是斷續(xù)的。典型的采樣控制系統(tǒng)：r(t)D(z)Gh(s)Go(s)－+e(k)u(k)y(t)TsTsb、采用數(shù)字控制器r(t)D(s)Gh(s)Go(s)－+e(k)y(t)Tsa、采用模擬控制器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種典型的離散時(shí)間控制系統(tǒng)，典型的計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如下：給定數(shù)字控制器模出通道模入通道檢測(cè)裝置執(zhí)行裝置被控對(duì)象－+計(jì)算機(jī)如果忽略量化誤差和轉(zhuǎn)換時(shí)間滯后的影響，模

2、擬量輸入通道的作用可簡(jiǎn)化為一個(gè)采樣開關(guān)。模擬量輸出通道的作用簡(jiǎn)化為一個(gè)采樣開關(guān)串聯(lián)一個(gè)零階保持器。模入通道模出通道零階保持器下一頁計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：結(jié)構(gòu)組成：一個(gè)典型的采樣控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：1、連續(xù)的被控過程Go(s)2、離散的數(shù)字控制器D(z)3、實(shí)際存在的采樣開關(guān)或模數(shù)轉(zhuǎn)換器4、實(shí)際存在的采樣保持器Gh(s)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器r(t)D(z)Gh(s)Go(s)－+e(k)u(k)y(t)TsTs特點(diǎn)：（1）連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)同時(shí)存在，數(shù)字控制器是離散的，被控過程和保持器是連續(xù)的（2）采樣開關(guān)和保持器實(shí)際存在，系統(tǒng)按采樣周期Ts采樣，數(shù)字控制器D(z

3、)只有在各個(gè)采樣時(shí)刻nTs才有輸出采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法結(jié)合系統(tǒng)的兩個(gè)特點(diǎn)，考慮采樣系統(tǒng)的仿真方法：離散部分直接寫成差分方程的形式，每隔采樣周期Ts計(jì)算一次連續(xù)部分用連續(xù)系統(tǒng)仿真算法離散化，得到相應(yīng)的離散差分方程，具體的離散化方法可以是數(shù)值積分法或離散相似法。用數(shù)值積分法要確定計(jì)算步長(zhǎng)h，用離散相似法也要確定虛擬的采樣周期h實(shí)際采樣周期Ts和計(jì)算步長(zhǎng)h之間一般有兩種情況Ts＝hTs＝Nh(N為正整數(shù))情況1、Ts=h適用情況：適用于連續(xù)部分變化比較緩慢的系統(tǒng)，并且只要求計(jì)算輸出量y(t)，不要求計(jì)算中間狀態(tài)變量。處理方法分別寫出數(shù)字控制器的差分方程和連續(xù)部分離散

4、的差分方程，在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)兩個(gè)差分方程各計(jì)算一次仿真模型如圖：G(z)=Z{Gh(s)Go(s)}或?qū)懗霾罘址匠痰男问椒答伝芈芬隯-1表示先計(jì)算前向通道r(k)D(z)G(z)－+y(k)Z－1下一頁Ts=h時(shí)采樣控制系統(tǒng)仿真程序流程圖結(jié)束輸入仿真參數(shù)（h,Ts）,系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算離散部分（數(shù)字控制器）的差分方程計(jì)算連續(xù)部分離散化的差分方程輸出計(jì)算結(jié)果y(k)仿真時(shí)間到？開始否是情況2、Ts=Nh適用情況：采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真中最常見的情況如果要求計(jì)算中間狀態(tài)變量，或被控對(duì)象中有非線性環(huán)節(jié)，在仿真時(shí)需要將連續(xù)部分分成幾個(gè)部分離散化，為了保證計(jì)算精度，計(jì)算步長(zhǎng)h不

5、能太大，一般取步長(zhǎng)h=Ts/N，N一般取5～10處理方法1、分別寫出數(shù)字控制器的差分方程和連續(xù)部分離散的差分方程2、離散的數(shù)字控制器部分每隔一個(gè)采樣周期Ts計(jì)算一次3、連續(xù)部分的離散化方程用仿真步長(zhǎng)h計(jì)算，在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)計(jì)算N次下一頁給定外部參考輸入給定離散部分的分子分母系數(shù)矩陣和連續(xù)部分的典型環(huán)節(jié)參數(shù)矩陣P，連接矩陣W,W0,WC給出仿真總時(shí)間，采樣周期T和計(jì)算步長(zhǎng)求連續(xù)部分的離散模型參數(shù)E,F,G,H,L,Q計(jì)算連續(xù)部分各環(huán)節(jié)的輸出仿真時(shí)間到？輸出結(jié)果否計(jì)算離散部分的輸出ur采樣周期到？否Ts=Nh時(shí)例題1：有一個(gè)采樣控制系統(tǒng)如圖所示：已知輸入為階躍信號(hào)，

6、幅值為1，采樣周期Ts＝1s，連續(xù)部分計(jì)算步長(zhǎng)h=0.01s，數(shù)字控制器，求系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)1s1-e-sTsD(z)TTR_程序：lt5.m下一頁1s+1u1x1u2x2%給出輸入信號(hào)R=1;%給出數(shù)字控制器的相關(guān)參數(shù)Gr=[2.72-1];Fr=[0.717];%給出典型環(huán)節(jié)的參數(shù)矩陣P(考慮了非線性)P=[0110;1110];%給出連接矩陣W，W0，WcW=[00;10];W0=[1;0];Wc=[01];%給出仿真總時(shí)間和采樣周期Tf=10;%仿真總時(shí)間Tm=1;%采樣周期T=0.01;%計(jì)算步長(zhǎng)%求典型環(huán)節(jié)的離散化模型的系數(shù)A=P(:,1);B=P(:,2

7、);C=P(:,3);D=P(:,4);n=length(A);%n為典型環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)n1=length(Fr);m1=length(Gr);%求離散化模型的系數(shù)fori=1:nif(A(i)~=0)if(B(i)==0)E(i)=0;F(i)=0;G(i)=0;H(i)=0;L(i)=(C(i)+D(i)/T)/A(i);Q(i)=-D(i)/(A(i)*T);下一頁elseE(i)=exp(-A(i)*T/B(i));F(i)=(D(i)/B(i)-C(i)/A(i))*((1-E(i))*B(i)/(A(i)*T)-1);G(i)=(D(i)/B(i)-C(