计算机控制系统模拟化设计与离散化转换

"第5章-计算机控制系统模拟化设计.ppt" 在计算机控制系统的设计中，模拟化设计是一种常用的方法。这种方法主要是将原本的数字控制器转化为模拟控制器进行设计，然后再将其离散化，以适应计算机控制系统的实际需求。在第5章中，主要探讨了如何将计算机控制系统视为模拟系统来设计，并通过离散化技术将其转化为数字控制器。 首先，计算机控制系统通常由一个数字控制器D(z)和一个模拟环节G(z)组成，它们通过采样和保持器ZOH连接。图5.1展示了一个离散闭环控制系统，其中D(z)是数字控制器，G(z)是系统传递函数，r(t)是参考输入，y(t)是系统输出，e(t)是误差信号。 为了进行模拟化设计，可以先将整个系统看作一个模拟闭环控制系统，如图5.2所示。在这个模拟系统中，模拟控制器D(s)与系统传递函数G0(s)结合，形成一个连续时间的闭环控制回路。通过这种方式，可以利用成熟的连续系统设计理论来设计模拟控制器D(s)，以实现期望的控制性能。 在将模拟控制器转换为数字控制器时，涉及到一个重要概念——等效离散原理。这涉及到了零阶保持器(ZOH)的角色，它在采样过程中保持采样时刻的输入值直到下一个采样时刻。零阶保持器的输入是模拟信号u0(t)，而输出是离散信号u(t)。如图5.3所示，零阶保持器的频率特性决定了模拟信号到数字信号的转换过程。 模拟控制器D(s)与数字控制器D(z)之间的关系可以通过零阶保持器的频率特性来理解。当采样周期T很小时，零阶保持器的高频部分会被过滤掉，只剩下主频谱。这导致了模拟控制器和数字控制器之间仅存在相位差，具体来说，是由零阶保持器引入的相位移。当信号U0(jω)的截止频率远小于采样角频率ωs时，这种相位差可以被忽略或通过适当的预处理（如前置滤波器或超前校正）来补偿。 因此，在计算机控制系统模拟化设计的过程中，设计者首先会根据模拟系统的要求设计控制器D(s)，然后通过离散化过程，确保在数字域中实现相似的控制性能。这通常涉及到脉冲传递函数的分析，以及采样理论的应用，以保证离散控制器在实际运行时能够达到预期的控制效果。 总结来说，计算机控制系统模拟化设计的关键在于先设计一个模拟控制器，然后通过离散化技术将其转化为适用于数字计算机的控制器。这个过程中，零阶保持器的使用和相位补偿策略是至关重要的，它们保证了模拟设计思想在数字环境中的有效实施。