机电系统计算机控制一页纸
机电系统计算机控制技术一页纸
电机一页纸
1．异步电机气隙的存在，带来的问题；转差率的定义，转差率与各状态之间的关系气隙有困碍磁通的作用，气隙越大，励磁电流越大，而励磁电流由电网供给，属感性无功，故减小励磁电流，可相应的提高电机的功率因数，若增大气隙，则空载电流上升，漏电抗（）减小，最大转矩Tmax增大，最初起动转矩Tst增大，Ist增大2．电角度与机械角度之间的关系；脉动磁动势的特点。
电角度=P*机械角度脉动：大小相等，转速相同，转向相反3．异步电机频率折算出现的电阻意义；以及T型等效电路中异步电机参数的意义折算出来的电阻：模拟总机械功率的电阻4．简述三相异步电动机的转动原理由于三相交流电源UVW相位上互差120度，当定子绕组中通入UVW三相电流产生旋转磁场，由于转子是静止的，旋转磁场与转子产生相对运动，转子导体因切割定子磁场而产生感应电动势，转子为闭合绕组，形成感应电流，载有电流的转子绕组在定子旋转磁场作用下，将产生电磁力，将输入的电能变成旋转的机械能5．三相异步电机处于电磁制动运行状态的特点三相异步电动机处于电磁制动时，电磁转矩与电机旋转方向相反，异步电动机定子绕组仍接至电源，外力拖着电机逆旋转磁场的旋转方向转功电机定子仍从电网吸收电功率，同时转子从外力吸收机械功率，这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗掉，此时n<0,s>16．当三相异步电动机在额定电压下正常运行时，如果转子突然不转了，将产生什么后果？说明原因。
当转子不转时，n=0，s=1，此时旋转磁场将以最大速度切割转子导体，转子绕组中将产生较大的感应电流，据磁动势平衡关系，定子也将产生较大的电流，定子转子电流将超出额定电流的数倍，电动机的温度将大大增加7．三相异步电动机空载运行与变压器空载运行存在的区别。
主磁场性质不同，异步电动机为旋转磁场，而变压器为脉动磁场变压器空载时，E2≠0，I2=0，而异步电动机空载时，E2约等于0，I2约等于0能量转化不同，异步电动机是将电能转化为机械能，变压器将电能变成电能由于异步电动机存在气隙，主磁路磁阻大，同变压器相比，建立同样的磁通所需励磁电流大，励磁阻抗小由于气隙的存在以及绕组结构不同，异步电动机的漏磁通较大，对应的漏抗也比变压器大异步电动机采用短距分布绕组，故折算电动机电动机时需考虑绕组系数，而变压器为整距集中绕组，绕组系数为18．三相对称正弦交流电流通入对称三相绕组时，其基波合成磁动势的性质。
机电系统计算机控制哈工大课件
1.4 计算机控制系统的一般要求
性能指标（performance specification）
（1）被控对象的最高运行加速度 （2）被控对象的最高运行速度 （3）最低平滑速度
T N .m Pw nrad / s
9.55
Pw nrpm
稳定判据之三： 双线性变换 bode图
稳定裕度（幅值裕度，相位裕度）
0
w0
w
-180°
w
在相角 1800时，如果20 lg G ( s) 0，即G ( jw) 1, 这时开环传递函数G ( s)
U 0 (s) 1, 系统的输出为收敛的。 U i ( s)
1.4 计算机控制系统的一般要求
2 信号采样与Z变换
•计算机控制系统的信号形式 •信号采样与保持 采样信号、采样定理、量化与量化误差、孔径时间、零阶采样保持器 • Z变换 Z变换与差分方程、Z变换定义、性质、常用定理、 方法、 Z反变换的方法、求 解差分方程
课程内容
3 计算机控制系统分析
•脉冲传递函数 开环系统脉冲传递函数、闭环系统脉冲传递函数 • 计算机控制系统性能分析 稳定性分析 、稳态误差分析、动态响应分析
机电系统的计算机控制
（28学时 学位课）
主讲：陈维山，董惠娟
教材：机电系统计算机控制 陈维山 赵杰 编著 哈尔滨工业大学出版社
课程基础
1.机电系统参数及动力学基础
performance-dependent mechanical factors: 驱动力、驱动力矩、负载、摩擦力、 摩擦力矩、间隙、刚性、惯性、共振频率、传动比对控制系统的影响，如摩擦对 系统的稳态误差的影响、对系统的稳定性、快速性等动态性能的影响。
电子科技大学《机电系统计算机控制技术》20春期末考试
B.错误 正确答案：A
5.当光敏电阻受到光照时,若把光敏电阻串一电路回路中，回路中的电流变大。 A.正确 B.错误 正确答案：A
6.AD574芯片片内有输出三态缓存器，因此可以与8位或16位的微处理器直接接口。() A.正确 B.错误 正确答案：A
二、多选题 1.计算机控制系统的组成有 等。 A.PLC B.检测元件 C.驱动元件 D.工控机 正确答案：BCD
2.控制系统的软件开发中常用设计方法有 等。 A.模块化设计 B.中断控制和管理 C.人机联系的管理 D.软件狗技术 正确答案：ABC
3.机械设备的机械参数有 。 A.位移 B.速度 C.加速度 D.阻尼 正确答案：AB
18.在计算机交流电机控制系统中，需要解决的问题是() A.将交流变成只留后并放大 B.将直流变成交流后并放大 C.设单向开关，使直流电通过并放大 D.设双向开关，使交流电通过并放大 正确答案：D
19.8051单片机有 级中断。 A.2 B.4 C.5 D.8 正确答案：A
20.下列不属于干扰的作用方式的是() A.串模干扰 B.共模干扰 C.长线传输干扰 D.短线传输干扰 正确答案：D
4.几种工业标准总线有STD、 等。 A.PCIE B.CPCI C.ISA D.PCI 正确答案：D
5.控制系统常常按其开环传送函数中所含 环节个数来分类，分为“0”型，“I”型系统等。 A.微分 B.惯性 C.积分 D.振荡 正确答案：C
6.PLC的工作原理是 。 A.查询方式 B.应答方式 C.巡回扫描 D.顺序扫描 正确答案：C
电子科技大学《机电系统计算机控制技术》20春期末考试
机电系统计算机控制技术_实验指导书2017
机电系统计算机控制课程实验指导书电子科技大学机械电子工程学院目录实验一、采样控制实验 (3)实验二二阶PID控制 (10)实验三最少拍控制系统 (17)1.自控/计控原理实验机介绍信号源模块如图1所示，斜坡、阶跃、正弦和矩形波由插孔OUT1输出，非线性、微分脉冲和正弦波由插孔OUT2输出，该模块可同时发生两种不同类型信号，信号源参数（如幅度、频率、宽度、斜率、扰动等）在电脑上模拟示波器软件界面上由用户设置（每个实验范例都有其默认值），如图6中红框所示。
图1 信号源模块图2 基准电源模块和数据采集模块图2中是实验箱的基准电源模块和数据采集模块。
数据采集模块为虚拟示波器采集信号，虚拟示波器有四个信号输入通道，可将需要观察的波形接入任意一个输入口，就可通过软件观察到波形。
需要特别注意的地方是：虚拟示波器会限幅，只能显示+5V～-5V之间的波形，超出该范围的信号则对应输出为+5V或-5V。
图3 频率特性测试模块图4 控制器模块图5 运算放大器模块图3中式频率特性测试模块，插孔ADIN为测试信号输入，将系统的输出信号接入该插孔。
图4中是控制器模块，插孔AOUT1和AOUT2为信号输出孔，输出的是采样控制或PID控制信号。
图5是运算放大器模块，该模块有多个电阻可选。
插孔H1、H2和IN为运放的输入端。
插孔IN直接接入运放反相输入端，未接任何电阻；插孔H2通过固定电阻后接入运放反相输入端；插孔H1有多个电阻可选，白色的连线相当于电路线，两个连在一起的黑色排针是断开的；确定使用哪一个阻值的电阻后，用短解套连接该电阻左边的排针即可。
通过短解套可选用不同阻值的电阻，不同电容值的电容，就可控制增益和时间常数。
双击桌面图标打开软件，出现实验机实验项目选择界面如图6所示，点击蓝色框中串口右边的下拉按钮，如右图所示，若出现其他串口，则选择其中的任一串口（如果没有其他串口，则不用修改），则会出现通讯成功的界面，如图7所示。
图6实验机实验项目选择界面图7通讯成功界面②打开系统颜色设置按钮，如图6中红色框中的按钮，将坐标轴、背景色、测量文字和测量线改成下图中的颜色，如图8所示，然后点击确定键。
机电系统计算机控制
第一章 概述
1.3.4 分级计算机控制系统
第一章 概述
1.3.5 计算机控制系统的其他分类形式
1) 程序和顺序控制：程序控制是指根据输入的指令和数据，控制生产 机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而 自动完成工作的数字式自动控制。主要用于机床的自动控制。
2) 比例积分微分控制(PID控制)：目前应用最为广泛、也是广大工程 技术人员所熟悉的控制规律。
第二章 信号采样与Z变换理论基础
3) 初值定理：如果 lim F (z)存在，则f (t)或f (kT)的初值f (0)为 z f (0) lim F (z) z
4)终值定理：如果f (t)的终值存在，则
lim f (t) f () lim [(z 1)F (z)]
z
z 1
5)非一一对应性：
Z[f1(t) f2 (t)] F1(z) F2 (z) 其中，为任意实数。
2)位移定理 滞后（或负偏移）定理：若脉冲序列延迟n个采样周期，则
Z[ f (k n)T ] Z nF (z) 超前（或正偏移）定理：若脉冲序列超前n个采样周期，则
n1
Z[ f (k n)T ] Z nF (z) zn j f ( jT ) j0
根据前述公式直接写出
F(z)
z
z 1
z
z eaT
z(1 eaT ) z 2 (1 eaT )z eaT
第二章 信号采样与Z变换理论基础
例2 5求F (s)
s
2
1 (s
1）的z变换
解：设F (s)
A1 s
A2 s2
A3 s 1
A1
d [sF (s)]
ds
s0
1 (s 1)2
机电驱动一页纸
min 0N /n s n ∆=min max /)1(D n n S n Sn N N =-∆=min)/(Nz f 60n r =直流电机：1.当T m =0,即空载时：φCe Ua n n ==02.当n=0即起动或堵转时：aR C d m U T T am φ==闭环： 静态特性：交流转速静差率 变频要求： 流量Q=nq ；流体功率：W(kw)=P(Mpa)Q(L/min)/60质量流量：式中，R-气体常数，T-绝对温度，k-比热常数，V-气缸容积, v-气缸速度，P-缸内压力,A-有效受压面积 。
机械特性:步距角: 步进转速: 逆流阀：减压阀： 顺序阀：：交流变频调速：单出杆液压缸：速度与流量有关：前进速度 v 1＝Q 1/A 1 A 1＝πD 2/4后退速度 v 2＝Q 2/A 2 A 2＝π(D 2－d 2)/4退进速比 ψ＝v 2/v 1 >1， 若Q1＝Q2=D 2/(D 2－d 2)力与油压有关：推力 F 1＝PA 1＝—D 2·P, 左腔进油拉力 F 2＝PA 2＝—(D 2－d 2)·P ，右腔进油 推力>拉力（若左、右腔压力相同）K n n k b +∆=∆1Nz 3600=θpfS n 60)1(-=)(/)(P 9550T N out rpm n kw r =常数==2211f U f U n C E e a φ=a m m I C T φ=m m e ae a T C C R C U n 2φφ-=mm e a T C C Rn n 20ϕ-=φe a C U n /0=aa m d R U C T /)(φ=me aKT C U n -=φ2φm e a C C R K →)1()1(K C R I K C U K K n eaa eg s p +-+=φφss n n n s -=mN K N f E φ111144.4=⎪⎭⎫⎝⎛+⋅=PAv dt dP K V RT Q m11.1试阐述直流伺服电机结构，定子与转子的作用，直流伺服电机的工作原理，什么是直流伺服电机的机械特性和调速特性？（1）四大件结构：定子，转子、电刷和换向器（2）定子（绕组）-建立工作磁场，起励磁作用；转子（绕组）-通过电刷和换向器与外接电源形成回路，为转子绕组线圈在磁场中通过励磁电流建立工作条件（3）直流伺服电机-定子励磁，转子通过电刷和换向器与外接电源形成回路，则线圈在磁场中有电流通过，F=BLI（电磁感应力）使转子转动（左手定则）；控制电枢绕组中电流的大小和方向，则可调速和换向（4）机械特性是指转速调节过程中，直流伺服电机的转速和输出转矩的关系，表示了直流伺服电机拖动负载时负载变化导致转速变化的速度稳定性；调速特性是指转速调节过程中，直流伺服电机的直流伺服电机的转速与电枢电压的关系，表示了直流伺服电机的速度调节能力。
计算机控制技术一页纸正面
，以降（LPF ） e kT 一直保持到下一e ∗ t 变成了阶梯信号e t 。
由于0，故此得名。
e t 曲线形T/2的具有阶梯形状的连续信号。
单位脉冲1，宽−1 t −T ,G s = 1−e −Ts /s 。
将s =jw =−
πωw s
+mπ ,m=0,1,2,,,,,,
它还允许部分高频分量通过；e h T 取得越小，上述差别就越小。
LSB ：V oLSB =−R f V R
2R。
D/A 的输出端加运算放D/A 是一个线性环节，放大倍数为1；V o (nT)nT ≤t ≤(n+1)T 时，V o (t)= 实质上就是一个零阶保持器。
D/A 转换器的选择：①分辨率：取决于输入数字量的二进制位数。
1/2n 。
②VR 、电阻值和电子开关即为LSB/2。
③有的可达几十毫微妙。
由于转换VR ：可 ⑤偏移误差：输入V R D/A 转换器理想输入/输出曲线的±LSB/2. D/A 转换器的位数n 的选择：
V min =V oLSB
Vi ，则最高位保留。
Vo >Vi ，则最高位置0。
，则Vo >Vi(2.4V)则高位复位D3=0。
能对转换结果发生影响的最小输入量，位，表示它可以对满量程的1/28 = 1/256的τ：从启动A/D 转换到数字量所需时间。
③绝对精度常表示为±1/2LSB ，相对精度使用百 ④量程：能转换的模拟量（如电压） AD 的位数选择与DAC 保持一致，计算公式保持、量化。
量化的单位为q ，就是A/D ADC 实质上可用一个采样开关来代替。
机电一体化系统设计(最终版)ppt课件
2020/4/11
电力拖动
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第三节 机电一体化的相关技术
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制 论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、 计算机、传感与测试等技术为实践基础。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
202的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
接口
将各要素或子系统连接成为一个有机整体， 使各个功能环节有目的地协调一致运动， 从而形成机电一体化的系统工程。
其基本功能主要有三个：变换、放大、传 递
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电力拖动
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第五节 本课程的目的和要求
本课程的目的和要求
第三节 机电一体化的相关技术
自动控制技术
自动控制技术的目的在于实现机电一体化 系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包 括位置控制、速度控制、最优控制、自适 应控制、模糊控制、神经网络控制等。
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电力拖动
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第三节 机电一体化的相关技术
伺服驱动技术
伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下， 控制驱动元件，使机械的运动部件按照指 令要求运动，并具有良好的动态性能。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液 压伺服。
电拖一页纸(缺图)
第一章闭环直流调速●图1-1 G-M系统●V-M系统：优点：①晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10^4以上；②动态性能很大提高，达毫秒级；缺点：①晶闸管的单向导电性给系统的可逆运行造成困难；②对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，任一值超标都易损坏器件；③产生会造成“电力公害”的谐波与无功功率，需添置无功补偿和谐波滤波装置；●在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。
为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：1．增加整流电路相数；2.采用多重化技术；3.设置平波电抗器。
●直流斩波（降斩）：Ud=ton/T*Us=ρUs (对应图1-5)●桥式（H桥）可逆PWM：Ud=ton/T*Us-(T-ton)/T*Us=(2ρ-1)Us (对应图1-6)●V-M系统理想空载转速翘得很高●晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节（失控时间Ts）（表1-2）：Ws(s)=Ks/(Ts+1)●与V-M系统相比，PWM的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少；2）开光频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；6）直流电源采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。
●（重点掌握）图1-17 运行的过程，及知道电动与制动运行状态中管子的导通情况γ=ρ●（重点掌握）图1-18 桥式可逆PWM(图1-17的是不可逆的):运行的过程，及知道电动与制动运行状态中管子的导通情况，电压系数γ=2ρ-1，“动力润滑”：在电动机停止时仍有高频微振电流，消除了正、反向时的静摩擦死区●PWM控制与变换器的数学模型可看成一阶惯性环节：，实际上PWM变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性的非线性环节，继电控制系统在一定条件下会产生自激振荡●转速控制调速系统的稳态指标：“调速范围”（生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围。
机电一体化作弊纸
第一章1、机电一体化含义：机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引用微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
2、共性关键技术：检测传感技术，信息（信息处理）技术，自控控制技术，伺服驱动技术，精密机械技术，系统总体技术。
机电一体化技术内部联系与外部影响（下图）3、构成要素：机械系统(机构)—构造—骨骼、电子信息处理系统(计算机)—控制（信息存储、处理、传送）—大脑、动力系统(动力源)—提供动力（能量）—内脏、传感检测系统(传感器)—计测（信息收集与变换）—感官、执行元件系统(如电动机)—驱动（操作）—肌肉 4、功能构成： 根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息。
“目的功能”：（1）变换(加工、处理)功能；（2）传递(移动、输送)功能；（3）储存(保持、积蓄、记录)功能。
5、系统的五种内部功能：主功能、动力功能、计测功能、控制功能、构造功能。
6、系统构成要素的相互连接——接口：（1）变换、调整功能，可将接口分成以下四种：1)零接口（输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆） 2)无源接口（齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器、透镜） 3)有源接口（电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A 转换器、A/D 转换器、力矩变换器） 4)智能接口（自动变速装置， 通用输入／输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB 总线、STD 总线）； （2）输入／输出功能，分成以下四种广义接口：1机械接口2）物理接口 3）信息接口 4）环境接口 7、机电一体化系统（产品）设计的考虑方法：1)机电互补法：机电互补法又称取代法。
该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统)中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。
如用PLC 或微型计算机来取代机械式变速机构、凸轮、离合器等。
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设计使用的性能指标:误差的平方和最小)扰动系统的有限拍设计(如 果系统要抑制干扰,即要求 扰动作用不产生稳态误差) 采样周期选择的原则:1.作用于系统的扰动信号频率fn 越高,要求采 样频率fs 也要相应提高,即采样周期T缩短.2.当系统中仅是惯性时 间常数起作用时,ωs ≥10ωm；当系统中纯滞后时间τ占有一定份 量时,应该选择T≈τ/10 ；当系统中纯滞后时间 占主导作用时,可 选择 T=τ.测量控制回路数.3.测量控制回路数N越多,采样周期 T 越长.与计算字长有关.4.计算字越长,计算时间越多,采样频率就不 能太高.频率预曲折:D(s)的零极点变换为a’=2tan(aT/2)/T利用 tustin机电系统的本质非线性特性(及对系统的影响)：①摩擦(静摩 擦引起系统出现死区,影响系统稳态误差,静、动摩擦交替导致系统低 速爬行)②传动间隙(输出相对于输入出现动态之后,影响系统的稳定 性)③具有死区的饱和特性④具有滞环的继电特性.拉斯变换基本定 理：延迟：L[f(t-τ)]=e-τs·F(s).微分：L[df(t)/dt]=sF(s)-f(0)； L[d2f(t)/dt2]=s2F(s)-sf(0)-f’(0).积分：L[∫f(t)dt]=F(s)/s+f-1(0)/s.初值定 理：limt→0+f(t)=f(0+)=lims→∞sF(s).终值定理：limt→∞f(t)=lims→0sF(s).. 1.(5)条件:除Z=1外,所有极点必须在单位圆内(不能全部为Z=1) 3.Z反 变换方法(1)长除法优点:在只求取x(kT)的前几项时,非常有效.缺点:求 取x(nT)的闭合表达式困难.(2)部分方式展开法:4.脉冲传递函数：在 零初始条件下,线性定常系统输出采样信号的Z变换Y(z)与输入采样 信号的Z变换R(z)之比记为G(z),即G(z)=Y(z)/R(z).5.S平面和Z平面转 换:Z=eTs模为|Z|=eQT,角度=wT.(1)当σ<0时,在S平面为位于左半平 面的点,在Z平面相对应的点位于以原点为圆心的单位圆内.(2)当σ>0 时,在S平面为位于右半平面的点,在Z平面相对应的点位于以原点为 圆心的单位圆外.(3)当σ=0时,在S平面为位于虚轴上的点,在Z平面相 对应的点位于以原点为圆心的单位圆外.(4)拉氏变换稳定域在S平面 的左半平面,Z变换的稳定域在Z平面的单位圆内.Z变换法求解差分方 程 (1)对差分方程进行Z变换.(2)用Z变换的平移定理将时域差分方程 转化为Z域代数方程,代入初始条件并求解.(3)将Z变换式写成有理多 项式的形式,在求Z反变换,得到差分方程的解. 稳定性：不稳定—发 散振荡、等幅振荡,稳定—衰减振荡、非周期衰.2.动态指标：稳态误 差ess=y0- y∞,超调量σp=(∣ym∣-∣y∞∣)/ y∞,调整时间ts,峰值时间tp, 衰减比η=B1/ B2,振荡次数N(为穿越y(t)的稳态值y()的次数的一 半).3.Z平面的稳定性条件:系统的闭环极点或特征方程的根位于Z平 面中单位圆的内部.朱里稳定判据：按多项式的系数,构造朱里阵列, 满足充要条件：①D(z)∣z=1>0②(-1)nD(z)∣z=-1>0③∣a0∣<∣an∣,∣ b0∣>∣bn-1∣,∣c0∣>∣cn-2∣…∣s0∣>∣s2∣双线性变换的劳斯 (Routh)稳定判据:系统的极点全部分布在S平面的左半平面.要点： (1)若系数an, an-1 ,… a1 ,a0的符号不相同,则系统不稳定.若符号相同,建 立劳斯行列表.(2)若劳斯行列表第一列各元素均为正,则所有特征根 均分布在左半平面,系统稳定.(3)若劳斯行列表第一列出现负数,表明 系统不稳定.第一列元素符号变化的次数,表示右半平面上特征根的个 数单位阶跃(位置)输入:R(z)=z/z-1,ess=1/,=,0型系统:=D(1)G(1);Ⅰ型系 统:=∞,Ⅱ型系统:.单位斜坡(速度)信号：R(z)=Tz/(z-1)2, ess=T/,=,0型 系统:,Ⅰ型系统:=D(1)G(1),Ⅱ型系统:.单位抛物线(加速度)输 入:R(z)=T2z(z+1)/2(z-1)3, ess= T2/,,0型系统:,Ⅰ型系统:,Ⅱ型系统: D(1)G(1).,线性离散系统在单位阶跃输入作用下,调整时间ts=12s(12个 采样周期),超调量p=40％,峰值时间tp=3s,振荡次数N=1.5次,衰减比 =2:1,稳态误差ess=0控制要求：稳、准、快.控制器设计：对原有系 统特性进行校正或补偿,以此来满足系统性能指标要求.对于闭环控制 系统的设计,两类：优化设计使系统总的性能指标达到最佳；特性设 计满足系统要求的性能指标.特性设计要求在给定信号的作用下,使系 统达到稳定、快速、准确、抑制扰动能力强及安全等性能指标.等价 离散化设计利用成熟的连续控制系统的设计方法,在设计好了连续控 制器传递函数后,采用不同的离散化方法,把连续传递函数离散成脉冲 传递函数,并保证离散时间控制系统同原连续系统具有相似的特性特 性要求：用频率响应逼真度和时间响应逼真度描述.逼真度同采样周 期和具体的离散化方法有关.不论采用何种离散化方法,采样频率越 高,逼真度也越高.当采样周期较大时,系统实际达到的性能可能要比 预期的设计指标差.用这种设计方法时对采样周期的选择要倍加注意. 方法反向差分变换方法特点S平面的左半部经反向差分变换到 Z 平 面,对应于圆心在σ=1／2,ω＝0,半径为1/2的圆的内部, D(s)稳定,D(z) 稳定.正向差分：D(S)是稳定的,经正向差分变换,D(z)可能不稳定,很 少使用.双线性(tustin)：稳定的D(s) 经双线性变换以后的 D(z)仍然 是稳定的,而且变形相对较小,经常采用.频率预曲折：s=2/T((1-z1 )/(1+z-1))a',a'=(2/T)tan(aT/2). 脉冲响应不变法(就是前面讲的Z变
换)：D(z)=Z[D(s)]阶跃响应不变法(就是添加零阶保持器后的Z变 换)：D(z)=(1-z-1) Z[G(s)/s]零极点匹配Z变换原则：将G(s)的极点(s=pi)和有限零点( s=-zi )都按z=eTs的映射关系,对应地变换为极点(z=eTpi )和零点( z=e-Tzi ).且无穷远处的零点(s=∞)都转换到z=-1处的零点, 即保证零极点个数相等(记这个,不要记添加了(1+z)还是(1+z-1)的多次 幂).如此变换之后,仍需确定数字控制器的增益系数Kz,其计算式为： G(s)|s=0=G(z)|z=1.前向差分法会导致系统出现不稳定的现象而很少使 用,双线性变换法在混叠频率π/T处会产生较大的频率畸变,此时可采 用频率预曲折的双线性变换法进行补偿.当已知系统的零极点模型时, 此时可采用零极点匹配法则是最简单的一种方法.PID控制器包含偏 差的比例(P)、积分(I)、微分(D)；PID控制算法：位置算法、增量算 法；PID脉冲传递函数：D(z)=U(z)/E(z)=Kp[1+T/(Ti*(1-z-1))+Td*(1z-1)/T]=Kp+Ki/(1-z-1)+Kd*(1-z-1)其中Kp为比例系数；Ki=Kp(T/Ti) 为积分系数；Kd=Kp(Td/T)为微分系数.数字PID控制器：PID调节器 参数对控制系统性能的影响：随着Kp值的增加,闭环系统的超调量 增加,响应速度加快,控制时间加长,稳态误差减小,但不能完全消除稳 态误差.随着Kp值的继续增加,系统的稳定性变差或使系统变得不稳 定.随着Ti值的增加,系统的超调量减小,响应速度减慢； Ti太小,系统 将会变得不稳定； Ti能完全消除系统的稳态误差,提高系统的控制 精度.随着Td值的增加,系统的超调量增大,但经曲线尖锐的起始上升 阶段后响应速度减慢.PID控制算法改进：积分分离PID法；带死区 PID控制；高频干扰的滤波；智能PID控制.PID控制参数确定方法： 试凑法；临界稳定法；过度过程响应法；PID控制器归一参数整定 法；变参数的PID控制.数字控制器的离散化设计法,假定被控对象本 身是离散化模型或者是用离散化模型表示的连续对象,直接以采样系 统理论为基础,以Z变换为工具,在Z域中直接设计出数字控制器D(z). 由于所设计出的D(z)是依照稳定性、准确性和快速性的指标逐步设 计出来的,所以设计结果比模拟化设计方法来得精确,故又称为精确设 计法.此时采样周期T的选择主要决定于对象特性而不受分析方法的 限制,所以,比起模拟化设计方法,采样周期T可以选得大一些.H(z)的确 定原则：1.根据D(z)的物理可实现性确定H(z)：对象G(z)的分母比分 子高d阶,则H(z)的分母比分子也至少得高d阶.2.由系统的稳定性确定 H(z)：(1)HE(Z)的零点表达式中,包含G(z)在Z平面单位圆外或单位圆 上的所有极点.(2)H(z)的零点表达式中,包含G(z)在Z平面单位外或单 位圆上的所有零点.3.由系统的准确性确定H(z)：常用的典型输入信 号：R(z)=A(z)/(z-1)m,其中m=1,2,3,分别对应位置信号、速度信号、 加速度信号.He(z)=(z-1)p F(z)=(1-z-1)p F'(z-1) ,其中p>=m,F(z)或F'(z-1)是 待定的关于z或z-1的多项式.4.由系统的快速性确定H(z)：He(z)=(z-1)p F(z)=(1-z-1)p F'(z-1) ,其中p尽可能小时间最优控制系统：在典型输 入信号的作用下,经过最少个采样周期,使系统输出在采样瞬时的稳态 误差为零,故又称为最少拍系统.选择上面的原则4,使p=m,且F'(z-1)=1 时,不仅可以使数字控制器简单,阶数比较低,而且还可以使E(z)的项数 最少,因而使系统调节时间ts最短.见右表：按最少拍原则设计数字控 制系统,设计方法直观简单,数字控制器便于在微机上实现,但也存在 不少缺点和问题：1存在着纹波2系统适应性差3对参数变化的灵敏度 大4控制幅值的约束有限拍无纹波系统的设计1、对闭环传函H(z)的 附加约束条件为：H(z)不仅包含G(z)在Z平面单位圆上和外的所有零 点,还必须包含单位圆内的所有零点.这样调节时间比有纹波系统增加 的拍数为单位圆内的零点数.2、有G(z)=B(z)/A(z),H(z)为：单位阶跃 输入：H(z)=f0z-1B(z)；单位速度输入：H(z)=(f1z-1+f2z-2)B(z)；单位加 速度输入：H(z)=(f1z-1+f2z-2+f3z-3)B(z).fi是为了满足系统快速性的待 定系数,求法：H(z)|z=1=1,H'(z)|z=1=0简述S平面和Z平面的映射关系.S 平面的左半平面对应于Z平面的单位园内；S平面的虚轴对应于Z平 面的单位圆；S平面的右半平面对应于Z平面的单位圆外；S平面的 原点对应于Z平面Z=1的点.数字控制器的解析设计法的关键是H(Z) 的选择,要达到控制目的H(Z)的确定原则有哪些.(1)根据D(Z)的物理 可实现性确定H(z)，1)D(z)的分母关于z-1的多项式最低次幂，不大于 分子关于z-1的多项式的最低次幂；2)D(z)的分子关于z的多项式最高 次幂，不大于分子关于z的多项式的最高次幂；3)D(z)的幂级数展开 式中，不出现z 的正幂次项目。(2)由系统的稳定性确定H(z),1)He(z) 的零点表达式中，包含G(z)在z平面单位圆外或单位圆上的所有极 点。2)H(z)的零点表达式中，包含G(z)在z平面单位圆外或单位圆上 的所有零点。(3)由系统的准确性确定H(z),He(z)=(z -1)P F(z)式中， p≥m，F(z)是待定的关于z 的多项式。(4)由系统的快速性确定H(z), ( z -1 ) PF(z)式中，p≥m，F(z)是待定的关于z 的有限多项式，不含有 (z-1)因子。