《微型计算机控制技术》于海生第5章PPT课件
微型计算机控制技术(于海生版)课后答案 ppt课件
曲线 。
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26
解：首先求取广义对象的脉冲传递函数
1 es G(s) H (s)Gc (s) s3
滞后一个周期
G(z) Z[G(s)]
单位圆上零点
0.5z1(1 z1 ) (1 z1 )2
单位圆上极点
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27
单位速度输入信号，设计最少拍无纹波控制器
e (z) (1 z1 )2 1 a0z1
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24
Y (z) (z)R(z) z1 z2 z3 z4 L
E(z) e (z)R(z) 1 U(z) D(z)E(z) 0.111z1 0.01233z2 0.001368z3 L
求输出响应y(k)、控制信号u(k)、误差序列e(k) y(0) 0, y(1) y(2) L 1 u(0) 0.111, u(1) 0.01233, u(3) 0.002368, u(4) L e(0) 1,e(1) e(2) e(3) L 0
按极点配置方法设计状态反馈控制规律l使闭环系统的极点配置在z平面1208025101010102可控性分析1208025000368006320003680007670063200233fgrankw且f非奇异状态完全可控因此可任意配置闭环极点3极点配置比较系数可得080251607025006320003681368036800026400632162462162462162462在第2题中进行全状态直接反馈但只有测到一个状态变量现设计一个状态观测器预报观测器极点配置在试求观测器的增益矩阵
位置型
uk 1.3ek 0.6ek 1 0.3uk 1
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课程《微型计算机控制技术》电子教案课件(全)
精品课程《微型计算机控制技术》电子教案PPT课件（全）第一章：微型计算机控制技术概述1.1 课程介绍了解《微型计算机控制技术》的课程目标和意义。
掌握课程的主要内容和教学方法。
1.2 微型计算机控制技术基本概念解释微型计算机控制技术的定义。
探讨微型计算机控制技术的发展历程和应用领域。
1.3 微型计算机控制系统组成分析微型计算机控制系统的硬件和软件组成。
了解输入/输出设备、控制器、执行器等主要组成部分的功能。
1.4 微型计算机控制技术的关键技术探讨微型计算机控制技术中的关键技术和算法。
了解数字信号处理、模拟/数字转换、PID控制等核心技术。
第二章：微型计算机控制系统的硬件设计2.1 控制器硬件设计基础分析控制器硬件设计的基本要求和原则。
掌握控制器硬件设计的步骤和注意事项。
2.2 控制器硬件选型了解常用控制器硬件的选择标准。
掌握控制器硬件选型的方法和依据。
2.3 控制器硬件电路设计实例分析具体的控制器硬件电路设计实例。
学习如何设计控制器硬件电路，并进行仿真和测试。
2.4 控制器硬件调试与优化探讨控制器硬件调试和优化的方法和技巧。
学习如何解决控制器硬件设计和实施过程中出现的问题。
第三章：微型计算机控制系统的软件设计3.1 控制器软件设计基础分析控制器软件设计的基本要求和原则。
掌握控制器软件设计的步骤和注意事项。
3.2 控制器软件选型了解常用控制器软件的选择标准。
掌握控制器软件选型的方法和依据。
3.3 控制器软件编程语言介绍常用的控制器软件编程语言。
学习如何选择合适的编程语言进行控制器软件开发。
3.4 控制器软件开发实例分析具体的控制器软件开发实例。
学习如何进行控制器软件开发，并进行调试和优化。
第四章：PID控制算法及其实现4.1 PID控制算法概述解释PID控制算法的定义和原理。
探讨PID控制算法的优点和局限性。
4.2 PID控制算法的数学模型分析PID控制算法的数学模型。
学习如何建立和求解PID控制算法的数学模型。
微型计算机控制系统课件第5章 数字控制器的直接设计技术
2）根据系统的性能指标要求以及实现的约束条件构造闭环z传递函数φ(z);
3）依据式（5-3）确定数字控制器的传递函数D(z)；
G(z)
Z H 0 ( s)GC
(s)
1 eTs
Z
s
GC
(s)
;
4）由D(z)确定控制算法并编制程序。
D(z) 1 Φ(z) G(z) 1 Φ(z)
数字控制器的直接设计 步骤
i0
i 1
数字控制器的直接设计步骤 最少拍无差系统的设计 达林控制算法
最少拍无差系统的设计
1、最少拍无差系统定义：
在典型的控制输入信号作用下能在最少几个采样周期内达到稳 态静无差的系统。
其闭环z传递函数具有如下形式：
(z) m1z1 m2 z2 m3 z3 mn zn
上式表明：闭环系统的脉冲响应在n个采样周期后变为零，即系统在 n拍后到达稳态。
要保证输出量在采样点上的稳定,G(Z)所有极点应在单位圆内 要保证控制量u 收敛， G(Z)所有零点应在单位圆内
稳定性要求
所谓稳定性要求，指闭环系统的连续物理过程真正稳定，而不仅仅是在采样点上稳定。前面的最少拍系统设 计，闭环Z传递函数φ(z)的全部节点都在z=0处，因此系统输出值在采样时刻的稳定性可以得到保证。但系统在采 样时刻的输出稳定并不能保证连续物理过程的稳定。如果控制器D(z)设计不当，控制量u就可能是发散的，系统 在采样时刻之间的输出值将以振荡形式发散，实际连续过程将是不稳定的。下面以一实例说明。
3.774 16.1z1 46.96z2 130.985z3
稳定性要求
从零时刻起的输出系列为0，1，1，…，表面上看来可一步到达稳态，但控制系列为3.774，16.1，49.96，-130.985，…，故是发散的。事实上，在采样点之间的输出值也是振荡发散的，所 以实际过程是不稳定的，如图所示。
《微型计算机控制技术》于海生第章
y
Ymax N max
Ymin N min
(X
N min ) Ymin
t
1350 0
[106(6AH) 51(33H )]
255(FFH) 51(33H )
363.970 C
解法二：
8位AD0809量化单位q
50 28 1
5 255
0.0196(V
)
6AH 01101010B 106D
《微型计算机控制技术》于海生第章
6.1 程序设计技术
6.1.1 模块化与结构化程序设计 6.1.2 面向过程与面向对象的程序设计 6.1.3 高级语言I/O控制台编程
6.1.1 模块化与结构化程序设计
一个完整的程序设计过程可以用左图来说明。 首先要分析用户的要求，这大约占整个程序设 计工作量的10%； 然后编写程序的说明，这大约也占10%； 接着进行程序的设计与编码，这大约占30%左 右，其中设计与编码几乎各占15%； 最后进行测试和调试，这要花费整个程序设计 工作量的40%以上。
经温度变送器送来的电压信号为：106 0.0196 2.0776V
设炉温为X度，则可列方程：1350 - 0 X - 0 1350 X ，求得X 363.69o C 5 -1 2.0776 -1 4 1.0776
过程控制作业P101第13题 有一台DDZ-Ⅲ型两线制差压变送器，已知其量程为20-
即热电偶在冷端温度为30o C时测得的热电势为52.53mV
再通过查K型热电偶分度表,可求得工作端实际温度t
E(t,0) E(t,30) E(30,0) 52.53 1.203 53.733
微型计算机控制技术课件 (5)
MCS-51的串行接口
MCS-51单片机具有一个全双工的串 行通信接口,可以同时发送、接收 数据,也可以作为同步移位寄存器 使用。
MCS-51的串行接口
串行口数据寄存器SBUF
CPU对发送寄存器SBUF只能写，不能读
MOV A，SBUF
CPU对接收寄存器SBUF只能读，不能写
MOV SBUF，A
MCS-51的串行接口
串行接口的工作方式
串行口相当于一个并入串出或串入并出的移位寄 工 存器 作 方 发送时将发送寄存器SBUF中的内容串行地移入 式 到外部移位寄存器中，低位在前，高位在后 0
接收时将外部移位寄存器的内容移入到内部移位 寄存器中，再写入接收寄存器SBUF中
MCS-51的串行接口
串行通信
串行通信
单工 传送方式
发送器 A机
接收器 B机
串行通信
串行通信
传送方式
单工 半双工
两个通信设备中都有一个 发送器和一个接收器，能 交替地进行双向数据传送， 同一时刻只能进行一个方 向的数据传送
串行通信
串行通信
单工
传送方式
半双工
发送器 接收器
A机
发送器 接收器
B机
串行通信
串行通信
单工
传送方式
3
MCS-51的串行接口
串行接口的初始化
串行口的 波特率
方式0
fosc/12
MCS-51的串行接口
串行接口的初始化
方式0 fosc/12
串行口的 波特率
方式2
2SMOD×fosc/64
MCS-51的串行接口
串行接口的初始化
方式0 fosc/12
串行口的 波特率
课程《微型计算机控制技术》电子教案课件
课程《微型计算机控制技术》电子教案课件第一章：微型计算机控制技术概述1.1 课程介绍让学生了解微型计算机控制技术的基本概念、发展和应用领域。
介绍微型计算机控制技术的基本原理和组成部分。
1.2 微型计算机控制系统的组成讲解微型计算机控制系统的硬件和软件组成部分。
介绍控制器、执行器、传感器和接口等基本元素的功能和作用。
1.3 微型计算机控制技术的应用领域分析微型计算机控制技术在工业、医疗、家居等领域的应用案例。
探讨微型计算机控制技术的未来发展前景。
第二章：微控制器基础2.1 微控制器简介让学生了解微控制器的定义、特点和分类。
介绍常见微控制器的品牌和型号。
2.2 微控制器的结构和原理讲解微控制器的基本结构和组成部分。
介绍微控制器的时钟、寄存器、定时器、中断等关键特性。
2.3 微控制器的编程和应用介绍微控制器的编程语言和编程方法。
通过实例分析微控制器在实际应用中的编程和实践技巧。
第三章：微型计算机控制算法3.1 控制算法概述让学生了解控制算法的定义、作用和分类。
介绍常见控制算法的原理和特点。
3.2 比例-积分-微分控制算法（PID）讲解PID控制算法的原理和数学模型。
分析PID控制算法在实际应用中的优缺点和调整方法。
3.3 现代控制算法简介介绍现代控制算法如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。
探讨现代控制算法在微型计算机控制中的应用和优势。
第四章：接口技术4.1 接口概述让学生了解接口的定义和作用。
讲解接口的基本原理和分类。
4.2 数字/模拟接口介绍数字/模拟接口的功能和应用。
讲解数字/模拟接口的电路设计和编程实现。
4.3 串行通信接口讲解串行通信接口的原理和协议。
分析串行通信接口在微型计算机控制中的应用和实例。
第五章：微型计算机控制系统的实践应用5.1 控制系统的设计与实现讲解微型计算机控制系统的设计流程和原则。
分析控制系统中的硬件选择、软件设计和系统调试等环节。
5.2 温度控制系统实例通过温度控制系统实例分析微型计算机控制技术的应用。
计算机控制技术(第5章)
5
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计算机控制技术 算法流程图
第5章 数字 章 数字PID控制算法 控制算法
位置式
增量式
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计算机控制技术 如右图， 为计算控制量及 如右图，a为计算控制量及 响应， 为实际控制量及响应 响应，b为实际控制量及响应 由于控制量实际上只能取上 限值， 输出增长较慢， 限值，使 y 输出增长较慢，e 较 长时间保持正值，从而使积分项 长时间保持正值， 累积较大； 累积较大； 为负值后， 当e 为负值后，由于积分项 累积较大， 较大， 累积较大，u 较大，仍以上限值 作用，还要经过 时间后 时间后， 作用，还要经过τ时间后，才能 脱离饱和区； 脱离饱和区； 系统输出出现明显超调。 系统输出出现明显超调。
第5章 数字 章 数字PID控制算法 控制算法
ei u
u ≥ umax
Y
N
u ≤ umin
Y
N
u* = umax
ei u
u* = umin
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计算机控制技术 二、PID增量算法的饱和作用及其抑制 增量算法的饱和作用及其抑制
第5章 数字 章 数字PID控制算法 控制算法
增量算法中没有积分累积项， 增量算法中没有积分累积项，因此不会发生位置算法中的 累积效应，但却有可能出现比例和微分饱和现象。 累积效应，但却有可能出现比例和微分饱和现象。
计算机控制技术
第5章 数字 章 数字PID控制算法 控制算法
第5章 数字 章 数字PID控制算法 控制算法
PID调节器：按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器。 调节器： 偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器。 调节器 进行控制的调节器 优点：技术成熟、易被人们熟悉和掌握、不需要建立数学模型、 优点：技术成熟、易被人们熟悉和掌握、不需要建立数学模型、 控制效果好。 控制效果好。
微型计算机控制技术优秀课件
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微型计算机控制技术
2.3.1信号的采样
• 把时间连续的信号转换为一连串时间不连 续的脉冲信号，这个过程称为“采样”， 又称为“抽样”、“取样”。对连续信号 的采样过程，可用图2-4来描述。
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微型计算机控制技术
（a）模拟信号数字化处理过程
图2-4 连续信号的采样过程
• 前两级组成具有对称结构的差动放大电路，其作用是阻抗 变换（高输入阻抗）和增益调整；后一级为功率输出级， 它将A1、A2的差动输入双端输出信号转换为单端输出信 号，且提高共模抑制比。RG用来调节放大器的增益.
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微型计算机控制技术
由图可知，第一级：
ua ui1
u b u i2
（b）串联扩展电路
0 0 0 0算机控制技术
• 选用多路模拟开关应注意的问题：
• （1）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，可选用 机械触点式开关。
• （2）尽可能选取单片模拟开关集成电路；在使用多片组 合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特 性一致。
采样周期：T 采样时间：τ 采样时刻：0T、1T、2T、3T……
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微型计算机控制技术
图2-4 （b）采样过程的模拟
• 图2-4（b）是用乘法器来描述的采样过程。 • f （t）为连续函数，s（t）为开关函数，fs（t）
为采样函数，即f（t）离散后之值。
fs(t)f(t)s(t)
• 应当指出，香农采样定理仅给出了采样信 号能恢复模拟信号的理论依据。
• 实际工程中，采样周期的选择要考虑诸多 因素。工程上，采样频率一般取f ≥（4~10） fmax 。
微型计算机控制技术 (于海生 著)清华大学出版社
1.12 1.2 1.212DDS3SCC4DCS5FCSDCS1.411234--521231234562.12.2 74LS24474LS273PC8819 2.1 2.2portMOV DX portIN AL , DXMOV AL , DATAMOV DX , portOUT DX AL2.3 8A/D ADC08098255A PC8828 2.158ADC0809 PROC NEARMOV CX , 8CLDMOV BL , 00HLEA DI , DATABUFNEXT: MOV DX , 02C2HMOV AL , BLOUT DX , ALINC DXMOV AL , 00000111B //OUT DX , ALDEC DXNOSC: IN AL , DXTEST AL , 80HJNZ NOSC //NOEOC: IN AL ,DXTEST AL ,80HJZ NOEOC // EOC=0MOV DX , 02C0H //IN AL , DXSTOS DATABUFINC BL //LOOP NEXTRETADC0809 ENDP2.5 I/V I/V32 2.191R3AC5R31 2.18CD5V D2R2R5V2.6T0T2T kTA/DA/D2.7A/D2.8 8A/D100s A/D0.4%6.4Zf H2.9 8255A AD574LF398CD4051PC8836 2.258255A2C0H2C3H8255A DS ES BUF837 2.26AD574A PROC NEARCLDLEA DI , BUFMOV BL , 00000000B //MOV CX , 8ADC : MOV DX , 2C2HMOV AL , BLOUT DX , ALNOPNOPOR AL , 01000000B OUT DX , ALAND AL , 10111111B OUT DX , AL MOV DX , 2C0HPULLING: IN AL , DXTEST AL , 80H JNZ PULLING MOV AL , BLOR AL , 00010000B MOV DX , 2C2H OUT DX , ALOR AL , 01000000B OUT DX , AL MOV DX , 2C0H IN AL , DX AND AL , 0FH MOV AH , AL INC DXIN AL , DX STOSW INC BL LOOP ADCMOV AL , 00111000B MOV DX ,2C2H OUT DX , AL RETADC574A ENDP 2.10 DAC0832PCD/A412.29DAC0832200H,8 2 6DHMOV DX 200H MOV AL 6DH OUT DX AL HLT 2.12D/AD/A442.331OUT V DREFV nD/A1*2OUT REF nDV V 2OUT V 32112(*)OUT REF OUT REF R V V V V R 2.13DAC0832CD4051PC 88482.408BUF0BUF78DSDOUT PROC NEARMOV BX , OFFSET BUFNEXT: MOV AL , [BX]OUT DX , AL INC DX OUT DX , AL CALL DELAY INC AH DEC DX LOOP NEXT RETDOUT ENDPDELAY4.11D S2T3D SD Z454.2()D s DZsD s1211()11T z T z D z T z Tz()()()U z D z E z 112211()(2)(2)()()(2)(2)()U z TT T T z U z E z TT T T z E z 112()2)()(2)(1)(2)(1)]u k TT e k TT e k TT u k sD s()D z 11221()[()()(1)()(1)]u k T e k T T e k T T u k T sDs()D z211()(1)()()(1)]u k T u k T T e k T e k 4.3PIDPID()[()()p Du k K e k k T PID(1)[(1)()()()(1)P Du k K e k i T u k u k u k PID1234.4()()()U s D s E s T=0.2SC()()()U s D s E s()()t t()(),[0.2]k e k Ts m=0.085()(()(1)(1)((1)(2)()()(1)(1)(()((1)u k k k k u k k k k u k u k u k u k u k e k e k k ()0.298[(1)(2)] 1.298[()(2)] 1.895(1)u k u k u k e k e k e k 4.5123110()0()()u k u k u u ku PID1(1)u k u ()0e k ()e k 1(1)uku ()0e k 1z12()atf t e 2()F s 12()akTf k e 222()1aT aTaT e z F z ee z2()F s 2()2ttf t ee2()2()kTkTf k e eF z2z1()F z 2()F z 1Z1113115()0.813115z F z z z22211()(1)(2)zF z z zz z z3()F z 2(0)lim () 1.6z f F z 111()lim(1)()0z zf z F z 4z(2)4(1)3()2(0)(1)0y k y k y k ky y 5z1()G s 211()()()(1()()()(1TsTse G s k k ka b a b a b ab e k k ka ab b a b ab G z z 2()G z 4.61A/D,D/A234564.7PID(1) (2)1IT 180%IT (3)DT 012PkT 3DDC4,,,p I DT K T T 123c,,,p I DT K T T 4.81()G z 2([()()]()]G z H s G s Z s3(D z 4()D z 10101(()()()()()()mi ii mn iii i i i mni i i i bz D z U z bz E z az U z u k be k i au k i 4.9(c G s 1T s1()D z ()y k ()u k ()e k2()D z ()y k ()u k ()e k : (1)1()(1)11G z Z z Z 0,0,1,1,11d u v j q j q m u d u v j q 11()(11Tz z r t t R z 1111()1()[1](1)()1v jq e i i i z z a z z F z z 112112111()1()1,()()e z z z f z f z z z z D z1()()()(1110()01,2,.....e E z z R z z k e k k1()()()00()11,2,...z Y z R z z k y k k ()()()1()0,1,2,...9k U z E z D z u k k2(1G z 0,1,0,2,1d v w q j j q 12mw d n v j q ()()()1r t t R z 12122122212212()(1)()()1() 2.1()2e e z z z f zf z z z f f z z z1121()D z z121()()()(1)()(1)e E z z R z z z e k k 234()()()234...00,1()2,3,...Y z R z z z z z k y k kk 1()()()()0.1*(1)k U z E z D z u k kThis document was created with Win2PDF available at . The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only.。
微型计算机控制技术
信息工程学院
6
成绩评定
实验：30%
闭卷考试：70%
特别申明：不参加实验或实验考核不及
格者不提供理论考试试卷，
强行参考者不予成绩评定。
2019/12/11
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第1章 绪 论
本章学习提要
（1）计算机控制技术经历的发展阶段；
（2）控制系统基本概念： 1. 常用概念术语， 2．常见系统术语 。
ymax(t)通常处于第一个峰值。δ P越小，过渡过程越平稳。
tP：从t0到第一个峰值的时间，tP表征反馈控制系统反 应输入信号的快速性能或控制灵敏度，越小灵敏度越高。
2019/12/11
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ts：系统的过渡过程时间，当t.05;ts越小，说明系统以一个稳态过渡到 另一个稳态所需时间越短，反之越长。
振荡次数：y(t)以大于0的变化幅度超越y(∞)水平线 的次数的一半为系统过渡过程的振荡次数，用N表 示，N越小，过程越短。
ts，tp，δp，N：动态参数。 当系统完成过渡过程后，| y(t) -y(∞)|为稳态误差。 稳态误差是表征系统控制精度的一项性能指标。
2019/12/11
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(2)人为或随意连续进行的运行状态，这种运行状态由一系列被 控制的动作和一直进行到某一特定结果或状态的有规则的运动 构成。
过程特征表现为以相对固定的方式导致一个特定结果或状态。
系统：为完成相应任务，一些元件、部件等按一定规则的组合。 系统是动态现象的抽象，不同的领域有不同的组合内容。
扰动：对系统输出量产生相反作用的信号。扰动分为内扰和外 扰两大类，内扰产生在系统内部，外扰来自系统外部，和输入 量叠加在一起而进入系统。
计算机控制技术课件+于海生
n i i 1 n
得
2
Z[ y(k 2) 1.5 y(k 1) 0.5 y(k )] 0
2 1
z [Y ( z) y(T ) z y(2T ) z ] 1.5z [Y ( z) zy(T )] 0.5Y ( z) 0
于海生计算机课件计算机基础课件计算机网络基础课件计算机图形学课件计算机网络课件计算机应用基础课件计算机病毒课件计算机的组成课件小学计算机课件
1.采用8255的PA端口作为三相步进的控制接口，并用直流 SSR驱动三相步进电机，用电阻或电感表示步进电机每相绕 组。 要求：（1）画出接口电路原理图； （2）列出步进电机在三相双三拍和三相六拍工作方 式下的输出控制字表。 微 型 计 算 机
s
U ( z) 2.7 z 0.7 2.7 0.7 z 1 D( z ) E ( z ) 1.85 z 0.15 1.85 0.15 z 1
U ( z )(1.85 0.15 z 1 ) (2.7 0.7 z 1 ) E ( z )
U ( z )(1.85 0.15 z 1 ) (2.7 0.7 z 1 ) E ( z ) 1.85U ( z ) 0.15 z 1U ( z ) 2.7 E ( z ) 0.7 z 1 E ( z )
1 e ( z ) 1 ( z ) [ (1 ai z 1 )](1 z 1 ) q F1 ( z ) (1 z )
v j i 1
1 ( z ) z d [ (1 bi z 1 )]F2 ( z ) f 21 z
u
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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人们对于S平面中的极点分布与系统性能的关系比 较熟悉，首先根据相应连续系统性能指标的要求 来 给定S 平面中的极点，然后再根据 zi = e SiT (i=1,2,…,n) 的关系求得Z 平面中的极点分布，T 为 采样周期。
[例5.2]被控对象的传递函数 G(s) =1/s2,采样周期 T=0.1s,采用零阶保持器。现要求闭环系统的动态 响应相当于阻尼系数为ξ=0.5,无阻尼自然振荡频率 ωn=3.6 的二阶连续系统，用极点配置方法设计状 态反馈控制规律L，并求u(k)。
连续系统的状态方程通常用一阶微分方程组表示
•
x(t)f[x(t)u ,(t)t,]x ;(t0)
输出方程的一般形式为
y(t)g[x(t)u ,(t)t],
离散系统的状态方程通常用一阶差分方程组表示
x(k 1) f [x(k), u(k), k]; x(0)
输出方程的一般形式为
y(k) g[x(k), u(k), k]
x (t) A x(t) B u(t); x(t0 ) y(t) C x(t)
离散化为 其中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x(k 1) Fx(k) Gu(k)
y(k
)
Cx(k
)
F e AT ,G T e A dB 0
设计出反馈控制规律L，以使闭环系统
具有所需要的极点配置。
反馈控制规律L u(k) Lx(k)
闭环系统状态方 x(k1)Fx(k)Gu(k)
程
FGL可理解为引入状态反馈
Fx(k)GLx(k)
情况下的新的状态转移矩阵 (FGL)x(k)
x(k 1) (F GL)x(k)
闭环系统特征方程 zIFGL0
设给定所需要的闭环系统的极点为zi(i=1,2,…,n),则 闭环系统特征方程为
( z ) ( z z 1 )z (z 2 ) ( z z n ) 0
第⑤章 现代控制技术
在现代理论中，用状态空间模型来设计和分析 多输入多输出系统，便于计算机求解，同时也 为多变量系统的分析研究提供了有力的工具。
在状态空间分析方法中，用三种变量来描述一 个系统：即输入变量、状态变量、输出变量。
状态方程和输出方程
在状态空间分析方法中，用三种变量来描述一个系统： 即输入变量、状态变量、输出变量。
反馈控制规律L应满足方程 |zI - F +GL| = β (z)
将上式的行列式展开，比较两边Z 的同次幂的系数。对 于单输入的情况，L中未知元素的个数与方程的个数相 等，因此一般可获得L 的唯一解。
对于任意的极点配置，L 具有唯一解的充分必要条件是被
控对象完全能控。 rank[G FG … F n-1G]= n
t0
e A(t-t0)是被控对象的状态转移矩阵，x(t0) 是初始状态向量。
被控对象的前面有零阶保持器 u(t) = u(k), kT < t < (k + 1)T
令 t 0 = kT , t = (k +1)T
x(k 1) e AT x(k) (k1)T e A(kTT )dBu(k) kT
常用的状态观测器有三种：预报观测器，现时观测器和 降阶观测器。
常用的观测器方程为
x(k
1)
F
x(k)
Gu(k )
K
y(x)
C
x
(k
)
1．预报观测器
x(k
1)
F
x(k)
Gu(k )
K
y(x)
C
x
(k
)
预报观测器
设计观测器的关键在于如何合理地选择观测器的增 益矩阵K
定义状态重构误差
如果选择K 使系统渐近稳定，那么重构误差必定会收敛到零，即使
原系统是不稳定的，在重构中引入观测量反馈，也能使误差趋于零。
上式称为观测器的误差动态方程，可以通过选择K ，使状态重构误
差动态方程的极点配置在期望的位置上。 如果出现观测器期望的极点Zi(i=1,2,…,n),那么求得观测器期望的 特征方程
观测器的特征方程 计算求得期望的状态重构性能
2．现时观测器
采用预报观测器时，现时的状态重构只用了前一时刻的输出量 y(k-1)，使得现时的控制信号u(k)中也包含了前一时刻的输出量。 当采样周期较长时，这种控制方式将影响系统的性能。为此，可 采用如下的观测器方程
状态重构误差
x(k
1)
F
x(k)
Gu (k )
x(k 1) x(k 1) K y(k 1) Cx(k 1)
〔解〕被控对象的微分方为 量分别为
，有
,定义两个状态变 得到
对应的离散状态方程为 代入 T=0.1s
状态转移矩阵F和控制矩阵G为
∴系统能控
根据要求，S 平面上两个期望的极点为 Z平面上的两个期望的极点为 期望的闭环系统特征方程为
状态反馈控制规律为 闭环系统的特征方程为
得
状态反馈控制规律L
5．2．2 按极点配置设计状态观测器
控制器
被控对象
y(t)
保持器
y(k) T
简化的离散系统结构图
r(k)
u(k)
控制器
被 控对象
y( k)
u(k)
y( k)
x^ (k)
零阶 u(t) 被 控
观测 器
控制 规律
y( t )
T
保持器
对象
控制器
T
调节系统(r(k)=0)中控制器的结构
5．2．1 按极点配置设计控制规律
设连续系统的状态方程
在状态空间分析方法中，用三种变量来描述一个 系统：即输入变量、状态变量、输出变量。 连续系统的状态方程通常用一阶微分方程组表示
x (t) A x(t) B u(t); x(t0 )
y(t) C x(t) D u(t)
连续状态方程的离散化
x(t) e A(tt0 ) x(t0 )
t e A(tτ) Bu(τ)dτ
x(k 1) Fx(k) Gu(k)
y(k)
Cx(k )
F e AT ,G T e A dB 0
采用状态空间的极点配置设计法
在计算机控制系统中，除了使用输出反馈控制外，还较多 地使用状态反馈控制，因为由状态输入就可以完全地确定 系统的未来行为。
计算机控制系统的典型结构
r(k)
u(k) 零阶 u(t)
利用状态反馈实现闭环系统的极点配置，需要利用系统的全部状态 变量。然而系统的状态变量并不都是能够易于用物理方法量测出来 的，有些根本就无法量测；甚至一些中间变量根本就没有常规的物 理意义。此种情况下要在工程上实现状态反馈，就需要对系统的状 态进行估计，即构造状态观测器。
设计状态观测器，根据所量测的输出y(k)和u(k)重构全 部状态 。因为有些状态无法量测 。