离散系统设计示范
计算机控制系统经典设计法——离散设计法
(1)
闭环脉冲传递函数的确定
典型输入的z变换表达式
R( z )
A( z ) (1 z 1 ) q
误差E ( z )的脉冲传递函数
系统的静态误差为
E ( z ) R( z ) Y ( z ) Φe ( z ) 1 Φ( z ) R( z ) R( z )
A( z )(1 Φ( z )) (1 z 1 )－(1 z 1 ) 2 z 1－z 2
1 Φ( z ) 0.5434 z 1 1 0.5 z 1 1 0.3679 z 1 D( z ) G ( z ) 1 Φ( z ) (1 z 1 )(1 0.718 z 1 ) z 1 1 2 1 E ( z ) (1 Φ( z )) R( z ) (1 z ) z (1 z 1 ) 2
二拍以后，系统输出等于输入信号
(3) 对单位加速度输入信号
Φ( z ) 1 (1 z 1 )3 3z 1－3z 2＋z 3
1 0.8154 （ 1－z 1＋ z 2） 1 0.3679 z 1 1 Φ( z ) 3 D( z ) G( z ) 1 Φ( z ) (1 z 1 ) 2 (1 0.718 z 1 )
R( z )
E( z)
D( z )
G( z )
Y ( z)
1 Φ( z ) D( z ) G ( z ) 1 Φ( z )
要点：如何把系统的性能指标转换为闭环特性Φ( z )，解出的D( z )能否 物理实现以及系统能否保证稳定。
5
R( z )
E( z)
D( z )
G( z )
Y ( z)
离散控制系统的模型控制设计
离散控制系统的模型控制设计随着科学技术的日趋发展，离散控制系统在工业生产和自动化领域中扮演着至关重要的角色。
离散控制系统的模型控制设计是其中一个关键方面，它涉及到系统建模、控制器设计以及性能评估等多个方面。
本文将详细介绍离散控制系统的模型控制设计，并探讨其在实际应用中的意义和挑战。
一、系统建模系统建模是离散控制系统模型控制设计的第一步，它的目的是将实际系统抽象为数学模型，以便进行后续的分析和设计。
在系统建模中，我们需要确定系统的输入、输出以及状态变量，并基于这些变量建立系统的数学方程。
常用的系统建模方法包括传递函数法、状态空间法和传统差分方程法等。
根据具体的实际应用场景和需求，选择适合的系统建模方法可以更好地描述和分析离散控制系统的行为。
二、控制器设计控制器设计是离散控制系统模型控制设计的核心环节，它的目标是设计合适的控制器，以实现系统的稳定性、鲁棒性和性能指标的优化。
在控制器设计中，我们可以采用传统的PID控制器、模糊控制器、模型预测控制器等不同的控制策略。
其中，PID控制器是应用最为广泛的一种控制策略，它通过比例、积分和微分三个部分对系统的误差进行调节。
模糊控制器则通过模糊推理和模糊规则来实现对系统的控制。
模型预测控制器则是基于系统的数学模型进行预测，并根据预测结果进行控制。
根据不同的应用需求，选择合适的控制策略和参数调节方法可以有效提高离散控制系统的性能。
三、性能评估离散控制系统的性能评估是模型控制设计中一个至关重要的环节，它的目的是通过对系统性能的评估，来确定控制方案的有效性和优劣。
性能评估指标可以包括稳定性、响应速度、超调量、抗扰动能力等多个方面。
常用的性能评估方法包括系统的阶跃响应、脉冲响应以及频率响应等。
通过比较实际系统的响应曲线与理论模型的要求，可以评估并优化离散控制系统的性能。
四、实际应用与挑战离散控制系统的模型控制设计在实际应用中有着广泛的应用和重要意义。
它被广泛应用于工业过程控制、机器人控制、航天飞行器控制等领域。
离散控制系统的设计：探讨离散控制系统的设计原则、方法和实践
离散控制系统的设计：探讨离散控制系统的设计原则、方法和实践介绍离散控制系统是一种用于实现自动化控制的系统，它使用离散事件和离散时间来描述和控制系统的行为。
设计一个好的离散控制系统对于确保系统的稳定性和性能至关重要。
本文将探讨离散控制系统的设计原则、方法和实践，以帮助读者了解如何设计一个高效可靠的离散控制系统。
离散控制系统的设计原则原则1：明确系统需求在设计离散控制系统之前，首先要明确系统的需求。
这包括定义系统的输入、输出以及期望的性能要求。
通过明确系统需求，可以为系统的设计和实现提供清晰的目标和指导。
原则2：选择适当的控制策略选择适当的控制策略是离散控制系统设计的关键。
根据系统的性质和需求，可以选择不同的控制策略，如比例控制、积分控制、微分控制等。
在选择控制策略时，需要考虑系统的稳定性、响应速度和鲁棒性等方面。
原则3：进行系统建模和仿真在进行离散控制系统设计之前，通常需要对系统进行建模和仿真。
系统建模可以帮助设计者深入理解系统的行为和特性，从而更好地进行系统设计和参数调整。
通过仿真可以在实际系统之前验证控制算法的性能和稳定性。
原则4：考虑系统的鲁棒性离散控制系统往往面临各种不确定性和干扰。
为了确保系统的稳定性和鲁棒性，设计者需要考虑系统的鲁棒性。
这包括选择合适的控制策略、调整控制器的参数以及设计鲁棒性控制器等。
原则5：进行系统的优化和参数调整在进行离散控制系统设计之后，通常需要对系统进行优化和参数调整。
通过优化可以进一步改善系统的性能和稳定性。
参数调整可以帮助设计者找到最佳的参数组合，以满足系统的性能要求。
离散控制系统的设计方法方法1：PID控制器设计PID控制是离散控制系统设计中常用的方法之一。
PID控制器由比例、积分和微分三个部分组成，可以根据系统的反馈信号调整系统的输出。
PID控制器设计的关键是选择合适的控制参数，可以通过试错法、Ziegler-Nichols方法等进行参数调整。
方法2：状态空间法设计状态空间法是离散控制系统设计中的另一种常用方法。
3.3 离散系统控制系统设计与校正
恢复到 e( t )。这就是香农采样定理。
18
§3.3.2
3．采样定理：
信号的采样与保持
， w max
w s 2w max或 T 如果采样周期满足下列条件：
*
则采样信号 e ( t ) 可以完满的复现原输入信号 e( t )。
★要完全复现 e( t ) 需经过理想滤波器，但实际中没有。 工程上最常用的、最简单的是零阶保持器。
§3.3.3 Z变换
二.Z变换的求法: E ( z ) e(nT ) z n , 1．级数求和法：
n 0
求单位阶跃1(t)的Z变换。 例 1： 解： 1(t)在任何采样点的值均为1， 1(nT ) 1
等等，这也是一种离散
e(T ) (t T ) e(2T ) (t 2T )
T 2T 3T
A D
t
系统，称为数字控制系统。如：计算机、单片机、PLC等控制 的系统均为数字控制系统。
14
§3.3.2
一、采样过程
T (t )
e(t )
信号的采样与保持
e (t )
调制器
e (t )
0
t
11
§3.3.1
离散控制系统概述
3)控制方式：也是按偏差进行调节的负反馈系统。 4)解决问题的关键: T 所以,系统大部分时间处于开环状态，改变了系统的工 作状态： ①使系统容易稳定； ②可以允许系统在闭环期间有较大的 K e ss 。
12
§3.3.1
离散控制系统概述
三．数字控制系统：
6
§3.3.1
离散控制系统概述
炉温的误差信号经放大后驱动电动机去调整燃料阀 门的开度以控制炉温。若系统的开环放大倍数很大， 系统对误差信号将非常敏感，当炉温较低时，电动 机将迅速旋转，开大阀门，给炉子供应更多的燃料。 由于炉子本身的时间常数较大，炉温上升很慢，当 炉温升高到给定值时，阀门早已超过规定的
如何在Matlab中进行离散系统设计
如何在Matlab中进行离散系统设计离散系统设计在工程领域中扮演着重要的角色。
离散系统指的是使用一系列离散时间点进行操作和观测的系统。
而Matlab作为一种强大的数学软件，提供了丰富的工具和函数来进行离散系统设计。
本文将介绍如何使用Matlab进行离散系统设计，并提供一些实际案例来帮助读者理解和应用这些概念。
一、离散系统和离散系统设计概述离散系统是指系统的状态和输出在离散时间点上进行操作和观测，与连续系统相对应。
离散系统设计的目标是通过对系统进行建模、分析和控制，以实现所需的性能指标。
离散系统设计的基本步骤包括系统建模、性能分析和控制器设计。
系统建模是指将实际系统抽象为数学模型，以方便进行分析和设计。
性能分析是评估系统在不同工况下的性能表现，如稳定性、响应速度等。
控制器设计是根据性能要求设计出合适的控制器，使得系统能够满足需求。
二、Matlab中的离散系统建模在Matlab中，可以使用多种方法进行离散系统的建模。
最常用的方法是差分方程法和状态空间法。
差分方程法是将系统的输入输出关系表示为差分方程的形式，而状态空间法则是使用状态向量和状态方程来描述系统的动态行为。
在使用差分方程法进行建模时，可以使用Matlab中的函数tf或zpk来创建传递函数模型。
传递函数模型是用来描述系统输入和输出之间的关系的一种数学表达式。
例如，通过以下代码可以创建一个二阶传递函数模型：```matlabnum = [1, 0.5];den = [1, -0.6, 0.08];sys = tf(num, den, 1);```在使用状态空间法进行建模时，可以使用Matlab中的函数ss来创建状态空间模型。
状态空间模型是使用状态向量和状态方程来描述系统的动态行为的一种数学表达式。
例如，通过以下代码可以创建一个二阶状态空间模型：```matlabA = [0, 1; -0.08, 0.6];B = [0; 1];C = [1, 0.5];D = 0;sys = ss(A, B, C, D, 1);```三、离散系统性能分析离散系统的性能分析是评估系统在不同工况下的性能表现，如稳定性、响应速度等。
计算机控制系统离散化设计PPT课件
u*(t) ZOH
T U(z)
y(t) G0(s)
Y(z)
图4.1 最少拍系统结构图
第4章 计算机控制系统离散化设计
4.1.1 最少拍系统设计的基本原则
最少拍控制系统是在最少的几个采样周期内达到在 采样时刻输入输出无误差的系统。显然，这种系统对闭 环Z传递函数W(z)的性能要求是快速性和准确性。
对系统提出性能指标要求是，在单位阶跃函数或等 速函数、等加速度函数等典型输入信号作用下，系统在 采样点上无稳态误差，并且调整时间为最少拍。
单位加速度： m=3， A(Z ) T 2 (1 z 1 )z 1
则有
2
eHale Waihona Puke *()lim(1
Z 1
z
1
)We
(z)
(1
A( z ) z 1 )
m
若要求稳态误差为零的条件是We(z)应具有如下形式
We (z) (1 z 1 ) m F (z)
则 e * () lim(1 z1) A(z)F (z) 0 Z 1
(1 z1)2
(1 z1)2G(z)
m
3, D(z)G(z)
z1(3 3z1 (1 z1)3
z2 )
, D(z)
z1(3 3z1 z2 ) (1 z1)3G(z)
第4章 计算机控制系统离散化设计
4．最少拍系统分析
(1)单位阶跃输入时
Y (z)
W (z) R(z)
z 1 1 z1
z 1
单位加速度： R(z) T 2 (1 z 1 )z 1 2(1 z 1 )3
可统一表达为：
A( z ) R(z) (1 z 1 )m
式A(z)中为不含 (1 z 1因) 子的z-1的多项式。
计算机控制系统离散化设计-经典设计方法
z 0.718 ( z 1)( z 0.3678)
z 0.3678
第三步：画原系统的根轨迹
第四步：设计 D( z ) 1.5818 z 第五步: 根据Kv,确定K>0.349 第六步：仿真
5.2 W’变换及频率域设计方法： z 1 1 w w变换式： w z z 1 1 w 5.2.1 w变换和w’变换 T 1 2 z 1 2 w 5.2.2 w’变换的映射关系 w变换式： w z 2 vT 2 T z 1 1 T 2 w (1 T ) ( ) 2 w 2 2 1. z 2 vT 2 (1 T ) ( w 2 2 ) 2. 频率关系
例：
S域极点： Z域极点： T=1s T=0.01s S= -10 z=0.00045 z=0.905 s=-1 z=0.36 z=0.99
特点： 凑试法 借助计算机
设计步骤： a. 根据给定的性能指标，在z平面上画出期望极点的允许范围 时域指标 s 平面极点分布 z 平面极点分布
b. 求包含零阶保持器的广义对象的脉冲传递函数
1 1
r (t ) 1(t ) R( z ) r (t ) t
准确性（稳态误差为零）
e() lim(1 z ) E ( z ) lim(1 z )e ( z ) R( z )
1 1 z 1 z 1
1 1 z 1 Tz 1 R( z ) (1 z 1 ) 2 T 2 z 1 (1 z 1 ) R( z ) 2(1 z 1 )3
1 e sT G( z) Z[ G ( s )] s
c. 画原系统的根轨迹
d. 设计D(z)
K ( z zc ) D( z ) ( z pc )
离散控制系统设计
若j>q,
2.φ (z)零点必须包括 零点必须包括G(z)的单位圆上或圆外的零点。 的单位圆上或圆外的零点。 零点必须包括 的单位圆上或圆外的零点
b i为不稳定零点 ， F2(z) 为： 3. F1(z)和 F2(z)的阶数选取。 的阶数选取。 和 的阶数选取 个极点在单位圆上z=1， －若G(z)有j个极点在单位圆上 有 个极点在单位圆上 ， 当j<=q ， 当j>q
个零点b1,b2,…,bu和v个极点 个极点a1,a2,…,av在单位圆上或圆外， 在单位圆上或圆外， 设 G(z)有u个零点 有 个零点 和 个极点 在单位圆上或圆外 则广义对象的传递函数可表示为： 则广义对象的传递函数可表示为：
若GC(z)不含纯滞后， 则d=0；
否则 d>=1。
设 G(z)有u个零点 个零点b1,b2,…,bu和v个极点 个极点a1,a2,…,av在单位圆上或圆外， 在单位圆上或圆外， 有 个零点 和 个极点 在单位圆上或圆外 则广义对象的传递函数可表示为： 则广义对象的传递函数可表示为： G’(z)表示不含单位圆上及圆外零极点部分。
控制对象传函如下， 控制对象传函如下，τ 是滞后时间 采样周期为T,则令 采样周期为 则令 则广义对象的(零阶保持器与被控过程 的脉冲传递函数为 则广义对象的 零阶保持器与被控过程)的脉冲传递函数为： 零阶保持器与被控过程 的脉冲传递函数为：
上式中若GC(z)不含纯滞后， 则d=0； 若GC(z) 含纯滞后， 则d>=1。
闭环系统的脉冲传递函数
因为有： 因为有： degP(z)－degQ(z) >=0，则： － ，
上式确定了D(z) 可实现时 (z)应满足的条件： 可实现时φ 应满足的条件 应满足的条件： 上式确定了 的分母比分子高N阶 则确定φ 时必须至 若G(z)的分母比分子高 阶，则确定 (z)时必须至 的分母比分子高 少分母比分子高N阶 少分母比分子高 阶。
最新第5章数字控制系统的连续——离散化设计PPT课件
重新选择采样周期。
当T0.5s时 ， D(z)8.0z6(4z0.60.096551)， 2
Gd(z)(0z.011)2((zz300.9.9581))3， 2H(z)
0.099(1z40.98)3， z2 1.507z40.704
p1,2 0.839426.08，
相应于 0.36，n 0.97的 5 连续系统，
2 增益 Kz的设计准 : 则是 D(s)与D(z)在 同 一 类 型 响 信 应 号 的 输 终 入 值 下
限 值 ） ， 在 值 采 相 样 等 点 。 上 的
li s( m s D ) R ( s ) li ( z m 1 ) D ( z ) R ( z )
s 0
z 1
注意，匹配 Z变换在如下情况下不宜采用：若 D(s) 具
有共轭复数零极点 s=±jω0 ，且其位于S主频带之外，则
设计之D(z) 将产生混叠。
零极点匹配说明：
1. D (s)分子分m 母 n同 ，阶 则， 零极 z变 点 换 一 2. D(s)分子分母不同 m阶n，
(1)将nm个 零 点 匹z配 0处 到， 相 当 于D(认 s)在为实 轴
处 有 nm个 零 点 。
810.25s
2 .5
10.1s
s2
-40 -20
4 5.5
10
ω
-40
（ 1）选择采 T样周期
从系统 bo 开 图 de环 求得开环剪 c 切 5.5r频 a/ds， 率 按经验 s 取 6~1 0c，考虑实T 时 0性 .01， s。 5 取
（ 2 ） D ( z ) 设 D ( s ) 8 计 1 0 .2 s 5 2s 0 4 1 0 .1 s s 10
北师大版八年级数学上册《数据的离散程度》第1课时示范课教学设计
第六章 数据的分析6.4 数据的离散程度第1课时一、教学目标1.会计算一组数据的极差、方差、标准差，并能用它们来比较不同样本的波动情况.2.理解一组数据极差、方差、标准差的含义，知道三个统计量之间的区别与联系.3.通过实验和探索，体会用三个统计量表示数据波动情况的合理性，并能用它们解决有关实际问题.4.学生尝试从不同的角度寻求解决问题的方法，并能有效地解决问题.二、教学重难点重点：会计算一组数据的极差、方差、标准差，并能用它们来比较不同样本的波动情况. 难点：通过实验和探索，体会用三个统计量表示数据波动情况的合理性，并能用它们解决有关实际问题.三、教学用具多媒体四、教学过程设计【复习导入】我们学过哪几个描述数据集中趋势的统计量？平均数：()121n x x x x n=+++众数：出现次数最多的数（不唯一）中位数：【归纳总结】平均数、众数、中位数都是反映数据集中趋势的量； 实际生活中，人们除了关心数据的集中趋势外，还要关注数据的离散程度，即它们相对于集中趋势的偏离情况.【情境导入1】为了提高农副产品的国际竞争力，一些行业协会对农副产品的规格进行了划分.某外贸公司要出口一批规格为75g的鸡腿，现有2个厂家提供货源，它们的价格相同，鸡腿的品质也相近.质检员分别从甲、乙两厂的产品中抽样调查了20只鸡腿，它们的质量（单位：g）如下：甲厂：75，74，74，76，73，76，75，77，77，74，74，75，75，76，73，76，73，78，77，72；乙厂：75，78，72，77，74，75，73，79，72，75，80，71，76，77，73，78，71，76，73，75.把这些数据制成下图：（1）你能从图中估计出甲、乙两厂抽取的鸡腿的平均质量吗？预设答案：从图中来看，两厂都是75g较为密集，所以估计两厂的平均质量都是75g.（2）从甲、乙两厂抽取的鸡腿的平均质量分别是多少？从上图中画出纵坐标等于平均质量的直线.预设答案：甲：（75+74+74+76+73+76+75+77+77+74+74+75+75+76+73 +76+73+78+77+72）÷20=75g乙：（75+78+72+77+74+75+73+79+72+75+80+71+76+77+73 +78+71+76+73+75）÷20=75g【情境导入2】如果丙厂也参与了竞争，从该厂抽样调查了20只鸡腿，数据如下图所示：（1）丙厂这20只鸡腿质量的平均数和极差分别是多少？平均数：（75+74+73+78+72+76+74+76+74+75+74+72+73+72+ 78+76+77+77+77+79）÷20=75.1g的平均数， 2s 是方差．）就是方差的算术平方根一组数据的极差、方差或标准差越小，(n x x ++-教师给出练习，随时观察学生完成情况并相应指导，最后给出答案，根据学生完成情况适当分析讲解.1.下表记录了甲、乙、丙、丁四名跳高运动员最近几次选拔赛成绩的平均数与方差：根据表中数据，要从中选择一名成绩好且发挥稳定的运动员参加比赛，应该选择()A．甲B．乙C．丙D．丁注意：成绩好：平均数大；发挥稳定：方差小．需将二者综合考虑．2．某射击队为从甲、乙两名运动员中选拔一人参加全国比赛，对他们进行了8次测试，测试成绩(单位：环)如下表：(1)根据表格中的数据，计算出甲的平均成绩是_____环，以思维导图的形式呈现本节课所讲解的内容：教科书第151页知识技能1、2．。
太原理工大学matlab课程设计一离散系统的matlab实现
设计一离散系统的matlab实现一．设计目的通过该设计，理解系统的单位抽、抽样响应及零极点增益的概念及意义。
二．设计内容及其主要Matlab函数如图所示的一个离散系统该离散系统对应输入输出差分方程为：y(n)-0.4y(n-1)-0.5y(n-2)=0.2x(n)+0.1x(n-1)求该系统的单位抽样响应，频率响应及零点增益。
1.单位抽样响应系统的单位抽样响应是当输入信号为单位抽样信号是系统的输出响应。
Matlab中有两个函数可以计算系统的单位抽样响应：filter函数和IMpz函数。
1)filter函数filter函数是利用递归滤波器或非递归滤波器对数据进行滤波。
因为一个离散系统可以看做一个滤波器。
系统的输出就是输入进过滤波器滤波的结果。
Filter函数的格式为：y=filter（b，a,x）此函数是对有a和b组成的函数对输入进行滤波，如果输入为单位抽样信号g（n），纳闷输出就是系统的单位抽样响应。
2）impz函数Impz函数的格式为；Impz（b，a）可直接给出系统的单位抽样响应2.频率响应H（ejw）由向量a和b组成的系统的频率响应为∑b（r）e^H（e^jw）= ——————————1+∑a(k)e^-jwMATLAB中的freqz函数使用给予FFTd suanfa 来计算由向量a和b组成的系统的频率响应。
其一般用法为：[h,f]=freqz(b,a,n,Fs)其中向量a和b由离散系统决定，FS为采样频率，在[0,Fs/2]频率范围内选取n个频率点，并记录在f中，由于freqz函数是采用基2的FFT算法，n常取2的幂次方，这样可以提高运算速度。
3.零极点增益利用MATLAB中roots的函数可以求得系统的零，极点，从而得到系统的零极点增益表示，其一般用法为：Zr=roots（b）Zp=roots（a）三、设计报告要求1.按题目要求进行设计，写出设计报告，给出源程序。
2.分别利用filter函数和impz函数画出给定的离散系统的单位抽样响应3.画出给定离散系统的频率响应4.画出系统的零，极点图>> a=[1,-0.4,-0.5];>> b=[0.2,0.1];>> x=[1:20];>> y=filter(b,a,x);>> stem(y);>> impz(b,a);n=4;>> Fs=40;>> [h,f]=freqz(b,a,n,Fs)h =3.00000.1231 - 0.2330i0.1079 - 0.0954i0.1070 - 0.0370if =5.000010.000015.0000>> zr=roots(b;)>> plot(zr,'o');>> zp=roots(a); >> plot(zp,'x');。
第5章-离散系统的设计课件
10
1）后向差分法
D(z) D(s) 1z1 s T
1 z 1 s
T z 1
1 sT
图5-5 S平面到Z平面的后向差分变换
后向差分的特点： ① D(s)稳定, D(z)也稳定； ② 不能保持D(s)的频率响应。
第5章-离散系统的设计
11
2）前向差分法
D(z) D(s) s1Tzz11
前向差分的特点：使稳定的D(s)变 换为不稳定的D(z), 故很少使用.
(保证D(z)是物理可实现的有理多项式 )
第5章-离散系统的设计
23
4） e ( z ) 的零点必须包含G(z)中位于单位圆上及单位 圆外的极点;（保证闭环系统稳定）
5） ( z ) 的零点必须包含G(z)中位于单位圆上及单位 圆外的零点;（保证控制器D(z)稳定）
6） ( z ) 中必须包含G(z)中的纯延迟环节. （保证控制器是物理可实现的）
注：在上述条件下构造 ( z ) 和 e ( z ) 时，只需考虑六条 设计原则中的前三条即可，故取 e(z)(1z1)m就可 满足前三点要求。
第5章-离散系统的设计
25
1）单位阶跃输入时设计最少拍系统的数字控制器D(z)
当r(t) = 1(t)时，R(z)Z1(t)11z1，则
e(z) 1z1 (z) 1e(z) z1
连续控制器离散化的基本思想是：在采样周期很小 的条件下，寻找一个与原连续控制器D(s)在输入输 出关系上近似的数字控制器D(z)。
带有零阶保持器的Z变换法
差分变换法
后向差分法 前向差分法双线Leabharlann 变换法第5章-离散系统的设计
7
1．带有零阶保持器的Z变换法
原理：该方法是在原连续控制器的基础上串联 一个虚拟的零阶保持器，再进行Z变换，从而 得到D(s)的离散化形式D(z) 。
离散自动化工程设计方案
离散自动化工程设计方案一、项目背景随着工业自动化程度的不断提高，离散自动化工程在各个行业的应用越来越广泛。
离散自动化系统可以提高生产效率、降低生产成本、提高质量稳定性，为企业创造更大的经济效益。
本项目旨在对某离散制造业企业的生产线进行自动化改造，提高生产效率和产品质量。
二、项目需求分析1.生产线现状生产线主要包括传送带、装配线、包装线等设备，其中部分设备由人工操作，部分设备由PLC控制。
由于人工操作的设备效率低下，容易出错，导致产品质量不稳定，且存在劳动强度大、易出现职业伤害等问题。
2.需求分析（1）提高生产效率：通过离散自动化系统的改造，提高生产线的自动化程度，减少人工操作，提高生产效率。
（2）提高产品质量：通过离散自动化系统的改造，减少人为因素对产品质量的影响，提高产品质量的稳定性和可靠性。
（3）降低生产成本：通过离散自动化系统的改造，减少人力成本、减少产品次品率，降低生产成本。
（4）提高安全性：通过离散自动化系统的改造，减少人工操作，减少劳动强度，提高生产线的安全性。
三、项目设计方案1.总体设计方案本项目设计采用基于PLC控制的离散自动化系统。
主要包括传感器、执行器、PLC、人机界面、通信模块等组成的控制系统；以及包括传送带、装配线、包装线等设备在内的生产线设备改造。
2.控制系统设计（1）传感器选择：根据不同设备的控制需求，选择合适的传感器，包括光电传感器、压力传感器、温度传感器等，用于监测生产线各个环节的状态信息。
（2）执行器选择：根据不同设备的控制需求，选择合适的执行器，包括气动执行器、电动执行器、液压执行器等，用于对生产线设备进行控制和操作。
（3）PLC选择：选择性能稳定、可靠性高的PLC产品，根据生产线的功能需求和控制逻辑，对PLC进行程序设计和编程。
（4）人机界面设计：设计人机界面，用于操作员对生产线进行监控和操作，包括触摸屏显示、按键操作等。
（5）通信模块设计：设计通信模块，用于PLC与其他设备之间的数据传输和通信。
线性离散系统的分析与设计
第六章：线性离散系统的分析与校正§6.1 离散系统●离散系统---------- 系统中有一处或几处信号是一串脉冲或数码，称之为离散系统。
挂图举例---------- 炉温采样控制系统采用检流计（灵敏度、精度高），可以提高系统控制精度。
采样调节，风门调节逐渐进行，可避免出现过调，出现波动。
●学习离散系统分析设计方法的目的：用于计算机控制系统的分析、设计。
计算机控制系统的原理框图：等效结构图：1、采样---保持过程。
A/D ：相当于一个采样开关T A/D e (kT)e(kT)τ⎫⎪=⎬⎪⎭*时间离散：<<:——认为采样是瞬时完成的视为理想采样开关：数值离散：数字机字长足够：——忽略量化误差影响数字机：数码处理装置：用()c G s +开关描述其输入*e 输出*u 特性。
D/A ：用ZOH 零阶保持器实现数码的一拍保持。
2、采样系统的特点：12A/D D/A ⎧⎪⎪⎧⎪⎪∙⎨⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎩（）采样点间信息损失，带来量化误差和量化噪声；稳定性变差代价与相应的连续系统相比动态性能会有损失（）需附加，等部件。
123⎧⎪⎪∙⎨⎪⎪⎩（）利用数字机可以灵活的实现各种不同的控制律——适应性广；利益（）控制多台设备，协调生产过程——经济性好，功能强；（）利于实现生产过程的信息化和现代化管理。
3、采样系统的研究方法 数学工具——Z 变换研究方法——连续系统研究方法的推广。
§6.2信号的采样与保持1、 采样过程 设理想单位脉冲序列0()()T n t t nT δδ∞=-∑＝采样信号可表示为：*()()()()()()()T n n e t e t t e t t nT e nT t nT δδδ∞∞===⋅=-=⋅-∑∑（1） **[()]()[()()]()nTs n n L e t E s L e nT t nT e nT e δ∞∞-====-=⋅∑∑（2）例1：()1()e t t =，求*()E s 。
离散系统设计示范.ppt
+
R(s)
-
控制器 Gc(s)
功率放大器
1 (s 20 )
电机
1 s(s 10 )
C(s) 支撑轮 位置
图7-58 工作台的支撑轮控制模型
为了确定未校正系统的响应，先将控制器取 为简单的增益K，以K*为可变参数绘制系统的 根轨迹，从中可得：当K*=641时，系统主导极 点 s1,23.72j3.72的阻尼比ζ=0.707。
当KT1一定时，T
σ%
其σ%由MATLAB方法获取
（3）对于给定T/T1，揭示σ%与ess(∞)之间的矛盾性
当r(t)=t， ess(∞)＝T/KV，Kv＝KT （Ⅰ型系统）
T/T1一定时，K
ess(∞)
σ% , ts （兼顾）
（4）采样周期T的选择
K一定时，T
ess(∞)
σ% ts （不利）
16
3. 示例
对象 c(t)
-
T
Gh(s)
Gp(s)
图7-55 闭环采样系统
现在设图7-55采样系统的被控对象为
Gp(s)s(0.1s1)K 0 (.00s 51)
要求确定增益K和采样周期T的合适取值， 使离散系统阶跃响应和超调量不大于30%。
12
要求确定K和T的取值，使离散系统阶跃响应和超调量不大于30%
Gp(s)s(0.1s1)K 0 (.00s 51)
K vlz i1 m (z1)G (z)0.3481
由式（7-92）算出
T ess Kv 0.0718
如果改取T/T1=0.1，则可望进一步减小系统阶 跃响应的超调量和斜坡响应的稳态误差。读 者不妨试一试。
14
二阶采样系统小结：
1. 研究目的
第7章 离散控制系统设计
将式(7―3)展开，
E(z)=e(0)z-0+e(1)z-1+e(2)z-2+…+e(m)z-
m+…(7―4)
第7章 离散控制系统设计
由此看出，采样函数的Z变换是变量z的幂级 数 ( 或 称 罗 朗 级 数 ) 。 其 一 般 项 e(kT)·z-k 的 物 理 意 义 是 e(kT)表征采样脉冲的幅值；z的幂次表征采样脉冲出现 的时刻。因为它既包含了量值信息e(kT)，又包含了时间 信息z-k。
(7―6)
第7章 离散控制系统设计
【例7―2】 求单位理想脉冲序列的Z变换。
解 设e(t) T (t) (t kT )
求Z变换E(z)，k 则0
E(z) 1(k / T ) zk 1 z1 z2 z3
k 0
其中：|z|>1。
z z 1
(7―7)
第7章 离散控制系统设计
比较式(7―6)和式(7―7)可以看出，不同的
第7章 离散控制系统设计
3) 留数计算法
若己知连续时间函数e(t)的拉氏变换式E(s) 及其全部极点pi(i＝1，2，…，n)，则e(t)的Z变换还可
以通过下列留数计算求得，
n
E(z)
i 1
z Re s[E( pi ) z e piT ]
n
1
d ri 1
z
i 1
{ (ri
1)!
dsri 1
因此，函数ｅ(t)的Z变换便可由E(s)求得，并可写作
n
E(z) Z[E(s)]
i 1
Ai
1 e piT z1
n i 1
Ai z z e piT
(7―15)
第7章 离散控制系统设计
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D 0 (0) 1
D0 (1) 0 D系统的性能
2
D0 ( z ) z zK [T T1 (1 E )] (1 E )
8
例7-35 二阶数据采样系统的性能
当增益K和采样周期T发生变化时，二阶采样 系统的阶跃响应最大超调量如图7-56所示。
KT1
σ%
T/T1
图7-56 二阶采样系阶数据采样系统的性能
该二阶采样系统为Ⅰ型系统，在单位斜坡输 入作用下，其稳态跟踪误差ess可由式（792），算得
设计实例
例7-35 二阶数据采样系统的性能 阶数据采样系统的性能
例7-35 二阶数据采样系统的性能 给出有零阶保持器的二阶采样系统如图7-55所 示，其中被控对象 K G p ( s) s(T1s 1)
r(t) e(t) e*(t) 零阶保持器 T Gh(s)
若令E=e
T / T1
，则上式可表示为：
K [( ET1 T T1 ) z (T1 TE T1 E )] G( z ) ( 阶数据采样系统的性能
r(t)
e(t)
e*(t) 零阶保持器
K[ T ( 1 E阶数据z ) z 2 zK [T T1 (1 E )] (1 E )
K[T1 (1 E) TE] E 0
0.1
0.5
1.0
2.0
0.905 0.607 0.368 0.135
∞
100
20.4
4.0
2.32
1.45
表7-8给出了T/T1为不同取值时所对应的最大增 益。由表可见，当计算机具有足够的运算速度 时，可取T/T1=0.1，在此条件下，离散系统的 增益上限取值较大，
e*(t) 零阶保持器
T
对象
c(t)
-
Gh(s)
Gp(s)
图7-55 闭环采样系统
现在设图7-55采样系统的被控对象为
K G p (s) s(0.1s 1)(0.005s 1)
要求确定增益K和采样周期T的合适取值， 使离散系统阶跃响应和超调量不大于30%。
K[T1 (1 E) TE] E 0 上述二阶采样系统稳定性必要条件在K>0及 T>0情况下，可由D 0 (0) 1及D0 (1) 0 条件导 出如下等价的条件： 1 E
KT1 T 1 E E T1 2(1 E )
以及
KT1
根据稳定性的必要条件，可以计算稳定系 统所容许的最大增益。 牛牛文档分享对象c(t)
-
Gp(s)
图7-55 闭环采样系统 牛牛文档分享2例7-35 二阶数据采样系统的性能 r(t) e(t) e*(t) 零阶保持器 T
对象
c(t)
-
Gh(s)
Gp(s)
图7-55 闭环采样系统
采样周期为T，则开环脉冲传递函数为： G p (s) -1 G(z)=(1-z ) Z s T T / T1 T / T1 T / T1 KT1[(e T / T1 1) z (1 e e )] T1 ( z 1)( z e T / T1 )
7
T (1 E ) 2(1 E ) T1
例7-35 二阶数据采样系统的性能
1 E KT1 T 1 E E T1 KT1
2(1 E ) T (1 E ) 2(1 E ) T1
表7-8 二阶采样系统的最大增益
T/T1 E (KT1)max
0 1.0
0.01 0.99
T
对象
c(t)
-
Gh(s)
Gp(s)
图7-55 闭环采样系统
开环传递函数为： 则闭环特征方程为：
2
K [( ET 1T T1 ) z (T1 TE T1 E )] G( z ) ( z 1)( z E )
D0 ( z ) z zK [T T1 (1 二阶数据采样系统的性能
KT1
σ%
T/T1
对于给定的T/T1，增大KT1的取值，可以减 小系统跟踪斜坡响应的稳态误差，但同时也 会使系统阶跃响应的超调量增T的取值，使离散系统阶阶数据采样系统的性能
开环脉冲传递函数为： G p (s) -1 G(z)=(1-z ) Z s
KT1[(e
T / T1
T T / T1 T / T1 T / 1) z (1 e e )] T1 ( z 1)( z e T / T1 )
T e ss Kv
式中Kv可由式（7-93）算出 不难导出
K v lim (z 1)G(z)
z 1
K [( ET1 T T1 ) z (T1 TE T1 E )] K v lim ( z 1)G ( z ) lim ( z 1) z 1 z 1 ( z 1)( z E ) ( ET1 T T1 ) (T1 TE ET1 ) K KT 1 E