计算机控制实验报告离散化方法研究解析

东南大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制技术第2次实验实验名称：实验三离散化方法研究院（系）：自动化学院专业：自动化姓名：学号：实验室：416实验组别：同组人员：实验时间：2014年4月10日评定成绩：审阅教师：一、实验目的1．学习并掌握数字控制器的设计方法（按模拟系统设计方法与按离散设计方法）；2．熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法（按模拟系统设计方法）；3．通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。二、实验设备1．THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台2．PCI-1711数据采集卡一块3．PC机1台(安装软件“VC++”及“THJK_Server”)三、实验原理由于计算机的发展，计算机及其相应的信号变换装置（A/D和D/A）取代了常规的模拟控制。在对原有的连续控制系统进行改造时，最方便的办法是将原来的模拟控制器离散化。在介绍设计方法之前，首先应该分析计算机控制系统的特点。图3-1为计算机控制系统的原理框图。图3-1计算机控制系统原理框图由图3-1可见，从虚线I向左看，数字计算机的作用是一个数字控制器，其输入量和输出量都是离散的数字量，所以，这一系统具有离散系统的特性，分析的工具是z变换。由虚线II向右看，被控对象的输入和输出都是模拟量，所以该系统是连续变化的模拟系统，可数字计算机D/AA/D模拟控制对象RYIII以用拉氏变换进行分析。通过上面的分析可知，计算机控制系统实际上是一个混合系统，既可以在一定条件下近似地把它看成模拟系统，用连续变化的模拟系统的分析工具进行动态分析和设计，再将设计结果转变成数字计算机的控制算法。也可以把计算机控制系统经过适当变换，变成纯粹的离散系统，用z变化等工具进行分析设计，直接设计出控制算法。按模拟系统设计方法进行设计的基本思想是，当采样系统的采样频率足够高时，采样系统的特性接近于连续变化的模拟系统，此时忽略采样开关和保持器，将整个系统看成是连续变化的模拟系统，用s域的方法设计校正装置D(s)，再用s域到z域的离散化方法求得离散传递函数D(z)。为了校验计算结果是否满足系统要求，求得D(z)后可把整个系统闭合而成离散的闭环系统。用z域分析法对系统的动态特性进行最终的检验，离散后的D(z)对D(s)的逼真度既取决于采样频率，也取决于所用的离散化方法。离散化方法虽然有许多，但各种离散化方法有一共同的特点：采样速率低，D(z)的精度和逼真度越低，系统的动态特性与预定的要求相差就越大。由于在离散化的过程中动态特性总要变坏，人们将先设计D(s)再进行离散化的方法称为“近似方法”。按离散设计方法设计的基本思想是，直接在z域中用z域频率响应法、z域根轨迹法等方法直接设计数字控制器D(z)。由于离散设计方法直接在z域设计，不存在离散化的问题，所以只要设计时系统是稳定的，即使采样频率再低，闭环系统仍然是稳定的。这种设计方法被称为“精确方法”。本次实验使用按模拟系统设计方法进行设计。下面以一个具体的二阶系统来说明D(S)控制器的离散化方法。1、二阶系统的原理框图如图3-2所示。图3-2二阶对象控制系统方框图图3-3二阶对象的模拟电路图2、系统性能指标要求系统的速度误差系数2vK，超调量%10%，系统的调整时间1sts令校正后的开环传递函数为)2()(2nnSSSG根据公式21%100%e，为满足%10%，取12可以满足要求。根据公式3snt，取5，为满足1sts，取32n。则校正后的开环传递函数为3()(0.1671)Gsss，已知二阶对象传递函数为05()(0.51)Gsss，可用零极点抵消的方法来设计校正网络D(s)，所以校正网络ssSD167.015.016.0)(。此时003lim()lim32(0.1671)vssKsGssss，满足速度误差系数2vK的条件。利用Simulink对校正前后系统进行仿真，并记录阶跃响应曲线。3、)(SD的离散化算法图3-4数—模混合控制的方框图图3-4中)(SD的离散化可通过数据采集卡的采样开关来实现。下面介绍几种按模拟系统设计的几种设计方法。1）后向矩形规则法后向矩形规则S与Z之间关系为TzS11，代入D(S)表达式中得1111167.0167.015.05.0167.06.01167.0115.016.0)(ZTZTTTZTZZD于是得)1(167.03.0)(167.05.06.0)1(167.0167.0)(keTkeTTkUTkU2）双线性变换法此时的转换关系为111121122121zzTSZZTSsTsTZ或，代入D(s)得)1(334.0)1()1()1(6.011T20.167111T20.516.0D(Z)11111111ZZTTZZZZZZ1111334.0334.01)1()1(334.06.0)334.0()334.0()1()1(6.0)(ZTTZTTTZTTZTTZD即)1(334.016.0)(334.016.0)1(334.0334.0)(keTTkeTTkUTTkU3）冲激不变转换法如果用零阶保持器，则1()[()]sTeDzDss1()()(1)[]DsDzzs根据前面已知10.5()0.610.167sDss则110.5()0.6(1)[](10.167)sDzzss111.94()0.6(1)[]5.88Dzzss5.8815.8812.94(1.94)()0.61TTezDzez即1)]-)e(k(1.94-2.94e(k)[6.01)-U(kU(k)88.588.5TTee4）零极点匹配法已知10.5()0.610.167sDss极点16S，零点22S，对应到Z域，极点61TZe，零点22TZe，由于零点数等于极点数，故可省略匹配零点与极点相等这一步骤。则在离散域传递函数变为26()()TTKzeDzze由10()|()|zsDzDs得2610.61TTeKe，求得6210.61TTeKe，则6262126261111()0.60.6111TTTTTTTTezeeezDzezeeez即66221()(1)0.6[()(1)]1TTTTeUkeUkekeeke四、实验步骤1、仔细阅读“PCI-1711数据采集卡驱动函数说明.doc”和“THJK-Server软件使用说明.doc”文档，掌握PCI-1711数据采集卡的数据输入输出方法和THJK-Server软件（及相关函数）的使用方法。2、模拟电路接线图如图3-5所示：图3-5模拟电路接线图下面解释硬件电平匹配电路存在的原因，由于PCI-1711卡的DA输出只能为0~10V的正电压，而实验中则需要输出-10~10V的电压，故先将-10~10V的输出电压oU进行软件电压匹配，将其转换为0~10V的正电压由DA1通道输出，转换关系为11(10)2DAoUU，如表3-1所示：表3-1（范围为-10V~10V）与1DAU（范围为0~10V）的对应关系这样就把-10~10V电压转换为0~10V电压通过DA1通道输出了，然后再将此电压通过图3-5中的硬件电平匹配电路，还原为-10~10V的电压，不难看出，此硬件电平匹配电路的转换关系为112(5)DADAUU，1DAU为1DAU在通过硬件匹配电路后的输出电压。此电平匹配方法实际作用是克服了PCI-1711卡只能输出0~10V单极性电压的不足。3、用导线将系统的输入端连接到PCI-1711数据采集卡的“DA1”输出端，系统的输出端与oU-10V-7.5V-5.0V-2.5V0V2.5V5V7.5V10VDA10V1.25V2.5V3.75V5.0V6.25V7.5V8.75V10V数据采集卡的“AD1”输入端相连；4、用导线将阶跃信号发生器输出端连接到PCI-1711数据采集卡的“AD2”输入端，作为阶跃触发使用，阶跃幅度由软件设定。初始时，+5V电源开关处于“关”状态；5、根据给定的性能指标要求，根据不同的方法设计离散化数字控制器（此步可在预习过程中做完）。6、打开离散化实验文件夹下．dsw工程文件，源程序中缺少数字控制器算法程序。请同学用设计好的数字控制器算法编写程序。7、源程序编译通过后，先启动“THJK_Server”图形显示软件，再执行程序代码，在显示界面出现的曲线并稳定后（初始化后），把+5V电源打到“开”状态，观测并记录系统的阶跃响应曲线。在实验结束后，在键盘上先按下“e”，再按下“Enter（回车键）”键，程序退出。8、采用不同的离散化方法，重复步骤6、7，比较采用各种离散化方法后的阶跃响应曲线。9、利用Simulink对校正前后的系统进行仿真，并记录阶跃响应曲线，将校正前后曲线进行比较，并把校正后曲线与前面步骤7、8中采用数字控制器的实验曲线相比较；五、实验记录1.采用不同离散化方法并绘制阶跃响应曲线（1）后向矩形规则法由后向矩形规则法计算有：)1(167.03.0)(167.05.06.0)1(167.0167.0)(keTkeTTkUTkU对应控制器编程为：ei=sv-fVoltage;//控制偏差output=0.167/(Ts+0.167)*opx+0.6*((Ts+0.5)/(Ts+0.167))*ei-0.3/(Ts+0.167)*eix;eix=ei;opx=output;设置不同的采样周期T：①T=0.1s②T=1s：③T=0.01s：结果分析：后向矩形法离散后控制器的时间响应与频率响应，与连续控制器相比有相当大的畸变。但能够保证只要原连续时间系统是稳定的，离散化后得到的离散系统也稳定的。但是随着控制周期的增大，系统的阶跃响应曲线的调节时间和超调量都随之增大。（2）双线性变换法由双线性变换法计算可得：)1(334.016.0)(334.016.0)1(334.0334.0)(keTTkeTTkUTTkU对应控制器编程为：ei=sv-fVoltage;//控制偏差output=(0.334-Ts)/(0.334+Ts)*opx+0.6*(1+Ts)/(0.334+Ts)*ei-0.6*(1-Ts)/(0.334+Ts)*eix;eix=ei;opx=output;设置不同的采样周期T：①T=0.1s②T=1s③T=0.01s实验分析：双线性变换法也能够保证只要原连续时间系统是稳定的，离散化后得到的离散系统也就是稳定的，离散化后的系统稳定与不稳定的部分与原系统相同。但是随着控制周期的增大，系统的阶跃响应曲线的调节时间和超调量都将随之增大。（3）冲激不变法由冲激不变法计算可得：1)]-)e(k(1.94-2.94e(k)[6.01)-U(kU(k)88.588.5TTee对应的控制器的编程为：ei=sv-fVoltage;//控制偏差output=exp(-5.88*Ts)*opx+0.6*(2.94*ei-(1.94+exp(-5.88*Ts))*eix);eix=ei;opx=output;设置不同的采样周期T①T=0.1s②T=1s③T=0.01s实验分析：冲激不变转换法可以保证离散系统的脉冲响应与连续系统相同，在采样周期较小时，相比与前两种方法，其超调量较小，但是随着控制周期的增大，系统的阶跃响应曲线的调节时间和超调量都同样将随之增大。（4）零极点配置法由零极点配置法计算可得：)1()