实验  离散化方法研究实验

1. 实验目的

1)学习并掌握数字控制器的设计方法;

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;

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。

2. 实验设备

计算机、Proteus仿真软件Keil编程软件

3. 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/DD/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,其实质是将数字控制部分(A/D、计算机和D/A)看成一个整体,它的输入与输出都是模拟量,因而可等效于一个连续的传递函数D(S)。这样,计算机控制系统可近似地视为以D(S)为控制器的连续控制系统。

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2-1所示。

 

2-1  二阶对象的方框图

 

2-2  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Kv≥5,超调量δ≤10%,系统的调整时间ts≤1s

Kv要求可得:

,则校正后的开环传递函数为

由上式得,取,则

所以校正后系统的模拟电路图如下图所示。

 

2-3  校正后二阶系统的模拟电路图

,为使校正后的Kv=5,要求对象K5增至10

3D(s)的离散化算法

 

2-4  模混合控制的方框图

传递函数与Z传递函数间的相互转换,可视为模拟滤波器与数字滤波器之间的转换。常用的转换方法有:

a) 阶跃响应不变法(或用脉冲响应法)

b) 后向差分法

c) 双线性变换

1) 阶跃跃响应不变法


-数字滤波器在阶跃作用下输出响应的

-模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值

 

据此得

     

  ×0.45

2) 后向差分法


后向差分SZ之间关系为:

,代入D(S)表达式中得

于是得

3) 双线性变换

由泰勒级数得   

    代入D(s)

     

    

 

4. 实验操作

1)模拟控制器测试

参照图2-2,搭建二阶被控对象的模拟电路,所选元件见表2-1

2-1 实验元件列表1

元件名称

关键字

参数

电阻

RES

DEVICE

根据原理图选择

电容

CAP

DEVICE

根据原理图选择

放大器

OPAMP

DEVICE

参考图2-3,去除D(S)控制器,绘出无校正时的电路图;

激励源模式中,选择以脉冲信号(PULSE)作为输入,按下图进行设置。在输出端放置电压探针;

 

图表模式中选择“ANALOGUE”,在空白处绘制一个图表。单击右键,选择添加曲线,分别选择输入和输出信号;

在图表上单击右键,选择编辑图表设置开始时间为10、结束时间为20,绘出被控对象无校正时的阶跃响应曲线;

选择模板/从其他设计导入风格,选择实验一的工程进行颜色设置。将需要保存的电路图和图表复制粘贴到实验报告中。

参考图2-3,加入D(S)控制器,按照同样的方法绘出加入正装置后的响应曲线,比较被控对象在加入模拟控制器前后的响应曲线,将参数记录在表2-2中。

2)数字控制器测试

原被控对象不变,将模拟控制器更换为单片机及接口电路构成的数字控制器(参考实验一电路图);

按照实验原理中的阶跃响应不变法修改实验一中的单片机程序并仿真运行选择合适的采样周期,绘出被控对象在加入数字控制器后的响应曲线,与模拟控制器响应曲线进行对比将参数记录在表2-2

2-2 不同情况下响应曲线参数

实验项目

超调量σ%

调节时间Ts5%

无校正

 

 

模拟控制器

 

 

数字控制器(T=      

 

 

数字控制器(T=      

 

 

数字控制器(T=