最少拍数字控制器设计

理工学院本科毕业设计(论文)题目：最少拍数字控制器设计学院：信息工程学院专业：自动化学号：2010学生姓名：指导教师：二○一四年五月二十日2014届毕业设计(论文)I最少拍数字控制器设计摘要随着工业控制和科学技术发展的进步，传统的控制方法已经不适用于当前的控制要求。数字控制器以其高效的性能满足了人们的要求。其中最少拍数字控制器已成为各个控制领域必不可少的控制器。它的主要性能指标是快速性，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值地变化。本文运用自动控制、计算机控制、MATLAB仿真技术，实现最少拍数字控制器的设计与分析。并且，本文探讨了改进最少拍数字控制器与扰动系统最少拍数字控制器的设计方法，从而使系统能实现对要求的典型的输入下，运用控制器使闭环系统响应在最少的采样周期内（最少拍）达到采样点上无静差的稳态。关键词：数字控制器；最少拍数字控制器；无静差最小拍数字控制器设计IILeast-beatDigitalControllerDesignAbstractWiththeindustrialcontrolandtheprogressofscienceandtechnologydevelopment,thetraditionalcontrolmethodhasnotmeetingtherequirementsofthecurrentcontrol.Digitalcontrollerwithitsefficientperformancemeettherequirementsofthepeople.Withminimumshootdigitalcontrollerhasbecometheindispensablecontrollercontrolfield.Itsmainperformanceindexisrapidity,outputvalueoftherequiredsystemassoonaspossibletotrackthegivenvalue.Inthispaper,withautomaticcontrol,computercontrol,theMATLABsimulationtechnology,achieveaminimumdigitalcontrollerdesignandanalysis.And,thispaperdiscussestheimprovedminimumtapsdigitalcontrollerwiththeleastdisturbancesystemdesignmethodofdigitalcontroller,sothatthesystemcanrealizetherequirementofthetypicalinput,usingthecontrollermaketheclosed-loopsystemresponse(atleast)intheleastamountofsamplingcyclesamplingpointastaticsteadystate.KeyWords：Digitalcontrol;Least-beatDigitalController;Floating2014届毕业设计(论文)III目录第1章绪论......................................1§1.1引言....................................................................................1§1.2内容安排..............................................................................1第2章离散控制基础.........................................................3§2.1离散控制系统的类型............................................................3§2.2信号的采样与复现.............................................................4§2.1.2信号的采样与复现.........................................................4第3章常规最少拍控制器设计...........................................8§3.1最小拍有纹波数字控制器的设计...........................................8§3.2最少拍无纹波数字控制器的设计........................................11§3.2.1最少拍无纹波控制器的设计条件....................................11§3.2.2最少拍无纹波控制器确定Ф(z)的步骤...........................12§3.2.3无纹波数字控制器的设计.............................................13第4章改进的最少拍数字控制器的设计..........................16§4.1换接程序法........................................................................16§4.2阻尼因子法........................................................................16§4.3非最少的有限拍控制.........................................................18第5章最少拍数字控制系统的MATLAB仿真.................20§5.1最少拍有纹波系统的MATLAB仿真..................................20§5.1.1系统的SIMULINK实现.................................................20§5.1.2仿真结果......................................................................21§5.2最少拍无纹波系统的MATLAB仿真......................................21§5.2.1系统的SIMULINK实现.................................................21§5.2.2仿真结果......................................................................22第6章总结.....................................................................23§6.1课题工作总结....................................................................23§6.1课题未来发展....................................................................23最小拍数字控制器设计IV致谢................................................................................25参考文献...........................................................................262014届毕业设计(论文)第1页共32页第1章绪论§1.1引言近年来，随着工业控制技术和航空航天技术的高速发展，人们对控制器的要求也越来越高。一般控制器具有以下几个要求：1、精确性。指的是对特定输入下的系统，在到达稳态后，系统输出的采样值能准确跟踪输入信号，也就是说采样点上的输出不存在稳态误差。2、快速性。系统能在有限的拍数下达到稳态的没计状态，也就是系统准确的跟踪输入量所需的采样周期数应为最少。3、稳定性。控制器必须在物理上可实现且应该是稳定的闭环系统。离散的数字控制器以其高效的性能满足了人们对系统控制的各项要求，其中最少拍控制是以实现系统快速性为目标的一种离散化设计方法。最少拍数字控制器的设计步骤：常常包含最少拍有纹波数字控制器设计与最少拍无纹波数字控制器设计两种。在采样点上的输出不存在稳态误差，但是在采样点与采样点之间的输出存在稳态误差的系统为有波纹最少拍控制系统。若在采样点上和采样点之间的输出均没有稳态误差，则这系统为无波纹最少拍控制系统。这两种系统均有各有自的优点，但是也都存在一些不足。相对于最少拍无纹波数字控制系统来说最少拍有纹波数字控制系统能使系统输出达到稳态是的拍数最少，但是，不能保证任意两个采样点之间的稳态误差为零；最少拍无纹波数字控制系统在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差，但是其缺点是响应速度相对较慢。不管是最少拍有纹波还是最少拍无纹波控制系统，其控制方程都是由被控对象的数学方程G(Z)来计算的。其中改进方法包括换接程序法，阻尼因子法与非最少的有限拍控制等方法。§1.2内容安排本论文内容主要保函内容有离散控制的基础知识理论简介、数字控制器的设计方法介绍及理论分析、最少拍控制原理、最少拍有纹波数字控制器的设计、最最小拍数字控制器设计第2页共32页少拍无纹波数字控制器的设计、改进的最少拍数字控制器的设计、扰动系统最少拍数字控制器的设计、最少拍数字控制系统的MATLAB仿真等本文在第一章绪论之后，第二章离散控制基础部分主要阐述了离散控制系统的类型，信号的采样及复现过程及原理。第三章主要讲述常规最小拍控制器设计，其中包括最小拍有纹波系统与最小拍无纹波系统理论得概述与其设计方法。第四章主要概述最少拍数字控制器的改进算法原理及理论推导。第五章主要为我们展示了最小拍控制器在常见的一些输入下的Matlab仿真效果图。第六章主要讲述了在设计最小拍控制器过程中的一些方法总结及今后可能的改进措施。2014届毕业设计(论文)第3页共32页第2章离散控制基础从控制系统中的信号形式上看，可以把控制系统划分为连续控制系统和离散控制系统，各个变量都是时间的连续函数，称为连续控制系统。随着计算机技术被引入控制系统，使控制系统中有一部分信号不是时间的连续函数而是一组离散的脉冲序列，这时就出现了离散控制系统。§2.1离散控制系统的类型离散控制系统可进一步分为采样控制系统和数字控制系统两大类。第一种是采样控制系统，第二种是数字控制系统。以下分别简要介绍这两种类型的的系统原理及结构。1.采样控制系统例如图2－1所示的多点信号采样控制系统图2－1多点温度采样控制系统系统内的控制器和对象均是连续信号处理器，用采样开关来达到多个对象共享一个控制器问题。类似系统称为采样控制系统。控制器检测装置(1)对象(1)保持器(1)检测装置(2)对象(2)保持器(2)检测装置(144)对象(144)保持器(144)144采样开关采样开关u)(e012铂电阻1c2c144c121442014届毕业设计(论文)第4页共32页二、数字控制系统2－2数字闭环控制系统如图2－2所示的数字闭环控制系统，控制器只能处理离散信号，控制系统内必有A/D、D/A转换器完成连续信号与离散信号之间的相互转换。类似系统称为数字控制系统。显然，由数字计算机承担控制器功能的系统均可归属于数字控制系统。随着计算机技术的日益普及，数字控制系统的应用会越