北航計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大作業(yè)

函那延京航空就呆大學(xué)

BEIHANGUNIVERSITY

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

大作業(yè)

姓名：王尼瑪

學(xué)號(hào)：100311xx

教師：夏潔

日期：2013年6月15日

北航計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大作業(yè)

綜合習(xí)題1

已知：￡>($)=----,

______s+4

1)試用Z變換、一階向后差分、向前差分、零極點(diǎn)匹配、Tustin變換和

預(yù)修正的Tustin(設(shè)關(guān)鍵頻率=4)變換等方法將D(s)離散化，采樣周期分別

取為0.1s和0.4s；

2)將D(z)的零吸點(diǎn)標(biāo)在Z平面圖上

3)計(jì)算D(J3)和各個(gè)3T)的幅頻和相頻特性并繪圖,w由0.120r

ad,計(jì)算40個(gè)點(diǎn)，應(yīng)包括=4點(diǎn)，每個(gè)T繪一張圖(Z變換方法單畫(huà))

4)計(jì)算D(s)及T=0.1,T=0.4時(shí)D(z)的單位脈沖響應(yīng)，運(yùn)行時(shí)間為4

秒

5)結(jié)合所得的結(jié)果討論分析各種離散化方法的特點(diǎn)

6)寫(xiě)出報(bào)告，附上結(jié)果。

解：

(1)Z變換法：

a.離散化：

T=0.1s時(shí)，

4z

D(z)=;~

z-0.6703

T=0.4s時(shí)，

。⑵=

z-0.2019

b.D(z)的零極點(diǎn)

。（汝）和D（*/）幅頻相頻特性曲線(xiàn)

c.

連續(xù)系統(tǒng):

BodeDiagram

10°101

Frequency(fddfc)

T=0.1s時(shí)

BocieDiagram

25

10°

Frequency(rad/s)

T=0.4s時(shí)

d.D(s)和D(z)氈位脈沖響應(yīng)

D(s)單位脈沖響應(yīng):

ImpulseResponse

4|-------'-------1-------；--------J-------1

3.5\.....；.......；.......:.......；........

3

25

a

p

n

三2

d

i

u

y

L5

0.5,■...:.....................*.....*****.....

Q]1-------------1_____________i____________i____________i____________l____________

00511.52253354

Time(sec)

D(z)單位脈沖響應(yīng)：

T=0.1s時(shí)

4□impulseResponse

35

3

25

s

p

n

三2

d

s

q

15

1.522.533.54

Time(sec)

T=0.4s時(shí)

□impulseResponse

1522.533.54

Timetsec)

（2）各種離散化方法：

a.離散化后的D（z）

1、一階向后差分:

T=0.1s時(shí)

0.2857Z

°⑵二z_0,7143

T=0.4s時(shí)

0.6154Z

D(z)=----------

—z-0.3846

2、一階向前差分:

T=0.1s時(shí)

0.4

DQ)=；-

z-0.6

T=0.4s時(shí)

1.6

口⑵二二放

3、零極點(diǎn)匹配

T=0.1s時(shí)

0.1648(/4-1)

D(z)=-------------

一z-0.6703

T=0.4s時(shí)

0.3991(/4-1)

D(z)=-------------

''z-0,2019

4、Tustin變換

T=0.1s時(shí)

0.1667(z+1)

D(z)=

z-0.6667

T=0.4s時(shí)

0.4444(z+1)

D(z)=------------------

―z-0.1111

5、預(yù)修正的Tustin變換(設(shè)關(guān)鍵頻率=4)

T=0.1s時(shí)

0.1685(/4-1)

D(z)=------------------

''z-0,6629

T=0.4s時(shí)

0.5073(z+1)

D(Z)=

z+0.0146

b.DQ)的零極點(diǎn)

1、一階向后差分

2、一階向前差分

3、零極點(diǎn)匹配

4、Tustin變換

5、預(yù)修正的Tustin變換（設(shè)關(guān)鍵頻率=4）

c.0(/3)和0(e",)幅頻相頻特性曲線(xiàn)

1、一階向后差分

T=0.1s時(shí)

6

P

)

a

n-5

u-1O

&

g

w

(

6

S

窈

m

du

T=0.4s時(shí)

@

9

鼻

.4

？-6

-8

30o

6-3O

2、一階向前差分

T=0.1s時(shí)

0

-2

-4￡

?.8

10

?102

?

i45

90

f35

?

1

T=0.4s時(shí)

BodeDiagram

3、零極點(diǎn)匹配

T=0.1s時(shí)

BocfeDia^am

m(

)p

10'110°10,

Frequency(radfc)

T=0.4s時(shí)

6

P

)

9

W

F

J

6

O

W

a

9

)p

Q

g

u

d

4、Tustin變換

T=0.1s時(shí)

@

0

2

C

?

S

ga

)p

a

s

M

T=0.4s時(shí)

5、預(yù)修正的Tustin變換（設(shè)關(guān)鍵頻率N）

T=0.1s時(shí)

10°101

Frequency(rad/s)

T=0.4s時(shí)

BodeDiagram

m

p

)

①

6

)

$

d.D(s)和O(z)單位脈沖響應(yīng)

1x一階向后差分

T=0.1s時(shí)

□impulseResponse

1.522533.5

Time(sec)

T=0.4s時(shí)

□impulseResponse

1.522.533.54

Time(sec)

2、一階向刖差分

T=0.1s時(shí)

T=0.4s時(shí)

□impulseResponse

1.522.533.54

Time(sec)

3、零極點(diǎn)匹配

4、Tustin變換

T=0.4s時(shí)

6□impulseResponse

O

46

o

35

0.3

25

0.2

o15

01

005

0

o

O

5

O.1.522533.54

Time(sec)

5、預(yù)修正的Tustin變換（設(shè)關(guān)鍵頻率=4）

T=0.1s時(shí)

DimpulseResponse

35

3

。

3

1.225

三

d。

m

y

115

oo.

o.05

5

1.522.533.54

Time(sec)

T=0.4s時(shí)

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和總結(jié)：

在本題中，當(dāng)采樣周期T=0.4s時(shí)所有離散方法的都會(huì)出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)

象，使得采樣信號(hào)失真。因?yàn)榇瞬蓸又芷诓粷M(mǎn)足采樣定理導(dǎo)致采樣信號(hào)失真

現(xiàn)象。

當(dāng)滿(mǎn)足采樣定理時(shí)，各種離散化方法的特點(diǎn)如下：

①Z變換法

由Z變換的脈沖響應(yīng)可看出，連續(xù)系統(tǒng)與離散后的系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)相同,

故其可以應(yīng)用在要求脈沖響應(yīng)不變的場(chǎng)合。但是Z變換容易產(chǎn)生頻率混疊，

而且變換本身也十分麻煩，在多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)時(shí)無(wú)法單獨(dú)改變某一串聯(lián)環(huán)

節(jié)(即無(wú)串聯(lián)性)。

②一階向后差分法

穩(wěn)定性保持不變，無(wú)混疊但畸變嚴(yán)重。在采樣周期很小的情況下，所得

的頻率特性與原連續(xù)系統(tǒng)的頻率特性比較接近但在采樣周期較大時(shí)相差較

大。

③一階向前差分法

由于其映射關(guān)系，將原系統(tǒng)離散后可能不穩(wěn)定。但在本題中，系統(tǒng)離散

后依然穩(wěn)定，所以用此方法也可以。在采樣周期很小的情況下，所得的頻率

特性與原連續(xù)系統(tǒng)的頻率特性比較接近但在采樣周期較大時(shí)相差較大。

④零極點(diǎn)匹配法

當(dāng)D(s)分子階次低于分母時(shí)，D(z)中將帶有(z+1)項(xiàng)，可以防止頻率

混疊，頻率保持良好。但在使用單零點(diǎn)匹配時(shí)將帶來(lái)相位的較大延遲，同時(shí),

零極點(diǎn)匹配法在使用中要求將穩(wěn)態(tài)增益進(jìn)行匹配，因此在使用中不是很方

便。

⑤Tustin變換法

采樣周期較小的情況下，在低頻段范圍內(nèi)，S域與Z域的頻率近似保持

線(xiàn)性，所以在此范圍內(nèi)Tustin變換頻率失真較小。但隨著頻率的升高，Tu

stin變換頻率范圍變得很窄，高頻失真嚴(yán)重。所以主要應(yīng)用于低頻環(huán)節(jié)離

散化。

⑥修正Tustin變換法

由于此方法只能保證在指定頻率點(diǎn)附近時(shí)的頻率特性與原系統(tǒng)相近，但

在其他頻率點(diǎn)附近無(wú)法保證不失真，故其多用在要求在某些特征頻率處離散

前后頻率特性保持不變的場(chǎng)合。

綜合習(xí)題2

計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.已知：

1）被控對(duì)象為一個(gè)帶有均質(zhì)圓盤(pán)負(fù)載的直流力矩電機(jī)，其伺服系統(tǒng)方框圖如下:

2）D/A輸出5v,電機(jī)轉(zhuǎn)速3=26rad/s

其中，電機(jī)傳遞函數(shù)為角速率3/AU；模擬控制其由KG1,KG2,KG3組成，數(shù)字控

制器由采樣、CPU（控制率）和D/A組成。給定參數(shù)如下：

一、6⑸%

?

電機(jī)傳函G(s)=兩=$(7>+1),=2rad/s/VTm=0.1s

?電機(jī)啟動(dòng)電壓△b=L7v

?測(cè)速機(jī)傳遞系數(shù)0=1v=ad/s

?電位計(jì)最大轉(zhuǎn)角為345°,輸出土5v

?功放〃=2=叫

?采樣周期T=°?°l°s

2.設(shè)計(jì)要求：

1)D/A輸出120mv,電機(jī)啟動(dòng)：A%=1.7V

2)D/A輸出5v,電機(jī)轉(zhuǎn)速3=26rad/s

3)設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋增益，使系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)&2。,9,3〃220rad/s

4)設(shè)8可測(cè)，設(shè)計(jì)降維觀測(cè)器，觀測(cè)器衰減速率是系統(tǒng)閉環(huán)衰減速率的4倍。

5)求離散控制率D(z)

6)將D(z)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，配置適當(dāng)?shù)谋壤蜃印?/p>

7)編制程序框圖，給出控制律的差分方程。

解：

-)速度回路設(shè)計(jì)：

根據(jù)要求1),有

1.7

KG1?KG3>—=14,2、15

取

KG1-KG3=15

根據(jù)要求2),有

&)

沏

A

KG1-KG3-kmi

=lims,----------------------------------------------■—

s-07s+1+KG1?KG2-KG3?K(i)-kms

KG1?KG3?km26

=1+KG1-KG2-KG3-K-k=-5-〃

COJR

所以

KG2=0.159

—)狀態(tài)反饋增益設(shè)計(jì)：

取《=0.9,5i=20rad/s

則要求的向環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)為

s12=-18±j8.7178

映射到z平面中，離散域的極點(diǎn)為

z12=0.8321±0.07271

離散域的特征方程為

2

z-1.6642Z+0.6977

對(duì)該系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

300

G(s)=-----------

s+105.4s

取轉(zhuǎn)角8=xl,角速度3=x2為狀態(tài)變量X=(X1,K2)[系統(tǒng)狀態(tài)方程為

x=Ax+B”

y=Cx

其中

人[01

A=

10-57.7

B-_[[3o00

c=ioi]

則離散狀態(tài)方程為

x(n4-1)=Fx(n)+Gu(n)

y(n)=Cx(n)

0.0076

F=eAT=L-i[(s"A)]\t=T=o

0.5616

T

r_f[0-012491

G=JeBdt=2.2795

0

設(shè)狀態(tài)反饋增益為：

k=[klk2]

閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為

IzZ-F+GK\

z-1+0.01249/cl0.01249/C2-0.0076_2

2.2795/clz-0.5616+2.2795k2=z

+(0.01249kl4-2.2795k2-1.5616)z+0,0103kl-2.2795k2

+0.5616

對(duì)應(yīng)系數(shù)相等，得

(kl=1.4699

[k2=-0.0531

k=[1.4699-0.0531]

閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

「[0.98160.00831八、[0,012491八、

x(k+1)=[_3,35060.6826_|x(k)+2.2795]u(k)

y(k)=[10]x(k)

三)設(shè)計(jì)降維觀測(cè)器：

產(chǎn)維觀測(cè)器方程為

x2(k+1)

=卜22-LF]i(k)+-LF]y(k)+-LGju(k)+Ly(k

122[F21n[G2

+1)

其中，

F=0.6826F=0.0083F=-3.3506=0.9816G=2.2795

77，1?，?1，，?

G1=0.01249

閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)：

s12=-18±j8.7178

觀測(cè)器極點(diǎn)：

oj=-18x4=-72

閉環(huán)極點(diǎn)：

(y,T

z=e=0.4868

則有

^22-LF]2=