当前课程知识点：控制工程基础 > 第8章 计算机控制系统 > 8.1 计算机控制系统的结构 > 8.1 计算机控制系统的结构
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在接下来的几讲
我们要讨论数字控制器的设计
这一讲我们先对计算机控制系统做一个概述
计算机控制系统和模拟控制系统的区别
主要的就是用它的数字控制器
来代替模拟控制器
我们看两个具有代表性的
计算机控制系统的结构图
在第一种结构中
数字控制器的输出通过数字模拟转换
变成模拟电压输入到线性执行器
然后再去驱动被控对象
在第二种结构中
系统的输出经过传感器的变换
变换成脉冲量
再经过脉冲到数字的转换变成数字信号
进入到数字控制器
数字控制器的输出
可以通过脉宽调制的方式
去驱动开关型的功率放大器
然后再去驱动被控对象
下面我们讨论几个概念
第一个概念是采样
数字控制系统与模拟控制系统的区别
主要就在于模拟控制系统的控制量
它随着时间是连续的
但是数字控制系统它的控制指令
只能在一些离散的时间点上有输出
我们看这个系统
连续时间信号
偏差e(t)
经过AD转换变成数字信号
这其中就有一个采样的过程
e(t)本身在时间上是连续的
采样的过程相当于用一串脉冲信号
与e(t)做相乘
然后得到在时间上离散的这些信号e*(t)
所以这个e*(t)我们叫它离散信号
是指它在时间上不是连续的
但是在幅值上还是连续的
我们用一个例子来说明模拟信号
和离散信号在物理意义上的区别
假设这个模拟信号是一个力的信号
它随着时间是变化的
这个力的信号经过采样得到离散信号
假设原来这个力信号
是作用在一个机械系统上面的
那经过采样以后的e*(t)
也是作用在这个机械系统上面
如果这两个信号所产生的效果要一样的话
那我们看e*(t)的量纲
应该是什么样的
显然e*(t)应该等效于一个力
在时间上作用一段时间
所以e*(t)的量纲
这时候应该是一个冲量
我们再简单说一下采样定理
我们看这个图
在这个图里边
如果我们用红色的点来代表采样得到的信号
我们看上去这些红色的点
组成的应该是一个正弦信号
而且它是一个周期
但实际上它也可能是这条蓝线
也就是这个高频的正弦信号
经过采样以后得到的结果
所以采样定理是这样的
采样频率f要高于信号中最高频率的两倍以上
才能够得到一个正确的采样结果
下面一个概念是量化
量化是指把离散的信号e*(t)
经过AD转换变成数字信号e(kT)
我们想象一条直线
经过AD转换以后
它就会变成台阶状的曲线
这个台阶状的函数
在时间上和幅值上都是不连续的
我们叫它数字信号
下面一个概念是保持
保持是指把离散信号转变成模拟信号
保持这个功能的实现
我们需要一个零阶保持器
它的功能是把在kT时刻的信号的值
保持到kT+T时刻
比如说这个图所表示的数字信号
经过零阶保持器以后就变成这样一个图形
我们讨论一下零阶保持器的频率特性
首先零阶保持器
应该用什么样的传递函数来描述它
我们从它的单位脉冲响应的角度来看
零阶保持器它的单位脉冲响应是这样的
它相当于在0时刻出现一个单位阶跃
然后又在T时刻出现一个0到-1的阶跃
这两个信号的叠加
就是零阶保持器的单位脉冲响应
我们对这样一个单位脉冲响应
做拉普拉斯变换就可以得到零阶保持器的
传递函数
它是1/s×(1-e^(-Ts))
那这样一个传递函数
它的频率特性是什么样的呢
我们把s换成jω
代入到它的传递函数里面去
我们把分子上的1
写成e^(j(ωT)/2-j(ωT)/2)
这样经过变换以后
这个频率特性等于
T×sin(ωT/2)/(ωT/2)×e^(-jωT/2)
T×sin(ωT/2)/(ωT/2)×e^(-jωT/2)
我们对这个结果取模就得到它的幅频特性
它的模是这个式子
也就是它实际上是一个sinc函数
我们再看它的相位
很显然它的相位等于-ωT/2
我们把它的幅频和相频特性
画成曲线如这个图所示
我们看到零阶保持器
在幅频特性上大致上是一个低通的性质
在相频特性上
它等效于一个延迟时间是T/2的延迟环节
-课程介绍1
--课程介绍1
-课程介绍2
--课程介绍2
-1.1 控制工程的发展
--控制工程的发展
-1.2 控制系统的分类
--控制系统的分类
-1.3 闭环系统的结构
--控制系统的结构
-第1章课后练习--作业
-2.1 系统的微分方程（一）
-2.2 系统的微分方程（二）
-2.3 Laplace变换的定义
-2.4 Laplace变换的定理
--Video
-2.5 Laplace反变换
--Video
-2.6 Laplace变换法解微分方程
--Video
-2.7 传递函数
--Video
-2.8 传递函数的一般形式
--Video
-2.9 控制系统的方块图
--Video
-2.10 方块图的化简
--Video
-2.11 建立数学模型——温控箱
--Video
-2.12 方块图——直流电机
--Video
-2.13 闭环与开环传递函数
--Video
-第2章 控制系统的动态数学模型--第2章 课后习题
-3.1 时域响应概述
-3.2 一阶系统的瞬态响应
-3.3 二阶系统的瞬态响应
-3.4 极点位置与响应特性的关系
-3.5 高阶系统的瞬态响应
-3.6 瞬态响应性能指标
-第3章 时域瞬态响应分析--第3章 课后练习
-4.1 频域法概述
-4.2.1 频率特性的定义
-4.2.2 频率特性的意义及表示形式
-4.2.3 频率特性的求取
-4.3.1 典型环节的Nyquist图
-4.3.2 Nyquist图的作图方法
-第4章 控制系统的频率特性--第4章 课后练习（一）
-4.4.1 典型环节的Bode图
-4.4.2 一般系统Bode图的作图方法
-4.4.3 最小相位系统的Bode图
-4.5.1 Bode图与传递函数的对应关系
-4.5.2 Bode图与传递函数的对应关系举例
-4.6 系统的开环和闭环频率特性的关系
-第4章 控制系统的频率特性--第4章 课后练习（二）
-5.1 控制系统的稳定性
-5.2 劳斯判据
--5.2 劳斯判据
-5.3 映射定理
--5.3 映射定理
-5.4 Nyquist稳定性判据
-5.5 Nyquist判据具体应用1
-5.5 Nyquist判据具体应用2
-5.5 Nyquist判据具体应用3
-5.6 控制系统的相对稳定性
-第5章 控制系统的稳定性分析--第5章 课后习题
-6.1 闭环控制系统的稳态误差
-6.2 输入引起的稳态误差1
-6.2 输入引起的稳态误差2
-6.3 干扰引起的稳态误差
-6.4 叠加动态特性与输入无关
-第6章 控制系统的误差分析和计算--第6章 课后练习
-7.1 闭环系统瞬态响应与频率特性的关系
-7.2 开环与闭环频率特性的关系
-7.3 开环频率特性与闭环瞬态响应的关系
-7.4 准确性及时频关系例子
-7.5 期望的开环频率特性
-第7章 控制系统的综合与校正--第7章 课后练习（一）
-7.6 控制器——比例、积分
-7.7 控制器——比例-积分
-7.8 控制器——比例-微分
-7.9 控制器——PID
-7.10 直流电机伺服系统
-7.11 最优阻尼比
-7.12 I型最优模型
-7.13 PID控制器的参数计算
-第7章 控制系统的综合与校正--第7章 课后练习（二）
-8.1 计算机控制系统的结构
-8.2 z变换
--8.2 z变换
-8.3 s平面与z平面的映射关系
-8.4 控制器的模拟化设计方法
-第8章 计算机控制系统--第8章 课后练习
