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2023-07-02
离散控制系统基本概念
【摘要】：通常把系统中的离散信号是脉冲序列形成的离散系统，称为采样控制系统或脉冲控制系统；而把数字序列形成的离散系统，称为数字控制系统或计算机控制系统。对于这类控制对象，如果采用连续控制方式，其控制效果不会很好，应该运用采样控制系统的方式进行控制。下面以工业炉温自动控制系统为例做进一步说明。图8-4数字控制系统结构图
通常把系统中的离散信号是脉冲序列形成的离散系统，称为采样控制系统或脉冲控制系统；而把数字序列形成的离散系统，称为数字控制系统或计算机控制系统。离散控制系统特点是：从系统结构上看，含有采样开关；从信号传递上看，系统中某一处或几处信号是以脉冲或数字形式传递的。
1.采样控制系统
连续控制系统对被调制量连续不断地进行检测和控制，其系统结构如图8-1所示。
图8-1 连续控制系统结构图
图8-1中连续系统的r（t）、c（t）和e（t）等都是时间t的连续函数。然而在实际工业控制系统中，有些控制对象的惯性很大并且具有滞后特性。对于这类控制对象，如果采用连续控制方式，其控制效果不会很好，应该运用采样控制系统的方式进行控制。采样控制系统结构如图8-2所示。
图8-2中采样系统的输入信号r（t）是时间t的连续函数，e*（t）是e（t）连续误差信号经过采样开关后，获得的一系列离散的误差信号。e*（t）作为脉冲控制器的输入，经控制器对信号进行处理，在经过保持器（或滤波器）恢复为连续信号，对受控对象实施控制。
图8-2 采样控制系统结构图
连续系统与采样控制系统既有区别也有联系。相同点：（1）采用反馈控制结构相同；（2）同样由被控对象、测量元件和控制器组成；（3）控制系统的目的相同；（4）系统分析的内容相同。不同点：连续信号通过保持器保持数据，采样控制信号通过采样器采集。采样控制的优点是精度高、可靠、有效抑制干扰、通用性好。采样周期是一个非常重要、特殊的参数，会影响系统的稳定性、稳态误差、信号恢复精度。下面以工业炉温自动控制系统为例做进一步说明。
图8-3（a）中工业炉具有滞后特性的惯性环节。当炉温θ偏离给定值时，热敏电阻的阻值发生变化，直流电桥失去平衡，检流计有电流流过，指针发生偏转，设转角为β。检流计是高灵敏度元件，不允许指针与电位器之间存在摩擦力，故设一同步电机通过减速器驱动凸轮旋转，使指针周期性地上下运动，并且每隔T秒与电位器接触一次，每次接触时间为τ（采样），则电位器输出为一串宽度为τ、周期为T的离散脉冲电压信号，用e*（t）表示。e*（t）经过放大器、电动机、减速器去控制炉门角度φ的大小，改变加热气体的进气量，使炉温趋于给定值。改变给定电位器的电阻值，还可以使给定炉温发生变化。在该系统中，检流计的输出转角β是连续变化的，但是通过指针和旋转凸轮的作用后，电位器输出离散值e*（t），把连续信号变为离散信号的过程称为采样。在本系统中有了诸如指针、凸轮这些元部件后，使得原来系统至少有一处存在离散信号，这样系统称为采样系统，凸轮就成为采样器（采样开关），如图8-3（b）中的K。
图8-3 工业炉温自动控制系统
2.数字控制系统
由于数字信息处理技术以及数字接收机技术的迅速发展，使得计算机，尤其是微型计算机在工业自动控制领域中的应用越来越广泛。数字控制系统就是指系统中具有计算机或数字控制器的自动控制系统。图8-4是个典型的数字控制系统的结构图。该系统的特点就具有对数字量进行处理的计算机或者数字控制器。就一般的工业控制而言，被控制对象的输入信号一般为连续信号（模拟信号），而偏差信号也为连续信号，但是数字计算机在进行信号处理时接受的是数字信号，所以必须进行信号的切换。将连续时间信号转换为离散数字信号的过程称为模—数转换（A/D），反之，则称为数—模转换（D/A），这是数字控制的必要过程。现将各个过程简述如下。
A/D转换器的功能就是完成模—数转换工作，其工作过程包括了采样、量化、编码。
D/A转换器将数字信号恢复为连续信号的过程，一般由保持电路实现。零阶保持是在两个采样值之间，令输出保持为上一个采样值的值。由于经过保持电路后形成的信号不平滑，所以还须加一模拟低通滤波器进行滤波，使输出为平滑模拟连续信号。计算机数字控制的另一个特点是由计算机本身的工作特点决定。计算机在进行数字处理时必须逐个接受数字量，然后按一定规则进行运算，尽管现在计算机运行速度相当快，但还是需要花费一定的时间，因此计算机的工作只能输入一次，运算一次，输出一次，然后重复这一过程。所以就输入输出而言，数字计算机也是一种在时间上断续工作的系统，这种系统实质上是一类离散时间控制系统。
图8-4 数字控制系统结构图
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