离散控制系统

离散系统中信号在时间上是离散的(采样序列),需要用差分方程和 z 变换描述。计算机控制系统是典型的离散系统。


采样与保持

采样定理(Shannon 定理)

若连续信号 的最高频率为 ,则采样频率 必须满足:

否则产生频谱混叠(aliasing),高频分量折叠到低频,信息丢失。

零阶保持器(ZOH)

将采样值保持到下一个采样时刻:,

ZOH 的传递函数:

频率响应幅值呈 形滚降,引入 的相位滞后。


z 变换

定义

常用 z 变换对

(单位阶跃)
(斜坡)

基本性质

  • 终值定理:
  • 初值定理:
  • 时移:

与 Laplace 变换的关系

平面的左半平面映射到 平面的单位圆内。


脉冲传递函数

定义

离散系统在零初始条件下,输出 z 变换与输入 z 变换之比:

含 ZOH 的脉冲传递函数

开环脉冲传递函数

  • 串联:(各含采样开关时)
  • 闭环:

离散系统稳定性

稳定条件

所有闭环极点在 平面单位圆内:

变换(双线性变换)

将 平面单位圆内映射到 平面左半平面 → 可使用 Routh 判据。

Jury 稳定判据

直接在 域判断多项式 的根是否全部在单位圆内(类似 Routh 判据的离散版本)。


离散系统稳态误差

终值定理

静态误差系数

系统型别阶跃输入斜坡输入
0 型
I 型0

与连续系统类似,型别 = 中 处极点的个数。


数字校正

数字控制器设计流程

  1. 求含 ZOH 的广义对象脉冲传递函数
  2. 在 域设计控制器 (使用 Bode 图等连续方法)
  3. 反变换 得到数字控制器
  4. 实现为差分方程

最少拍控制

使系统在最少采样周期内达到稳态(无稳态误差):针对特定输入(阶跃/斜坡)设计。


物理直觉

z 变换 = 离散版的 Laplace 变换

  • → 连续域分析工具
  • → 离散域分析工具
  • 平面单位圆 ↔ 平面左半平面(稳定性区域)

采样 = 信息抽取

  • 采样越快 → 信息损失越少 → 离散系统越接近连续系统
  • 但计算量增加,且可能引入量化误差
  • 工程经验:

与已有知识的关联


来源:胡寿松 自动控制原理 第八版 深度解析 Ch.7