论文总字数：17592字

摘 要

随着我国经济社会的快速发展以及工业现代化的持续推进，生产方式的机械化、自动化、无人化正在成为未来的发展方向。在这样的大背景、大潮流之下，自动控制技术的重要地位日趋凸显，如何实现被控对象的精准控制也正是当下研究的热门方向。而最少拍控制系统就是这样一种基于准确被控对象而建立的控制算法，它以其能够快速响应、没有稳态误差等优良的控制性能，正被广泛应用于工业生产的过程控制之中。

本文将通过经典的自动控制理论来对最少拍系统进行理论分析和介绍，并且通过三种具体的典型输入信号来阐述最少拍控制系统的特点。并通过对有纹波最少拍系统的深入研究，我们会认识一种全新的且性能更加优良的最少拍控制系统(这就是无纹波最少拍控制系统)。同时本文也将介绍怎样具体实现无纹波的最少拍控制系统的构建。

在进行完最少拍控制系统的理论研究后，本文后续章节将对最少拍控制系统进行实验设计和仿真，并着重围绕如何利用matlab仿真平台simulink对系统进行设计，并实现对最少拍控制系统的仿真。在利用simulnk仿真演示的同时，我们将对的仿真结果进行分析，最后得出最少拍控制系统在simulink仿真状态下的真实性能表现与理论的一致性。

Abstract:

The past decades have witnessed the swift development of China's economy. The mechanization, automation, and unmanned control methods are becoming the future development hot direction. Under such a big background and big trend, the important position of automatic control technology is becoming more and more prominent. How to achieve precise control of the controlled object is also the hot direction of current research. The dead-beat control system is such a control algorithm based on accurate controlled objects, which is being widely used in process control of industrial production with its excellent control performance (fast response, no steady-state error) .

This article will introduce and analyze the least-beat system through the classic automatic control theory, and explain the characteristics of the least-beat system through three specific typical input signals. And through in-depth research on the dead-beat control system with ripple, we will know a new and better performance from the dead-beat control system (this is the dead-beat control system without ripple). At the same time, this article will also introduce how to realize the construction of the dead-beat control system without ripple.

After the theoretical study of the dead-beat control system, the following chapters of this article will conduct an experimental simulation of the dead-beat control system, focusing on how to use Matlab simulation platform (simulink) to achieve the dead-beat system simulation. At the same time, we will analyze the simulation results, and finally get the real performance of the dead-beat control system in the Simulink simulation state.

中文关键字

最少拍控制 离散系统 闭环传递函数 波纹 典型输入

Key words

The dead-beat control Discrete system Closed loop transfer function

Ripple Typical input

目录

第1章 绪论 1

1.1 最少拍控制系统及其控制器的定义 1

1.2 最少拍控制系统的发展 1

1.3 最少拍控制系统的应用 2

第2章 最少拍控制系统的优势 3

2.1 时间最优 3

2.2 稳定性 4

第3章 研究方案 5

3.1 最少拍控制系统理论研究 5

3.1.1 最少拍控制系统中数字控制器传递函数D(z)的设计 5

3.1.2 系统应该达到目标 6

3.1.3 常见的典型输入信号及其一般形式 6

3.1.4 单位阶跃输入信号作用下的最少拍控制系统 7

3.1.5 单位斜坡输入信号作用下的最少拍控制系统 8

3.1.6 单位加速度输入信号作用下的最少拍控制系统 10

3.2 无波纹的最少拍控制系统理论研究 11

3.2.1 最少拍控制系统产生波纹之原因 11

3.2.2 无波纹最少拍系统的实现方法 12

3.2.3 无纹波最少拍控制系统的确定 12

第4章 最少拍控制系统的实验设计与仿真 13

4.1 仿真环境 13

4.2 单位阶跃信号下的最少拍系统（有波纹）仿真 16

4.3 单位斜坡信号下的（有波纹）最少拍系统仿真 19

4.4 单位加速度信号下的（有波纹）最少拍系统仿真 21

第5章 无纹波最少拍控制系统实验设计和仿真 23

5.1 单位阶跃信号下的无波纹最少拍系统仿真 24

5.2 单位斜坡信号下的无波纹最少拍系统仿真 27

5.3 单位加速度信号下的无波纹最少拍系统仿真 29

31

第6章 总结 31

参考文献 32

致谢 33

绪论

最少拍控制系统及其控制器的定义

所谓的最少拍控制系统，通常是指能在典型输入作用下在采样时刻没有稳态误差，而且能够以有限的拍数完成响应过程的离散控制系统。故最少拍控制系统是离散控制系统的一个子类。这里还有一个重要的概念，上面所提到的“拍数”是指离散系统采样过程中采样周期的数目。

图 1‑1

最少拍控制系统的发展

一般来说自动控制系统可以分为离散系统、连续系统两大类，而最少拍控制系统就是离散控制系统的一个重要的组成部分。十八世纪左右英国工业革命的迅猛出现，极大的推动了包括自动控制理论在内的自然科学的发展与完善。这门研究系统中变量运动规律的学科最早应用于1787年瓦特蒸汽机的离心式调速器之上；在大概一九三零年左右，现在人们熟知的《自动控制理论》逐步完善并形成了一门独立严谨的学术学科^[1]。

自动控制理论的不断丰富使得最少拍控制系统应运而生。美国著名的数学大师卡尔曼（R.E.Kalman），是自动控制系统能观测性以及能控性概念的最早提出者，这个伟人于上世60年代提出了最少拍控制系统(Dead Beat Control System)这一绝妙的控制理论。这样一种具有快速跟踪输入信号并能很快实现结束响应的控制系统一诞生便颇受关注，尽管最早的有纹波最小拍控制系统有些许缺点：

1) 有纹波的最少拍系统对不同输入形式的适应性不是很好。

2) 有纹波的最少拍系统只能保证在采样时刻上误差为恒值或者零，但是在所谓的采样时刻之间有数值偏差的情况存在^[2]。

但瑕不掩瑜，最少拍控制系统能做到快速而且准确动态响应，这是其它几乎任何控制系统无法比拟的优势。

然而，人们对这种特殊的控制系统有了更多的要求与期待。由于这种有纹波的在最少拍控制系统在系统采样时刻之间（也即通常所谓的非采样时刻）存在一定的偏差，这就会在无形之中浪费执行机构的功率，同时增加机械设备的损耗，这往往都是工程上所不愿见到的^[3]。

后来，研究人员终于找到问题的关键所在。原来最少拍控制系统之所以会产生纹波的主要症结在于数字控制器D(z)（如图 1‑1所示）的输出序列经过有限节拍后不能与系统同步进入稳态。在当数字控制器D(z)的输入信号已经为零时，其输出的信号却还在上下波动，这样就导致最少拍系统在所谓的非采样时刻会产生纹波^[4]。

请支付后下载全文，论文总字数：17592字