隨著數(shù)字控制系統(tǒng)性能的不斷提升 延時可忽略不計

隨著MCU、DSP等芯片技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)幾乎占據(jù)了原來模擬控制系統(tǒng)把持的大部分江山。而且其開發(fā)設(shè)計相比模擬控制系統(tǒng)來說要簡單了許多，使得人們很容易上手。那是不是只要我們把程序用C代碼一寫，然后弄幾個定時中斷跑跑，只要程序執(zhí)行時間不超過中斷周期，就萬事大吉了呢？有沒有改進的空間？

對于一些比較簡單的系統(tǒng)，這當然沒有問題：跑馬燈或者蜂鳴器永遠不需要關(guān)心后臺的控制器在做神馬;但是對于一些需要高性能處理能力的測試、控制系統(tǒng)，需要我們注意或者說可以改進的地方還是挺多的，這里就說一下數(shù)字控制系統(tǒng)中的延時問題。

首先，一個高性能的數(shù)字控制系統(tǒng)是需要有反饋的，例如在電機的控制里面，就需要電機電流、轉(zhuǎn)速等信息。電流、電壓等是模擬量，需要把傳感器的輸出信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送到控制器中，這就產(chǎn)生了第一類的延時問題，即采樣-保持延時。這個延時并不是值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器本身的S/H窗口的時間和轉(zhuǎn)換時間，因為在大多數(shù)情況下，這個時間都是ns級別的，相對于幾十到幾百us的控制周期是微不足道的。這個采樣-保持延時是數(shù)字控制技術(shù)本身導致的，因為數(shù)字控制技術(shù)一般使用定時的采樣，在每次采樣的時候，采集到的數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)是一致的，但是在下一次采樣時刻到來之前，系統(tǒng)只能使用本次采樣時刻采集到的數(shù)據(jù)，這就相當于控制中使用的都是“舊”的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在兩次采樣時刻直接，也相當于運行在某種開環(huán)狀態(tài)下。這種延時平均算下來是半個采樣時間，減小這種延遲的方法自然是提高采樣頻率了，這需要更快的A/D。

轉(zhuǎn)速的信息則使用編碼器或者觀測器估算。觀測器的暫且不管，因為設(shè)計到更復雜的計算方法;就速度這物理量本身而言，顯然在一個孤立的采樣點上是無法計算速度的，至少要有兩個點并且知道了兩點間的時間差才能計算，這個時間差同時也造成了一種相位上的滯后，其滯后就是這個時間差，利用數(shù)值分析技術(shù)中的逆梯形微分可以較好地消除這種延時。

最后一種我們很少會提起的延時就是計算延時，貌似在控制教材里很少提起過，因為它們都太專注于數(shù)學運算了，實質(zhì)性的東西反而沒多少。這種延遲的具體時間是不確定的，取決于很多因素，例如算法的復雜程度，越復雜則計算所花的時間越長，這個延時有時候是無法避免的，除非使用更高性能的處理器，或者使用協(xié)處理器專門完成復雜任務(wù);編程的技巧，越冗余、粗糙的代碼計算所花的時間也越長，仔細地修飾代碼可以減小這種延時;離散方法的問題，例如同樣的一個積分環(huán)節(jié)，使用雙線性變化法和前向歐拉法就存在一個采樣周期的延時差別，這個延時的減小需要在設(shè)計離散化算法時特別注意。

以上的三種延時加在一起，就構(gòu)成了數(shù)字控制系統(tǒng)中的計算延時;再把那些數(shù)字濾波器神馬的延時都加在一起，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度也剩余不多了，當總相位延時為180度，反饋增益又為1的時候，系統(tǒng)就崩潰了。

在模擬控制系統(tǒng)中，因為沒有定時采樣這些概念，信號的變化都是實時的、連續(xù)的，所以其性能在某些場合仍是數(shù)字系統(tǒng)不能完全比擬的，這也就能解釋為什么在國外一些大公司的產(chǎn)品設(shè)計中，某些關(guān)鍵的控制系統(tǒng)仍然在使用模擬控制系統(tǒng)。當然，隨著數(shù)字控制系統(tǒng)性能的不斷提升，這些延時造成的穩(wěn)定裕度下降也許有天可以達到忽略不計的水平。