數字控制系統中的延時(shí)，你知道多少?

　　隨著(zhù)MCU、DSP等芯片技術(shù)的高速發(fā)展，數字控制系統幾乎占據了原來(lái)模擬控制系統把持的大部分江山。而且其開(kāi)發(fā)設計相比模擬控制系統來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)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(xiě)，然后弄幾個(gè)定時(shí)中斷跑跑，只要程序執行時(shí)間不超過(guò)中斷周期，就萬(wàn)事大吉了呢?有沒(méi)有改進(jìn)的空間?

　　對于一些比較簡(jiǎn)單的系統，這當然沒(méi)有問(wèn)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，需要我們注意或者說(shuō)可以改進(jìn)的地方還是挺多的，這里就說(shuō)一下數字控制系統中的延時(shí)問(wèn)題。

　　首先，一個(gè)高性能的數字控制系統是需要有反饋的，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(guò)A/D轉換送到控制器中，這就產(chǎn)生了第一類(lèi)的延時(shí)問(wèn)題，即采樣-保持延時(shí)。這個(gè)延時(shí)并不是值A/D轉換器本身的S/H窗口的時(shí)間和轉換時(shí)間，因為在大多數情況下，這個(gè)時(shí)間都是ns級別的，相對于幾十到幾百u(mài)s的控制周期是微不足道的。這個(gè)采樣-保持延時(shí)是數字控制技術(shù)本身導致的，因為數字控制技術(shù)一般使用定時(shí)的采樣，在每次采樣的時(shí)候，采集到的數據和實(shí)際數據是一致的，但是在下一次采樣時(shí)刻到來(lái)之前，系統只能使用本次采樣時(shí)刻采集到的數據，這就相當于控制中使用的都是“舊”的數據，系統在兩次采樣時(shí)刻直接，也相當于運行在某種開(kāi)環(huán)狀態(tài)下。這種延時(shí)平均算下來(lái)是半個(gè)采樣時(shí)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。

　　轉速的信息則使用編碼器或者觀(guān)測器估算。觀(guān)測器的暫且不管，因為設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(gè)孤立的采樣點(diǎn)上是無(wú)法計算速度的，至少要有兩個(gè)點(diǎn)并且知道了兩點(diǎn)間的時(shí)間差才能計算，這個(gè)時(shí)間差同時(shí)也造成了一種相位上的滯后，其滯后就是這個(gè)時(shí)間差，利用數值分析技術(shù)中的逆梯形微分可以較好地消除這種延時(shí)。

　　最后一種我們很少會(huì )提起的延時(shí)就是計算延時(shí)，貌似在控制教材里很少提起過(guò)，因為它們都太專(zhuān)注于數學(xué)運算了，實(shí)質(zhì)性的東西反而沒(méi)多少。這種延遲的具體時(shí)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(shí)間越長(cháng)，這個(gè)延時(shí)有時(shí)候是無(wú)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(zhuān)門(mén)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(shí)間也越長(cháng)，仔細地修飾代碼可以減小這種延時(shí);離散方法的問(wèn)題，例如同樣的一個(gè)積分環(huán)節，使用雙線(xiàn)性變化法和前向歐拉法就存在一個(gè)采樣周期的延時(shí)差別，這個(gè)延時(shí)的減小需要在設計離散化算法時(shí)特別注意。

　　以上的三種延時(shí)加在一起，就構成了數字控制系統中的計算延時(shí);再把那些數字濾波器神馬的延時(shí)都加在一起，整個(gè)系統的穩定裕度也剩余不多了，當總相位延時(shí)為180度，反饋增益又為1的時(shí)候，系統就崩潰了。

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