數位控制

數位控制（Digital control）是控制理論中的一種，利用數位電子計算機作為控制器。 數位控制系統可以是單片機、特殊套用積體電路（ASIC），也可以是標準的桌上型電腦，依需求而定。

基本介紹

• 中文名：數位控制
• 外文名：Digital control
• 性質：離散系統
• 學科：電子工程

定義

數位控制系統屬於離散系統，其中會用Z轉換代替拉普拉斯變換。而數位電腦的精度是有限的（參見量化），因此需額外考慮係數的誤差、模擬數字轉換器、數位類比轉換器是否會造成非預期的影響。

第一台數位電腦阿塔納索夫-貝瑞計算機在1940年代初問世，現今的數位電腦價格和之前相比有大幅的下降。數位電腦因為以下原因成為控制系統中的關鍵元件。

• 便宜：許多微控制器的價格在美金5元以下。
• 彈性：容易透過軟體進行規劃，也可以重新規劃。
• 擴充性：只要沒有超過記憶體或是儲存裝置的限制，程式可以在不用其他成本的情形下進行擴充。
• 適應性：程式參數可以隨時間而調整（自適應控制）。
• 靜態條件：和電容器、電感元件相比，數位電腦比較不容易受到環境條件的影響。

數位控制器的實現

在回控系統中，數位控制器一般會和受控設備串接，系統其餘的部分可能是數位的，也可能是類比的。

一般而言，數位控制器會需要：

• 類比數位轉換器將類比訊號轉換為機器可以讀取（數位）的格式。
• 數位類比轉換器將輸出輸出轉換為可以輸出給受控設備的類比訊號。
• 將輸入轉換為輸出的程式

輸出程式

數位控制器的輸出是輸入取樣、以前輸入取樣、以前輸出取樣值的函式，這可以用在暫存器存放不同時間輸入及輸出的數據來達成。輸出可以表示成上述數值加權相加後的和。

程式有許多不同的形式，也可以表示許多的函式。

• 低通濾波用的數字濾波器。
• 系統的狀態空間模型，可以做為狀態觀測器使用
• 遙測系統

穩定

數位控制器的穩定性和類比控制器不同，可能同一種控制用類比控制器實現時是穩定的，但是用數位控制器實現時，會因為取樣周期太長而變的不穩定。在取樣時的混疊會改變截止參數，因此取樣率會影響系統的暫態回響以及其穩定性，而且需要快速的更新控制器的輸入，以避免因為更新不及而造成不穩定。

若將系統的頻率轉換為z運運算元，也可以將穩定性判據套用在數位系統中。奈奎斯特穩定判據可以套用在z域的轉換函式，也可以用在複變函數中。波德穩定性理論也大致可以採用。

可以透過數位系統的特徵多項式來判斷系統的穩定性。

模擬數字轉換器

模擬數字轉換器（英語：Analog-to-digital converter, ADC, A/D or A to D）是用於將模擬形式的連續信號轉換為數字形式的離散信號的一類設備。一個模擬數字轉換器可以提供信號用於測量。與之相對的設備成為數字模擬轉換器。

典型的模擬數字轉換器將模擬信號轉換為表示一定比例電壓值的數位訊號。然而，有一些模擬數字轉換器並非純的電子設備，例如旋轉編碼器，也可以被視為模擬數字轉換器。

數位訊號輸出可能會使用不同的編碼結構。通常會使用二進制二補數（也稱作“補碼”）進行表示，但也有其他情況，例如有的設備使用格雷碼（一種循環碼）。