计算机控制技术.ppt

开课目的和任务 工业控制是计算机的一个重要应用领域 计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程 并设计出所需要的计算机控制系统 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件 软件基础知识和基本应用技术 课程总目录 绪论输入输出接口与过程通道数字控制技术计算机控制系统数学基础常规及复杂控制技术现代控制技术应用程序设计与实现技术 课程总目标 学完本课程后 你应具有以下能力 熟悉计算机控制系统的组成原则了解计算机控制系统结构掌握计算机控制系统设计的方法把握计算机控制系统的发展方向灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题 课程安排 理论教学26学时实验单独设课 6学时 共3个实验 考核办法 平时成绩 20 期末考试成绩 80 参考书目 1 计算机控制系统 李元春等编著 高等教育出版社2 计算机控制技术 姜学军编著 清华大学出版社3 微型计算机控制技术 潘新民等编著 电子工业出版社4 计算机控制技术 冯培悌编著 浙江大学出版社5 期刊 工业控制机 技术性比较强 测控技术 电气自动化 自动化仪表 工业仪表与自动化装置 化工自动化及仪表等等 第1章绪论 内容提要计算机控制系统概述计算机控制系统的典型形式工业控制机的组成结构及特点计算机控制系统的发展概况及趋势 本章要求 重难点 基本要求 了解计算机控制系统及其基本组成 教学重点 计算机控制系统的典型形式 教学难点 计算机控制系统的工作原理 1 1计算机控制系统概述 自动控制在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 使机器 设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行 控制器 被控对象 被控量 自动控制系统的结构 自动控制系统的基本功能是进行信号的传递 加工 比较和控制 这些功能是由检测装置 控制器和执行机构来完成的 其中控制器是控制系统的关键部分 它决定了控制系统的控制性能和应用范围 1 1 1计算机控制系统及其组成 1 计算机控制系统 1 计算机控制系统的工作原理 工作原理 实时数据采集 实时控制决策 实时控制输出 对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入 对采集到的被控变量进行分析和处理 并按已定的控制规律 决定将要采取的控制行为 根据控制决策 适时地对执行机构发出控制信号 完成控制任务 2 在线方式和离线方式 在线方式或联机方式 生产过程和计算机直接连接 并受计算机控制的方式 离线方式或脱机方式 生产过程不和计算机相连 且不受计算机控制 而是靠人进行联系并作相应操作的方式 3 实时的含义 实时 是指信号的输入 计算和输出都要在一定的时间范围内完成 而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密 实时控制系统必定是在线系统 1 1 2 计算机控制系统的组成 硬件部分 主机 接口电路 过程输入 输出通道 外部设备 操作台 主机 中央处理器 CPU 内存储器 RAM和ROM 接口电路 主机与外部设备 输入输出通道进行信息交换的桥梁 过程输入 输出通道 模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道 外部设备 操作台 输入设备输出设备外存储器 CRT 显示器或 LED 数码显示器键盘 功能键和数字键 软件 系统软件应用软件 操作系统语言加工系统诊断系统 控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序 编辑程序编译程序连接 装配程序调试程序子程序库 软件部分 数据可靠性检查程序A D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序 数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序 1 1 3 常用的计算机控制系统主机 1 可编程控制器2 工控机3 嵌入式系统 1 嵌入式微处理器ARM 2 嵌入式微控制器单片机 3 嵌入式DSP处理器 4 嵌入式片上系统SoC4 智能调节器 1 1 4 计算机控制系统的特点 计算机控制系统同连续控制系统相比 具有以下特点 1 连续控制系统中 各处信号是模拟信号 计算机控制系统是含有模拟信号和数字信号的混合系统 2 连续控制系统中 控制规律由模拟电路实现 计算机控制系统中 控制规律由计算机通过程序实现 具有很大的灵活性和适应性 3 计算机控制系统具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能 能实现复杂控制规律 4 连续控制系统中 给定值与反馈值的比较是连续进行的 控制器对产生的偏差也是连续调节的 计算机控制系统不是连续控制的 而是离散控制的 5 连续控制系统中 一般是一个控制器控制一个回路 计算机控制系统中 一个控制器分时控制多个回路 6 采用计算机控制系统 如分级计算机控制系统 集散控制系统 计算机网络控制系统等 便于实现控制与管理的一体化 是工业企业的自动化程度进一步提高 1 2计算机控制系统的典型形式1 操作指导控制系统 优点 结构简单 控制灵活和安全 缺点 要由人工操作 速度受到限制 不能控制多个对象 2 直接数字控制系统 DirectDigitalControl DDC 要求 实时性好 可靠性高和适应性强 一台计算机通常要控制几个或几十个回路 3 监督控制系统 SupervisoryComputerControl SCC 4 集散型控制系统 DistributedControlSystem DCS 5 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 6 综合自动化系统 由企业资源信息管理系统ERP EnterpriseResourcesPlanning 生产执行系统MES ManufacturingExecutionSystem 和生产过程控制系统PCS ProcessControlSystem 构成的三层结构 已成为综合自动化系统的整体解决方案 综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统 计算机集成制造系统 CIMS ComputerIntegratedManufactureSystem 计算机集成过程系统 CIPS ComputerIntegratedProcessSystem 1 程序和顺序控制 2 比例积分微分控制 PID控制 3 最小拍控制 4 复杂规律的控制 5 智能控制 二 按照控制规律分类 1 程序和顺序控制 定义 程序控制是被控制量按照一定的 预先规定的时间函数变化 被控制量是时间函数的变化 顺序控制是程序控制的扩展 在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量 而且每次设定值的给出 不仅取决于时间 还取决于对以前的控制结果的逻辑判断 2 比例积分微分控制 PID控制 定义 调节器的输出是调节器输入的比例 积分和微分的函数 PID控制是现在应用最广 最为广大工程技术人员熟悉的技术 PID控制结构简单 参数容易调整 因此 无论模拟调节器或者数字调节器 多数使用PID调节规律 这同样是我们学习的一个重点内容 3 最小拍控制 最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程 最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中 最小拍控制是我们本书内容的重点和难点 是直接离散控制系统设计 4 复杂规律的控制 在PID控制的基础上 引进了各种复杂规律的控制 比如串级控制 前馈控制 纯滞后补偿 解耦控制 最优控制 自适应控制等 组成复杂控制系统 目的 是为了解决随机扰动问题 使系统控制达到满意的性能指标 5 智能控制 智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科 可以看成三个主要理论领域的交叉或会合 即 人工智能运筹学控制理论 1 3工业控制机的组成结构及特点 1 工业控制机的硬件组成主机板 内部总线和外部总线 人 机接口 系统支持功能 监控定时器 电源掉电检测 保护重要数据的后备存储器体 实时日历时钟 磁盘系统 通信接口 输入输出通道 2 工业控制机的软件组成系统软件 支持软件 应用软件 1 3 1工业控制机的组成 1 3 2工业控制机的总线结构 总线 就是一组信号线的集合 它定义了各引线的信号 电气 机械特性 使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系 进行信息传送和通信 1 内部总线内部总线 就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线 它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽 按功能可以分为数据总线 DB 地址总线 AB 控制总线 CB 和电源总线 PB 四部分 ISA AT 总线 对XT总线的扩充 98线 16位 寻址空间16MB 数据传输率16Mbps PCI总线 在CPU和外设间插入协调数据传输的管理层 提供一致的总线接口 形成了开放的局部总线标准 而不依赖于CPU芯片 工作频率33MHz PCI总线的数据宽度为32位和64两种 数据传输率分别为133Mbps和266Mbps PCIExpress数据传输率可以达到8Gbps 1 内部总线 外部总线 计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信的连线 1 RS 232C串行通信总线2 USB串行总线 具有热插拔功能 采用 级联 方式连接各个外部设备 适用于低速外设连接 2 外部总线 可靠性高和可维修性好 环境适应性强 控制实时性好 完善的输入输出通道 丰富的软件 适当的计算精度和运算速度 1 3 3工业控制机的特点 1946年世界上第一台电子计算机ENICA问世1 计算机控制技术的发展过程 开创时期 1955 1962年 直接数字控制时期 1962 1967年 小型计算机时期 1967 1972年 微型计算机时期 1972年 至今 1 4计算机控制系统的发展概况及趋势 1 4 1计算机控制系统的发展概况 软件的发展 50年代至70年代软件发展缓慢70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制2 计算机控制理论的发展过程 采样定理 差分方程 Z变换法 状态空间理论 最优控制与随机控制 代数系统理论 系统辨识与自适应控制 先进控制技术 1 推广应用成熟的先进技术 普及应用可编程序控制器 PLC 广泛使用智能调节器 采用新型的DCS和FCS2 大力研究和发展先进控制技术 分级递阶智能控制系统 模糊控制系统 专家控制系统 学习控制系统 神经控制系统 1 4 2计算机控制系统的发展趋势 3 计算机控制系统的发展趋势 控制系统的网络化 控制系统的扁平化 控制系统的智能化 控制系统的综合化 1 5计算机控制系统的研究内容和对系统的基本要求 一 研究内容1 系统建模 自动控制系统研究的基本内容是对控制系统建立数学模型 简称系统建模 数学模型是描述系统变量之间关系的数学表达式 对连续系统为微分方程 对离散系统为差分方程 在现代控制理论中 要建立状态方程 建立系统的数学模型的方法有分析方法和实验方法 分析法是根据物理和化学定律 建立系统的动态方程 实验法是用系统辨识方法 即对系统加入已知信号 记录系统的输出 然后用数学模型近似 从而得到系统的数学模型 著名的 黑箱 建模方法 2 系统分析 系统分析是在系统给定的情况下 研究系统的稳定性 动态性能指标和稳态误差的问题 并且讨论系统的性能指标与结构参数之间的关系 一般采用时域分析和频域分析两种方法 3 系统设计 建立一个能够完成设定的控制任务 满足一定的控制要求的系统 系统控制器的设计称为校正 控制器也称为校正装置 所谓校正指在系统中加入一些可调的装置 机构 使系统的性能指标发生变化 满足设计的要求 通常讲的控制系统设计 是指控制器 校正装置 设计 二 对计算机控制系统的基本要求 1 系统必须是稳定的 稳定的控制系统 是当被控变量偏离期望时 其偏差随时间的增长逐渐减小或趋于零 稳定性是控制系统正常工作必须的条件 2 动态过程必须满足动态性能指标的要求调节时间 超调量 震荡次数等3 系统必须满足稳态误差的要求稳态误差就是稳态值与期望值之间存在的误差 由于外界结构和系统结构等因素的影响 不可能完全避免 但是一定要满足被控对象的要求 本章结束谢谢大家 输入输出接口与过程通道 第二章 基本概念 输入输出接口 简称 接口 输入输出接口技术 研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术 接口电路 是主机和外围设备之间交换信息的连接部件 使主机和外设能够协调工作 有效地完成信息交换 通道 也称为过程通道 它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道 通常有三类信息 数据信息 数字量模拟量开关量 状态信息 控制信息 过程通道与CPU交换信息的种类 内容提要 2 1总线扩展技术2 2数字量输入输出接口与过程通道2 3模拟量输入接口与过程通道2 4模拟量输出接口与过程通道2 5硬件抗干扰技术 本章重难点 基本要求 掌握输入输出接口及过程通道的设计方法 教学重点 输入输出接口与过程通道的硬件和软件的设计 教学难点 硬件抗干扰技术 本章学习目的 解决微型计算机和外部的连接问题 使计算机和外部构成一个整体 能正确 可靠 高效率的交换信息 这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题 2 2 1数字量输入输出接口技术 1 数字量输入接口三态门缓冲器74LS244MOVDX portINAL DX 2 2数字量输入输出通道与过程通道 图2 1数字量输入接口 2 数字量输出接口 锁存器74LS273MOVAL DATAMOVDX portOUTDX DL 图2 2数字量输出接口 2 1 2数字量输入通道 1 数字量输入通道的结构 图2 3数字量输入通道结构 2 输入调理电路 把现场信号经转换 保护 滤波 隔离转换成计算机能够接收的逻辑信号 1 小功率输入调理电路 图2 4小功率输入调理电路 2 大功率输入调理电路 用光电耦合器进行隔离 图2 5大功率输入调理电路 2 1 2数字量输出通道 1 数字量输出通道的结构 图2 6数字量输出通道结构框图 2 输出驱动电路 1 小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路 继电器输出驱动电路 电磁继电器主要由线圈 铁心 衔铁和触点等部件组成 简称为继电器 它分为电压继电器 电流继电器 中间继电器等几种类型 继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式 通过弱电控制外界交流或直流的高电压 大电流设备 2 大功率交流驱动电路 固态继电器 solidstaterelay 是一种既有放大作用 又有隔离作用 很适合于驱动大功率开关式执行器件 SSR是一种四端有源器件 其中的两端为输入端 另外两端是输出端 内部设有输出保护电路 固态继电器的结构 2 3模拟量输入通道 模拟量输入通道的任务 把传感器检测并经变送器转换的模拟电信号转换成二进制数字信号 经过接口送至计算机 2 3 1模拟量输入通道的组成 图2 17模拟量输入通道的组成结构 模拟量输入通道的组成 信号调理与I V变换多路转换器采样保持器采样 保持器A D转换器 2 3 2信号调理和I V变换 1 信号调理电路信号调理电路主要通过非电量的转换 信号的变换 放大 滤波 线性化 共模抑制及隔离等方法 将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号 信号调理电路是传感器和A D之间以及D A和执行机构之间的桥梁 也是测控系统中重要的组成部分 1 非电信号的检测 不平衡电桥 放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A D转换的量程范围之内 如0 5VDC 对单纯的微弱信号 可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大 当然 这两种电路都是单端放大 所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地 2 信号放大电路 1 基于ILC7650的前置放大电路 2 AD526可编程仪用放大器AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器 器件本身所提供的增益是xl x2 x4 x8 x16等五挡 它是一个完整的包括放大器 电阻网络和TTL数字逻辑电路的器件 使用时不需外加任何元件就可工作 2 I V变换 将变送器输出的电流信号变换成适于A D转换器适用的电压信号 无源I V变换有源I V变换 2 3 3多路转换器 多路转换器又称多路开关 是用来切换模拟电压信号的关键元件 理想的多路转换器其开路电阻为无穷大 其接通时的导通电阻为零 常用的多路开关有CD4051 或MC14051 AD7501 LF13508等 结构原理 CD4051 CD4051的真值表 2 3 4采样 量化及常用的采样保持器 1 信号的采样采样过程 用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程 香农 Shannon 定理 如果随时间变化的模拟信号的最高频率为 max 只要按照采样频率 S 2 max进行采样 那么取出的样品系列 f1 t f2 t 就足以代表 或恢复 f t ymax 转换信号的最大值 ymin 转换信号的最小值 n 转换后二进制数的位数 量化单位为 2 量化 量化 是用一组数码 如二进制码 来逼近离散模拟信号的幅值 将其转换成数字信号 3 采样保持器 如果直接将模拟量送入A D转换器进行转换 则应考虑到任何一种A D转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作 在转换过程中 如果模拟量产生变化 将直接影响转换精度 特别是在同步系统中 几个并联的参量需取自同一瞬时 而各参数的A D转换又共享一个芯片 所得到的几个量就不是同一时刻的值 无法进行计算和比较 所以要求输入到A D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变 但转换之后 又要求A D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化 能够完成上述任务的器件叫做采样 保持器 Sample Hold 简写为S H 1 孔径时间和孔径误差的消除 A D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称孔径时间 对随时间变化的模拟信号来说 转换期间将引起转换误差 这个误差叫做孔径误差 设模拟信号为 它的微分为 最大变化率为 在信号与横座标交点处 信号变化率最大 可能引起最大的信号误差 设孔径时间为 这时最大误差为 误差的百分数 由此可知 为了确保A D转换的精度 不得不限制信号的频率范围 为了提高模拟量输入信号的频率范围 以适应某些随时间变化较快信号的要求 可采用带有保持电路的采样器 即采样保持器 2 采样保持原理 采样保持器又叫做采样保持放大器 SHA 它的原理如图所示 它由采样开关S 保持电容C和缓冲放大器组成 其工作原理如下 S H有两种工作方式 一种是采样方式 另一种是保持方式 采样保持器一旦进入保持期 便应立即启动A D转换器 保证A D转换期间输入恒定 3 常用的采样保持器 常用的零阶集成采样保持器有AD582 LF198 298 398等 其内部结构和引脚如图 2 3 5A D转换器及其接口技术 常用的A D转换器有 计数器式双积分式逐次逼近式 A D转换器的主要技术参数 分辩率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量 n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率 2 量程量程是指所能转换的输入电压范围 l 分辨率 3 转换时间转换时间是指启动A D到转换结束所需的时间 4 对基准电源的要求设计时应该考虑外界精密基准电源 5 线性误差在满量程输入范围内 偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差 线性误差常用LSB的分数表示 如1 2LSB或1LSB 1 8位A D转换器ADC0809主要特点 分辨率8位 转换时间100 s 温度范围 40 85 可使用单一的 5V电源 可直接与CPU连接 输出带锁存器 逻辑电平与TTL兼容 电路组成及引脚功能ADC0809有28条引脚 2 12位A D转换器AD574芯片特性 采用原理 逐次逼近式内部结构 三态缓冲器 时钟脉冲源和基准电源输入电压 单通道单极性或双极性分辨率 12位转换时间 25 S封装形式 28脚双列直插式 芯片各引脚功能 AD574真值表 AD574模拟量输入电路外部连线AD574可实现单极性输入和双极性输入 3 ADC574与PC总线工业控制机接口 2 3 6模拟量输入通道模板应用举例 2 4模拟量输出接口与过程通道 模拟量输出通道的作用 模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键 它的任务是将CPU输出的数字信号转换成模拟信号去驱动相应的执行机构 以达到控制的目的 模拟量输出通道的组成 微型计算机 D A转换 接口电路 功率放大 V I变换 2 4 1模拟量输出通道的结构形式 输出保持器的作用 在新的控制信号来到之前 使本次控制信号维持不变 输出保持方案 数字量保持方案 模拟量保持方案 1 一个通道设置一个数 模转换器的形式 图2 31一个通路一个D A转换器的结构 2 多个输出通路共用一个D A转换器的结构形式 图2 32共用D A转换器的结构 2 4 2D A转换器及其接口技术 D A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置 常用的D A转换器的分辨率有8位 10位 12位等 主要技术指标有分辨率 建立时间 线性误差等 基本上与A D转换器的指标相一致 D A转换器的工作原理 1 权电阻解码型 2 R 2RT型 a 各顺序节点都是等值的b 每一节点都有两条通过2R电阻与地相连的支路c 二进制电流分配器 1 8位D A转换器DAC0832 外部结构特征采用20引脚 双列直插式集成电路芯片 分辨率8位 电流稳定时间1 s 电流输出 与TTL电平兼容 功耗20mW 2 12位D A转换器DAC1210DAC1210的主要性能及特点DAC1210是双列直插式24引脚集成电路芯片 主要技术指标 输入数字为12位二进制数字 分辨率12位 电流建立时间1 s 供电电源 5 15V 单电源供电 基准电压VREF范围 10 10V DAC1210引脚说明 图2 30DAC1210内部原理图 2 4 3单极性与双极性电压输出电路 2 4 4V I变换 1 集成V I转换器ZF2B20 图2 35V I转换电路 2 集成V I转换器AD694 图2 36AD694引脚图 AD694引脚接线表 表2 1AD694引脚接线表 AD694的基本应用 图2 37AD694的基本应用 与D A转换器的接口 2 4 5模拟量输出通道模板应用举例 图2 41PCL 726板卡组成框图 1 寄存器格式 2 D A转换程序流程D A转换程序流程如下 以通道1为例 1 选择通道地址n 1 n 1 6 2 确定D A高4位数据地址 基地址 00 3 置D A高4位数据 D3 D0有效 4 确定D A低8位数据地址 基地址 01 5 置D A低8位数据并启动转换 3 程序设计举例 PCL 726的D A输出 数字量输入等操作均不需要状态查询 分辨率为12位 000H 0FFFH分别对应输出0 100 若输出50 则对应的输出数字量为7FFH 设基地址为220H D A通道l输出50 的程序如下 C语言参考程序段如教材 汇编语言参考程序如教材 2 6硬件抗干扰技术 干扰 有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素 干扰的来源 外部干扰和内部干扰外部干扰 电源电网的波动 大型用电设备 如天车 电炉 大电机 电焊机等 的启停 高压设备和电磁开关的电磁辐射 传输电缆的共模干扰等 内部干扰 系统的软件干扰 分布电容或分布电感产生的干扰 多点接地造成的电位差给系统带来的影响等 系统抗干扰的措施 硬件抗干扰和软件抗干扰 2 6 1过程通道抗干扰技术 1 串模干扰及其抑制方法 1 串模干扰串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号 也称横向干扰或常态干扰 图2 41串模干扰示意图 2 串模干扰的抑制方法 加输入滤波器串模干扰信号频率大于被测信号频率 低通输入滤波器串模干扰信号频率小于被测信号频率 高通输入滤波器串模干扰信号在被测信号频率两侧 带通滤波器 使用双积分式A D转换器 双积分式A D转换器对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换 所以对尖峰干扰具有抑制能力 前置放大 减少电磁感应利用器件特性克服干扰 提高阈值电平可抑制低噪声干扰 采用低速逻辑器件或加电容器降低速度 可以抑制高频干扰 采用带屏蔽层的双绞线 减少电磁感应 使每个小回路的感应电势互相反相抵消 屏蔽层良好接地 就可避免干扰从传输导线窜入检测回路 2 共模干扰及其抑制方法 1 共模干扰共模干扰是指同时加到计算机控制系统两个输入端上的公有的干扰电压 也称共态干扰 图2 43共模干扰示意图 在计算机控制系统中 被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式 如下图 对于存在共模干扰的场合 不能采用单端对地输入方式 因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压 所以必须采用双端不对地输入方式如图 b 所示 图2 44被测信号的输入方式 上图中 Zs Zs1 Zs2为信号源Us的内阻抗 Zc Zc1 Zc2为输入电路的输入阻抗 由图 b 可见 共模干扰电压对两个输入端形成两个电流回路 每个输入端A和B的共模电压分别为 两个输入端的共模电压为一般情况下 共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰电压出现在两个输入端之间 为了衡量一个输入电路抑制干扰的能力 常用共模抑制比CMRR CommonModeRejectionRate 来表示 式中Ucm是共模干扰电压 Un是由Ucm转化成的常态干扰电压 CMRR越大 表明抗共模干扰能力 2 共模干扰的抑制方法 抑制共模干扰的主要措施 变压器隔离 利用变压器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来 也就是把 模拟地 与 数字地 断开 图2 45变压器隔离 光电隔离 光电耦合器能隔离干扰的原因 光耦在封闭状态下工作 靠光传送信号 切断了各部件电路之间地线的联系 输入阻抗小 干扰形式一般为大电压 小电流 而光电耦输入发光管在电流状态下工作 故可被抑制 光电隔离与变压器隔离相比 实现起来比较容易 成本低 体积也小 因此在计算机控制系统中光电隔离得到了广泛的应用 浮地屏蔽 所谓浮地 就是利用屏蔽方法使信号的 模拟地 浮空 从而达到抑制共模干扰的目的 采用仪表放大器提高共模抑制比仪表放大器具有共模抑制能力强 输入阻抗高 飘移低 增益可调等优点 是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件 仪表放大器将两个信号的差值放大 抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因 AD620 低功耗 低成本 集成仪表放大器 还有AD623等等 3 长线传输干扰及其抑制方法 1 长线传输干扰信号在长线中传输时会遇到三个问题 一是长线传输易受到外界干扰 二是具有信号延时 三是高速度变化的信号在长线中传输时 还会出现波反射现象 2 长线传输干扰的抑制方法长线传输干扰抑制的主要措施 终端匹配波阻抗RP的求解 匹配方法 图2 48终端匹配 始端匹配 图2 50始端匹配 Rsc为门A输出低电平时的输出阻抗 2 6 2CPU抗干扰技术 计算机控制系统CPU抗干扰措施 Watchdog 俗称看门狗 电源监控 掉电检测与保护 复位主要是采用监控电路MAX1232实现 1 MAX1232的结构原理 MAX1232通过监控微处理器系统供电及监控软件的执行 来增强电路的可靠性 它提供一个反弹的 无锁的 手动复位输入 下图给出了MAX1232的引脚图和内部结构图 引角描述 2 MAX1232的主要功能 1 电源监控电压检测器监控Vcc 每当Vcc低于所选择的容限时 5 容限时的电压典型时为4 62V 10 容限时的电压典型时为4 37V 就输出并保持复位信号 选择5 的容许极限时 TOL端接地 选择10 的容许极限时 TOL端接Vcc 当Vcc恢复到容许极限内 复位输出信号至少保持250ms的宽度 才允许电源供电并使微处理器稳定工作 2 按钮复位输入MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出 该端保持tPBD是按钮复位延迟时间 当PBRST升高到大于一定的电压值后 复位输出保持至少250ms的宽度 一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST 无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动 并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度 该PBRST在芯片内部被上拉到大约100 A的Vcc上 因而不需要附加的上拉电阻 3 监控定时器 Watchdog 看门狗定时器最主要的应用是用于因干扰引起的 飞程序 等出错的检测和自动恢复 下图是一个典型启动微处理器的例子 3 掉电保护和恢复运行 掉电信号由MAX1232监控电路检测得到 加到微处器的外部中断端 掉电检测电路必须在电源电压下降到CPU最低工作电压之前就提出中断申请 提前时间为几百微秒至数毫秒 当电源恢复正常时 复位信号首先检查是否有掉电标记 如果没有 按一般开机程序执行 如果有掉电标记 不应将系统初始化 而应按掉电中断服务程序相反的方式恢复现场 以一种合理的安全方式使系统继续未完成的工作 2 5 3系统供电与接地技术 1 供电技术 1 供电系统的一般保护措施计算机控制系统的一般供电结构如下图所示 建议采用开关电源 2 电源异常的保护措施 可以采用不间断电源UPS 其原理如下图所示 如果外界交流电中断时间长 就需要大容量的蓄电池组 2 接地技术 1 地线系统分析在计算机控制系统中 一般有以下几种地线 模拟地 数字地 安全地 系统地 交流地 注意 交流地绝对不允许分别与上述几种地相连 而且交流电源变压器的绝缘性能要好 绝对避免漏电现象 在过程控制计算机中 对上述各种地的处理一般是采用分别回流法单点接地 回流线往往采用汇流条而不是一般的导线 这些地之间只在最后汇集一点 并且常常通过铜接地板交汇 然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下 2 低频接地技术 一点接地技术接地措施 信号线的接地方式采用一点接地 两种接地方法 串联接地 并联接地 实用的低频接地 在一般的系统中至少要有3条分开的地线 一条是低电平电路地线 一条是继电器 电动机等的地线 称为 噪声 地线 一条是设备机壳地线 称为 金属件 地线 若设备使用交流电源 则电源地线应和金属件地线相连 这三条线应在一点连接接地 使用这种方法接地时 可以解决计算机控制系统的大部分接地问题 3 通道馈线的接地技术 电路一点地基准一个实际的模拟量输入通道 总可以简化为由信号源 输入馈线和输入放大器3部分组成 为了克服双端接地的缺点 输入回路改为单端接地方式 当单端接地点位于信号源端时 放大器电源不接地 当单端接地点位于放大器端时 信号源不接地 电缆屏蔽层的接地当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的 即使不是放大器 放大器相连时 输入线的屏蔽应接至放大器的公共端 当接地信号源与不接地放大器相连时 即使信号源端接的不是大地 输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端 4 主机外壳接地但机芯浮空 这种方法安全可靠 抗干扰能力强 但制造工艺复杂一旦绝缘电阻降低就会引入干扰 5 多机系统的接地近距离的几台计算机安装在同一机房内 可采用多机一点方法 对于远距离的计算机网络 多台计算机之间的数据通信 通过隔离的办法把地分开 例如 采用变压器隔离技术 光电隔离技术和无线电通信技术 A D与D A数据手册 Z变换及Z传递函数 第三章 1Z变换定义与常用函数Z变换 1 1Z变换的定义已知连续信号f t 经过采样周期为T的采样开关后 变成离散的脉冲序列函数f t 即采样信号 对上式进行拉氏变换 则 根据广义脉冲函数的性质 可得 对上式进行拉氏变换 则 上式中 F s 是离散时间函数f t 的拉氏变换 因复变量s含在指数e kTs中是超越函数不便于计算 故引一个新变量z eTs 设并将F s 记为F z 则 式中F z 就称为离散函数f t 的Z变换 在Z变换的过程中 由于仅仅考虑的是f t 在采样瞬间的状态 所以上式只能表征连续时间函数f t 在采样时刻上的特性 而不能反映两个采样时刻之间的特性 从这个意义上来说 连续时间函数f t 与相应的离散时间函数f t 具有相同的Z变换 即 求取离散时间函数的Z变换有多种方法 常用的有两种 1 级数求和法将离散时间函数写成展开式的形式 对上式取拉氏变换 得 例1求f t at T函数 a为常数 的Z变换 解 根据Z变换定义有 2 部分分式法设连续时间函数的拉氏变换为有理函数 将展开成部分分式的形式为 因此 连续函数的Z变换可以由有理函数求出 例2已知 a为常数 求F Z 解 将F s 写成部分分式之和的形式 1 2常用信号的Z变换 1 单位脉冲信号 2 单位阶跃信号 3 单位速度信号 4 指数信号 5 正弦信号 2Z变换的性质和定理 1 线性定理设a a1 a2为任意常数 连续时间函数f t f1 t f2 t 的Z变换分别为F z F1 z F2 z 则有 2 滞后定理设连续时间函数在t 0时 f t 0 且f t 的Z变换为F z 则有 证明 3 超前定理设连续时间函数f t 的Z变换为F z 则有 证明 4 初值定理设连续时间函数f t 的Z变换为F z 则有 所以 证明 5 终值定理设连续时间函数f t 的Z变换为F z 则有证明 6 卷积和定理设连续时间函数f t 和g t 的Z变换分别为F z 及G z 若定义则 证明 由于当i k时 7 求和定理设连续时间函数f t 和g t 的Z变换分别为F z 及G z 若有则 证明 8 位移定理设a为任意常数 连续时间函数f t 的Z变换为F z 则有证明 9 微分定理设连续时间函数f t 的Z变换为F z 则有证明 3Z反变换 所谓Z反变换 是已知Z变换表达式F z 求相应离散序列f kT 或f t 的过程 表示为求Z反变换主要有三种方法 即长除法 部分分式法和留数计算法 1 长除法设用长除法展开得 由Z变换定义得 比较两式得 则 2 部分分式法又称查表法 设已知的Z变换函数F z 无重极点 先求出F z 的极点 再将F z 展开成如下分式之和然后逐项查Z变换表 得到则 3 留数法设已知Z变换函数F z 则可证明 F z 的Z反变换f kT 值 可由下式计算根据柯西留数定理 上式可以表示为n表示极点个数 pi表示第i个极点 即f kT 等于F z zk 1的全部极点的留数之和 即 4线性定常离散系统的差分方程及其解 对于单输入 单输出的计算机控制系统 设在某一采样时刻的输出为y kT 输入为u kT 为了书写方便 用y k 表示y kT 用u k 表示u kT 在某一采样时刻的输出值y k 不但与该时刻的输入u k 及该时刻以前的输入值u k 1 u k 2 u k m 有关 且与该时刻以前的输出值y k 1 y k 2 y k n 有关 即 或 上式称为n阶线性定常离散系统的差分方程 其中ai bi由系统结构参数决定 它是描述计算机控制系统的数学模型的一般表达式 对于实际的应用系统 根据物理可实现条件 应有k 0 当k 0时 y k u k 0 用Z变换解常系数线性差分方程和用拉氏变换解微分方程是类似的 先将差分方程变换为以z为变量的代数方程 最后用查表法或其它方法 求出Z反变换 若当k 0时 f k 0 设f k 的Z变换为F z 则根据滞后定理关系可推导出 例8若某二阶离散系统的差分方程为 设输入为单位阶跃序列 解 对差分方程求Z变换得 取Z反变换得 5Z传递函数5 1Z传递函数的定义 设n阶定常离散系统的差分方程为 在零初始条件下 取Z变换则G z 就称为线性定常离散系统的Z传递函数 即 在零初始条件下离散系统的输出与输入序列的Z变换之比 5 2Z传递函数的求法 1 用拉氏反变换求脉冲过渡函数2 将g t 按采样周期T离散化 得g kT 3 应用定义求出Z传递函数 即G z 不能由G s 简单地令s z代换得到 G s 是g t 的拉氏变换 G z 是g t 的Z变换 G s 只与连续环节本身有关 G z 除与连续环节本身有关外 还要包括采样开关的作用 为了讨论方便 将上述过程简记为 例9已知解式中e Ts相当于将采样延迟了T时间 根据Z变换的线性定理和滞后定理 再通过查表 可得上式对应的脉冲传递函数为 5 3开环Z传递函数 1 串联环节的Z传递函数串联环节的Z传递函数的结构有两种况 种是两个串联环节之间没有采样开关存在 即串联环节之间的信号是连续时间信号 如图所示 G1 s Y s TU z U s Y1 s Y z 串联环节间无采样开关 G2 s G z 输出Y z 与输入U z 之间总的Z传递函数并不等于两个环节Z传递函数之积 因为两个环节之间的信号传递是一个连续时间函数 即上式对应的Z传递函数为上式中符号是的缩写 它表示先将串联环节传递函数G1 s 与G2 s 相乘后 再求Z变换的过程 另一种是两个环节之间有同步采样开关存在 如图所示 G1 s TU z U s TY1 z G2 s Y z 串联环节间有采样开关 G z 两个串联环节之间有采样开关 可由Z传递函的定义直接求出 串联环节总的Z传递函数为 由上式可知 两个串联环节之间有同步采样开关隔开的Z传递函数 等于每个环节Z传递函数的乘积 在一般情况下 很容易证明 在进行计算时 应引起注意 结论 n个环节串联构成的系统 若各串联环节之间有同步采样开关 总的Z传递函数等于各个串联环节Z传递函数之积 即如果在串联环节之间没有采样开关 需要将这些串联环节看成一个整体 求出其传递函数然后再根据G s 求G z 一般表示成 2 并联环节的Z传递函数对于两个环节并联的离散系统 输入采样开关设在总的输入端 其效果相当于在每一个环节的输入端分别设置一个采样开关 如图所示 G1 s Y s T U s Y1 s Y z b 采样开关在总输入端 G2 s T Y2 s G1 s T U s Y1 s a 采样开关在各个环节输入端 G2 s Y2 s 并联环节 Y s Y z 根据图可知 总的Z传递函数等于两个环节Z传递函数之和 即上述关系可以推广到n个环节并联时 在总的输出端与输入端分别设有采样开关时的情况 总的Z传递函数等于各环节Z传递函数之和 即 5 4闭环Z传递函数 设闭环系统输出信号的Z变换为Y z 输入信号的Z变换为R z 误差信号的Z变换为E z 则有如下定义 闭环Z传递函数 闭环误差Z传递函数 例11设离散系统如图所示 求该系统的闭环误差Z传递函数及闭环Z传递函数 Y z E z R z y t e t r t e t T H s G s 例11线性离散系统 解 G s 与H s 为串联环节且之间没有采样开关 则有闭环误差Z传递函数 又 闭环Z传递函数 5 5Z传递函数的物理可实现性 从物理概念上说就是系统的输出只能产生于输入信号作用于系统之后 这就是通常所说的 因果 关系 设G z 的一般表达式为 不失一般性 假定其中的系统m 0 n 0 其余系数为任意给定值 则其对应的差分方程为由上式知 k时刻的输出y k 不依赖于k时刻之后的输入 只取决于k时刻及k时刻之前的输入和k时刻之前的输出 故G z 是物理可实现的 若设G z 的一般表达式为不失一般性 假定其中的系统m 0 n 0 其余系数为任意给定值 则如果G z 是物理可实现的 则要求n m 否则 k时刻的输出y k 就要依赖于k时刻之后的输入 这是物理不可实现的 5 6在扰动作用下的线性离散系统 线性离散系统除了参考输入外 通常还存在扰动作用 如图所示 根据线性系统的迭加原理 系统的输出响应y t 应为参考输入r t 和扰动作用f t 分别单独作用所引起响应的迭加 1 当系统不存在扰动时的输出响应为2 当系统只存在扰动时 与之等效的方框图如图所示 F s U z u t Yf z yf t f t G2 s 扰动系统的等效方框图 D z T G1 s T 根据线性系统的迭加原理 系统只存在扰动时的输出响应为取Z变换得 3 在扰动作用下系统的输出响应为 THANKYOUVERYMUCH 本章到此结束 谢谢您的光临 常规及复杂控制技术 第四章 内容提要 数字控制器的连续化设计技术数字控制器的离散化设计技术复杂控制技术 基本要求 掌握PID控制算法及其工程实现 教学重点 数字PID控制 串级控制 直接数字控制技术 教学难点 串级控制 最少拍有波纹控制 控制系统的性能指标 三要素 模型 指标和容许控制稳态性能指标动态性能指标抗干扰性能对控制作用的限制控制量幅度 控制能量 消耗的燃料 一个计算机控制系统 既包含连续部分 被控对象 又包含离散部分 计算机 因此 人们称之为 混合系统 在采样周期相对被控过程的过渡过程时间足够短时 采样与信号重构产生的影响可以忽略不计 将A B两端向下部分可看成连续部分 则图所示的系统就等效为一个模拟系统 上述条件得不到满足时 将A B 两端向上部分视为离散部分 则图所示的系统就等效为一个离散系统 数字控制器的两类设计方法 连续化设计 采样周期短 控制算法简单的系统 忽略零阶保持器和采样器 求出系统的连续控制器 以近似方式离散化为数字控制器 离散化设计 采样周期长的或控制复杂的系统 直接使用采样控制理论设计数字控制器 4 1数字控制器的连续化设计技术 数字控制器的连续化设计 1 忽略控制回路中的零阶保持器和采样器 在S域中设计连续控制器 条件是采样周期足够短 2 通过近似方法 把连续控制器离散化为数字控制器 用计算机实现 实质 在采用周期足够短的情况下 把数字控制器 采样 A D 计算机 D A 零阶保持 看作一个整体 其输入和输出为模拟量 将其等效为连续传递函数 4 1 1数字控制器的连续化设计步骤 数字控制器的连续化设计是将图所示的计算机控制系统看作是一个连续系统 然后采用连续系统设计方法设计出模拟控制器 在满足一定条件下 做出某种近似 从而将模拟控制器离散化成数字控制器 图4 1计算机控制系统的结构图 设计步骤 设计假想的模拟控制器D S 正确地选择采样周期T 将D S 离散化为D Z 求出与D S 对应的差分方程 根据差分方程编制相应程序 并仿真校验 1 设计假想的模拟控制器D S 对下图所示的假想的连续控制系统进行设计 按照对数频率特性法 根轨迹法等连续系统的校正方法 设计出连续控制器D S 图4 2假想的连续控制系统结构图 2 选择采样周期T 完成信号恢复一般采用零阶保持器 对于小的采样周期 可把零阶保持器近似为上式表明 零阶保持器可用半个采样周期的时间滞后环节来近似 采样周期经验选择法其中 c是连续控制系统的剪切频率 连续化设计法采样频率的确定 采样频率的选择应满足其中 c是连续控制系统的剪切频率 根据经验 按照此种方法选择采样频率 不会产生信号频率混叠现象 而且由零阶保持器引入的相位延迟较小 对系统品质不会产生明显影响 采样频率的满足还应该 在一个采样周期内 计算机能完成数据采集 控制计算与控制量输出 3 将D s 离散化为D z 连续控制器离散化的目的是寻求等效的离散控制器 从信号处理的角度来看 连续控制器或称连续校正装置与滤波器没有什么两样 它改变了通过它的信号频谱 所以又被看做广义滤波器 有关连续 模拟 滤波器离散化的方法比较多 这里就常用的双线性方法 前向差分法 后向差分法加以简要的介绍 方法1 双线性变换法 推导1 级数展开z esT T很小得到 推导2 梯形积分法 映射关系 把S j 代入有 取模的平方 则 0 s平面虚轴 z 1 z平面单位园上 0 s右半平面 z 1 z平面单位园外 结论 1个稳定的系统经过双线性变换仍然是稳定的 方法2 前向差分法推导1 级数展开z esT T很小 得到且推导2 略 映射关系 把S j 代入 取模的平方有令 z 1 则对应到s平面上是一个圆 有 即当D s 的极点位于左半平面以 1 T 0 为圆心 1 T为半径的圆内 D z 才在单位圆内 才稳定 结论 稳定的系统经前向差分法转换后可能不稳定 方法3 后向差分法推导与前相差分法同理 映射关系 根据向