微型计算机控制技术第二版于海生期末复习资料.pdf

第一章 绪论第一章 绪论 1 计算机控制系统组成 作业作业 2 工作原理 作业作业 1 实时数据采集 2 实时控制决策 3 实时控制输出 4 实时显示和数据保存 5 联网通信 测控管一体化 失败 一 若控制时间间隔取的太长 则控制效果可能变差 二 若控制时间间隔取的太短 计算机在这个采样采样时间间隔内不能完成前三项工作时间间隔内不能完成前三项工作 也会引起控制质量下降 3 1 在线在线方式 在 SCC 中 生产过程与计算机连接 且受计算机控制的方式称为在线方式 离线方式 生产过程不与计算机连接 即不受计算机控制 或称为脱机方式 2 实时实时的含义 是指被控量的检测 控制信号的计算 控制信号的输出都必须在一定的 时间间隔内完成 由计算机中断自动产生 或采用查询方式产生 或由用户自行设定 一个在线的系统不一定是一个实时系统 但是一个实时系统必定是在线系统一个在线的系统不一定是一个实时系统 但是一个实时系统必定是在线系统 过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字 开关 量输入输出通道 4 按完成的功能和结构 6 种典型形式 DDC SCC DCS FCS 按照控制规律分类 填空填空 1 数字程序和顺序控制 2 PID 控制 调节器的输出是调节器输入的比例 积分和微分的函数 3 最小拍控制 要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程 4 复杂规律的控制 5 智能控制 数字控 制器 D A控制对象 检测装置 输入 信号 输出 信号 执行机构 A D 计算机控制装置生产过程 按照控制方式的不同 计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统 5 常用的典型机型 1 单片微型计算机 内含有微处理器的特殊超大规模集成电路 专用性强 内存容量小 本身不具备自开发功能 2 PLC 可靠性高 编程容易 功能完善 扩展灵活 安装调试简单方便 3 工业 PC 小板结构模块化设计 标准化及兼容性 完善的 I O 通道 环境适应能力 强 可靠性高 软件丰富 组态软件 6 计算机控制系统的发展趋势 一 单片机 微处理器 组成的控制系统日趋先进 二 可编程逻辑控制器 PLC 得到广泛应用 三 推广使用新型的集散控制系统 DCS 四 大力发展和采用现场控制总线技术 五 大力研究和发展智能控制系统 第二章 过程输入输出通道技术第二章 过程输入输出通道技术 1 模拟量输入信道 A D 信道或 AI 信道 的任务是把被控对象的过程参数的模拟量信号转 换成计算机可以接收的数字量信号 2 多路模拟信号集中采集式 一 集中式数据采集系统的典型结构 1 多路共享采集电路分时采集 2 多路同步取样共享 A D 分时采集 3 多通道同步采样 A D 分时传输数据 多信道独立取样 A D 有通道缓存 二 分布式采集 3 典型模拟调理电路的组成框图 4 传感器的主要技术指标 将被测量 转换后续电路可用电量 填空填空 1 测量范围 与被测量实际变化范围相一致 2 测量精度 符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标 3 转换速度 带宽 符合整机要求 4 能满足被测介质和使用环境的特殊要求 5 能满足用户对可靠性和可维护性的要求 6 功耗 5 前置放大器 有利于减少电路的等效输入噪声利于减少电路的等效输入噪声 填空 总的等效输出噪声 Vin 为噪声 总的等效输入噪声 加入前放后 希望等效 V IN VIN 则 K0 1 调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器 22 00 KVKKVV ININON 2 0 2 0 0 K V V KK V V IN IN ON IN 2 1 2 0 2 1 2 0 K V V K VKV V IN IN ININ IN 2 1 2 0 2 0 2 1 ININ ININ IN VV K KVKV V 6 V I 转换电路 1 0 10V 4 20mA V I 转换电路 2 隔离型 V I 转换电路 I V 转换电路 采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号 作业作业 1 无源 I V 变换 衰减大 D 为保护二级管 RC 滤波 2 有源 I V 变换 R2 把电流转为电压 R4 可调节输出电压标准化 7 多路开关与多路分配器 多路开关 多到一的转换 双向多路开关 如 CD4051 8 路 INH 0 通 通 CD4052 双 4 路 反多路开关 一到多的转换 1 两个 CD4051 拓展为 16 选 1 作业作业 2 两个 CD4052 拓展为双 8 路 同时选通两路 A 2R 1 R V I a 无源I V变换电路无源I V变换电路 b 有源I V变换电路有源I V变换电路 图 图 2 2 电流 电压变换电路电流 电压变换电路 3R 5 R 4 R 2R 1 R I D C C V 5V 3 4 1 1 R R IR V G 1 OUT IN IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 13 14 15 12 1 5 2 4 ABC INH 3 CD4051 1 IN8 IN9 IN10 IN11 IN12 IN13 IN14 IN15 13 14 15 12 1 5 2 4 ABC INH 3 CD4051 2 D0 D1 D2 D3 8 采样 保持器 考点 简写为 S H 用逻辑电平控制其工作状态 输入到输入到 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 转换器转换器 的输入信号能够跟随模拟量变化的输入信号能够跟随模拟量变化 转换时间 A D 转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称 孔径误差 对变化快的模拟信号来说 转换期间引起转换误差 组成 模拟开关 电容电容 CH 大 保持性好 大 保持性好 小 跟随性好小 跟随性好 缓冲放大器 A 高输入阻抗 工作状态 1 跟踪状态 跟踪状态 尽可能快地接收模拟输入信号尽可能快地接收模拟输入信号并精确地跟踪并精确地跟踪其变化 直到接到保持指令其变化 直到接到保持指令止止 2 保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持 保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持 作用 作用 1 稳定 稳定 快速变化的输入信号 以减少转换误差 快速变化的输入信号 以减少转换误差 2 用来储存模拟多路开关输出的模拟信号 以便模拟多路开关切换下一个模拟信号用来储存模拟多路开关输出的模拟信号 以便模拟多路开关切换下一个模拟信号 对于输入信号变化很慢 如温度信号 或者对于输入信号变化很慢 如温度信号 或者 A D 转换时间较快 使得在转换时间较快 使得在 A D 转换期间输转换期间输 入信号变化很小 在允许的入信号变化很小 在允许的 A D 转换精度内 就不必再选用采样保持器转换精度内 就不必再选用采样保持器 按结构分为两种类型 1 串联型 优点 结构简单 缺点 其失调电压为两个运放失调电压之和比较大 影响精度 跟踪速度也较低 2 反馈型 缺点 结构复杂 优点 采样 保持精度高 原因是只有 eOS1 影 响精度 跟踪速度快 采集速率 如果在转换时间 tCONV内 正弦信号电压的最大变化不超过 1LSB 所代表的电压 则在 Um FSR 满量程 条件下 数据采集系统可采集的最高信号频率为最高信号频率为 如果允许正弦信号电压变化为 2 1 LSB 则系统可采集的最高信号频率为 可看出 系统可采集的最高信号频率受 A D 转换器的位数和转换时间的限制 t 可能误差 V 0 t 1 t f V 42 Hz 2 1 CONV max t f n 5 2 Hz 2 1 CONV 1 max t f n 例2 1 已知A D转换器的型号为ADC0804 其转换时间tCONV 100us 时钟频率为640kHz 位数 n 8 允许信号变化为 2 1 LSB 计算系统可采集的最高信号频率 注意 如果在 A D 转换器的前面加一个采样 保持器 这样就变成在 加一个采样 保持器 这样就变成在 t tAP 内讨内讨论系统 可采集模拟信号的最高频率 仍考虑对正弦信号采样 则系统可采集的信号最高频率为 结论 因为 tAP 一般远远小于 A D 转换器的转换时间 tCONV 所以 有采样 保持器的系 统可采集的信号最高频率要大于未加采样 保持器的系统 例 2 2 用采样 保持器芯片 AD582 和 A D 转 换器芯片 ADC0804 组成一个采集系统 已知 AD582 的孔径时间 tAP 50ns ADC0804 的转换时间 tCONV 100us 时钟频率 640kHz 计算系统可采集的最高信号频率 9 电路设计 1 接地 简答简答 原因 采样 保持器是一种由模拟电路与数字电路混合而成的集成电路 一般有分离的模拟 地和数字地引脚 目的 避免数字电路的突变电流对模拟电路的影响 方法 将模拟地与数字地分别分别用引线接到模拟电源和数字电源的参考点上 2 避免漏电耦合方法 1 印刷电路板布线时 应使逻辑输入端的走线尽可能远离与模拟输入端 2 将模拟信号输入端用地线包围起来 以隔断漏电流的通路 3 降低逻辑输入信号的幅值 如 5V 2 5V 3 寄生电容的影响 方法 在印刷板上做一与采样 保持器输出端相连接的短路环 把保持电容的非接地脚包围 起来 以减少寄生电容的影响 11 A D 转换器 原理 可分为逐位逼近式和双积分式 1 逐位逼近式 A D 转换原理 Hz 22 6 1010014 32 1 2 1 618 CONV 1 max t f n kH 44 12 Hz 3 12440 105014 32 1 2 1 918 AP 1 max z t f n 比较器 D A转换器 控制时序 和逻辑电路 逐位逼近寄存器 SAR 数字量 输出 寄存器 模拟量输入 Vin Vf 反馈电压 D0 D7 根据 A D 转换器的原理 一个 n 位位 A D 转换器输出的二进制数字量转换器输出的二进制数字量 B 与模拟输入电压与模拟输入电压 VIN 正基准电压正基准电压 VR 负基准电压 负基准电压 VR 的关系为 例如 一个 8 位 A D 转换器 设 VR 5 00V VR 0 V 那么当 VIN 分别为 0 V 2 5 V 5 V 时所对应的二进制数字量 B 分别为 00H 80H FFH A D 转换器的主要性能指标主要性能指标 1 分辨率 是指 A D 转换器对微小输入信号变化的敏感程度 通常用数字输出最低有效位 LSB 所对应的模拟量输入电压值模拟量输入电压值表示 2 转换时间 从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔 即完成 n 位转换所需 的时间 转换时间的倒数即每秒能完成的转换次数 称为转换速率 3 转换精度 转换精度常用 LSB 的分数值来表示 如 1 2LSB 1 4LSB 等 绝对精度 指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值 相对精度 指在满量程已校准的情况下 整个转换范围内任一数字量输出所对应的模拟 量输入电压的实际值与理想值之间的最大差值 4 线性度 理想 A D 转换器的输入输出特性应是线性的 满量程范围内转换的实际特性与 理想特性的最大偏移称为非线性度 用 LSB 的分数值来表示 如 1 2LSB 1 4LSB 等 5 转换量程 所能转换的模拟量输入电压范围 如 0 5V 0 10V 5 5V 等 6 转换输出 通常数字输出电平与 TTL 电平兼容 并且为三态逻辑输出 7 对基准电源的要求 基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响 取样取样 用时间轴上的有限时间点来代替原模拟信号的无限连续时间点 量化量化 用幅度轴上有限位数 模数转换器的有限位数 来代替模拟信号的无限位数 注意 精密度与精密度与 精确度精确度 准确度准确度 的区别的区别 简答 简答 精密度 precision 对被测量的同一值进行多次重复测量所得到结果的变动程度 测量结果的重复 程度不考虑真值究竟是多少 主要取决于重复性与稳定性 精确度 accuracy 测量值与真值或期望值间彼此一致的程度 一般精度值指误差的最大值 例题 重点重点 1 某炉温度变化范围为 0 1000 要求分辨率为 5 温度变送器输出范围为 0 5V 1 若 A D 转换器的输入范围也为 0 5V 则求 A D 转换器的字长 n 应为多少位 2 若 n 不变 现在通过变送器零点迁移而将信号零点迁移到 300 此时系统对炉温变 化的分辨率为多少 解 1 所以取 n 8 2 若字长 n 不变 变送器零点迁移而将信号零点迁移到 300 则系统的分辨率为 IN 2 R n RR VV B VV 22 1000 12017 6 5 log log n 1000300700 2 75 21255 C n 2 某控制系统 其温度变化范围为 10 60 经温度变送器变换为 1 5 电压信号 送至 12 位 A D 转换器 AD574 AD574 的电路输入范围为 5 请计算 不懂 1 当 AD574 的转换结果为 500H 时 对应的系统温度是多少 2 当系统的温度是 50 时 AD574 的 A D 转换结果是多少 解 1 2 13 ADC 的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位 大于的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位 大于 Fmax 的的 2 倍以上 偶数 倍以上 偶数 AD574A采用逐位逼近式原理 分辨率为 12 位 可选 8 位 转换时间为 25us 误差 1 2LSB 单极性或双极性输入 输出可先 8 位后 4 位 内部集成有转换时钟 参考电压源和三态输出 锁存器 单极性输入电路 D 4096 VIN VFS 或或 VIN D VFS 4096 输出数字量 D 为无符号二进制码 12 位为 4096 VIN 为输入模拟量 V VFS 是满量程 如果从 10VIN 引脚输入 VFS 10V 1LSB 10 4096 24 mV 若信号从 20VIN 引脚输入 VFS 20V 1LSB 20 4096 49 mV 双极性输入电路 D 2048 1 2VI VFS 或或 VI D 2048 1 VFS 2 例如 当模拟信号从 10 VIN 引脚输入 则 VFS 10V 若读得 D FFFH 即 111111111111B 4095 代入式中可求得 VIN 4 9976 V AD574 编程特点 5005 2561280H 12 1280 1 56 521 V V V 1 56 110 17 3 5 16010 C 0 2 C T T 15010 2 43 5 16010 V 4 43 V V 12 2 43 1965 67 521 N N C6 H E2C H 1 CE 1 CS 0 R C 0 方启动转换 2 转换开始后 STS 1 3 转换结束后 STS 0 4 采用中断或者查询法读取转换结果 5 单片机分两次读取转换结果 先读高 8 位 CE 1 12 8 0 R C 1 A0 0 再读低 4 位 CE 1 12 8 0 R C 1 A0 1 例 1 查询法设计 AD574 的程序 AD574 MOV DPTR 00H 送端口地址入 DPTR 令 P0 1 P0 0 00 即启动 12 位转换 MOVX DPTR A 启动 AD574 SETB P1 0 置 P1 0 为输入方式 LOOP JB P1 0 LOOP 检测 P1 0 口 INC DPTR 令 R C 1 读取高 8 位数据 令 P0 1 P0 0 01 即读取高 8 位 MOVX A DPTR 读取高 8 位数据 MOV 41H A 高 8 位内容存入 41H 单元 INC DPTR INC DPTR 使 R C 1 A0 1 即读取低 4 位 令 P0 1 P0 0 11 即读取低 4 位 INC DPTR INC DPTR 使 R C 1 A0 1 即读取低 4 位 MOVX A DPTR 读取低 4 位 MOV 40H A 将低 4 位内容存入 40H 单元 例 2 P44 作业 A D 转换子程序 高位地址为 BASE 1 启动子程序 ADSTART MOV DX BASE 0 启动空载端口地址 OUT DX AL NOP RES 2 读子程序 ADREAD MOV DX BASE 2 高 8 位 IN AL DX MOV AH AL MOV DX BASE 3 低 4 位 IN AL DX RET 14 开关量 数字量 输出通道 种类 1 按类型 电平式为高电平或低电平 触点式为触点闭合或触点断开 2 按电源分 有源即直接提供高 低电平 无源即提供物理触点 或感应器件 数字量输入接口 缓冲器 防止外设数据干扰数据总线 三态门缓冲器 74LS244 用来取得 设备的输入状态信息 可同时输入 8 个开关状态 数字量输出接口 锁存器 用 74LS273 作为 8 位输出锁存口 对状态输出信号进行锁存 保持到下次给出新的状态输出信号 输入调理电路作用 将信号经转换 安全保护 消除抖动 滤波 隔离处理后转换成计算机 能接收的逻辑信号 输入调理电路 消除抖动 15 大规模集成模 数转换器芯片采用的转换方法 计数器式 A D 转换 逐次逼近型 A D 转换 双斜率积分式 A D 转换 V F 变换型 A D 转换 型 A D 转换 第三章第三章 数字控制技术数字控制技术 1 基本概念 数字控制 生产机械根据数字计算机输出的数字信号 按规定的工作顺序 运动轨迹 运动 距离和运动速度等规律自动地完成工作的控制方式 数控系统 一般由数控装置 驱动装置 可编程控制器和检测装置等构成 数控装置 由输入装置 输出装置 控制器和插补器等四大部分组成 由计算机来完成 数字控制原理 求得给定的各点坐标 x 和 y 值的中间值中间值的数值计算方法 插值或插补插值或插补 插补计算宗旨宗旨是通过给定的基点坐标 以一定的速度连续定出一系列中间点 而这些 中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段 直线插补 指在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近 也就是由此定出中间点连接起 来的折线近似于一条直线 并不是真正的直线 二次曲线插补 指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近 也就是实际的中间点连线 是一条近似于曲线的折线弧 常用的二次曲线有圆弧 抛物线和双曲线等 输入 缓冲 器 输入 调理 电路 地址译码器 来 自 生 产 过 程 PC 总 线 图2 2 数字量输入通道结构 直线插补 二次曲线插补 中间点的输出控制 插补运算过程中定出的各中间点 以脉冲信号形式去控制 x y 方向上 的步进电机 1 脉冲 每一个脉冲信号代表步进电机走一步 代表加工过程中最小的加工单位 即步长 2 步长 对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量 又称为步长 常用 x 和 y 来表 示 并且总是取 x y 3 脉冲个数 步数 线段在 x 轴和 y 轴的投影长度 和脉冲当量 步长 有关 Nx Xe X0 x Ny Ye Y0 y 2 插补原理 1 脉冲增量插补 控制单个脉冲输出规律 每输出一个脉冲 移动部件都要相应移动一定 距离 通常用于步进电机控制系统 2 数据采样 增量 插补 在规定的时间内 计算每个坐标方向的增量值 刀具所在的坐 标位置及其他一些需要的值 用于直流伺服电动机和交流伺服电动机的闭环或半闭环控制 系统 重点 重点 逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理 刀具笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较 看 这点在给定轨迹的上方或下方 或是给定轨迹的里面或外面 从而决定下一步的进给方向 逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的 它与规定的加工直线或圆弧之间的 最大误差为一个脉冲当量 插补计算过程 偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判断 0123 4 2 3 4 y x 1 5 O 5 6 7 8 A 5 8 123x 0 1 2 3 4 y A 5 0 B 0 5 5 45 1234x 0 1 2 3 4 y A 4 0 B 0 4 1 2 3 4 78 56 1 四个象限的直线插补 Fm ymxe xmye x y A1 xe ye A2 xe ye A3 xe ye A4 xe ye 0 m F 0 m F 0 m F 0 m F 0 m F0 m F 0 m F0 m F 作业 画第二象限终点坐标 作业 画第二象限终点坐标 4 6 3 逐点比较法圆弧插补 逐点比较法圆弧插补 F m R m 2 R2 x m 2 y m 2 R2 圆弧插补步骤 偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判断 例 设加工第一象限逆圆弧 AB 已知起点的坐标为 A 5 0 终点的坐标为 B 0 5 试 进行插补计算并作出走步轨迹图 解 坐标进给的总步数 Nxy 0 5 5 0 10 x0 5 y0 0 F0 0 步数 偏差判别 坐标进给 偏差及坐标计算 终点判断 偏差计算 坐标计算 起点 F0 0 x0 5 y0 0 5 5 10 1 F0 0 x F1 F0 2 x0 1 9 x1 4 y1 0 9 2 F1 0 y F2 F1 2y1 1 8 x2 4 y2 1 8 3 F2 0 y F3 F2 2y2 1 5 x3 4 y3 2 7 4 F3 0 y F4 F3 2y3 1 0 x4 4 y4 3 6 5 F4 0 x F5 F4 2x4 1 7 x5 3 y5 3 5 6 F5 0 y F6 F5 2y5 1 0 x6 3 y6 4 4 7 F6 0 x F7 F6 2x6 1 5 x7 2 y7 4 3 8 F70 x F9 F8 2x8 1 1 x9 1 y9 5 1 10 F9 0 x F10 F9 2x9 1 0 x10 0 y10 5 0 4 步进电机 脉冲电机 给一个脉冲电机转一下 它是一种将电脉冲信号转换为角位移的 机电式数模 D A 转换器 靠步进电机来驱动的数控系统的工作站或刀具总移 动步数决定于指令脉冲的总数 而刀具移动的速度则取决于指令脉冲的频率 工作原理 磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合 在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻 转矩 使转子转动 使转 定子的齿对齐停止转动 A 相通电使转子 1 3 齿和 A 相轴线 对齐 B 相通电 转子 2 4 齿和 B 相轴线对齐 相对 A 相通电位置转 30 度 C 相通电 转子 1 3 齿和 C 相轴线对齐 相对 B 相再转 30 度 一个周期 磁场转动了 360 转子移动了 90 工作方式 1 单三拍工作方式 单三拍就是每次只给一个线组通电 其余的绕组断开 2 步进电机的双三拍工作方式 1234x 0 1 2 3 4 y A 5 0 B 0 5 1 2 3 4 6 7 8 5 5 5 910 3 步进电机的三相六拍工作方式 三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为 A AB B BC C CA A 共六拍 每个循环周期 有六种通电状态 所以称为三相六拍 步距角为 15 度 三相双三拍 三相绕组的通电顺序为 三相绕组的通电顺序为 AB BC CA AB 共三拍 工作方式为三相双三拍时 每通入一个电脉冲 转子也是转 30 即 30 5 伺服系统 随动系统 及其组成 定义 在自动控制系统中 把输出量能够以一定准确度跟随输入量变化的系统 组成 由伺服驱动装置和驱动元件 执行元件 即伺服电机 组成 高性能的还有检测装置 1 伺服系统的基本要求 稳定性好 精度高 快速响应好 2 伺服系统的主要特点 精确的检测装置 多种反馈比较原理与方法 高性能伺服电动机 宽调速范围的速度调节系统 速度伺服系统 3 直流伺服电机的工作原理和控制方式 实质 他励式直流电机 控制方式 电枢控制和磁场控制 4 交流伺服电机的工作原理和控制方式 实质 两相感应电动机 定子上装有两相对称绕组 作为励磁绕组和控制绕组 转速 是随控制电压的变化而改变的 控制方式 幅值控制 相位控制和幅相控制 第四章 第四章 常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术 40 50 分 分 一 数字控制器的连续化设计步骤 控制器 D z 的输入量是偏差 U k 是控制量 H S 是零阶保持器 G S 是被控对象的传递函数 步骤 作业 1 设计假想的连续控制器 D S 2 选择采样周期 T 3 将 D S 离散化为 D Z 4 设计由计算机实现的控制算法 5 校验 1 设计一种假想的连续控制器 D S 结构图可简化为 2 选择采样周期 T 香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率 完成信号恢复功能一般由零 阶保持器 H S 来实现 求其频率特性时 将 j 替代 S 即可 其频率特性为 对于小的采样周期 可把零阶保持器 H S 近似为 上式表明 当 T 很小时 H S 可用半个采样周期的时间滞后环节来近似 相角滞后 若可减少 5 15 则采样周期采样周期 结论 用数字控制器实现 要有相当短的采样周期 s e sH sT 1 2 2 2 sin 2 2 sin 2 21 2 T 2 T 2 T 2 T T T T Te T T T j eee j e jH j jjj Tj 2 2 2 1 2 11 1 T s sT Te T sT s sT sT s e sH ccc ff T 1 08 0 02 0 2 1 5 0 15 0 1 50150 3 将 D S 离散化为 D Z 重点 1 双线性变换法 也可从数值积分的梯形法 设积分控制规律为 对两边拉氏变换 控制器 2 前向差分法前向差分法 Z esT 1 sT 1 sT 也可由数值微分中得到 设微分控制规律为 两边求拉氏变换 则控制器为 采用前向差分近似可得 超前定理 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 sT sT sT sT e e ez sT sT sT 1 12 有 z z T s 1 12 z z T s sDzD t dttetu 0 1 sE s sU ssE sU sD 1 1 2 1 keke T kuku 1 12 1 12 1 z z T s sD z z T zE zU zD zFznTtfZ n T z s sDzD 1 s sD 1 dt tde tu ssEsU s sE sU sD T keke ku 1 1 0 n j jnn jTfzzFznTtfZ ssD T z s 1 T z s sD T z zE zU zD 1 1 3 后向差分法 4 设计由计算机实现的控制算法 数字控制器 D Z 的一般形式为下式 其中 n m 各系数 ai bi 为实数 且有 n 个极点和 m 个 零点 U z a1z 1 a2z a nz n U z b0 b1z 1 bmz m E z 上式用时域表示为 u k a1u k 1 a2u k 2 anu k n b0e k b1e k 1 bme k m 5 数字 PID 控制器 重点重点 比例 P 控制 控制器的输出与输入误差信号成比例关系 比例项的作用仅是放大误差的 幅值 P 过大 会引起不稳定 积分 I 控制 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比 比例 积分 PI 控制器 可消除 系统的稳态误差 作用太强会引起超调增大 微分 D 控制 控制器的输出与输入误差信号的微分 即误差的变化率 成正比关系 微 分控制可通过预测误差变化的趋势 将抑制误差的作用 超前 避免被控量的超调 可提高稳定性 加快响应速度 减少调节时间 从而改善动态性能 1 模拟 PID 调节器 PID 控制规律为 S 既求导 1 S 既积分 对应的模拟 PID 调节器的传递函数为 KP 为比例增益 KP 与比例带 成倒数关系即 KP 1 TI 为积分时间 TD 为微分时间 u t 为控制量 e t 为偏差 sTe eZ sT sT 1 11 Tz z s 1 Tz z s sDzD 1 n n m m zaza zbzbb zE zU zD 1 1 1 10 1 t D I P dt tde Tdtte T teKtu 0 1 1 1 sT sT K sE sU sD D I P 2 数字 PID 控制器 重点重点 当采样周期相当短时 用求和代替积分 用后向差分代替微分 使模拟 PID 离散化变为差分 方程 位置型位置型控制算法 0 1 前向差分 其中 增量型增量型控制算法 其中 6 数字 PID 控制算法实现方式比较 如执行机构采用调节阀 则控制量对应阀门的开度 表征执行机构的位置 采用数字 PID 位置式控制算法位置式控制算法 如执行机构采用步进电机 则控制量对应用步进电机步距 是相对于上次控制量的增加 采用数字 PID 增量式控制算法增量式控制算法 增量式控制算法的优点 1 不做累加 控制量增量的确定仅与近几次采样值有关 2 得出的是控制量的增量 输出不是控制量的全量输出 例如阀门控制中 只输出阀门开度的变化部分 误动作影响小 必要时通过逻辑判断限制或 禁止本次输出 不会严重影响系统的工作 3 采用增量算法 易于实现手动到自动的无冲击切换 T keke Tie T T keKku D k i I P 1 0 t D I P dt tde Tdtte T teKtu 0 1 2 1 2 1 1 kekekeKkeKkekeK kukuku DIP T keke Tie T T keKku D k i I P 2 1 1 1 1 0 数字 PID 控制算法流程 7 数字 数字 PID 控制器的改进控制器的改进 简答题 简答题 1 积分项的改进积分项的改进 积分的作用 消除残差 提高精度 1 积分分离积分分离 原因 在过程的启动 结束或大幅度增减设定值时 短时间内系统输出有很大的偏差 会造 成 PID 运算的积分积累 由于系统的惯性和滞后 在积分累积项的作用下 往往会产生较 大的超调和长时间的波动 特别对于温度 成份等变化缓慢的过程 这一现象更为严重 方法 方法 偏差偏差 e k 较大时 取消积分作用 较大时 取消积分作用 偏差偏差 e k 较小时较小时 将积分作用投入将积分作用投入 合理的选择阈值 若 值过大 达不到积分分离的目的 若 值过小 一旦被控量 y t 无法跳出各积分分离区 只进行 PD 控制 将会出现残差 2 抗积分饱和抗积分饱和 原因 由于长时间积累 计算出的控制量可能溢出 过大 或小于零 过小 使得执行机 构无法相应动作 称为积分饱和 当出现积分饱和时 势必使超调量增加 控制品质变坏 所谓溢出就是计算机运算得出的控制量 u k 超出 D A 转换器所能表示的数值范围 方法 方法 对计算出的控制量对计算出的控制量 u k 限幅 同时 把积分作用切除掉限幅 同时 把积分作用切除掉 若以 8 位 D A 当 u k 00H 时 取 u k 0 当 u k FFH 时 取 u k FFH 3 梯形积分梯形积分 矩形积分 梯形积分 4 消除积分不灵敏区消除积分不灵敏区 产生的原因 由于计算机字长的限制 当运算结果小于字长所能表示的数的精度 计算机就作为 零 将 此数丢掉 当计算机的运行字长较短 采样周期 T 也短 而积分时间 TI 又较长时 uI k 容 易出现小于字长的精度而丢数 此积分作用消失 这就称为积分不灵敏区 增加 A D 转换位数 加长运算字长 以提高运算精度 当积分项 uI k 连续 n 次出现小于输出精度 的情况时 把它们一次次累加起来 不要把 它们作为 零 舍掉 直到累加值 SI 大于 时 才输出 SI 同时把累加单元清零 2 微分项的改进微分项的改进 PID 调节器的微分作用对于克服系统的惯性 减少超调 抑制振荡起着重要的作用 但是在 数字 PID 调节器中 微分部分的调节作用并不是很明显 原因 对于时间常数较大的系统 其调节作用很小 不能达到超前控制误差的目的 而且在 第一个周期微分作用太大 在短暂的输出时间内 执行器达不到应有的相应开度 会使输出 失真 相反对于频率较高的干扰 信号又比较敏感 容易引起控制过程振荡 降低调节品质 方法 1 不完全微分不完全微分 PID 控制算法控制算法 在 PID 控制输出串联一阶惯性环节 这就组成了不完全微分 PID 控制器 作用 消除高频干扰 延长微分作用的时间 2 微分先行微分先行 PID 控制算式控制算式 避免给定值的升降给控制系统带来冲击 如超调量过大 调节阀 动作剧烈 和标准 PID 控制的不同之处是 只对被控量 y t 微分 不对偏差 e t 微分 这样 在改变给定值时 输出不会改变 而被控量的变化 通常是比较缓和的 3 时间最优时间最优 PID 控制控制 0 0 ieTedt k i t k i t T ieie edt 0 0 2 1 最大值原理 快速时间最优控制原理 工程上 设 u t 1 都只取 1 两个值 依照一定法则加以切换 使系统从一个初始 状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短 这种类型的最优切换系统 称为开关控制 Bang Bang 控制 系统 4 带死区的带死区的 PID 控制算法控制算法 8 数字 PID 控制器的参数整定 1 采样周期 T 的选择 1 采样周期上限应满足 T max 其中 max 为被采样信号的上限角频率 采样周期的下限只能在 Tmin 与 Tmax 之间选择 在允许范围内 选择较小的 T 2 其次要考虑以下各方面的因素 给定值的变化频率 变化频率越高 采样频率就应越高 被控对象的特性 被控对象是快速变化的还是慢变的 执行机构的类型 执行机构的惯性大 采样周期应大 控制算法的类型 采用太小的 T 会使得 PID 算法的微分积分作用很不明显 控制算法也 需要计算时间 控制的回路数 Tj 指第 j 回路控制程序执行时间和输入输出时间 2 按简易工程法整定 PID 参数 归一参数整定法 已知增量型 PID 控制的公式为 令 T 0 1Tk TI 0 5Tk TD 0 125Tk 式中 Tk 为纯比例作用下的临界振荡周期 则 u k KP 2 45e k 3 5e k 1 1 25e k 2 这样 整个问题便简化为只要整定一个参数 KP 改变 KP 观察控制效果 直到满意为止 控制 控制 PID BangBang kykrke n j j TT 1 2 1 2 1 kekeke T T ke T T kekeKku D I P 当 0 当 kekykr kekykrke kP 3 优选法 4 凑试法确定 PID 参数 1 首先只整定比例部分 Kp 加大 减小稳态误差 提高控制精度 使系统的动作灵敏快速 Kp 偏大 震荡次数加多 调节时间加长 Kp 太大 系统会趋于不稳定 Kp 太小 使 系统的动作缓慢 2 整定积分部分 影响系统的稳定性 加大动态超调 能消除系统的稳态误差 提高系 统的控制精度 i 太小 系统将会不稳定 i 偏小 震荡次数加多 i 偏大 对系 统的作用较小 i 太大 积分消失 留有残差 3 调节微分系数 改善系统的动态特性 减小超调 缩短调节时间 使稳态误差变小 允许加大比例控制 Td 偏大 超调量较大 调节时间较长 Td 偏小 超调量也较大 调节时间也较长 5 PID 控制参数的自整定法 参数整定找最佳 从小到大顺序查 先是比例后积分 最后再把微分加 曲线振荡很频繁 比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾 比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢 积分时间往下降 曲线波动周期长 积分时间再加长 曲线振荡频率快 先把微分降下来 动差大来波动慢 微分时间应加长 理想曲线两个波 前高后低 4 比 1 9 数字控制器的离散化设计步骤 1 根据控制系统的性能指标要求和其它约束条件 确定所需的闭环脉冲传递函数 z 2 求广义对象的脉冲传递函数 G z 3 求取数字控制器的脉冲传递函数 D z 4 根据 D z 求取控制算法的递推计算公式 1 sG S e ZsGsHZ zA zB zG C Ts C 1 zGzD zGzD z 1 1 z z zG zD 10 最少拍控制器的设计最少拍控制器的设计 重点 重点 最少拍控制 定义 要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳 态 且闭环脉冲传递函数具有以下形式 式中 N 是可能情况下的最小正整数 这一形式表明闭环系统的脉冲响应在 N 个采样周期后 变为零 输出保持不变 从而意味着系统在 N 拍之内达到稳态 1 闭环脉冲传递函数 z 的确定 误差 E z 的脉冲传递函数为 典型输入函数 对应的 z 变换 B z 是不包含 1 z 1 因子的关于 z 1 的多项式 根据 z 变换的终值定理 系统的稳态误差为 要使稳态误差 e 为零 e z 1 z 1 qF z 1 z 有 有 z 1 e z 1 1 z 1 qF z N Nz zzz 2 2 1 1 1 1 z zR zY zR zYzR zR zE z e z zRzE e 1 1 1 q t q tr q z zB zR 1 1 1 1 lim 1 lim 1 lim 1 1 1 1 1 1 1 z z zB z zzRzzEze e q z e zz F z 是关于 z 1 的待定系数多项式 为了使 z 能够实现 F z 中的首项应取为 1 即 F z 1 f z 1 f2z 2 fpz p 可以看出 z 具有 z 1 的最高幂次为 N p q 特别当 P 0 时 即 F z 1 时 系统在采样点 的输出可在最少拍 Nmin q 拍 内达到稳态 即为最少拍控制 因此最少拍控制器设计时选择 z 为 z 1 1 z 1 q 最少拍控制器 D z 为 q q zzG z z z zG zD 1 1 1 1 1 1 1 最少拍控制器的局限性 1 最少拍闭环脉冲传递函数 z 只适应特定的输入 不能适应各种输入 2 z 时必须至少分母比分子高 N 阶 3 在 z 中 D z 和 G z 总是成对出现的 但却不允许它们的零点 极点互相对消 11 最少拍有纹波控制器的设计 重点重点 考虑被控对象含有滞后的情况 Gc s G c s e s G c s 是不含滞后部分的传递函数 为纯 滞后时间 令 d T 对上式进行 z 变换 并设 G z 有 u 个零点 b1 b2 bu v 个极点 a1 a2 av 在 z 平面的单位圆上或圆外 当连续被控对象 Gc s 中不含纯滞后时 d 0 当 G s 中含有纯滞后时 d 1 即 d 个采样周 期的纯滞后 重新表示 G z 有 G z 是 G z 中不含单位圆上或圆外的零极点部分 e z 的零点中 必须包含 G z 在 z 平面单位圆外或圆上的所有极点 即有 上式中 F1 z 是关于 z 1的多项式 且不含 G z 中的不稳定极点 ai j 为在单位圆上的极点个 数 为了使 e z 能够实现 F1 z 应具有以下形式 F1 z 1 f11z 1 f12z 2 f1mz m z 的零点中 应包含 G z 在 z 平面单位圆外或圆上的所有零点和纯滞后部分 F2 z f21 z 1 f22 z 2 f2n z n 1 11 zA zB z sG s e ZzesG s e ZsG s e ZzG d c Ts ds c Ts c Ts 1 1 1 1 1 1 zG za zbz zG v i i u i i d 1 1 1 1 max 1 1 1 zFzzazz jq jv i ie 1 2 1 1 zFzbzz u i i d 求得最少拍控制器为 例 系统如图所示 采样 T 1S 试针对单位速度输入函数设计最小拍有纹波系统 画出控制 器和系统的输出波形 u 不稳定零点数不稳定零点数 v 不稳定极点数 不稳定极点数 Z 系数系数 1 不稳定不稳定 式中d 0 u 0 v 1 j 1 q 2 且 j q 故有 m u d 0 F1 阶数 阶数 n v j q 2 F2 阶数 阶数 对单位速度输入信号 q 2 选择 不懂 qj zFzG zF qj zFzzG zF z z zG zD jq 1 1 1 1 2 1 1 2 s e sH sT 1 1 10 ss sGc 3679 01 1 718 01 3 679 3679 01 1 1 1 1 1 10 1 10 1 1 1011 11 11 1121 1 1 2 1 zz zz zzz z z ss Zz sss e ZsG s e ZzG Ts c Ts 1 1 1 1 1 1 1 zFzzazz q jv i ie 21 1 z 1 2 1 11 zFzbzz u i i 2 22 1 21 zfzf 12 最少拍无纹波控制器的设计最少拍无纹波控制器的设计 重点 重点 要求 在典型输入信号的作用下 经过有限拍 系统达到稳定 输出误差为零 Gc s 中必 须含有足够的积分环节 以保证 u t 为常数时 Gc s 的稳态输出可以完全跟踪输入 在采样时刻之间也没有纹波 在采样点之间没有振荡 条件 这样 被控对象 Gc s 必须有能力给出与系统输入 r t 相同的且平滑的输出 y t 无纹波系统的调整时间要增加若干拍 增加的拍数等于 G z 在单位圆内的零点数 13 纯滞后控制技术 由施密斯预估器和调节器 D s 组成的补偿回路称为纯滞后补偿器 其传递函数为 经补偿后的系统闭环传递函数为 2 具有纯滞后补偿的数字控制器 1 施密斯预估器 内存中专门设定 N 个单元作为存放信号 m k 的历史数据 存贮单元的个数 N 由下式决定 N T 式中 纯滞后时间 T 采样周期 m k 记入 0 单元 同 时把 0 单元原来存放数据移到 1 单元 1 单元原来存放数据移到 2 单元 依此类推 从单 元 N 输出的信号 就是滞后 N 个采样周期的 m k N 信号 施密斯预估器的输出 1 1 s P esGsD sD sD s P P s P s P e sGsD sGsD esGsD esGsD s 1 1 u k 是 PID数字控器的输出 y k 是施密斯预估器的输出 从图中可知 先计算传递函数Gp s 的输出 m k 再计算预估器的输出 y k m k m k N 许多工业对象可近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的串联来表示 式中 Kf 被控对象的放大系数 Tf 被控对象的时间常数 纯滞后时间 预估器的传递函数为 14 达林算法的设计步骤 1 根据系统的性能 确定参数 T 给出 RA 指标 2 由所确定的 RA 与 T 的关系 解出对应的 T 如有多解 则选择较大的 T 3 确定 与 T 之比 T 的最大整数 N 4 求广义对象的 G z 及闭环系统的 z 5 求数字控制器的 D z 振铃 Ringing 现象 是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减振荡的现象 表示数字控制器的输出与输入函数在闭环时的关系 是分析振铃现象的基础 对于单位阶跃输入函数 R z 1 1 z 1 含有极点 z 1 当极点在负实轴上 且与 z 1 点相近 那么那么数字控制器的输出序列 u k 中将含有这两种幅值相近的瞬态项 而且瞬态项的符号 在不同时刻是不相同的 当两瞬态项符号相同时 数字控制器的输出控制作用加强 符号相 反时 控制作用减弱 从而造成数字控制器的输出序列大幅度波动 zG z z u s f f s Pc e sT K esGsG 1 1 s P esGsG 1 1 s f f e sT K 带纯滞后的一阶惯性环节 数字控制器输出对输入的脉冲传递函数不存在负实轴上的极 点 这种系统不存在振铃现象 带纯滞后的二阶惯性