-计算机控制系统的设计与实现PPT课件

1 第11章计算机控制系统的设计与实现 一 计算机控制系统的设计原则与步骤二 过程输入输出通道设计三 数字信号调理四 数字控制器算法设计与实现五 量化效应分析六 采样周期选择七 计算机控制系统的抗干扰技术八 计算机控制系统的可靠性设计 2 一 计算机控制系统的设计原则与步骤 1 计算机控制系统设计的一般原则足够的硬件和软件支撑能力系统具有良好的人机交互界面系统可靠性高良好的可维护性较好的可扩充性 3 控制系统调研与控制任务确定控制系统总体方案设计建立数学模型 确定控制策略与控制算法系统硬件设计软件设计系统联调与系统仿真现场调试与投入运行 2 计算机控制系统设计步骤 4 二 过程输入输出通道设计 过程输入输出通道一般包括模拟量输入输出通道和开关量 数字量 输入输出通道 1 模拟量输入通道 5 1 信号调理 信号调理是对来自传感器或变送器的信号进行必要的调整处理 使之成为较为标准的模拟信号 根据具体需要可包含信号放大 信号滤波 信号隔离 阻抗匹配 电平转换 非线性补偿 电压 电流转换等功能 信号调整将传感器信号调整为A D转换器所要求的输入信号 如 电平调整 电压 电流转换等信号滤波消除信号中的干扰噪声 RC滤波器 典型二阶滤波器 6 A D转换器的分类逐次逼近式 双斜积分式 并行比较 闪速 式 串行比较 流水线 式 压频 V F 转换式 调制式A D转换器的编码方式二进制编码单极性编码双极性编码原码 补码 反码 偏移二进制码十进制编码 BCD码 2 A D转换器 7 3 A D转换器的主要性能指标 分辨率二进制或十进制或转换精度A D转换输出数字量所对应的实际模拟输入量与理论模拟输入量的接近程度转换速率量程 8 4 A D转换器的选择原则 A D转换的分辨率的选择主要依据输入模拟信号的动态变化范围和控制系统的精度要求来共同确定 如果实际模拟信号的最大值为umax 最小值为umin 最大允许误差为emax 如果选择A D转换为n位 则必须满足 为了使控制系统具有良好的精度 一般选择A D芯片的位数比上式确定的最低位数nmin要高1 2位 9 2 模拟量输出通道 1 模拟量输出通道的基本结构各路独立D A转换器结构多路共用D A转换器结构 10 2 D A转换器 D A转换器主要性能指标分辨率转换精度转换精度是反映数字量对应的实际输出模拟量与其理论输出信号的接近程度 转换时间一般为几十纳秒到几微妙输出信号类型电压型 电流型 互补电流输出型 或 11 D A转换器的选择原则选择D A转换器时 主要考虑芯片的性能 结构及应用特性 即在性能上必须满足模拟量输出通道对D A转换的技术要求 D A转换器一般由与其对应的执行机构的动态输入范围和执行机构的精度要求来共同确定 设执行机构的最大有效输入为umax 执行机构的死区电压为uD 最大允许误差为emax 则其字长为n应满足 12 3 开关量 数字量 输入通道 主要由输入调理电路与输入缓冲器两部分构成 输入调理电路的主要对输入的开关量信号进行必要的滤波 电平转换 隔离等处理 最终转换成计算机可以接受的TTL电平信号 输入缓冲器的作用是对外部输入信号进行缓冲 加强和选通 以实现与计算机的接口 13 4 开关量 数字量 输出通道 开关量输出通道的主要功能是根据计算机输出的数字信号经适当的电平变换或功率驱动去控制相应执行机构的通 断或启 停等 这类输出通道一般由输出锁存器与输出信号调理电路构成 14 三 数字信号调理 1 数字滤波数字滤波 就是通过一定的计算程序对数字信号进行滤波与平滑 加强有用信号成分 消除或减少各种干扰和噪声信号 限幅滤波其中为相邻两次采样值之差的最大允许值 限幅滤波对随机脉冲干扰和采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果 15 中值滤波中值滤波就是对某一个被测信号连续采样n次 n 3 且n一般为奇数 然后把n次采样值按大小排序 再取中间值作为本次采样的输出值 中值滤波对缓慢变化的过程参数中的脉冲干扰有良好的滤波效果 16 算术平均值滤波算术平均值滤波就是把对信号进行n次采样采样值进行相加 求其算术平均值作为t kT时刻的滤波器输出 即算术平均值滤波对周期性干扰信号有较好的抑制作用 但会产生一定的延迟 17 加权平均值滤波将各个采样值取不同的比例 即具有不同的权重 然后再相加 其一般算式为 18 惯性滤波惯性滤波实际上是模拟RC低通滤波器的数字实现形式 式中 T为采用周期称为惯性滤波系统 且0 1 当 越大 频带越窄 滤波平滑性越好 但其相位滞后也相应增大 惯性滤波适用于波动频繁的工艺参数滤波 它能很好地消除周期性干扰信号 19 2 非线性补偿 通过模拟量输入通道采集到的数字量与该数字量所代表的被测参数值之间不一定呈线性关系 需要对它们进行非线性补偿 将非线性关系转化为线性关系 以便于实现显示和控制 通常采用分段线性化的方法 即用多段折线近似代替曲线进行计算 这种线性化处理方法称为线性插值法 20 3 标度变换 经A D转换输入计算机的无量纲数字量一般不能直接应用于控制系统 必须把它们转换成带有量纲的数值后才能参与运算 显示 记录和打印 同时也便于操作人员进行监视和管理 这种转换称为标度变换 根据被测参数值与A D转换结果之间是否呈关系 标度变换通常也分为线性标度变换与非线性标度变换 21 四 数字控制器算法设计与实现 一拍延时控制算法一拍延时控制算法 即在采用固定计算延时 且延时时间固定为一个采样周期 1 计算延时与控制算法设计 22 当采样信号输入后 立即进行处理 处理完毕即输出控制信号 计算延时与算法的计算时间密切相关 总的计算延时将是不固定的 非固定延时控制算法 23 2 数字控制器D z 的算法设计与实现 对于同一控制规律D z 通常可以有多种不同的差分算式形式 即对应于不同的算法结构与实现方式 其相应的计算效率及量化误差的影响也有所不同 1 直接型结构设 则有 求z反变换可得 24 当时 相当于控制器有一步延迟 一般应按照一拍延时控制算法形式实现 当时 一般应按非固定延时控制算法 直接型结构算法实现比较简单 并且许多运算可在e k 采集前进行 即后台计算 因而计算延时相对较小 直接型结构也存在一个严重的缺陷 如果控制算法中参数bi和aj中任意一个参数存在一定误差 将使该控制器所有的零极点产生相应的变化 从而影响到系统的动态性能 25 2 串行结构 将D z 表示成一系列一阶或二阶环节的串联 乘积 形式 即 26 相应的差分算式为 串行结构的优点在于 如果控制算法中某一个参数产生误差 它也只能使其对应环节的零点或极点发生变化 而对其他环节没有影响 27 3 并行结构 利用部分分式展开法将D z 分解为若干一阶或二阶环节的形式 即 设 令 则 28 并行结构的一个突出优点就是各个通道彼此独立 一个环节的运算误差只影响到本环节的输出 而对其他环节的输出没有影响 与串行结构一样 并行结构中 如果某一参数产生误差 也只影响对应环节的零点或极点 对其他环节没有影响 29 3 状态空间描述控制器算法设计与实现 不带状态观测器的控制器算法设计与实现指直接利用状态变量或输出变量反馈构成控制规律 即 以上两式形式上使用的都是各个变量的当前值 不存在滞后 因而一般就直接用非固定延时算法1的形式实现即可 30 带状态观测器的状态反馈一般结构 带状态观测器的控制器算法设计与实现 31 带预报观测器的控制器算法设计与实现为提高算法的计算效率 将带预报观测器的控制器算法整理为 由于预报观测器具有一步预报的形式 因此采用一拍延时算法是合理的 32 带现时观测器的控制算法设计与实现将带现时观测器的控制器算法整理为 显然 带现时观测器的控制算法宜采用非固定延时算法结构实现 并可适当将算法分解为前台和后台算法 从而可用非固定延时算法2实现 33 4 控制算法中比例因子的设置 在计算机控制系统中 若计算机不支持浮点运算 或根据实时性要求只能使用定点运算 这就要求参与运算的数据及所得结果均应在给定定点数的表示范围内 为使所有计算不产生溢出 同时又要求量化误差足够小 在控制算法中 必须对每个参与运算的参数及中间变量配置一定的比例因子 一般是先配置参数的比例因子 使各个参数在定点数的表示范围内 保证比例因子配置前后 各支路及控制器总的增益保持不变 然后 再考察算法中各步运算是否可能溢出 如可能存在溢出 则需要与参数比例因子综合考虑 协调配置比例因子 34 五 量化效应分析 1 计算机控制系统中量化误差来源 A D转换的量化效应参数的量化效应 运算过程的量化效应D A转换的量化效应 35 2 变量的量化误差分析 为分析方便 将变量的量化误差看成确定性外界干扰作用于线性系统 从而对量化误差进行确定性线性分析 一般地 一个确定性常值干扰信号 取最大值emax 作用于线性系统 如果设由干扰作用点到系统输出端的闭环传递函数为 e z 且闭环系统是稳定的 则由终值定理可的有量化误差引起的最大输出误差为 36 3 参数的量化误差分析 参数量化误差对系统性能的影响可以通过系统性能对参数的灵敏度来进行分析 通常 可以通过研究零极点对参数的灵敏度来分析参数量化误差对系统性能的影响 设控制器的分母多项式为 则极点pj对参数ak变化的灵敏度可表示为 37 通常控制器本身是稳定的 因而极点均在单位圆内 k越大 ak对极点pj的影响越小 且分母多项式中常数项对极点影响最大 而高次项系数对极点影响较小 当该极点越接近单位圆时 则受参数影响越大 极点对参数的灵敏度与该极点与其它极点之间的距离成反比 即极点分布越分散 则极点受参数变化的影响越小 灵敏度与采样周期有关 随着T的减小 极点越靠近1 从而灵敏度越高 对于多极点而言 采样周期减小 各极点均向1靠近 使得各极点之间的距离也减小 从而增加了极点对参数变化的灵敏度 因此 采样周期较小 灵敏度将增高 参数量化误差对极点的影响越严重 38 4 量化效应的非线性分析 以一阶数字控制器为例 并以很短字长的十进制数运算来说明量化误差产生非线性效应的相关情况 例11 4设一阶数字控制器为设输入e为阶跃函数 且u 0 3 试分别分析舍入与截尾运算时 控制器的输出序列u k 解由控制器D z 可的其差分递推算式 39 采用十进制运算 且量化运算结果为整数 运算结果如下 乘法舍入运算结果 乘法截尾运算结果 其理想稳态值应为10 可见以上两种量化处理均出现了死区 40 例11 5设一阶数字控制器为 解对于无限字长运算 由终值定理 可得 设输入e为一个在k 1时刻幅值为10的脉冲 且u 0 0 试分别分析舍入与截尾运算时 控制器的输出序列u k 由控制器D z 可的其差分递推算式 41 可见 采用舍入运算 输出序列在正负交替衰减到 5后 形成一个在 5 5之间的等幅振荡 即极限环振荡 采用截尾运算时 其输出序列却能收敛到其理想的稳态值0 其运算结果如下 乘法舍入运算结果 乘法截尾运算结果 42 六 采样周期选择 1 采样周期选择的一般考虑闭环系统的稳定性闭环系统的带宽保持器重构误差与相位滞后系统抗干扰性能前置滤波器计算机字长数字控制器的设计方法计算机工作负荷 43 2 采样周期选择的经验规则 对一个闭环控制系统 如果被控对象的主导极点的时间常数为Td 那么采样周期T应选取如果被控对象具有纯滞后时间 且对系统影响较大 采样周期应选得比纯滞后时间小 通常要求如果闭环系统要求稳态调节时间为ts 闭环自然频率为 n 则采样周期可取为 或 采样周期经验值 44 七 计算机控制系统的抗干扰技术 1 干扰源来自系统外引线的外部干扰传导干扰来自空间的辐射干扰电磁辐射内部干扰由系统的内部结构布局与电路设计及制造工艺不完善所引入的干扰 45 2 干扰的作用形式 串模干扰串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声 即相当于干扰源串联在信号源回路中 也称为差模干扰或常态干扰 共模干扰共模干扰是指在信号的两个输入端相对公共接地点同时出现的干扰 也称共态干扰 46 3 串模干扰的抑制 采用输入滤波器低通滤波器采用电磁屏蔽和良好接地采用电流信号传输4 20mA 47 4 共模干扰的抑制 变压器隔离光电隔离 48 浮地屏蔽采用差分输入放大器共模干扰电压只有转变为串模干扰才能对系统产生影响 为了抑制共模干扰 就要尽量做到线路平衡 采用差分放大器可以较为有效地抑制共模干扰 49 5 电源系统的抗干扰措施 合理配置低通滤波器与交流稳压装置采用抗干扰能力强的开关电源采用分布式独立供电采用UPS等备用电源 50 6 接地系统的抗干扰措施 计算机控制系统的地线种类数字地 模拟地 信号地 交流地 直流地 功率地 屏蔽地接地处理的一般原则与措施接地方式保护接地一般均采用一点接地方式 而工作接地根据工作电流频率不同有一点接地和多点接地两种 交流地与直流地分开模拟地与数字地分开屏蔽地接法屏蔽体最好接大地 并将屏蔽体与放大器的公共端连接起来 51 八 计算机控制系统的可靠性设计 1 计算机控制系统可靠性设计的一般原则 在满足系统功能的前提下 尽可能地简化系统结构 不必追求过高的性能指标和过多的系统功能 合理划分系统硬件 软件功能 计算机控制系统必须具备良好的散热条件 电路连接一定要可靠 一般还应考虑系统或相应的关键部件的机械防震 防尘 防辐射 防潮 防水等相关设计 52 2 计算机控制系统的硬件可靠性设计 元器件的选择元器件的失效率选择元器件时 应尽量选取处于有效期的元器件 53 硬件容错通常利用硬件冗余技术将可靠性较低的元部件组成一个可靠性较高的系统 硬件冗余一般有工作冗余于后备冗余两种种基本方式 工作冗余工作冗余就是通过对关键部件或功能模块的同时在线重复使用以提高系统可靠性 硬件容错技术 N冗余表决系统示意图 54 后备冗余后备冗余方案中 其冗余部分通常由N 1个功能相同的模