计算控制方法系统

1、1、 计算机系统基本组成 （1） 计算机控制系统的硬件组成：计算机主机过程通道 （2） 计算机控制系统的软件：系统软件应用软件 2、计算机控制系统是混合信号系统，具有多种信号形式： （1）A/D转换器的转换形式 模拟信号采样：按一定时间间隔对连续信号采样，将其变成时间上是断续的离散信号； 信号幅值的整量化：将采样信号幅值按有限字长的最小量化单位分层取整，变成幅值 为离散的信号； 数字编码：将已整量化的分层信号变换为等值的二进制数码信号，即数字信号。 （2）D/A变换器的转换形式 数字解码：把数字量转换为等值的模拟脉冲信号； 信号恢复：把解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化信号（有的D/A先数

2、字解 码后保持，有的先数字保持后解码）。 3、 与连续模拟系统不同，计算机控制系统中包含五种信号形式的变换，如图1-5所示，具 有六种信号形式,如表1-1 所示。 hi化 *计算机 保持 被腔对徐* 图1-5计算机控制系统中信号变换 表1-1计算机控制系统中信号形式 时间 幅 连 续 离 散 Z11 连 b /、 续 A点 f 亠亠K二 离 iF 散 ZL O r 0 t 5、口点 HA 数 字 进 制 4、计算机控制系统的优点 (1) 易实现复杂控制规律 计算机运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大量的存储能力，因此， 容易实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及各种智能控制等

3、，可以极大 地提高系统性能。 (2) 计算机控制系统的性价比高 一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的功能/ 价格比值较高。 (3) 适应性强灵活性高 控制算法是由软程序实现，通过修改或执行不同的软件可使系统具有不同性能，适 应性强，灵活性高。计算机是一种可编程的智能元件。 一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制 (4) 系统测量灵敏度咼 数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度。 软件可以对传感器特性及误差进行修正与补偿，提高了精度。 (5 )控制与管理容易结合实现更高层次的自动化 利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产过程与经营的管理控制一体

4、化， 从而可以实现更高层次的自动化 (6)系统可靠性和容错能力高 计算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便，提高了系统的可靠性和容错及维 修能力。 5、计算机控制系统分类 被控对象 执行部件 输出通道 数字计算机 操纵台 (1) 直接数字控制 (Direct Digital Control , DDC)系统 (2)计算机监督控制(Supervise Control by Computer , SCC)系统 显示器 被控对象 控制 反馈 DDC计算机 系统 给定值 狀态信息 ice计算机系统 工业数据 I 示录印 显记打 (3) 分冃攵型计算机控制系统(Distributed Control

5、System , DCS) 6、（ 1）采样定理（香农定理） 如果一个连续信号不包含高于频率max的频率分量（连续信号中所含频率分量的 最高频率为 max），那么就完全可以用周期 T 2 max，那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号。 （2）采样信号的失真 如采样定理所表明的，一个连续信号若采样时不满足采样定理，采样信号将会失真。 下面将说明，失真会产生怎样的的特殊现象。 信号的高频分量折叠为低频分量 隐匿振荡（Hidden oscillation） 前置滤波器 7、零阶保持器（ZOH ）的频率特性（频率特性曲线如下） （1） 零阶保持器有无限多个截止频率c= ns（n = 1, 2,

6、），在Ows内，幅值随国增力口 而衰减。 （2）零阶保持器允许采样信号的高频分量通过，幅值是逐渐衰减的。 （3）零阶保持器是相位滞后环节，相位滞后与信号频率及采样周期T成正比 Th ()二 n - T 8、图2-26是一种常见的采样系统的结构。若系统输出是连续的，为将其变成离散系统，在 输出端加入虚拟采样开关，表示仅研究系统在个采样点上的离散时刻的输出值。综合点之后 的采样开关可等效为综合点两个输入端的采样开关。 图2-26采样控制系统典型结构 根据图2-26可得 E(z) = R(z)-B (z) B(z) = ZG2(s)G3(s)H(s)U(z) = G2G3H(z)U(z) E(z)

7、= R(z) - G2G3H(z)U(z) C(z) = ZG2(s) G3(s)U(z) = G2G3(z)U(z) U(z) = ZG1(s)E(z) 所以C(z) 将U(z)代入E(z)的表达式中，得 将E(z)代入C(z)表达式，得 G1(z)E(z) G2G3(z)G1(z)E(z) E(z) = R(z) / 1+G1(z)G2G3H(z) G(z)G2G3(z) C(z) -2 3 R(z) 1+G (z) G2G3H 所以，以C(z)为输出，R(z)为输入的闭环脉冲传递函数为 :C(z) _G(z)G2G3(z) R(z) 1 + (z)G2GsH(z) 以R(z)为输入的误差

8、传递函数 E(z) R(z) 1 1 G(z)G2G3H(z) T=1s。 9、例2-27试求图2-28所示计算机控制系统闭环脉冲传递函数，已知 图2-28例2-7计算机控制系统结构图 解： 由于 Gc(s) = (1+1/s)，所以 Gc(z) ZGc(s) Z1 1/ s + -i 又因为 G h (s)G o(s) 所以 Ts GhGo(z) =Z 1 -e 1 -1 =(1 )Z s( s 1) 1(1才 (1 -e-Tz-1)(1-ez) 由图知H(s)= 1，由式(2-63)可得 C(z)G( z)GhG o(z) (Lr(z) _1 Gc(z)GhGo(z) 2 _z(1_e =

9、 )z _(zJ)(eJr)zJ 1T 11T二11仁二1 2 -z (1 -e )z (1 -z )(1 -e z ) (2 -z )(1 -e )z 厂 (1 -z ) (1 -e z ) 因为T=1,所以 1 1 ：；J(z) C(z) _2(1 -0.5 z )0.632 z 11dd R(z) (1 - z )(1 -0.368 z )2(1 -0.5z )0.632 z 1.264( z-0.316 z)_ (1.264 z - 0.399) 1-0.104 z，0.05 z z2 -0.104 z 0.05 10、s平面的映射 s平面整个虚轴映射为 z平面单位圆，左半平面任一点映

10、射在z平面单位圆内，右半平 面任一点映射在单位圆外. 表3-1s平面与z平面关系 公=7 十 jQ= = 儿何包置 O 几何忖宣 - = Re 虛轴 -0 单位國周 =1 任意值 左半平面 0 任資值 单位圆内 0 任倉值 单位國外 1 任意值 (2) (3) (4) 例4-1 已知 D(s) 解: (z) D(s) s* 2 * *0.8 s 1 (z) = D (s) （D（ s）:连续传递函数 T :采样周期） ，T=1s、0.1s，试用一阶向后差分法离散。 s =1 z)/ T (s2 0.8 s 1) s -(1 _z 丄)/T 1 (1 - z )2/T20.8(1 - z )/T

11、1 T2z2 1 - az bz2 0.8T , b = 10.8T T 当 T=1s 时，a=2.8, b=2.8。 Di（Z） 2 z 2 1 - 2.8 z 2.8 z 当 T=0.1s 时，a=2.08 , b=1.09。2（Z） 0.01 z2 1 - 2.08 z 1.09 Z2 分析所得结果可知： (1) 可以判断，环节稳定性不变。 D(s)是稳定的； D1(z)两个根分别为： z1,2 =0.5000 j0.3273 =0.59758 Z 0.5796= r/0 1 ； D2（z）两个根分别为： z1,2 =0.9541土 j0.0841=0.9578 N 0.0879 = r

12、2N 日 2 (2) 稳态增益不变：D(s) sm T D1（Z）z=1 1 1-2.8 2.8 D2（z） z=1 0.01 1 - 2.081.09 (Jlk辻址坏节阶找砸战 (3)单位阶跃响应如图4-5所示。 :笛】._. r-o.i叶闲敢环节酚紙响应 .42.()8 1 1 1 00, 2 图4-5单位阶跃响应曲线 (4) 频率响应特性：如图4-6所示。 连续环节的相位裕度，m二68.9，飞二1.17rad/s增益裕度为无穷大。 T=o.is时离散环节的相位裕度m =84.2,飞=1.08rad/s,增益裕度为无穷大 T=1s时离散环节的相位裕度及增益裕度为无穷大。 通过上述几个特性的

13、计算可以看到： 当采样周期较大时，离散后环节特性与原连续环节特性相差较大。 当采样周期较小(T=0.1s )时，离散后环节特性与原连续环节特性比较接近。 口单ram 僅)连绒环节強率响应 前；1三舊 IO-10 FroqpictKy ffsud/sM) lb) /-I空时离ttfc环廿频率映应 2002040 Bode DiurAm - r F：j 蒋jj ji p fii V|i-11riI-!iI l! eIt imiiiiiii .|p41 I1 TH -!aK H ”T ”-BP = LWh =1I rr jipi; It*k I: s k. L 丄 L- ， 4 h ii Syste

14、m: sys Fftiquciicy (rad/sec)i .O8 Magriiude (dB): -0,0431 : ;:f : 3 ib i ! rr rn i i q. j_ s : -丄r f i r1i i1 i i -俭 b3 I : eai i ii ii i k aii, I11 ri l! H 1 ft faI1 i / A： i i i d ii iii LJU 1 1JEI111 I J IIIIi 3 I i i i i o o OOH 6 8 8 3 I 1 s 1 System: sys Frequency (racLsec): 1.08 Phase (deg):

15、95.8 r i ；：: ：i L / 1 . !： F 2 c Lr L-L. I ；i IO110*101 Frequency gd/sec (c) r-o$时囲散环节频串响应 io2 如图4-6频率响应曲线 (2) 阶向前差分法 离散化公式 D (z) D (s) z -1 s = T 例4-2已知_1 D(S) s2 0.8s 1试用向前差分法离散化。 解: D(-)= T2 $=上 皿 j? -(z-o.st)-+ (i-o.sr+r2) 若使D(z)稳定，则应保证 T小于一定数值，即 2 也(0) = 1 - 0.8 T + T 1 若 1 0.8T+尸 1,可得 T0,必然满足

16、1 0.8T+F -1 2 2 ：(1)=1-(2 - 0.8 T )(1-0.8T - T ) . 0,要求 T0; . ：(-1)=1 (2-0.8T) (1-0.8T T ) 0 可见该控制器采用一阶向前差分法离散时，要求0T1-3ms- O. K 1 O .rv 4L hw.L/m) 1 IiC=a-nx 丄-reM-idnc-y Crscl-fs.J- C1Hh IO2530 鼻 C 图4-14例4-3控制器的连续域和离散域的幅频特性 14、数字PID的增量式算法具有下述优点： （1）较为安全。一旦计算机出现故障，输出控制指令为零，执行机构的位置（如阀门的 开度）仍可保持前一步的位置

17、，不会给被控对象带来较大的扰动。 （2）计算时不需进行累加，仅需最近几次误差的采样值。 15、PID参数的整定方法 （1）扩充临界比例度法 选择一个足够短的采样周期T,通常可选择采样周期为被控对象纯滞后时间的1/10。 用选定的T使系统工作.这时，去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用逐渐 减小比例度S （=1/Kk），直到系统发生持续等幅振荡。记下此时的临界比例度3及临 界振荡周期Tk （即振荡波形的两个波峰之间的时间）。 选择控制度（通常认为控制度为1.05时，数值控制与模拟控制效果相当） 控制度=.：e2（t）d the ,2 0 e （t）d t模拟 根据选定的控制度， 查表4-1,计

18、算采样周期T和PID的参数求得KP、TI、TD的值。 按计算所的参数投入在线运行，观察效果。如性能不满意，根据经验和对各控制项作 用的理解，进一步调节参数，直到满意为止。 16、对控制用计算机系统的一般要求 （1 ）对计算机主机的要求： 实时处理能力比较完善的中断系统对指令系统的要求 对内存的要求 （2）对过程输入输出通道的要求： 有足够的输入通道数。有足够的精度和分辨率。有足够快的转换速度。 （3）对软件系统的要求： 计算机控制系统的软件可分为系统软件和应用软件两大类。 系统软件越多，功能越强，对实时控制越有利。 对应用软件的一般要求是实时性强，可靠性好，具有在线修改的能力以及输入输出 功能

19、强等。 （4 ）方便的人机联系 有显示屏有各种功能键功能键应有明显标志有输入数据功能键 （5）系统的可靠性及可维护性高 可靠性主要是指计算机系统的无故障运行能力，常用的指标是“平均无故障间隔时 间”，一般要求该时间应不小于数千小时，甚至达到数万小时。 17、控制用计算机简介 （1 ）工业控制计算机 特点：可靠性高实时性好硬件配置有较好的可装配可扩展性可维护性好 （2 ）单片微型计算机 特点：具有集成度高和功能强的特点。结构合理，存储容量大和速度快。 各种功能部件集成在一块芯片上，数据不易受到外界干扰，增强抗干扰能 力，运行更可靠。具有丰富运算指令。 （3）数字信号处理器（DSP） 数字信号处理

20、器是一种具有特殊结构的微处理器芯片，其内部采用程序和数字分开 的结构（成为哈佛结构） （4）可编程控制器、嵌入式系统等 18 接口电路 2 n 进 遭 通 通 （a）赛功為结构（b）共亨D/A结枸 模拟量输出通道的两种实现结构图 19、D/A转换器选择的原则 集成D/A转换器的输入方式： 不带缓冲寄存器（如 8位的DAC0808 ） 带缓冲寄存器（如 8位的DAC0832、12位的DAC1208等）。 选择D/A转换芯片 主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技 术要求，在结构和应用上满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。 对于D/A转换器字长n的选择，可以由其

21、后的执行机构的动态范围来选定： - Urn _ lg Umax 1 /lg2 20、模拟量输入通道的构成 (1)单通道的模拟量输入 单路模拟量检测通道结构类型 (2) 多路巡回模拟量输入 过程参数检测 多蹄转换开关 采样- A/D 接 保持器 转换器 口 逻轨控制 cpu总线 多路模拟量巡回检测通道结构类型 21、A/D转换器工作原理 常用的转换方式有逐次逼近式和双斜积分式两种。 22、A/D转换器的主要性能指标 精度分辨率转换时间量程 23、A/D转换器的选择 A/D转换器的精度与传感器的精度有关，一般应该比传感器的精度高一个数量级; A/D转换器的转换速率还与系统的频带有关。 根据输入模拟

22、信号的动态范围可以选择A/D转换器位数。 24、CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式： (1) 查询方式(2)中断方式(3) DMA 方式 25、 数字量输入输出通道的构成 26、总线定义及组成 定义：总线是一组信号线的集合。 组成：数据总线：外部设备与总线主控设备之间传输数据的通道； 地址总线：外部设备与总线主控设备之间传送地址的通道; 控制总线：各种控制信号传递通道； 电源：各种电源的通道，向系统提供电源。 27、总线类型 非专用总线 系统总线外部总线 并行总线 (1) 根据总线不同的结构和用途的分类：专用总线 (2) 根据总线的用途和应用环境的分类：局部总线 (3) 根据总线传送信

23、号的方式的分类：串行总线 28、几种通用总线 (1) STD总线 特点：小板结构，高度模块化 严格的标准化，广泛的兼容性 面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用 高可靠性 (2) IBM PC/AT 总线 由于IBM PC机有丰富的软、硬件支持，而且其价格低廉，目前已成为国际上 广泛使用的微型机之一。 (3) RS-232C串行接口标准总线 采用R4 232C作串行通信时，通信距离达15m，传输数据的速率可任意调整, 最大可达20kb/s。 采用RS 232C总线来连接系统时，有近程通信和远程通信之分。 (4) RS-422串行接口标准总线 RS 422接口是单端连接。 RS 422接口采用

24、了平衡驱动和差分接受其组合的双端接口方式。 (传输距离可以达到 1000m，传输波特率可以达到10Mbit/s。) 29、计算机控制系统软件的分类 (1 )系统软件(2 )应用软件(3)数据库 30、选择采样频率的经验规则 Td,那么采样周期 (1)对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极点的时间常数为 T 应取 T : Td/10 (2) 被控过程具有纯延滞时间 (3) 闭环系统的稳态调节时间 闭环系统的闭环自然频率 31、干扰源分类及抗干扰的措施 (1)干扰源分类：电网噪声 T ,通常要求 T (1/41/10) 有要求T : ts/10 有要求，s 10 n 内部干扰外部干扰 (2 )抗

25、干扰措施：克服空间感应的抗干扰措施 过程通道的抗干扰措施 电源系统的抗干扰措施 地线配置的抗干扰措施 看门狗电路 注意：第4、5张课件自己看看 参考试题1 、填空(每题2分，共16分) 1 计算机控制系统主要是在时间和幅值上将连续系统离散的。 2零阶保持器对系统的主要影响是_引起-T/2的相位延迟 。 3. 在计算机中实现时，P（z） -zn a1zn J an的特征根靠得太近， 参数量化将使_特 征根偏移增大。 4. 连续系统可控可观，采样系统仍然可控可观的条件是 对于相异特征根 Si和Sj，满足：Si-Sjj2 k /T , T为采样周期。 5连续控制律采用 Tustin变换时，将使s平面

26、左半平面映射到 z平面的单位圆内。 6. 若已知系统的闭环自然频率n,通常选择采样频率为.（4 10 n。 7. 从改善系统动态特性角度出发， 希望采样周期的取值 小些较好 ;从量化分 析的角度出发，希望采样周期的取值 不要过小 。 (3) 转换速率：根据系统的频带或信号的变化频率。(1分) 3试简述在计算机系统中加入看门狗电路的作用。 看门狗电路可以用于检测由于干扰引起的系统出错并自动恢复运行，提高控制系统 的可靠性。 4若G(s)是最小相位系统，Z变换后G(z)也是最小相位系统吗？为什么？ 不一定，可能是也可能不。因为z变换后G(z)的零点与采样周期有关，当采样周期较 小时，G(z)的零点

27、可趋于单位圆外。 5、为了使系统输出响应比较光滑，通常应怎样选用采样周期？ 当响应为非周期时，要求在阶跃响应升起时间Tr内采样点 Nr= Tr/T(5 10) ；( 2 分) 当响应为振荡时，要求在一个振荡周期Td内采样点Nr= Tr/T (1020) 。 ( 3分) 6、已知x(t)=(0.5+5sin3t),采样周期T=2二/3，试求采样信号 x(k)，并讨论。 x(k)=0.5+5sin(3k2 n /3)=0.5 (2分)。由于不满足采样定理， 采样后变为直流信号。(3分) 7、已知计算机控制系统的信号变换结构图如下图所示。 f (t) ABC 试说明A、B、C、D各点信号特征。 A时

28、间断续幅值连续模拟信号；B时间断续幅值断续模拟信号 ； C时间断续的数字信号；D 时间连续幅值断续模拟信号。 参考试题4 一 填空(每题2分，共16分) 1.零阶保持器频率特性将会引起T/2的相位延迟。 2 .离散系统频率特性的主要特点是它的幅相特性是采样频率的周期函数。 3. 当系统的极点位于 z平面的正实轴上 时，对应的脉冲响应是单调的，位于负实轴上的 极点对应的脉冲响应_是交替振荡的。 4. 从控制算法的等效离散化角度出发，希望采样周期的取值 越小越好；从量化分析的角 度出发，希望采样周期的取值 不要过小。 5 常值状态反馈是否改变系统的可控性？否_ ;是否改变系统的可观性？可能 6.

29、离散环节产生变量量化产生极限环和死区的本质是 变量量化的阶梯非线段性 。 7. 若已知系统的闭环自然频率n,经验上采样周期应选为 S = （4 10） n。 5试简要说明计算机控制系统中，采样周期T的大小，对系统性能和经济性有哪些影响。 (采样周期过大减弱稳定性；增大信号失真；输出响应不光滑，系统相位延迟增大，降低系 统抑制噪声干扰能力。采样周期过小，会增大量化误差，增大对计算机硬件的要求，降低计 算机工作负荷，增大成本) 6若已知fi(t)=sin(t), f2(t)= sin( +ns)t,采样频率为s, n为整数，试求上述两个信 号的采样值，由此可得什么结论。 (fi(k)二 sin(

30、k T)； 2 f 2( n 丁 )kT = f2 k T 2 kn n = f 2 ( k T ) = f 表明当两个连续信号频率相差ns时，其采样信号值相等。) 7试简单说明数字 PID调节器中积分分离法抑制积分饱和的基本思想，并写出积分分离 PID 位置算式。 (积分分离法的基本控制思想是，当偏差大于某个规定的门限值时，取消积分作用；只 有当误差小于规定门限值时才引入积分作用，以消除稳态误差。 积分分离PID位置算式： k u (k) = K pe(k)怦二 K I 7 e( j) - K d e(k) e(k - 1) j m 当 e(k)空；值，=1 ； 当e(k) 值，=0。；为规

31、定的门限值。) Whe n you are old and grey and full of sleep, And no ddi ng by the fire, take dow n this book, And slowly read, and dream of the soft look Your eyes had once, and of their shadows deep; How many loved your mome nts of glad grace, And loved your beauty with love false or true, But one man loved the pilgrim soul in you, And loved the sorrows of your cha nging face; And bending dow n beside the glow ing bars, Murmur, a little sadly, how love fled And paced upon the mountains overhead And hid his face amid a crowd of stars. The furthest dista nee in the world Is not betw