计算机控制技术(电本06OK)

1、工业控制计算机及其应用主讲人:赵 明 (教 授)课程内容:第一章 计算机控制系统的组成及典型的应用形式(6学时)第二章 输入输出接口与过程通道 (8学时)第三章 常规及复杂控制技术(22学时)第四章 应用程序设计与实现(8学时)第五章 DCS系统(6学时)第六章 计算机控制系统的设计与实现(2学时)第一章 计算机控制系统的组成及应用形式一、计算机控制系统概述二、工业控制机的组成结构及特点三、计算机控制系统的发展趋势一 、计算机控制系统概述1.计算机控制系统及其组成 y控制器-被控对象e给定量执行机构+rD/A被控量测量变送uA/D生产过程工控机一 、计算机控制系统概述2 .计算机控制系统的工作

2、原理（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 （2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 （3）实时控制输出：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。一 、计算机控制系统概述3.计算机控制系统的典型形式（1）操作指导控制系统 该系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。CRT打印机操 作人 员调节器 生 产过程计 算机模拟量输入（AI）通道数字量输

3、入（DI）通道3.计算机控制系统的典型形式（2）直接数字控制（Direct Digital Control）系统 DDC系统属于计算机闭环控制系统。计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。CRT打印机报 警操作台计算机 输入通道（AI，DI） 输出通道（AO，DO）生产过程（3）监督控制（Supervisory Computer Control)系统 监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地

4、改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）。 从这个角度上说，它的作用是改变设定值，又称为设定值控制SPC(Set Point Control).3.计算机控制系统的典型形式记录显示打 印工艺数据生产过程 S S C计 算 机模 拟调节器调节测量设定值记录显示打 印 S S C 计 算 机 DDC计算机生产过程调节设定值测量工艺数据（a）(b)3.计算机控制系统的典型形式（4）分散型控制系统 （Distributed Control System-DCS) DCS采用分散控制，集中操作，分级管理，分而自治

5、和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。通信联络管 理计算机网 间联接器监 控计算机网 间联接器网 间联接器网 间联接器网 间联接器至其它局域网局部网络(LAN)操作员操作站工程师操作站网 间联接器集中操作管理级综合信息管理级分散过程控制级（5）现场总线控制系统 （Fieldbus Control System-FCS) FCS是新一代分布式控制结构。20世纪80年代发展起来的DCS，其结构模式为“操作站控制站现场仪表”三层结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS又各自的标准，不能互连。FCS于DCS不同，它的结构模式为“工作站

6、现场总线仪表”二层结构，完成了DCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。 常见总线: FF , CAN, DeviceNet，LonWorks等十几种。 3.计算机控制系统的典型形式二、工业控制机的组成结构及特点1.工业控制机的硬件组成例（研华工控机）（1）机箱带 ATX 主板选项的14 槽机架安装机箱 IPC-610 二、工业控制机的组成结构及特点（2）无源底版 槽数： 8个ISA, 4 PCI, 2个 PICMG槽 尺寸： 315 x 260 mm (12.4 x 10.24) （3）CPU卡 研华NORCO-740GVE P4级全长C

7、PU卡 支持P4 478架构系列处理器主频高达3.06GHz ，支持400/ 533MHz外频 ，支持Intel超线程技术， 采用Intel 845GV+ ICH4 ，支持USB 2.0板载显示控制器，动态共享64MB内存作为显存，两条184 pin内存插槽，支持200/266/333MHz DDR内存达2GB，支持内存异步 适用于通讯、DVR、电信、交通、工业控制领域 二、工业控制机的组成结构及特点（4）I/O板 24位数字量I/O线 仿真8255PPI模式0 提供比8255更高驱动能力的缓冲电路 中断处理 输出状态回读 PCL-724 二、工业控制机的组成结构及特点（5）AD与DA板 12

8、路独立D/A输出 12位分辨率双缓冲D/A转换器 多种输出范围：+/-5V，0+5V，0+10V和420mA电流环（汇） 16路数字量输入及16路数字量输出 PCL-727 二、工业控制机的组成结构及特点（6）内部与外部总线1）内部总线 IBM PC和STD2）外部总线 RS-232C IEEE-488二、工业控制机的组成结构及特点（7）系统支持功能监控定时器（Watchdog）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输入输出通道二、工业控制机的组成结构及特点2 工业控制机的软件组成系统软件支持软件应用软件二、工业控制机的组成结构及特点3 工业控制机的特点n可靠性高和可维修性

9、好n环境适应性强n控制的实时性n完善的输入输出通道n丰富的软件n适当的计算精度和运算速度二、工业控制机的组成结构及特点三、计算机控制系统的发展趋势1.计算机技术的发展过程 1956年3月美国德克萨斯的一个炼油厂与TRW公司合作研究计算机控制系统开始，至今经过四个阶段：（1）开创期（1955-1962年）（2）直接数字控制时期（1962-1967）（3）小型计算机时期（1967-1972）（4）微型计算机时期（1972-至今 ）2 计算机控制理论的发展过程（1）采样定理（香农Shannon ,1949)（2）差分方程（奥尔登伯格Oldenburg和萨托里厄斯Sartorius，1948）（3）Z

10、变换（扎德Zadeh，1952）（4）状态空间理论（庞特里亚金Pontryagin等)（5）最优控制（贝尔曼1957）与随机控制（1960，LQG）（6）代数系统理论（7）系统辩识与自适应 三、计算机控制系统的发展趋势3 计算机控制的发展趋势n成熟技术的应用n智能控制系统（1）递阶控制（2）模糊控制（3）专家系统（4）学习系统（5）神经网络三、计算机控制系统的发展趋势第二章 输入输出接口与过程通道一、数字量通道二、模拟量通道三、通道的抗干扰技术第二章 输入输出接口与过程通道n接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。 n接口技术：研究计算机与外部设备交换信息的技术。 n过程通道

11、：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO） 2.1数字量输入输出通道一 数字量输入输出接口(一) 输入接口一 数字量输入输出接口(二) 数字量输出接口二 数字量通道过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（DI、DO）(一)数字量输入通道(DI)1 数字量输入通道结构输 入 调 理 电 路输 入 缓 冲 器地址译码器P C 总 线生产过程(一) 数字量输入通道(DI)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。 a)小功率输入调理电路 开关去抖电路 KR1R2COAAOAO开关去抖电路b)大功

12、率输入调理电路 采用光电隔离 (二) 数字量输出通道(DO)1 数字量输出通道结构输 出 驱 动 器输 出 锁 存 器地址译码器P C 总 线生产过程2 输出驱动电路 a)小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。 达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416，7路驱动，带保护二极管 b)大功率直流驱动电路 固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生 触发信号，减少干扰。 2.2 A/D转换器及接口技术 常用A/D转换方式： 逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较） ADC0809（8位），AD574（1

13、2位） 双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分） MC14433（11位），ICL7135（14位） #A/D转换器的主要技术指标： 转换时间：积分型 毫秒级，逐次比较 微秒级。 分辨率：数字量位数n。 LSB（最低有效位）满量程的1/2n. 线性误差：量程范围内，偏离理想转换特性的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB量程：能转换的电压范围。 对基准电源的要求：电源精度。一 A/D转换器 8位A/D转换器ADC0809 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 转换时间100us, 误差1/2LSB转换时序 一 A/D转换器12位A/D转换器AD574A 单通道12位逐次逼近A/D转换器

14、转换时间25us, 误差1/2LSB，单极性或双极 性输入，量程10V或20V。二 A/D转换接口技术 a) ADC0809与8255A接口 b) AD574与8255A接口 2.3 模拟量输入通道 n模拟量输入通道把模拟信号转换为二进制数字信号，送入计算机中。 n模拟信号传输010mA或420mA电流传输。一 模拟量输入通道结构变送器I/V变换过程参数 多路转换器采样保持器A/D转换器接口逻辑电路模拟输入通道PC总线二 I/V变换 电流输出 仪表DDZ-：010mA 仪表DDZ-,DDZ-S：420mA 无源I/V变换（利用无源器件完成） 010mA:R1 100 R2 500 05V输出

15、420mA:R1 100 R2 250 15V输出有源I/V变换（利用有源器件完成）010mA:R1 200 R3 100k R4 150k 05V输出420mA:R1 200 R3 100k R4 25k 15V输出同相放大器倍数 A=1+R4/R3 三 多路转换器 多路开关理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切 换速度快。 举例：CD40518通道开关 INH 禁止输入四 采样、量化及常用的采样保持器 信号的采样 :采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为一连串脉冲输出信号。 为采样宽度，即K闭合的时间。香农采样定量：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率

16、f 2 fmax，采样信号就能唯一复现原信号。 量化: 量化：用一组数码逼近离散模拟信号的幅值。量化过程：模拟信号数字信号。 量化单位：A/D转换器的最低有效位LSB对应的模拟量。 q=(ymax-ymin)/(2n-1) 量化误差： 1/2q编码:#采样保持器 孔径时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。 孔径误差：采样时刻的最大转换误差。 孔径误差的消除：采用采样保持器 孔径时间内，信号的变化导致转换误差，A/D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围。 采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN 保持：K断开，VOUT保

17、持VC 缓慢变化的信号无需采样保持器LF398 采样保持控制引脚8：高电平，采样 低电平，保持 CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。 获取时间：CH为0.01uF时, 时间为25us 五 模拟量输入通道设计 器件：AD574A, LF398, CD4051,8255A 指标:8通道模拟量输入 12位A/D转换（25us)，量程010V 查询应答方式 电路逻辑： 通道选择-PC0-PC2, 通道禁止-PC3 LF398采样和保持-ADC574的STS+反相器 AD574A的R/C, CS, CE -PC4-PC6 转换状态检测STS-PA7 数据输入：高4位-PA0-PA3，低8位-B口

18、注意问题n采样保持器与孔径误差nA/D转换器及性能指标n信号滤波2.4D/A转换器及接口技术D/A转换器的技术指标 分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数。 建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，输出信号达到离终值 1/2LSB的所需时间。 线性误差：偏离理想转换特性的最大误差。常见D/A转换器类型： 电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放大器有滞后。 电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。 一 D/A转换器 8位D/A转换器ADC0832 8位电流输出型D/A转换器二 D/A转换接口技术 2.5模拟量输出通道一 模拟量输出通道的结构形式1 一个通路设置一个D/A转换器的形式2多个通路共用

19、一个D/A转换器的形式接口D/A多路开关采 样保持器采 样保持器V/I和自动/手动V/I和自动/手动接口D/AD/AV/I和自动/手动切换V/I和自动/手动切换PC总线PC总线通道1通道n通道1通道n二、V/I变换和自动/手动切换1 集成V/I变换器ZF2B20 输入：0-10V，输出：420mA和0-10mA2 集成V/I变换器AD694输出范围: 420mA， 020mA输入范围：或电源范围：4.536V初始校准420mAZF2B20010V010mAZF2B20010VV+V+5005000.010.0132.5K1K3 自动/手动切换I/(R9+W) ： 当R9+W=500或250 ，

20、 可实现010mA或420mA)HIL计算机DID/AA/DK2K1K3A+VViVfHAR1R2R3R4R5AHR6R7+E-E增减R8R9WV2C+ECBG1RL+IL三 模拟量输出通道设计见P48 图2.402.6 硬件抗干扰技术一 干扰的产生(干扰源)二 干扰传播途径三 干扰抑制原则 1 消灭干扰源 2 切断干扰传播途径 3 远离干扰源四、干扰的分类1按噪声产生的原因（1）放电噪声：雷电、静电、电动机电刷跳动、大功率触点短开等（2）高频震荡噪声：中频电炉、感应电炉、开关电源等（3）浪涌噪声：电动机启动电流、电炉合闸电流、可控硅触发电流2、按噪声传导模式分类（1）串模（常态）干扰：输入信

21、号中的干扰（2）共模（共态）干扰：地线间存在的干扰3、按噪声波形及性质（1）持续正弦波（2）偶发脉冲电压：雷击波、静电放电、接点分断电压负载等（3）脉冲列：接点分断电感负载、接点反复接通电压等五、抗干扰措施1过程通道抗干扰技术（1）串模（常态）干扰的抑制方法1）串模干扰频率比被测信号频率高时：采用低通滤波器2）尖峰型串模干扰时：采用双积分型A/D转换器3）串模干扰来至于电磁感应时：对被测信号尽可能早地进行前置放大或进行A/D转换4）从选择逻辑器件入手：低速器件抑制高频干扰等5）采用双绞线作信号引线：抑制电磁干扰等n（2）共模（共态）干扰的抑制方法n1）隔离变压器n2）光电隔离n3）浮地屏蔽n4

22、）仪表放大器：差动输入可以抑制共模干扰n2、CPU抗干扰技术n3、长线传输抗干扰技术n4、电源系统抗干扰技术2.7实例器件 PCL-734 32路隔离数字量输出卡 PCL-782B 24路光耦卡 数字量通道PCL-735 12路继电器输出卡本章作业：1 说明图2.39、图2.40电路工作原理；2 干扰的抑制原则是什么？3 P63页2.9-2.14作业:1 教材: (P62 )2.1, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9.2 说明图2.25、图2.39电路工作原理.3 常见A/D转换器分为哪两种类型? 应用于什么场合?4 画出模拟量输入通道的结构框图. 第三章 常规及复杂控制技术数字

23、控制器的设计方法： n连续化设计：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。 n离散化设计：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。 一、数字控制器的连续化设计理论依据:(略)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(例如:双线性变换S=2/T*(Z-1)/(Z+1)，用计算机实现。 一、数字控制器的连续化设计(一)数字控制器的连续化设计步骤设计假想的连续

24、控制器D(s) 选择采样周期T 将D(s)离散化为D(z) 设计由计算机实现的控制算法 校验 (计算机仿真)一、数字控制器的连续化设计(二)数字PID控制器的设计 PID比例P, 积分I, 微分D 数字PID控制器用计算机实现PID控制，即把模拟PID控制规律数字化。1 模拟PID调节器D(s)G(s)r(t)e(t)u(t)y(t)P+_其中：Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。 比例作用：比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定； 积分作用：积分作用：消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡； 微分作用：微分作用：减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善

25、系统的动态特性。)11 ()()()()()(1)()(0STSTKSESUSDdttdeTdtteTtektuDIPtDIp一、数字控制器的连续化设计一、数字控制器的连续化设计2.数字PID 用数值逼近的方法实现PID控制规律。 数值逼近的方法：用求和代替积分、用后向差分代替微分.(1)数字PID位置型控制算法 (2)数字PID增量型控制算法 ) 1()()()()(0TkekeTieTTtekkuDkiIp) 1()()(kukuku)2() 1(2)()()1()(kekekekkekkekekDIp称为比例增益；1pK称为积分系数；IPITTKK 称为微分系数；TTKKDPD)2()

26、1()()(210keqkeqkeqkuTTKqTTKqTTTTKqDpDpDp2110)21 ()1 (为编程方便，可以整理得到：一、数字控制器的连续化设计一、数字控制器的连续化设计增量型算法与位置型算法比较： （1）增量型算法不需做累加，计算误差后产生的计算精度问题，对控制量的计算影响较小。位置型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的累加误差。 （2）增量型算法得出的是控制的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会影响系统的工作。位置型算法的输出是控制量的全部输出，误动作影响大。一、数字控制器的连续化设计(三)数字PID控制器的改进积分项的改进 （1)积分分离: 改

27、进原因：当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，存在较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间的波动。 改进思路：当被控量和给定值偏差大时，取消积分控制，以免超调量过大；当被控量和给定值接近时，积分控制投入，消除静差。 改进方法： 当 |e(k)| 时，采用PD控制； 当 |e(k)| 时，采用PID控制。 积分分离阈值的确定： 过大，达不到积分分离的目的； 过小，则一旦控制量y(t)无法跳出各积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。一、数字控制器的连续化设计（2）抗积分饱和 积分饱和：如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差，由于积分的作用，尽管计算PID差

28、分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行结构已无相应的动作，控制信号则进入深度饱和区。 影响：如果系统程序反向偏差， 则u(k)首先需要从饱和区退出，进入的饱和区越深，退出时间越长，导致超调量增加。 改进方法：对控制量u(k)限幅。 以8位D/A为例，u(k)FFH时，取u(k)=FFH。一、数字控制器的连续化设计 （3）梯形积分改进原因：减小残差，提高积分项的运算精度。 改进方法：矩形积分改为梯形积分。 Tieieedttki002) 1()(一、数字控制器的连续化设计 （4）消除积分不灵敏区 改进原因：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”处理，

29、此时积分作用消失，这就称为积分不灵敏区。 改进措施： 增加A/D转换位数，加长运算字长，提高运算精度。 当积分项连续n次小于输出精度的情况下，不要把它们作为“零”处理，而是把它们累加起来，直到累加值大于时才输出，同时把累加单元清零。 )(1iuSniII一、数字控制器的连续化设计微分项的改进 （1）不完全微分PID控制 改进原因：微分具有放大干扰信号的特点在PID控制中，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡。 改进方法：串联一阶惯性环节，作为低通滤波器抑制高频噪声，组成不完全微分PID控制器。 两种方式：直接串在微分项；串在PID调节器之后，如下图。 )( tu

30、)(tu)(te)(sDfPID1s1)(ffTsD)( )()(tutudttduTf)()(1)()( 0dttdeTdtteTteKtutDIp)()(1)()()(0dttdeTdtteTteKtudttduTtDIpfTTTaTkekeTieTTkeKkukuataukuffDkiIP) 1()()()()( )( )1 () 1()(0一阶惯性环节的传递函数其拉氏反变换有：一、数字控制器的连续化设计因为PID调节器：离散化后有：式中：一、数字控制器的连续化设计由上式可以求得不完全微分PID控制的增量型控制算法。 不完全微分PID控制的效果： 抑制高频噪声。 克服纯微分的不均匀性。

31、)2() 1(2)()()1()()( )( )1 () 1()(kekekeKkeKkekeKkukuakuakuDIP式中称为微分系数称为积分系数TTKKTTKKDPDIPI下图，在 t=0时刻出现阶跃信号 tP ID U(k) tP ID U(k) (a)标准PID控制 (B)不完全微分PID控制一、数字控制器的连续化设计一、数字控制器的连续化设计 （2）微分先行PID控制算式 改进原因：为避免给定值的升降给系统带来冲击，如超调过大，调节阀动作剧烈。 微分先行：把微分运算放在前面，后面跟比例和积分运算。 改进方法：把微分提前，只对被控量y(t)微分，不对偏差e(t)微分。 r(t)u(t

32、)+_SrTSTDD11)11 (1STKPy(t)一、数字控制器的连续化设计 (3)时间最优PID控制 最优控制的含义：某个指标最优。 Bang-Bang控制，开关控制，对|u(t)|=1，采用一定的方法在1，1间切换，使时间最短。 时间最优PID控制： Bang-Bang控制和PID控制 相结合。 控制，控制，PIDaBangBangakykrke)()()(一、数字控制器的连续化设计(4)带死区的PID控制算法 改进原因：避免控制动作过于频繁 死区阈值 PID参数整定(略)H(s)r(t)p(k)y(t)+_e(k)执行器u(t)y(t)对象二 数字控制器的离散化设计技术 数字控制器的离

33、散化设计技术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。其控制规律和算法更具有一般意义。 (一) 数字控制器的离散化设计步骤 Gc(s)：被控对象的传递函数， D(z)：数字控制器的脉冲传递函数， H(s) 零阶保持器的传递函数。D(z)H(s)r(t)e(t)u(k)y(t)+_e(k)Gc(s)u(t)TT二 数字控制器的离散化设计技术定义广义对象(零阶保持器与被控过程)的脉冲传递函数为:则上图的闭环脉冲传递函数为： 于是有： 得:由此推得数字控制器的离散化设计步骤。)(1)()(1)(zzzGzD)()(1)()()(zGzDzGzDz)(1)()()()()(sG

34、SeZsGsHZzAzBzGCTsC二 数字控制器的离散化设计技术数字控制器的离散化设计步骤: (1) 根据控制系统的 性能要求和其它约束条件，确定所需要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) 确定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。 二 数字控制器的离散化设计技术注意：注意： (z)可根据所需要的输入及响应性能确定。n D(z)的一般形式： n 数字控制的输出U(z) n 进行z反变换后，可得到计算机控制算法：)( ,1)()()(10mnzazbzEzUzDiniiimii)()()(00zUzazE

35、zbzUiniiimii)()()(00ikuaikebkuniimii二 数字控制器的离散化设计技术 (二) 最少拍控制器的设计 最少拍控制：最少拍控制：就是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，且其闭环脉冲传递函数是中N是可能情况下的最小正整数。 闭环脉冲 (z)，在N个周期后变为0 NNzzzz2211)(二 数字控制器的离散化设计技术1、确定闭环脉冲传递函数 (z)(1)定义误差脉冲传递函数 根据上图有： 则有： 典型输入： z变换为： )()()(zzRzEeqzzBzR)1 ()()(11)!1(1)(qtqtr)(1)()()()()()(zzRzYz

36、RzRzEze二 数字控制器的离散化设计技术B(z)为不含1-z-1因子的z-1多项式。 q=1，输入为单位阶跃输入函数， q=2，输入为单位速度输入函数， q=3，输入为单位加速度输入函数，（2)根据Z变换的终值定理，求系统的稳态误差，并使其为零（无静差，即准确性约束条件)。则有： 要使e( )=0，则必须： 则有： )()1 ()(1)(1zFzzzqe)()1 (1)(1)(1zFzzzqeppzfzfzfzF22111)()()()1 (lim)()1 (lim)(1111zzRzZEzeezz)()1 ()()1 (lim111zzzBzeqz二 数字控制器的离散化设计技术 （3)根

37、据最少拍控制，确定最少拍控值的闭环脉冲传递函数 (z) （快速性约束条件）根据上式可知， (z)中z -1的最高次幂为N=p+q，故系统在N拍可以达到稳态。 当p=0时，系统可以在最少q拍达到稳态。 上述两点可得最少拍控制器选 (z) 为： (4)最少拍控制器D(z)为： qzz)1 (1)(1qqzzGzzzzGzD)1)()1 (1)(1)()(1)(112 典型输入下最少拍控制系统分析典型输入下最少拍控制系统分析(1)单位阶跃输入（单位阶跃输入（q=1）输入函数r(t)=1(t),其Z变换为：由上可知：因而有：所以有：#说明只需一拍输出跟随输入说明只需一拍输出跟随输入 111)(ZZR)

38、1 (1)(1ZZ21011e001)1 (11)(1)()(R(Z)E(Z)ZZZZZZZRZ3211111)()()(ZZZZZZZRZY（2 ）单位速度输入（）单位速度输入（q=2） 输入函数r(t)=t的Z变换为：有：则：所以：#说明二拍输出跟随输入。说明二拍输出跟随输入。 211)1 ()(ZTZZR212112)1 (1)1 (1)(ZZZZZq121211)21 ()1 ()(1)()()()(TZZZZTZZZRZZRZEe431432)()()(TZTZTZZZRZY（3）单位加速度输入（）单位加速度输入（q=3）单位加速度输入 r(t)=t2/2的Z变换为： 有：同理：可见

39、，只需三拍。可见，只需三拍。31112)1 (2)1 ()(ZZZTZR3213133)1 (1)(zZZZZ22122121)(ZTZTZE3最少拍控制器的局限性最少拍控制器的局限性（1）对典型输入的适应性差）对典型输入的适应性差52423222311122432212112113211211115 .1175 . 3)()1 (2)1 ()(21)(432)2()1 ()()1 ()()(212)()()(11)()( 1)(2)()(ZTZTZTZTZYZZZTZRttrTZTZTZZZZTZZYZTZZRttrZZZZZZZZRZYZZRttrZZzz等加速度输入时：等速输入时：阶跃输

40、入时：输出如下：三种不同输入时对应的：是按等速输入设计时有例如：当对于上述三种情况进行Z反变换得输出序列为：y y y1（2）最少拍控制器可实现问题）最少拍控制器可实现问题 设给定连续控制对象有d个采样周期的纯滞后，相当于前面的广义对象脉冲传函为： 则所设计的闭环脉冲传函（Z）中必须含有纯滞后，且滞后时间至少要等于被控对象的滞后时间。否则系统的相应超前被控对象的输入，不可实现。0 1T 2T 3T 4T 5T t0 1T 2T 3T 4T 5T t0 1T 2T 3T 4T 5T tdZZAZBZG)()()(（3）稳定性问题）稳定性问题 前面讨论没有对G(Z)没有提出约束，实践上G(Z)必须

41、是稳定的，且不含有纯滞后环节时，下式才成立。如果G(Z)不稳定则需对设计原则作相应的限制。 D(Z)和G(Z)总是成对出现，但不用需零、极点相互对消。 )()(1)()()(ZGZDZGZDZ第四章 应用程序设计与实现 nGENIE组态软件(研华专用)nMCGS(通用)应用举例: 预熔颗粒保护渣自动称量系统(一)工艺流程 研 磨 机变频器电 机DJ111#储料仓J11 储料仓放料电磁阀J12上料位检测下料位检测螺旋给料机电子秤体压力传感器YL1 YL2DJ12DJ13电子秤放料电磁阀中间料仓放料电磁阀中间料仓(二)工控机系统硬件集成 D/AKBD-6307（键盘）FPM-38（显示器）IPC-

42、610（机箱）PCA-6108-OB1（ 主 机 ） PCA-6185EPSON-1600K （打印机） DI DI DO DOPCLD-885PCLD-8851#8# 储料仓上料位检测1#8# 储料仓下料位检测1#8# 变频器锁零控制1#8# 储料仓放料控制PCL-722（I/O板） A/D DI DOPCL-812PG（多功能板）MINI 11-100（压力变送器）DRC（压力传感器）PCLD-885（继电器输出板）重量输入研磨机位置检测输入电子秤放料控制中间料仓放料控制研磨机给水控制1#8# 变频器 V/F 端子PCL-727（D/A板）(三)程序流程图YYNYNi =1（i表示被称量物

43、料序号）i号物料低于储料仓下料位吗？ i 号储料仓放料到上料位吗？调用i号窍门程序进行称量i号物料配出量统计 i = 8？i = i +1中间料仓放料配出罐数统计给 水 控 制 开 始YN研磨机在中间料仓下吗？N 电子称放料 第五章 集散控制系统 第一部分第一部分:系统总体概述系统总体概述 一 系统出现的背景 二 系统的结构 三 开放系统 四 集散控制系统的特点 五 集散控制系统的构成要素 六 集散控制系统的优越性 七 集散系统的发展与展望 第二部分第二部分: TDC-3000: TDC-3000集散系统集散系统第一部分:系统总体概述 一 系统出现的背景 集散控制系统（Total Distri

44、buted Microprocessor Control System）是七时年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机控制系统。它是控制技术（Control）、计算机技术（computer）、通讯技术（Communication）和阴极射线管（CRT）图形显示技术想结合的产物，即是4C技术的结晶。当今的集散系统不仅能实现过程控制和管理，还具有综合信息管理的能力。 随着科学技术的飞速发展，现代工业生产规模不断扩大，生产工艺日趋复杂，对生产过程的自动化提出了更高的要求： (1)人机联系好，便于集中操作、监视和管理大型现代化工业生产装置。(2)在高度可靠的前提下，按预定的工艺指标控制复杂的生

45、产过程。除了完成一般的单参数、单回路外，还应易于实现非线性、多变量相关控制等复杂的控制功能。(3)能与计算机和常规仪表相间容。(4)系统构成应方便灵活，不仅易于扩展，而且模件化设备的数量最少，维修简单。(5)应具有良好的性能价格比。 二 系统的结构 分散控制系统通常由过程控制单元、过程接口单元、CRT显示操作站、管理计算机以及高速数据通路等五个主要部分组成。基本结构如图 n CRT操作站（操作者接口）管理计算机高速数据通路基本控制单元 1基本控制单元 n过程输入/输出接 口 过 程集散控制系统的基本结构分为: 1.分散控制装置分散控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面。生产过程的各种过程变量

46、通过分散控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散控制装置送到执行机构。分散控制装置内，进行A/D的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其它的一些运算。2.操作管理装置操作管理装置 是操作人员与集散控制系统间的界面。操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便操作人员监视和操作。3.通信系统通信系统 是分散过程控制装置与操作管理装置之间数据传递和交换的桥梁。 三 开放系统 (一)可移植性（Portability）其它厂家的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上运行，有时

47、可能有小的改动，但从系统的应用来看，各个制造厂集散控制系统的软件有了可相互移植的可能。但软件的可移植性也带来了安全性的问题，为此必须有相应的安全措施。(二)互操作性（Interoperability）网络上的各个节点，如，操作监视站、集散过程控制站等，由于网络的连接，使得在网络上其它节点的数据、资源和处理能力等被它所应用（指不同的计算机系统与通讯网相互连接起来；通过互连，能正确有效的进行数据的互通；并在此基础上协同工作，共享资源，完成应用的功能）。 (三)可适宜性可适宜性（Scalability）系统对计算机的运行要求变得更为宽松，在某些较低级别的系统中能运行的应用软件也能在高级别的系统中运行

48、，反之，系统软件版本高的能适用于版本底的系统。(四)可得到性（Availability）系统的用户可对产品进行选择，而不必考虑所购买的产品能不能用在已购的系统上（各制造厂的产品具有统一的通讯标准）。 四 集散控制系统的特点 (一)分级递阶控制集散控制系统是分级递阶控制系统。它在垂直方向或水平方向都是分级的。最简单的集散控制系统至少垂直方向分为二级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接受操作管理级的指令，各个水平级间也进行数据的交换。集散控制系统的规模越大，系统的垂直和水平分级的范围也越广。 (二)分散控制 分散控制是集散控

49、制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。国外对集散控制系统常称为分散控制系统，即DCS。其原因是把分散控制放在十分重要的位置。(三)自治和协调性 集散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它们各自完成各自的功能，相互间又有联系，数据信息相互交换，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。n 分散的基础是被分散的系统应是自治的系统，递阶分级的基础是被分级的系统是相互协调的系统。 五 集散控制系统的构成要素 集散控制系统的结构特征:1递阶控制结构 对个子系统的控制按一定的优先和从属关系来实现。它们形成金字塔式的结构。同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预。子系统可以通过上级互

50、相交换信息。因此，称集散控制系统具有递阶控制（Hierarchical control）结构。 递阶控制的结构形式有三种，它们是多层结构、多级结构和多重结构。（1）多层结构（Multiplayer Structure） 按系统中决策的复杂性分级。例如，对于一个存在不确定因素的复杂控制系统，控制功能的递阶分层可由四层实现。它们是： 直接控制层直接控制层：采用一般的简单控制。 优化控制或监视层优化控制或监视层：在一定的对象数学模型和参数已知的条件下，按优化指标确定直接控制层的控制器设定值。学习层或自适应层：学习层或自适应层：通过对实际系统的观测来辩识优化层中所使用数学模型的结构和参数，使模型和实际

51、过程尽量保持一致；自组织层：自组织层：按系统总控制目标选择下层所用模型结构、控制策略等。当目标变化时，能自动改变优化层所用优化性能指标。当辩识参数不满意时，能自动修改自适应层的学习策略等。 按功能划分的多层结构 多级多目标的结构(2)多级结构（Multilevel structure）为了减少同一级的各个子系统之间信息的交换和决策的冲突，在分散的各决策子系统上添加一级调节级，用于下级决策的协调和信息的交换。如上图所示。()多重结构（Stratified structure） 这是指用一组模型从不同角度对系统进行描述的多级结构。集散控制系统需要处理复杂的工业生产过程，分散控制既有横向的多级结构又

52、有纵向的多层结构，它的功能也决定了必须是递阶控制结构。由于集散控制系统应用于互相关联的工业系统，它的决策不仅需要各个子系统的决策，还需要上级的协调来实现全局的优化，这也说明集散控制系统必须采用递阶控制结构。（）递阶控制结构采用递阶控制结构，具有经典控制结构所不具备的优点，主要包括：系统的结构灵活，容易改变，系统容量可以扩大或缩小。 控制功能强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适应和自组织等功能。 降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间。 可设置备用子系统，降低了成本，提高可靠性。 各级的智能化进一步提高系统的性能。2分散控制结构 分散控制结构是针对集中控制可靠性差的缺点而提出的。与递

53、阶控制结构的根本区别是分散控制系统结构是一个自治（Autonomous）的闭环结构。它的结构可以是垂直型、水平型以及两者混合的复合型。 集散控制系统的分散控制结构体现在如下几个方面：（1）组织人事的分散 集散控制系统的运行需要操作人员、管理人员。功能的分散与工厂的人员管理体制应相适应。为此，集散控制系统在组织人事的管理上采用了垂直分散的结构。其上层以数据管理、调度为主，属于全厂优化和调度管理级和车间操作管理级。下层则进行实时处理和控制，属于过程装置控制级和现场控制级。（2）地域分散 地域分散通常是水平型分散，当被控对象分散在较大的区域，例如油灌区的控制，则集散控制系统就需要对控制系统在地域上进

54、行分散设置。象各车间、工段因地理位置的因素，也有分散控制的需要。 （3）功能的分散 集散控制系统的分级是以功能的分散为依据的。按纵向分散，则可以分为直接控制、优化控制、自学习和自适应和自组织控制。按类型的分散，则可以分为常规控制、顺序控制和批量控制。考虑到分散功能之间尽量减少关联，因此，通常采用的功能分散是：具有人机接口功能的集中操作站与具有过程接口功能的过程控制装置的分散；过程控制装置中控制功能的分散；按装置或设备进行的功能分配以及全局控制和个别控制之间的分散等。 （4）负荷的分散 集散控制系统中负荷的分散不是由于负荷能力不够而进行负荷分散。主要目的是危险分散。 分散控制结构是以良好的通信系

55、统为基础的。过分的分散，使系统的通信量增大，响应速度下降。同样，过分的集中，因受微处理器处理速度限制而使信息得不到及时处理，造成响应速度变慢。因此，考虑到经济性、响应性、系统构成的灵活性等因素，集散控制系统纵向常分为34层。 3冗余化结构（Redundant structure） 为了提高系统的可靠性，集散控制系统在重要设备、对全系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。常采用的冗余方式有： （1）同步运行方式 （2）待机运行方式 待机运行方式的冗余结构采用N台同类设备，备用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，为N 1备用系统。当一台设备工作，一台设备后备时，称该系统为双工系统，或1 1备用系

56、统。 集散控制系统中，根据装置的重要性，采用了两种待机方式。通信系统为了保证高的可靠性，通常采用1 1备用方式。当发送站发出信息后的规定时间内未收到接受站的响应时，除了采用重发等差错控制外，也采用立即切入备用通信系统的方法。多路控制器常采用N 1备用方式，N的数量与制造厂产品特性有关。（3）后退运转方式 正常时，N台设备各自分担各自功能以进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要功能，以此来完成损坏设备的功能，这种方式称为后退备用方式。这种方式的应用例子是CRT和操作站。通常，采用2台或3台操作站。通过分工，可以让第一台用于监视，第二台用于操作，第三台用于报警。当任一台故障时，监视

57、和操作功能在正常操作台上完成。而当系统开、停车或紧急事故状态，这三台操作站都可用于监视或操作。（4）多级操作方式 多级操作方式是一种纵向冗余的方法。正常操作是从最高一层进行的。如该层故障则由下一层完成，这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制。 六 集散控制系统的优越性集散系统的优越性体现在： （1）控制功能完善：）控制功能完善：可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制；可以执行从常规PID运算到Smith预估补偿、矩阵运算等各种运算；可以进行连续的反馈控制，也可以进行间断的批量控制、逻辑控制；可以实现监控、显示、打印、报警和存储等日常全部操作要求。 （2）完善的人）完善的人-机联系

58、和集中监控功能：机联系和集中监控功能：操作人员通过CRT和操作键盘，可以监视整个的生产情况，按预定的控制策略组态不同的控制回路，实现真正的集中操作和监控管理。 （3）系统扩展灵活：）系统扩展灵活：采用模块式结构，扩大、缩小方便。有利于分批投资、分批受益。 （4）可靠性高）可靠性高 危险分散危险分散：系统关键设备双重或多重冗余，还设有无中断自动控制系统（即自动备用系统）和完善的自诊断功能。平均无故障工作时间MTBF达105天，系统的利用率A达99.9999%。 （5）安装调试简单：）安装调试简单： 安装工作量仅为常规仪表的1/22/3。系统采用专用软件进行调试，调试时间仅为常规仪表的1/2。 （

59、6）具有良好的性能价格比：）具有良好的性能价格比： 国外80个控制回路的生产过程采用集散系统的投资已与常规模拟仪表相当。且规模越大，平均每个回路的投资费用越省。 七 集散系统的发展与展望(一一)集散系统的发展集散系统的发展 集散控制系统是70年代发展起来的新型控制系统，由于它具有众多的优越性，目前已广泛应用于冶金、纺织、石油化工、电力、食品等工业部门，具有广泛的发展前景。发展历程大致分为三个时期：19751980年为初创期，19801985年为成熟期，1985以后为扩展期。(二)集散系统的展望集散系统的展望 发展方向：发展方向：过程控制自动化、制造业自动化、办公室自动化和经营管理自动化相结合的

60、计算机集成制造系统，即CIM系统（Computer Integrated Manufacturing）。 从集散系统规模看：从集散系统规模看：大量小型计算机和廉价的可编程控制器开始起着大型DCS的作用，因此，可靠、廉价的Micro DCS将具有强大的吸引力，但并不排斥某些工厂中大型DCS仍起着主导作用。 从销售的角度看从销售的角度看：DCS系统成套服务（System IntegrationSI）正异军突起，由DCS硬件销售为主的状况转入从工程项目出发的成套服务，包括软件服务、传感器、变送器安装维护的全套服务。 ( (三三) )我国集散系统的发展概况（见下表）我国集散系统的发展概况（见下表） 本