计算机控制系统课件

第七章计算机控制系统

7.1计算机控制系统概述采用计算机的系统。代替模拟控制器，补偿（校正）装置，实现复杂控制。工业控制机，单片机，PLC，DSP……模拟信号：1）时间的连续函数；2）数值连续。数字信号：用数字表示的信号，有限个数。离散时间信号：在时间的离散点上有定义。模/数（A/D）转换数模（D/A）转换离散时间系统：系统中有离散时间信号。数字控制系统：系统中有数字信号。以计算机实现运算元件的控制系统以机电系统性能指标为目标适当的现场信息测量采集装置---传感器适当的现场设备驱动装置---执行器计算机接口---A/D、D/A、数字I/O计算机主机或多台计算机网络系统一定的控制规则---控制算法适当的可靠性保障---自检、备份、容错系统操作管理软件---实时操作系统控制运算软件---输入/输出接口驱动、数据采集、控制算法、结果输出数据组织---各种操作数据、参数可靠性软件---自检、报警、恢复程序软件计算机承担数据的采集和处理工作。数据采集系统对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录以及变量的超限报警。同时对变量进行累计和实时分析。2.操作指导控制（OGC）计算机不直接控制对象，仅用来检测、采集对象中各种数据、参数进行记录、统计、显示等计算机通过过程输入通道对变量作巡回检测根据变量，按照一定的控制规律进行运算其结果经过输出通道，作用到控制对象。模拟量输入微型计算机模拟量输出生产过程数字量输入数字量输出显示打印磁盘磁盘4监督控制SCC

SupervisoryComputerControl多级计算机控制系统，上位计算机完成系统综合分析、设定，多台下位计算机根据设定完成DDC，整体实现最优、自适应等控制方案。5分散控制系统（DCS）以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外将该类系统取名为分散控制系统。国内也有人将其称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。6现场总线控制系统（FCS）新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。每个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。现场总线控制系统(FCS)，是新一代分布式控制结构，采用工作站-现场总线智能仪表的二层结构模式。现场数字执行器现场数字控制功能模块服务器工作站现场数字传感器控制装置种类1可编程控制器可编程逻辑控制器--简称可编程控制器或PLC，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。2总线式工控机基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机。一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。总线式工控机的外形类似普通计算机。单片机3单片微型计算机7.2A/D转换与采样定理

7.2.1A/D转换A/D转换：采样，量化，和编码。采样采样周期和频率7.2.2采样定理任一信号可由正弦信号叠加而成，这些正弦信号的幅值与频率的关系就是频谱。采样（Shannon）定理连续有限频谱，由采样信号得到原连续信号的必要条件：对于最高频率信号，一周期至少采两次。采样信号的频谱平移得到零阶保持器单位冲激响应、传函与频率特性7.4Z变换

7.4.1Z变换离散信号的拉氏变换1.级数求和法例7-4-1求Z[1(t)]。解例7-4-2求解例7-4-3求解2.部分分式法x(t)→X(s)→部分分式之和→查表→X(z)例7-4-4解3.留数计算法例7-4-5解例7-4-6解7.4.2z变换的基本定理1.线性定理2.实数位移（平移）定理3.初值定理4.终值定理(z-1)X(z)极点全在单位圆内，5.卷积定理7.4.3z反变换1.长除法例7-4-72.部分分式法3.留数计算法X(z)不相等的极点数为l，为重极点的重复个数。7.5z传递函数

7.5.1z传递函数的概念z传递函数，脉冲传递函数：零初始条件下，输出量的离散信号的z变换与输入量的离散信号的z变换之比。7.5.2串联环节的z传递函数1.串联环节间无采样开关2.串联环节间有同步采样开关3.环节与零阶保持器串联7.5.3线性离散系统的z传递函数图示开环z传递函数求z传递函数和z变换时的几个结论。1）由于采样开关位置不同，闭环和开环的z传递函数之间没有固定关系。具体问题具体分析。2）输出信号是连续信号时，可加虚拟开关。3）离散拉氏变换可提到z变换符号外。4）输入信号未经采样就输入到连续环节，则求不出闭环z传递函数，只能求出输出的z变换式。7.6线性离散系统的稳定性

7.6.1s平面到z平面的映射关系设T为采样周期。S平面左半部:S平面右半部:S平面稳定区，左半平面。z平面稳定区，单位圆内。7.6.2线性离散系统稳定的充要条件全部特征根在单位圆内。有根在单位圆外，不稳定。7.6.3劳思稳定判据采用w变换，z平面单位圆映射为w平面左半部，再用劳思判据。例7-6-3T=0.5s,T=1s,求k的临界值。7.7线性离散系统的稳定分析

7.7.1极点在z平面上的分布与瞬态响应闭环极点决定瞬态响应各分量的类型。7.7.2线性离散系统的时间响应采样时刻的值。7.7.3线性离散系统的稳态误差1.稳态误差与稳态误差终值误差：稳态误差:误差信号的稳态分量,2.稳态误差系数开环z传递函数中z=1的开环极点个数是系统的型别数v。1)单位阶跃响应的稳态误差终值单位阶跃响应的稳态误差终值，0型系统是有限数值，1型及以上系统是0。2)单位斜坡响应的稳态误差终值单位斜坡响应的稳态误差终值，0型系统为无穷大,1型系统是有限数值，2型及以上系统是0。3)单位加速度响应的稳态误差终值单位加速度响应的稳态误差终值，0型和1型系统为无穷大，2型系统是有限数值。3.动态误差系数求误差的时间函数。7.8数字控制器的模拟化设计步骤1）对于连续系统，设计补偿环节D(s)。零阶保持器可以加到对象中。2）对连续补偿环节离散化，D(s)→D(z)。3）校核性能指标。4）将D(z)变成差分方程。7.8.1模拟补偿装置的离散化方法1.带有虚拟零阶保持器的z变换D(z)与D(s)的阶跃响应相同，又称阶跃响应不变法。2.差分法3.根匹配法1)s平