第11章计算机控制系统的设计与实现.ppt

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1、1.1.计算机控制系统设计的一般原则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具有良好的人机交互界面 系统可靠性高系统可靠性高 良好的可维护性良好的可维护性 较好的可扩充性较好的可扩充性 控制系统调研与控制任务确定控制系统调研与控制任务确定 控制系统总体方案设计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建立数学模型，确定控制策略与控制算法 系统硬件设计系统硬件设计软件设计软件设计 系统联调与系统仿真系统联调与系统仿真现场调试与投入运行现场调试与投入运行 2.2.计算机控制系统设计步骤计算机控制系统设计步骤 过程输

2、入输出通道一般包括模拟量输入输出通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。道和开关量（数字量）输入输出通道。1 1、模拟量输入通道、模拟量输入通道（1）信号调理）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。n信号调整信号调整 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n信号滤波信号滤波 消除信号中的干扰噪声RC滤波器 典型二阶滤波器 nA/D转换器的分类转换器的分类 逐次逼近

3、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 nA/D转换器的编码方式转换器的编码方式 n二进制编码 单极性编码 双极性编码 原码、补码、反码、偏移二进制码偏移二进制码n十进制编码（BCD码）（2）A/D转换器转换器 （3）A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 n分辨率分辨率 n二进制 或 n十进制 或n转换精度转换精度 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 n转换速率转换速率 n量程量程 max2nxDqmax21nxDqmax2 10nxDqmax2 101nxDq（4）A/D转换器的选择原则转换器的选择原

4、则 nA/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。n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 maxminmax2nuuemaxminmaxlglg2uuen 为了使控制系统具有良好的精度，一般选择为了使控制系统具有良好的精度，一般选择A/D芯片的芯片的位数比上式确定的最低位数位数比上式确定的最低位数nmin要高要高12位。位。2.模拟量输出通道模拟量输出通道（1）模拟量输出通道的基本结构）模拟量输出通道的基本结构 n各路独立各路独立D/A转换器结构转换器结构n多路共用多

5、路共用D/A转换器结构转换器结构 （2）D/A转换器转换器 nD/A转换器主要性能指标转换器主要性能指标 n分辨率分辨率 n转换精度转换精度 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。n转换时间转换时间 一般为几十纳秒到几微妙 n输出信号类型输出信号类型 电压型、电流型、互补电流输出型2REFnVD 2REFnID 或 nD/A转换器的选择原则转换器的选择原则 n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。n 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。n设执行机

6、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maxmaxmin,2Dnuuemaxmaxlgmin,lg2Duuen 3.开关量（数字量）输入通道开关量（数字量）输入通道 n主要由输入调理电路与输入缓冲器两部分构成。主要由输入调理电路与输入缓冲器两部分构成。n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。n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。4.开关量（数字量）输出通道开关量（数字量）输出通道 n开关量输出通道的主要功能主要功能是根

7、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。n这类输出通道一般由输出锁存器输出锁存器与输出信号调理电路输出信号调理电路构成。1.数字滤波数字滤波 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。n限幅滤波限幅滤波 其中 为相邻两次采样值之差的最大允许值。n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()(),()(1)()(1)ssssy ky ky ky kYy ky k，其它Yn中值滤波中值滤波n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

8、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。n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 n算术平均值滤波算术平均值滤波 n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 n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.101()()nsiy ky kinn加权平均值滤波加权平均值滤波n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10()()nisiy ky ki101niin惯性滤波惯性滤波 n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

9、周期 称为惯性滤波系统，且01。n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。n 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。()(1)(1)()sy ky ky k/()ffTTT2.非线性补偿非线性补偿 n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。n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。n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。3.标度变换标度变换 n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

10、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标度变换。n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线性标度变换与非线性标度非线性标度变换变换。n一拍延时控制算法一拍延时控制算法 n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计算延时与控制算法设计 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。n非固定延时控制算法非固定延时控制算法 2.数字控制器数字控制器D(z)的算法设计

11、与实现的算法设计与实现 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)直接型结构直接型结构 设10111()()()1mmnnbb zb zU zD zE za za zLL则有 01()()()mnijijijU zE zb zU za z求z 反变换可得 01()()()mnijiju kbe kia u kjn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。n当 时，一般应按非固定延时控制算法。n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）

12、，因而计算延时相对较小。n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。00b 00b（2）串行结构）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 12()()()()()()lU zD zkD z DzD zE zL111121111111111111111222222()1()()1()1()()1()1()()1()1()()1()1()()1nnnnnnnnnmmmmmmmmmmmmUzzDzE zzpp zUzzDzUzzppzUzzDzUzzppzUz

13、zzz zDzUzzpp zUzzzz zDzUzzpp zMM1111111111()()()1zzz zU zD zkkUzzpp zn相应的差分算式为 112112111112222 111 11()(1)(1)()(1)(1)()(1)(1)()()(1)(1)()()(1)(1)()()(1)(1)nnnnnnnmmmmmmmmmmuke kp ukukukpukukukpukukukz ukp uku kukz ukp u ku kku kkz u kp u kMM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。

14、(3)并行结构并行结构 n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 12()()()()()()lU zD zD zDzD zE zL1211112()()()111lllnnc zc zc zU zD zE zp zp zp zL设11111222121()()()1()()()1()()()1lllnnnnUzc zD zE zp zUzc zDzE zp zUzc zDzE zp zM令111 12222()()(1)()()(1)()()(1)nnnnu zc e klp u kuzc e klp ukuzc e klp ukM则1()()niiu ku kn并行

15、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。n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。3.状态空间描述控制器算法设计与实现状态空间描述控制器算法设计与实现 n不带状态观测器的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()()()kkkurKx()()()kkkurFy 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。n带状态观测器的状态反馈一般结构带状态观

16、测器的状态反馈一般结构 n带状态观测器的控制器算法设计与实现带状态观测器的控制器算法设计与实现 n带预报观测器的控制器算法设计与实现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 op(1)()()()()()()kkkkkkkxABKLC xBrLyAxBrLy(1)(1)(1)kkkurKx 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。n带现时观测器的控制算法设计与实现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ococ()(1)(1)()(1)(1)()kkkkkkkxA LCA BKLCBK xB LCB rLyA xB rLy()()()kkkurKx 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。4.控制算法中比例因子的设置控制算法中比例因子的设置 n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。n为使所有计算不产生溢出