计算机控制课程设计

计算机控制系统课程设计说明书前言《计算机控制系统》系统地论述了计算机控制系统的结构、原理、设计和应用，既有理论分析也有应用实例，论述了直接数字控制系统（DDC）、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS)和可编程控制器系统（PLS或PLC）4类典型的计算机控制系统。直接数字控制系统（DDC)是计算机控制的基础，本书深入论述了DDC系统的形成、发展、体系结构、控制算法、硬件、软件、设计和应用，分析了DDC系统的输入、输出、控制和运算功能，并引入了功能块及组态的概念；集散控制系统（DCS）是计算机控制的主流系统，本书概述了DCS的产生、发展、特点和优点，论述了DCS的体系结构、控制站、操作员站、工程师站和应用设计，分析了DCS的分散控制和集中管理的设计思想，以及分而自治和综合协调的设计原则。通过本课程设计，使学生能较好的使用离散化设计方法对被控对象进行校正分析；对计算机控制系统DDC设计过程中的方案设计有初步了解，通过该设计在一定程度上使学生对计算机控制系统所学知识进行整合，使其得到一次全面、系统、独立的培养。计算机控制系统课程设计说明书目录第一章计算机控制系统的离散化设计..........................................11.1有限拍设计.......................................................11.1.1有限拍设计的概述...............................................11.1.2有限拍调节器..................................................21.1.3采样频率的选择................................................21.2有限拍无纹波设计....................................................31.2.1有限拍无波纹设计概述..........................................31.2.2有限拍无纹波设计实例...........................................3本章小结....................................................................5第二章DDC系统的设计和应用................................................62.1.DDC系统的设计.......................................................62.1.1DDC系统的设计原则............................................62.1.2DDC系统的设计过程............................................62.2.DDC系统的应用.......................................................62.2.1.DDC系统的应用设计.............................................62.2.2.DDC系统的应用实例.............................................6本章小结...................................................................13总结.....................................................................14参考文献...................................................................15计算机控制系统课程设计说明书1第一章计算机控制系统的离散化设计计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出数字调节器，使系统达到要求的性能指标。本章介绍的离散化设计是在Z平面上设计的方法，对象可以用离散模型表示，也可以用离散化模型表示的连续对象。离散化设计比模拟设计精确，所以离散化设计有的也称为精确设计法。离散化设计时也应该合理选择采样周期，系统必须工作在线性区。本章将重点介绍有限拍无波纹设计。1.1有限拍设计1.1.1有限拍设计的概述有限拍设计是系统在典型的输入作用下，设计出数字调节器，使系统的调节时间最短或者系统在有限个采样周期内结束过渡过程。有限拍控制实质上是时间最优化控制，系统的性质指标是调节时间最短（或者尽可能的短）。1.1.2有限拍调节器图1-1中D（z）是数字调节器模型，由计算机实现，)(0sH是零阶保持器的传递函数。有限拍数字调节器ceGzDzGzHGz跟对象特性HG（z)和闭环Z传递函数Gc(z)有关，也跟误差Z传递函数Ge(z)有关。图1-1有限拍随动系统G(s)是控制对象的传递函数，零阶保持器和控制对象离散化以后，成为广义对象的Z传递函数HG(z)HG(z)=Z[)()(0sGsH]（1-1)R(s)D(z)H0(s)G(s)_+Y(z)TTT有限拍调节器零阶保持器对象E（z）计算机控制系统课程设计说明书2有限拍随动系统的闭Z环传递函数)()(1)()(zHGzDzHGzDGc（1-2）有限拍随动系统的误差Z传递函数)(1)()()(zGzRzEzGce=)]()(1[1zHGzD（1-3）有限拍随动系统的调节器由（1-2）和（1-3）可得：()()()()ceGzDzGzHGz（1-4）随动系统的调节时间也就是系统的误差e(kT)达到恒定值或趋于零所需要的时间，根据Z变换的定义：0()()kkEzekTz=kzkTezTezTezTee)()3()2()()0(321（1-5）由式（1-5）就可知道),(,),2(),(),0(kTeTeTee。有限拍系统就是要求系统在典型的输入作用下，当k≥N时，)(kTe为恒定值或)(kTe等于零。N为尽可能小的正整数。设计有限拍调节器时，必须顾及D(z)的可实现性要求，合理选择Ge(z)和Gc(z)。（1）D(z)必须是可实现的，D(z)不包含单位圆上（z=1除外）和单位圆外的极点；D(z)不包含超前环节。（2）选择Gc(z)时，应把HG(z)分子中zr因子，作为Gc(z)分子的因子，即Gc(z)的分子部分必须包含HG(z)分子中zr因子（r=1，2，3，...)；应把HG(z)的单位圆上（iz=1除外)和单位圆外的零点作为Gc(z)的零点。（3)选择Ge(z)时，必须考虑输入型式，并把HG(z)的所有不稳定极点，即单位圆上（pi=1除外)和单位圆外的零点作为Ge(z)的零点。1.1.3采样频率的选择按照典型输入设计的有限拍系统，其调节时间st为一个到几个采样周期T，也就是说明调节时间st和采样周期T有关，当系统的采样频率无限增加，也就是采样周期无限缩短计算机控制系统课程设计说明书3时，系统的调节时间st不是趋于零的，因为采样频率sf的上限受饱和特性的限制，不可能无限提高sf。1.2有限拍无纹波设计1.2.1有限拍无波纹设计概述有限拍系统采用Z变换方法进行设计，采样点上的误差为零，不能保证采样点之间误差值为零，有限拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波。纹波不仅造成误差，也能消耗功率，消费能量，而且造成机械摩损。有限拍的设计要求是在系统的典型输入作用下，经过尽可能少的采样周期以后，系统达到稳定。并且，在采样点之间没有纹波。波动是零阶保持器的输入)(2kTe的波动造成的。有限拍无纹波设计就是要求当k≥N时，)(2kTe保持恒值，或为零，N为某正数。由于)()()()()(12zRGzDzEzDzEe。若选定)()(zGzDe是1z的有限多项式，那么，在确定的输入作用下，经过有限拍，)(2kTe就能达到某恒定值，而且能保证系统的输出没有纹波。有限拍无纹波设计，要求Gc(z)的零点包含HG(z)的全部零点，这也是有限拍无纹波设计与有限拍有纹波设计的唯一不同之处。在有限拍有纹波设计时，只要求Gc(z)的零点包括HG(z)的单位圆上（iz=1除外)和单位圆外的零点。1.2.2有限拍无纹波设计实例已知条件：有限拍无波纹随动系统如图1-2，对象特性G(S)=10/S(1+0.1S)采用零阶保持器，采样周期T=1S,试设计单位阶跃输入时有限拍无波纹调节器D(Z)。图1-2有限拍随动系统R(s)D(z)H0(s)G(s)_+Y(z)TTT有限拍调节器零阶保持器对象E（z）计算机控制系统课程设计说明书4设计过程如下：广义对象的Z传递函数：)11.0(10)1()(ssseZHGSTz=11110191+0.111)(1)(1)zzzez（选择-111012110110.111()1ceGzzzaazGzzbbz（1-6）Gc(z)中z和(9z+1)是由于HG(z)中含有z因子和零点z=-0.111，Ge(z)中(z-1)2是由单位速度输入决定的。而Gc(z)中(a0+a1z)的项和Ge(z)中的(b0+b1z)项是为了使Ge(z)和Gc(z)的阶次相同，且使式子Gc(z)=1-Ge(z)成立。由式（1-6）可得2-11111010110.111()11zzaazzbbz解方程，可得a0=1.89，a1=-0.99，b0=1，b1=0.11单位速度输入时，有限拍无纹波调节器1115111.0111054.415238.0121.0zzzzzHGzGzGzDec......21.0111.01111.0111054.415238.0121.0321211121111512zzzzTzzzzzzzzRzGzDEe由Z变换定义可得e2(0)=0e2(T)=0.21e2(2T)=e2(3T)=e2(4T)=…=1系统三拍以后，即k≥2，e2(kT)=1，所以系统的调节时间ts=3T=3s，并且可保证系统的输出是无纹波的。计算机控制系统课程设计说明书5本章小结有限拍设计的目标是调节时间ts尽可能短。有限拍系统的设计跟输入型式R（z)，广义对象的Z传递函数HG(z)以及对输出波纹的要求有关。为了设计出稳定、可实现的有限拍调节器，必须依据上述几个方面合理选择Ge(z)和Gc（z),并由此得出有限拍调节器ceGzDzGzHGz。有限拍调节器的调节时间ts与采样周期T有关，通常T越短，调节时间ts越短，但是采样周期T不能无限缩短，或者采样频率sf不可能无限提高，因为对象的饱和特性限制了采样上限频率。有限拍系统对输入型式时敏感的，为了提高有限拍系统对输入型式的适应能力可以采用换接程序的方法来改善过渡过程特性或者采用折衷设计法或者采用最小均方误差设计等方法。计算机控制系统课程设计说明书6第二章DDC系统的设计和应用DDC系统的设计分为开发设计和应用设计两部分。开发设计的任务是生产最终用户所需的硬件和软件，应用设计的任务是设计控制方案、选择硬件和软件、输入输出组态、控制回路组态、操作画面组态、打印报表组态、施工设计、现场调试。本章将重点论述DDC方案的原则性设计，并介绍典型应用实例。2.1.DDC系统的设计2.1.1DDC系统的设计原则DDC系统设计过程中应遵守的共同设计原则，主要体现在以下几个方面：可靠性、冗余性、实时性、操作性、维修性、通用性、灵活性、开放性和经济性。2.1.