计算机控制技术课程总结

2014-05-242014-05-241计算机控制技术--课程总结2014-05-242014-05-242计算机控制系统的概述计算机控制系统分析设计基础典型数字控制器设计计算机控制系统的输入输出通道抗干扰技术教学主题2014-05-242014-05-243计算机控制系统概论自动控制系统和计算机控制系统计算机控制系统的组成（典型方框图及软硬件结构组成）：－硬件由计算机、输入输出通道、外部设备、检测装置与执行机构组成－软件组成：系统软件，支持软件和应用软件计算机控制系统的工作步骤（在一个控制循环内）：－实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出以及数据显示、储存和通信计算机控制系统的优势（相对于模拟自动控制系统）2014-05-242014-05-244计算机控制系统的分类：按照功能分类：－操作指导控制系统（ODCS）－直接数字控制系统(DDC）－监督控制系统(SCC）－分布式控制系统(DCS)－现场总线控制系统(FCS)－综合自动化系统（ERP+MES+PCS）2014-05-242014-05-245按照控制规律分类：－数字程序控制和数字顺序控制－比例积分微分控制（PID控制）－最少拍控制－复杂规律控制：串级控制，前馈控制，纯滞后补偿（大林算法，斯密斯补偿算法）等－智能控制：模糊控制系统，专家控制系统，自学习控制系统，神经网络控制系统，遗传算法等按照控制方式分类：－开环和闭环系统2014-05-242014-05-246计算机控制系统的特性(该页未包括)一、信号的离散化过程（模拟量转化为数字量）在时间轴上的离散和幅值上的量化。采样、量化、编码。采样过程的数学表示。香农采样定理。二、离散信号的恢复工程实现：在计算控制系统中，广泛采用零阶保持器来将采样信号恢复到原来的连续信号。三、Z变换及其性质四、Z反变换五、用Z变换解线性差分方程2014-05-242014-05-247一、脉冲传递函数具有串联环节的开环脉冲传递函数具有并联环节的开环脉冲传递函数二、闭环系统的脉冲传递函数和误差脉冲传递函数三、计算机控制系统的闭环脉冲传递函数。广义对象四、计算机控制系统的瞬态性能零、极点分布对系统的瞬态性能的影响稳定性（充要条件为：系统的特征根都位于Z平面的单位圆内部）;稳定性判据（修正劳斯判据）；开环增益和采样周期对稳定性的影响。五、计算机控制系统的稳态性能－稳态误差（终值定理）计算机控制系统的特性2014-05-242014-05-248采样控制系统的模拟化设计方法模拟化设计方法步骤：用连续系统的设计方法确定模拟控制器D(s)；采用合适的离散化方法由D(s)求数字控制器G(z)；将D(z)转化为递推算式，并编制计算机程序；进行混合仿真以验证控制器设计与程序编制是否正确。常用离散化方法：z变换法（脉冲不变法）；零阶保持器z变换法（阶跃响应不变法）；数值积分法（置换法）：包括一阶后向差分法、一阶前向差分法、双线性变换等；零极点匹配法。2014-05-242014-05-249采样控制系统的离散化设计离散化设计法：W变换设计法(频率设计法)直接数字设计法(零、极点对消法)根轨迹设计法直接数字设计法步骤：根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件，确定闭环系统脉冲传递函数F(z)。求广义对象的脉冲传递函数G(z)。根据F(z)和G(z)确定数字控制器D(z)。2014-05-242014-05-2410采样控制系统的离散化设计确定系统的闭环脉冲传递函数Φ(z)应考虑以下几方面的问题（称为约束条件）：闭环系统应该是稳定的。不稳定的系统是无法工作的。保证系统的物理可实现性。要求Φ(z)的分母与分子阶数之差大于或等于HG(z)的分母与分子阶数之差。若被控对象具有纯滞后，则闭环系统也至少具有同样的滞后。Φ(z)应满足系统动态和稳态性能指标要求。设计出的数字控制器的输出在工作时不应有较大的振荡。2014-05-242014-05-2411数字控制器的连续化设计步骤（离散化方法）数字PID控制器的设计。比例、积分和微分项所起的控制作用标准PID算法的改进——积分分离，积分饱和，消除积分不灵敏区，变速积分PID算法。不完全微分PID控制算法，微分先行PID控制算法，带死区的PID控制算法等。数字PID控制算法的参数整定。试凑整定法的次序：先比例，再积分，后微分。采样周期的选择。典型数字控制器设计技术—PID控制器2014-05-242014-05-2412数字控制器的离散化设计步骤确定期望的闭环脉冲传递函数时应考虑的问题最少拍数字控制器的设计要求-对于特定的参考输入信号，到达稳态后，系统在采样时刻精确实现对输入的跟踪。-系统以最快的速度达到稳态。-D(z)应该时物理可实现的。-闭环控制系统应是稳定的。最少拍有纹波控制器的设计（两个约束条件）最少拍无纹波控制器的设计（选修）典型数字控制器设计技术—最少拍控制器2014-05-242014-05-2413常用控制技术—大延迟系统控制—大林算法过程纯延迟对控制质量的影响达林算法设计思想一阶被控对象的达林算法二阶被控对象的达林算法达林算法的递推表达式达林算法的参数整定振铃（Ringing）现象原因；振铃幅度RA；振铃现象的消除2014-05-242014-05-2414什么是串级控制串级控制的特点对二次干扰有很强的抑制能力；提高了系统的工作频率；减小了系统的时间常数；有一定的自适应能力串级控制的设计-副回路的选择(选择原则)应使副回路的时间常数小；应将主要干扰纳入副回路-主、副调节器的选择串级计算机控制系统副回路数字算法的设计按预期的闭环特性设计副控制器微分先行结构的副控制器设计常用控制技术—串级控制系统2014-05-242014-05-2415反馈控制和前馈控制的特点不变性原理与前馈控制器设计前馈-反馈控制系统前馈－反馈控制系统前馈控制器设计数字前馈－反馈控制算法步骤前馈控制的选用原则前馈－串级控制系统常用控制技术—前馈-反馈控制系统2014-05-242014-05-2416过程通道的概念数字量输入接口－三态门缓冲器74LS244数字量输出接口－74LS273数字量输入通道结构信号调理电路－消除机械抖动影响，隔离处理,电平匹配数字量输出通道结构信号调理电路－小功率直流驱动电路，继电器输出技术，大功率交流驱动电路数字量输入输出通道2014-05-242014-05-2417模拟量输入通道的组成A/D转换器；采样保持器；多路转换器；I/V变换；接口及控制逻辑电路A/D转换器的主要性能指标A/D转换器－8位A/D转换器ADC0809－12位A/D转换器AD574AA/D转换器接口技术－ADC0809与PC总线工控机接口－AD574A与PC总线工控机接口模拟量输入通道设计模拟量输入通道2014-05-242014-05-2418模拟量输出通道模拟量输出通道的结构形式接口电路；D/A转换器；功率放大和V/I变换等信号调理电路D/A转换器的主要性能指标分辨率；稳定时间；输出方式；D/A转换器8位D/A转换器DAC083212位D/A转换器DA1210D/A转换器接口技术8位DAC0832与PC总线的接口电路12位DA1210与PC总线的接口电路模拟量输出通道设计2014-05-242014-05-2419硬件抗干扰技术干扰的来源和传播途径过程通道抗干扰技术串模干扰及其抑制共模干扰及其抑制系统供电与接地技术2014-05-242014-05-2420数字滤波技术程序判断滤波中值滤波算术平均值滤波加权平均值滤波滑动平均值滤波惯性滤波复合数字滤波开关量的软件抗干扰技术开关量信号输入抗干扰措施开关量信号输出抗干扰措施软件冗余技术数据冗余程序冗余程序运行失常的软件抗干扰设置软件陷阱看门狗定时器(Watchdog)软件抗干扰技术