计算机控制技术总复习.ppt

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1、第第1 1章章 绪论绪论 1.1 自动控制系统的一般形式1.2 计算机控制系统的一般概念与组成1.3 工业控制计算机的特点1.4 计算机控制系统的分类1.5 计算机控制系统的发展概况与趋势1.2 计算机控制系统的一般概念与组成计算机控制系统的一般概念与组成1.2.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念 如果把图如果把图1-1（a）中的控制器和比较环节用计算机来代替，）中的控制器和比较环节用计算机来代替，再加上再加上A/D转换器、转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图统，其基本框图如图1-2所示。所示。图1-2 计算机控

2、制系统的基本框图1.2 计算机控制系统的一般概念与组成计算机控制系统的一般概念与组成1硬件组成硬件组成图1-3 计算机控制系统的硬件组成框图第2章 过程输入输出通道 2.1 信号的采样与恢复2.2 模拟量输入通道2.3 模拟量输出通道2.4 数字量输入输出通道2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复2.1.1 信号的采样过程信号的采样过程1信号类型信号类型 在计算机控制系统中，常用的信号有在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。种类型。（1）模拟信号模拟信号 在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用十进制数表示。这是控制对象需要的信号。一

3、般用十进制数表示。这是控制对象需要的信号。（2）离散模拟信号离散模拟信号 在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信号变换过程中需要的中间信号。这是在信号变换过程中需要的中间信号。（3）数字（离散）信号数字（离散）信号 在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复图2-2 连续信号的采样过程2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复 这样，理想采样器的输入信号和采样这样，理想采样器的输入信

4、号和采样器的输出信号之间存在下面的关系器的输出信号之间存在下面的关系（2-2）等价地，还可以写成等价地，还可以写成（2-3）采样定理：采样定理：如果连续信号具有有限频谱，其最如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为高频率为max，则对进行周期采样且，则对进行周期采样且采样角频率为采样角频率为s2 max时，连续信号时，连续信号可以由采样信号惟一确定，亦即可以可以由采样信号惟一确定，亦即可以从不失真地恢复。从不失真地恢复。2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复1零阶保持器零阶保持器 零阶保持器的作用是把采样时刻零阶保持器的作用是把采样时刻kT的采的采样值恒定不变地保持（外推）到（样值恒定不变地保

5、持（外推）到（k+1）T时时刻，也就是说，在刻，也就是说，在 时间区间内，时间区间内，它的输出量一直保持为它的输出量一直保持为 这个值，从而使这个值，从而使得两个采样点之间不为零值。这样，零阶保持得两个采样点之间不为零值。这样，零阶保持器把离散信号恢复成了一个阶梯波形信号器把离散信号恢复成了一个阶梯波形信号 ，如图，如图2-7所示。所示。2.1 信号的采样与恢复信号的采样与恢复由此可以看出，零阶保持器的传递函数为由此可以看出，零阶保持器的传递函数为（2-14）2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2.2.1 模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成框图如图模拟量输

6、入通道的一般组成框图如图2-11所示。所示。图2-11 模拟量输入通道的组成框图2.3 模拟量输出通道模拟量输出通道2.3.1 模拟量输出通道的结构形式模拟量输出通道的结构形式 多路模拟量输出通道的结构形式主要取多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。决于输出保持器的构成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形

7、式。结构形式。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2.4.1 数字量输入通道数字量输入通道1数字量输入接口电路数字量输入接口电路 数字量输入接口电路一般包括数字量输入接口电路一般包括三态缓冲三态缓冲器器和和地址译码器地址译码器组成，如图组成，如图2-75所示。图中开所示。图中开关输入信号关输入信号S0S7接到缓冲器接到缓冲器74LS244的输入的输入端，当端，当CPU执行输入指令时，地址译码器产执行输入指令时，地址译码器产生片选信号，将生片选信号，将S0S7的状态信号送到数据线的状态信号送到数据线D0D7上，然后再送到上，然后再送到CPU中。中。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出

8、通道2.4.2 数字量输出通道数字量输出通道1数字量输出接口数字量输出接口 数字量输出接口电路包括数字量输出接口电路包括输出锁存输出锁存器器和和地址译码器地址译码器，如图，如图2-79所示。数据线所示。数据线D0D7接到输出锁存器接到输出锁存器74LS273的输入端，的输入端，当当CPU执行输出指令时，地址译码器产生执行输出指令时，地址译码器产生写数据信号，将写数据信号，将D0D7状态信号送到锁存状态信号送到锁存器的输出端器的输出端Q0Q7上，再经输出驱动电路上，再经输出驱动电路送到开关器件。送到开关器件。第3章 常用应用程序设计 3.1 数字滤波3.2 标度变换3.3 越限报警3.4 键盘控

9、制程序3.5 显示程序设计3.1 数字滤波数字滤波3.1.1 程序判断滤波程序判断滤波 程序判断滤波的方法，是根据生产经程序判断滤波的方法，是根据生产经验，确定两次采样输入信号可能出现的验，确定两次采样输入信号可能出现的最最大偏差大偏差y。y输入信号是干扰信号，去掉；输入信号是干扰信号，去掉；0)作用作用下的输出序列。下的输出序列。解：可以写出后向差分方程的递推形式解：可以写出后向差分方程的递推形式解：可以写出后向差分方程的递推形式解：可以写出后向差分方程的递推形式c(k)=r(k)+5c(k-1)-6c(k-2)根据初始条件根据初始条件c(0)=0,c(1)=1，并令，并令k=2,3,4，逐

10、逐拍递推，有拍递推，有k=0c(0)=0k=1c(1)=1 初始条件初始条件k=2c(2)=r(2)+5c(1)-6c(0)=6k=3c(3)=r(3)+5c(2)-6c(1)=25k=4c(4)=r(4)+5c(3)-6c(2)=90由此可以画出输出由此可以画出输出c(k)随时间变化的曲线。随时间变化的曲线。n n阶阶阶阶方程需要方程需要方程需要方程需要n n个初始个初始个初始个初始值值值值，从，从，从，从n+1n+1开始开始开始开始递递递递推，初始推，初始推，初始推，初始值值值值不同解也不同，初始不同解也不同，初始不同解也不同，初始不同解也不同，初始值值值值可以看作可以看作可以看作可以看作

11、为输为输为输为输入。入。入。入。2T 3TTte*(t)4T*例例 将后向差分方程将后向差分方程 c(k)-5c(k-1)+6c(k-2)=r(k)转换为前向差分方程，并用迭代法求输出序列转换为前向差分方程，并用迭代法求输出序列c(k)。解：解：对应的初始条件可根据原方程初值及变量和的关系求出。对应的初始条件可根据原方程初值及变量和的关系求出。对后向差分方程对后向差分方程 c(k)-5c(k-1)+6c(k-2)=r(k)令令k=k-2，则变换为前向差分方程，则变换为前向差分方程 c(k+2)-5c(k+1)+6c(k)=r(k+2)当，当，k=0有有k=2，则，则 c(k)|k=0=c(0)

12、=6 r(k)|k=0=r(0)=1当，当，k=1有有k=3，则，则 c(k)|k=1=c(1)=25 r(k)|k=1=r(1)=1 c(k+2)=r(k+2)+5c(k+1)-6c(k)写出差分方程的递推形式写出差分方程的递推形式写出差分方程的递推形式写出差分方程的递推形式 根据新的初始条件，并令根据新的初始条件，并令k=2,3,4，逐拍递推，逐拍递推，有有k=0 c(0)=6k=1 c(1)=25 初始条件初始条件k=2 c(2)=r(2)+5c(1)-6c(0)=90k=3 c(3)=r(3)+5c(2)-6c(1)=301k=4 c(4)=r(4)+5c(3)-6c(2)=966由此

13、可以画出输出由此可以画出输出c(k)随时间变化的曲线。随时间变化的曲线。3)3)z z变换法变换法变换法变换法 用用z变换法求解常系数变换法求解常系数差分方程的方法与用拉氏差分方程的方法与用拉氏变换变换求解微求解微分方程方法类似分方程方法类似。差分方程式差分方程式r(k)c(k)求解代数方程求解代数方程时域解时域解Zz的代数方程的代数方程R(z)C(z)z域解域解Z-1经典法求解经典法求解 用用用用z z变换法求解常系数变换法求解常系数变换法求解常系数变换法求解常系数差分方程的一般步骤：差分方程的一般步骤：差分方程的一般步骤：差分方程的一般步骤：1.利用利用z变换的超前或延迟定理对差分方程两边

14、进行变换的超前或延迟定理对差分方程两边进行z变换，代入相应的初始条件，化为复变量变换，代入相应的初始条件，化为复变量z的代的代数方程；数方程；2.求出代数方程的解求出代数方程的解c(z)；3.对对c(z)进行反变换，得出进行反变换，得出c(kT)或或c*(t)。例例 二阶离散系统的差分方程为二阶离散系统的差分方程为 c(k+2)-5c(k+1)+6c(k)=r(k)已知已知r(k)=1(k)=1,初始条件初始条件 c(0)=6,c(1)=25,求响应求响应c(k)。解：对差分方程两边取解：对差分方程两边取z变换变换 z2C(z)-z2c(0)-zc(1)5zC(z)-zc(0)-6C(z)=R

15、(z)代入代入求得求得部分分式法求部分分式法求部分分式法求部分分式法求z z反变换反变换反变换反变换查表得查表得脉冲传递函数脉冲传递函数一、脉冲传递函数的定义一、脉冲传递函数的定义脉冲传递函数定义为输出采样信号的脉冲传递函数定义为输出采样信号的z z变变换与输入采样信号的换与输入采样信号的z z变换之比变换之比 简单求解方法：简单求解方法：先按连续系统方式，写出先按连续系统方式，写出(s)和和C(s)；然后将然后将s变为变为z；再将各环节间没有采样开关的再将各环节间没有采样开关的(z)去掉。去掉。离散系统稳定的充要条件：离散系统稳定的充要条件：系统特征方程的所有根均系统特征方程的所有根均分布在

16、分布在z平面的单位圆内平面的单位圆内,或者所有根的模均小于或者所有根的模均小于1,即即Zi1(i=1,2,n)。4.2 计算机控制系统的稳定性分析计算机控制系统的稳定性分析4.2 计算机控制系统的稳定性分析计算机控制系统的稳定性分析【例】某离散系统的闭环脉冲传递函数为【例】某离散系统的闭环脉冲传递函数为 试分析系统的稳定性。试分析系统的稳定性。解：解：根据已知条件可知的极点为根据已知条件可知的极点为 由于由于 ，故该系统是不稳定的。，故该系统是不稳定的。离散系统稳定性判据：离散系统稳定性判据：思思路路:找找出出与与连连续续系系统统稳稳定定性性相相关关性性,用用劳斯判据劳斯判据来判断其稳定性。来

17、判断其稳定性。令：令：则：则：1）双线性变换）双线性变换2）稳定性判据）稳定性判据将将代入特征方程中，代入特征方程中，应用应用Routh判据判稳判据判稳。4.2 计算机控制系统的稳定性分析计算机控制系统的稳定性分析4.2 计算机控制系统的稳定性分析计算机控制系统的稳定性分析【例】给定系统的特征方程为【例】给定系统的特征方程为 试用试用Routh判据分析系统的稳定性。判据分析系统的稳定性。解：对其进行解：对其进行 变换变换 整理，得整理，得 该二阶系统的特征方程，经该二阶系统的特征方程，经 变换后所得方程变换后所得方程的系数不同号，由的系数不同号，由Routh判据知该系统不稳定。判据知该系统不稳

18、定。4.2 计算机控制系统的稳定性分析计算机控制系统的稳定性分析【例】某线性离散系统如图所示，【例】某线性离散系统如图所示，K=1，当当T=1s 和和T=4s，试判断系统的稳定性。，试判断系统的稳定性。系统的开环脉冲传递函数系统的开环脉冲传递函数闭环传递函数为：闭环传递函数为：特征方程为：特征方程为：z2+(T-2)z+1-Te-T=0 即即 当当T=1 s时时,系统的特征方程为系统的特征方程为 z2-z+0.632=0 直接解得极点为直接解得极点为z1,2=0.5j0.618。由于极点都在单位圆内由于极点都在单位圆内,所以所以系统稳定系统稳定。当当T=4s时时,系统的特征方程为系统的特征方程

19、为z2+2z+0.927=0 解解得得极极点点为为z1=-0.73,z2=-1.27。有有一一个个极极点点在单位圆外在单位圆外,所以系统所以系统不稳定。不稳定。结论结论1：T越大越大,系统的稳定性就越差系统的稳定性就越差。【例例】设设采采样样系系统统如如图图所所示示,采采样样周周期期T=0.25s,求求能能使使系系统统稳稳定定的的K值值范范围。围。解解:开环脉冲传递函数为开环脉冲传递函数为 闭环传递函数为闭环传递函数为 闭环系统的特征方程为闭环系统的特征方程为 双线性变换双线性变换,令令 代入上式得代入上式得 整理后可得整理后可得 0.158K2+1.264+(2.736-0.158K)=0

20、Routh表为表为 w2 0.158KKw1 1.264w0K 要使系统稳定要使系统稳定,必须使劳斯表中第一列各项大于零必须使劳斯表中第一列各项大于零,即即 0.158K0 和和 K0 所以使系统稳定的所以使系统稳定的K值范围是值范围是0K17.3。结论结论2：T一定，一定，K越大越大,系统的系统的稳定性就越差稳定性就越差。4.3 计算机控制系统的动态响应分析计算机控制系统的动态响应分析4.3.2 用脉冲传递函数分析离散系统的动态特性用脉冲传递函数分析离散系统的动态特性当当离离散散系系统统的的结结构构和和参参数数已已知知时时，便便可可求求出出相相应应的的脉脉冲冲传传递递函函数数，在在输输入入信

21、信号号给给定定的的情情况况下下，便便可可以以得得到到输输出出量量的的Z变变换换，经经过过Z反反变变换换，就就能能得得到到系系统统输出的时间序列输出的时间序列 。根根据据过过渡渡过过程程曲曲线线 ，可可以以分分析析系系统统的的动动态态特特性性如如 ,()等等，还还可可以以分分析析系系统统的的稳稳态态特特性性如稳态误差如稳态误差 。例例 系系统统结结构构图图如如图图所所示示，T=K=1，r(t)=1,求系统动态指标。求系统动态指标。解解:用长除法可得出系统的单位阶跃响应序列用长除法可得出系统的单位阶跃响应序列 c*(t):由由响应序列响应序列可以求出系统动态性能指标：可以求出系统动态性能指标：对应

22、的连续系统对应的连续系统性能指标：性能指标：采采样样器器使使系系统统的的调调节节时时间间、上上升升时时间间、峰峰值值时时间间略略有有减减小，但超调增大，降低稳定性。小，但超调增大，降低稳定性。2T 3TTtc*(t)4T15T 6T例例 在在上上例例中中，增增加加采采样样保保持持器器，如如图图所所示示，T=1，r(t)=1(t),求系统动态指标。求系统动态指标。解解:开环脉冲传函开环脉冲传函闭环脉冲传函闭环脉冲传函用长除法可得出系统的单位阶跃响应序列用长除法可得出系统的单位阶跃响应序列 c*(t)由响应序列可以求出系统动态性能指标：由响应序列可以求出系统动态性能指标：零零阶阶保保持持器器使使系

23、系统统的的调调节节时时间间、上上升升时时间间、峰峰值值时时间间及及超超调调增大，这是因为零阶保持器的相角滞后作用，降低了稳定性。增大，这是因为零阶保持器的相角滞后作用，降低了稳定性。4.4 计算机控制系统的稳态误差分析计算机控制系统的稳态误差分析 4.4.1 Z变换终值定理法求稳态误差变换终值定理法求稳态误差 广义被控对象的传递函数广义被控对象的传递函数 ，其中，其中 为为保持器传递函数，则离散系统的偏差脉冲传递函保持器传递函数，则离散系统的偏差脉冲传递函数数 4.4 计算机控制系统的稳态误差分析计算机控制系统的稳态误差分析所以所以 如果如果 的极点（即闭环极点）全部严格位于的极点（即闭环极点

24、）全部严格位于Z平面的平面的单位圆内，即若离散系统是稳定的，则可用单位圆内，即若离散系统是稳定的，则可用Z变换的终变换的终值定理求出采样瞬时的终值误差为值定理求出采样瞬时的终值误差为或：例，设离散系统如图所示，例，设离散系统如图所示，T=0.1(s),输入连续信输入连续信号号r(t)分别为分别为1(t)和和 t，求离散，求离散系统的稳态误差。系统的稳态误差。解解:开环脉冲传函开环脉冲传函)()(11+=sssG误差脉冲传函误差脉冲传函 一对共轭极点位于一对共轭极点位于z平面单位圆内，根据平面单位圆内，根据z变换的终值定理，变换的终值定理，稳态误差终值为稳态误差终值为:闭环极点闭环极点系系 统统

25、 类类 型型位位 置置 误误 差差r(t)=1(t)速速 度度 误误 差差r(t)=t加加 速速 度度 误误 差差r(t)=t2/20型型1/Kp型型01/Kv型型001/Ka采样时刻稳态误差采样时刻稳态误差采样时刻稳态误差采样时刻稳态误差e(e()设系统的结构图如下图所示，设系统的结构图如下图所示，K=1,=1,T=0.1=0.1s,r(t)=1()=1(t)+)+t,求系统的稳态误差。求系统的稳态误差。例例系统的稳态误差为系统的稳态误差为 解：解：系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为把把T=0.1代入化简得代入化简得 C(s)R(s)习题习题习题习题1 1.采样控制系统如下图所示，要求

26、在采样控制系统如下图所示，要求在r(t)=t作用下的稳态作用下的稳态误差误差ess=0.25T,试确定放大系数试确定放大系数K及系统稳定时及系统稳定时T的取值范围。的取值范围。解：解：由上式求得由上式求得K=4。该系统的特征方程为：该系统的特征方程为：由此得出由此得出0Tln3时时，系，系统统是是稳稳定的。定的。第5章 数字PID及其算法 5.1 PID算法的离散化5.2 位置式PID算法5.3 增量式PID算法5.4 数字PID算法的改进5.5 PID算法程序的实现5.6 数字PID算法的参数整定5.1 PID算法的离散化算法的离散化 对式（对式（5-1）取拉氏变换，并整理后得到）取拉氏变换

27、，并整理后得到模拟模拟PID调节器的传递函数为调节器的传递函数为 （5-2）式中，式中，KP比例系数；比例系数；TI积分时间常数；积分时间常数；TD微分时间常数；微分时间常数；e（t）偏差；偏差；u（t）控制量。控制量。5.1 PID算法的离散化算法的离散化式中，T为采样周期；k为采样序号，k=0，1，2，5.2 位置式位置式PID算法算法 由式（5-1）式（5-6）可得离散化之后的表达式为（5-7）式中，e(k)第k次采样时的偏差值；e(k-1)第（k-1）次采样时的偏差值；u(k)第k次采样时调节器的输出。KP比例系数；积分系数；微分系数；用式（用式（5-7）减去式（）减去式（5-8），可

28、得），可得数字数字PID增量式控制算法增量式控制算法为为 （5-9）5.5 PID算法程序实现算法程序实现5.5.1 位置式位置式PID算法的程序设计算法的程序设计 为了方便程序设计，可以对式（为了方便程序设计，可以对式（5-7）所示的位置式）所示的位置式PID算法作进一步整理，方法如下。算法作进一步整理，方法如下。设比例项输出为设比例项输出为积分项输出为积分项输出为微分项输出为微分项输出为5.5 PID算法程序实现算法程序实现则 （5-22）式（5-22）的流程图如图5-6所示。5.5 PID算法程序实现算法程序实现5.5.2 增量式增量式PID算法的程序设计算法的程序设计对式（对式（5-8

29、）所示的增量式）所示的增量式PID算法可以进一步改写为算法可以进一步改写为（5-23）其中，式（式（5-23）的流程图如图）的流程图如图5-7所示。所示。5.6 数字数字PID算法的参数整定算法的参数整定5.6.2 扩充临界比例度法扩充临界比例度法 扩充临界比例度法是基于模拟扩充临界比例度法是基于模拟调节器中使用的临界比例度法的一种调节器中使用的临界比例度法的一种PID数字调节器的参数整定方法。数字调节器的参数整定方法。5.6 数字数字PID算法的参数整定算法的参数整定5.6.3 扩充响应曲线法扩充响应曲线法 对于那些不允许进行临界振荡实验的系统，对于那些不允许进行临界振荡实验的系统，可以采用

30、扩充响应曲线法。可以采用扩充响应曲线法。6.1 最少拍计算机控制系统的设计 6.2 最少拍无纹波计算机控制系统的设计 6.3 大林（Dahlin）算法 6.4 数字控制器D(z)的实现方法 第6章 直接数字控制设计基本思路：设计基本思路：G（z）已知，设计已知，设计(z)和和1-(z)。在设计时一定要在设计时一定要同时考同时考虑虑(z)和和1-(z)，两者的最高两者的最高阶次幂一定相同。阶次幂一定相同。(z)和和1-(z)的设计思路：的设计思路：其设计与其设计与G(z)结构密切相关。结构密切相关。（1）无纯滞后，无单位圆外零极点）无纯滞后，无单位圆外零极点常规按步骤计算常规按步骤计算（2）有纯

31、滞后，单位圆外零极点）有纯滞后，单位圆外零极点消掉影响系统的性能的点消掉影响系统的性能的点最少拍控制的定义：最少拍控制的定义：要要求求闭闭环环系系统统对对于于某某种种特特定定的的输输入入在在最最少少个个采采样样周周期期内内达达到到无无静静差差的的稳稳态态，且且闭闭环环脉脉冲冲传传递递函数具有以下形式函数具有以下形式工程应用背景：随动系统，伺服系统，运动控制，工程应用背景：随动系统，伺服系统，运动控制，无纯滞后，无单位圆外零极点时：无纯滞后，无单位圆外零极点时：为使系统为为使系统为最少拍系统最少拍系统应取应取F(z)=1。且希望且希望m=Mm=M，则误差脉冲传递函数为，则误差脉冲传递函数为 希望

32、闭环脉冲传递函数为希望闭环脉冲传递函数为 有纯滞后，单位圆外零极点时：有纯滞后，单位圆外零极点时：6.2 最少拍无纹波计算机控制系统的设计最少拍无纹波计算机控制系统的设计最最少少拍拍无无纹纹波波数数字字控控制制器器的的设设计则要求：计则要求：系系统统在在典典型型信信号号的的作作用用下下，经经过过尽尽可可能能小小的的节节拍拍后后，系系统统应应达达到到稳稳定定状状态态，且且采采样样点点之之间没有纹波。间没有纹波。具体的方法是：选择闭环脉冲传递函具体的方法是：选择闭环脉冲传递函数数(z)除了按前述的方法进行外（以除了按前述的方法进行外（以保证控制器的可实现性及闭环系统的保证控制器的可实现性及闭环系统

33、的稳定性），像处理单位圆外的零点那稳定性），像处理单位圆外的零点那样，还应将被控对象样，还应将被控对象G(z)在在单位圆内单位圆内的非零零点的非零零点（主要是具有负实部的零（主要是具有负实部的零点）点）包括在包括在(z)中中，以便在控制量的，以便在控制量的z变换中消除引起振荡的所有极点。变换中消除引起振荡的所有极点。6.2 最少拍无纹波计算机控制系统的设计最少拍无纹波计算机控制系统的设计 6.2.3 最少拍无纹波系统设计举例最少拍无纹波系统设计举例【例】已知被控对象传递函数为【例】已知被控对象传递函数为采样周期采样周期 。试设计单位阶跃输入时的最少拍无纹波数字控制器；试设计单位阶跃输入时的最少

34、拍无纹波数字控制器；将按单位阶跃输入时的最少拍无纹波设计的数字控将按单位阶跃输入时的最少拍无纹波设计的数字控制器，改为按单位速度输入时，分析其控制效果。制器，改为按单位速度输入时，分析其控制效果。6.2 最少拍无纹波计算机控制系统的设计最少拍无纹波计算机控制系统的设计解：解：（1）按单位阶跃输入设计）按单位阶跃输入设计 因因 得得 6.2 最少拍无纹波计算机控制系统的设计最少拍无纹波计算机控制系统的设计例已知被控例已知被控对对象的象的传递传递函数函数为为T=1s，试试用大林算法，求数字控制器用大林算法，求数字控制器D(z)。解：系解：系统统的广的广义对义对象的脉冲象的脉冲传递传递函数函数为为系

35、系统统的的闭环闭环脉冲脉冲传递传递函数函数为为 数字控制器的脉冲数字控制器的脉冲传递传递函数函数为为当当输输入入为单为单位位阶跃阶跃信号信号时时，输输出出为为控制量的控制量的输输出出为为6.3 大林（大林（Dahlin）算法）算法6.3.2 振铃现象及其消除方法振铃现象及其消除方法 纯滞后惯性纯滞后惯性系统，因允许它存在适系统，因允许它存在适当的超调量，当系统参数设置不合当的超调量，当系统参数设置不合适或不匹配时，可能使适或不匹配时，可能使数字控制器数字控制器的输出接近的输出接近1/2采样频率的大幅度上采样频率的大幅度上下摆动的序列下摆动的序列，这种现象称为，这种现象称为振铃振铃现象现象。衡量

36、振铃现象的强烈程度的量是衡量振铃现象的强烈程度的量是振铃幅振铃幅度度RA(Ringing Amplitude)。它的它的定义定义是：控制器在单位阶跃输入作是：控制器在单位阶跃输入作用下，用下，第第0次输出幅度与第次输出幅度与第1次输出幅度次输出幅度之之差值差值。振铃现象振铃现象对对系统的输出几乎无任何影响系统的输出几乎无任何影响。但是却会。但是却会增加执行机构的增加执行机构的磨损磨损6.3 大林（大林（Dahlin）算法）算法设数字控制器脉冲传递函数的一般形式为设数字控制器脉冲传递函数的一般形式为 在阶跃脉冲作用下的输出为在阶跃脉冲作用下的输出为 6.3 大林（大林（Dahlin）算法）算法振

37、铃幅度振铃幅度 振铃产生原因：振铃产生原因：数字控制器输出对输入的脉冲传递函数字控制器输出对输入的脉冲传递函数存在数存在左半平面近左半平面近Z=-1Z=-1的极点的极点振铃现象的消除振铃现象的消除:法一法一:先找出先找出D(z)D(z)中引起振铃现象的因子中引起振铃现象的因子(z=-1(z=-1附附近的极点近的极点)，然后令其中的，然后令其中的z=1z=1。（大林算法）。（大林算法）(不影响输出稳态值，但却改变了数字控制器不影响输出稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，将影响闭环系统的瞬态性能。的动态特性，将影响闭环系统的瞬态性能。)法二法二:从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周从保证

38、闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期期T T及系统闭环时间常数及系统闭环时间常数T T0 0。带纯滞后的一阶惯性环节带纯滞后的一阶惯性环节:选选T0T1带纯滞后的二阶惯性环节带纯滞后的二阶惯性环节 消除振消除振铃铃的方法：先找出数字控制器中的方法：先找出数字控制器中产产生振生振铃现铃现象的极点，令其中象的极点，令其中z=1，这样这样就可取消了就可取消了这这个极点，即可消除振个极点，即可消除振铃现铃现象。象。同同时时根据根据终值终值定理，定理，时时，对应对应因此，因此，这样处这样处理并不影响理并不影响输输出的出的稳态值稳态值。在上例中，大林控制器在上例中，大林控制器为为显显然存在然存在z=-0

39、.733和和z=-0.3935两个两个z=-1附近的极点，其中第一极点离附近的极点，其中第一极点离z=-1最最近，近，设设法消除它。用以上消除振法消除它。用以上消除振铃铃方法，方法，令令z=1，即用即用1+0.733=1.733代替代替1+0.733z-1项项，可得如下算式：，可得如下算式：这样这样，闭环闭环系系统统的的传递传递函数函数为为在在单单位位阶跃输阶跃输入入时时，系，系统输统输出出为为控制量控制量为为第7章 计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术7.1 可靠性与抗干扰技术概述7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术7.3 计算机控制系统的接地和电源保护技术7.4 计算机控制系统的软件抗干扰

40、技术7.1 可靠性与抗干扰技术概述可靠性与抗干扰技术概述7.1.1 干扰窜入计算机控制系统的主要途径干扰窜入计算机控制系统的主要途径干扰窜入计算机控制系统的主要途径如图干扰窜入计算机控制系统的主要途径如图7-1所示。所示。（1）空间感应；（）空间感应；（2）过程通道窜入的干扰；（）过程通道窜入的干扰；（3）电源系统窜入的干扰）电源系统窜入的干扰（4）地电位波动窜入的干扰；（）地电位波动窜入的干扰；（5）反射波干扰。）反射波干扰。图图7-1 干扰窜入单片机系统主要途径示意图干扰窜入单片机系统主要途径示意图7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术计算机控制系统的硬件抗干扰技术7.2.1 过程通道干扰

41、的抑制过程通道干扰的抑制1光电隔离光电隔离 光电隔离是由光电耦合器来完成的。光光电隔离是由光电耦合器来完成的。光电耦合器的结构如图电耦合器的结构如图7-4所示。所示。图图7-4 光电耦合器结构光电耦合器结构7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术计算机控制系统的硬件抗干扰技术2继电器隔离继电器隔离 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离，常用于开关量输出，以驱动执行机构，干扰隔离，常用于开关量输出，以驱动执行机构，如图如图7-7所示。所示。图7-7 继电器隔离7.

42、2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术计算机控制系统的硬件抗干扰技术3变压器隔离变压器隔离 脉冲变压器可实现数字信号的隔离。脉冲变压器可实现数字信号的隔离。7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术计算机控制系统的硬件抗干扰技术4采用双绞线作信号线采用双绞线作信号线 使双绞线中一根用作屏蔽线，另一根用作使双绞线中一根用作屏蔽线，另一根用作信号传输线，可抑制电磁感应干扰。线径越细，信号传输线，可抑制电磁感应干扰。线径越细，节距越短，抑制感应噪声的效果越明显。节距越短，抑制感应噪声的效果越明显。7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术计算机控制系统的硬件抗干扰技术7.2.3 空间干扰的抑制空间干扰的抑制 抗

43、空间干扰的主要措施就是采取抗空间干扰的主要措施就是采取屏屏蔽蔽措施。措施。屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，隔断其空间场的耦合通道。良好的屏蔽是隔断其空间场的耦合通道。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果。声耦合，取得较好的抗干扰效果。7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术计算机控制系统的硬件抗干扰技术7.2.4 RAM数据掉电保护数据掉电保护7.3 计算机控制系统的接地和电源保护技术计算机控制系统的接地和电源保护技术

44、7.3.1 计算机控制系统的接地技术计算机控制系统的接地技术 接地的目的接地的目的:一是保护计算机、电器设备和操作一是保护计算机、电器设备和操作人员的安全。人员的安全。二是为了抑制干扰，使计算机工作二是为了抑制干扰，使计算机工作稳定。稳定。1接地的种类接地的种类 通常接地可分为通常接地可分为工作接地工作接地和和保护接地保护接地两两大类。大类。工作接地工作接地则主要是为了保证计算机控则主要是为了保证计算机控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰。的干扰。保护接地保护接地主要是为了避免操作人员因设备主要是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降时遭受触电危险和

45、保证的绝缘损坏或下降时遭受触电危险和保证设备的安全。设备的安全。在计算机控制系统中，大在计算机控制系统中，大致有致有交流地交流地、系统地系统地、安安全地全地、数字地（逻辑地）数字地（逻辑地）和和模拟地模拟地等几种。等几种。7.3 计算机控制系统的接地和电源保护技术计算机控制系统的接地和电源保护技术7.3.2 计算机控制系统的电源保计算机控制系统的电源保护技术护技术1计算机控制系统的一般保护措施计算机控制系统的一般保护措施（1）采用交流稳压器）采用交流稳压器（2）采用电源滤波器）采用电源滤波器7.3 计算机控制系统的接地和电源保护技术计算机控制系统的接地和电源保护技术（3）电源变压器采取屏蔽措施

46、）电源变压器采取屏蔽措施（4）采用分布式独立供电）采用分布式独立供电（5）分类供电方式）分类供电方式7.3 计算机控制系统的接地和电源保护技术计算机控制系统的接地和电源保护技术2电源异常的保护措施电源异常的保护措施（1）采用静止式备用交流电源）采用静止式备用交流电源（2）采用不间断电源）采用不间断电源UPS7.4 计算机控制系统的软件抗干扰技术计算机控制系统的软件抗干扰技术7.4.1 指令冗余技术指令冗余技术 所谓指令冗余技术是指在程序的关键地方人为地所谓指令冗余技术是指在程序的关键地方人为地加入一些单字节指令加入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，或将有效单字节指令重写，当程序当程

47、序“跑飞跑飞”到某条单字节指令上，就不会发生将到某条单字节指令上，就不会发生将操作数当作指令来执行的错误，使程序迅速纳入正轨。操作数当作指令来执行的错误，使程序迅速纳入正轨。常用的指令冗余技术有两种：常用的指令冗余技术有两种：NOP指令的使用和指令的使用和重要指令冗余。重要指令冗余。7.4 计算机控制系统的软件抗干扰技术计算机控制系统的软件抗干扰技术7.4.2 软件陷阱技术软件陷阱技术 若若“跑飞跑飞”的程序进入非程的程序进入非程序区不能恢复正常，这时可以设序区不能恢复正常，这时可以设定软件陷阱。定软件陷阱。7.4 计算机控制系统的软件抗干扰计算机控制系统的软件抗干扰7.4.3 故障自动恢复处

48、理程序故障自动恢复处理程序1辨别上电方式辨别上电方式 所谓辨别上电方式，就是根据所谓辨别上电方式，就是根据某些信息来确定是以何种方式进入某些信息来确定是以何种方式进入0000H单元的，是上电复位还是故单元的，是上电复位还是故障复位。通常以软件设置上电标志障复位。通常以软件设置上电标志的方式来判定。的方式来判定。7.4 计算机控制系统的软件抗干扰计算机控制系统的软件抗干扰2系统的复位处理系统的复位处理 用软件抗干扰措施来使失控的系统用软件抗干扰措施来使失控的系统恢复到正常状态，这种操作也被称之为恢复到正常状态，这种操作也被称之为“热启动热启动”。7.4 计算机控制系统的软件抗干扰计算机控制系统的

49、软件抗干扰3RAM数据的备份与纠错数据的备份与纠错 在编程时，应将一些重要的数据多在编程时，应将一些重要的数据多作备份。作备份。纠错是根据备份的数据来进行纠错是根据备份的数据来进行的。将原始数据与各备份数据的对应的。将原始数据与各备份数据的对应单元逐一比较，若备份不得少于单元逐一比较，若备份不得少于2份，份，因为少于因为少于2份，当数据丢失后就不能份，当数据丢失后就不能判断哪份数据是正确数据了。判断哪份数据是正确数据了。7.4 计算机控制系统的软件抗干扰计算机控制系统的软件抗干扰4程序失控后系统信息的恢复程序失控后系统信息的恢复 一般来说，主程序总是由若干一般来说，主程序总是由若干功能模块组成，每个功能模块入口功能模块组成，每个功能模块入口设置一个标志。系统故障复位后，设置一个标志。系统故障复位后，可根据这些标志选择进入相应的功可根据这些标志选择进入相应的功能模块。能模块。7.4 计算机控制系统的软件抗干扰计算机控制系统的软件抗干扰7.4.4 Watchdog技术技术 通常采用程序监视技术，又称通常采用程序监视技术，又称“看门狗（看门狗（Watchdog）”技术，使技术，使程序脱离程序脱离“死循环死循环”。