机电一体化系统设计控制系统.pptx

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1、6.1 概述一、控制与控制系统二、系统的分类三、系统的过渡过程和性能指标第1页/共85页一、控制与控制系统n n 控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统有目的的动作。控制系统是指由有目的的动作。控制系统是指由被控对象被控对象和和控制控制装置装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。调节、使之具有一定的状态和性能的系统。n n例如：例如：第2页/共85页一、控制与控制系统组成：组成：(1)(1)传感器它将贮槽液位高低的信息转换为一传感器它将贮槽液位高低的信息转换为一种特定的信号种

2、特定的信号(如电压、电流等如电压、电流等)，并传送到控制器，并传送到控制器，相当于人工控制时的眼睛。相当于人工控制时的眼睛。(2)(2)控制器它接受变送器送来的信号，与生产控制器它接受变送器送来的信号，与生产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出偏工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出偏差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果用差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果用特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大脑。特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大脑。(3)(3)执行器在这里就是控制阀，它可以根据控执行器在这里就是控制阀，它可以根据控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀

3、门的制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合。开启度，相当于人工控制时手和阀的组合。第3页/共85页一、控制与控制系统控制器控制阀被控对象传感器给定值偏差控制器 输出操纵变量被控变量测量值-+自动控制系统方框图干扰 利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。第4页/共85页二、系统的分类n1按照有无反馈测量装置分类控制器被控对象传感器输入偏差输

4、出测量值-+控制器被控对象输入输出开环控制系统闭环控制系统第5页/共85页二、系统的分类 开环控制系统是没有反馈环节的控制系统开环控制系统是没有反馈环节的控制系统,其其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和干宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。扰十分敏感。闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是结构复杂，维

5、修困难，价格昂贵等。结构复杂，维修困难，价格昂贵等。第6页/共85页二、系统的分类2 2按照信号处理技术分类按照信号处理技术分类 控制系统可以分为控制系统可以分为模拟控制系统模拟控制系统和和数字控制系统数字控制系统 凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制系统，系统，而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系统。统。现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器，负现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器，负责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系责采集信号、运算控制规律以

6、及产生控制指令等。机械系统是连续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字统是连续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字信号，二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通信号，二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通常，这类计算机控制系统通常称为常，这类计算机控制系统通常称为采样采样数据控制系统数据控制系统。第7页/共85页二、系统的分类3 3按照应用分类按照应用分类 控制系统可分为控制系统可分为调节系统调节系统、跟踪系统跟踪系统和和过程控制系统过程控制系统 调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控制系统，调节系统的输入是它的设定

7、点。制系统，调节系统的输入是它的设定点。跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值，跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值，跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路径，以加工出合适形状的零件，这一实例就是常见的伺服径，以加工出合适形状的零件，这一实例就是常见的伺服系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的跟踪系统。跟踪系统。温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系统。温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系统。典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、

8、液典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液位以及化学浓度等。位以及化学浓度等。第8页/共85页二、系统的分类4 4按系统给定信号的特点分类按系统给定信号的特点分类 (1)(1)恒值控制系统恒值控制系统 在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指标上不变，在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指标上不变，或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。统。(2)(2)程序控制系统程序控制系统 这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的时间函数，这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的时间函数，或按预定的规律变化。比如金

9、属热处理的温度控制装置、数控或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类系统的例子。机床的数控程序加工，就是这类系统的例子。(3)(3)随动控制系统随动控制系统 这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变化不是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变化的化不是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动确地复现给定信号的变化规律

10、。比如显示记录仪表采用的自动平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等，都是随动系统的平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等，都是随动系统的一些例子。一些例子。第9页/共85页三、系统的过渡过程和性能指标n n1 1 过渡过程过渡过程n n 系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的输入（包括干扰）量发生变化时，由于系系统的输入（包括干扰）量发生变化时，由于系统的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈统的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡的过程这一过程称为系统的过度过

11、程。一般情况的过程这一过程称为系统的过度过程。一般情况下，系统的过渡过程有以下几种基本形式：下，系统的过渡过程有以下几种基本形式：n n(1).(1).非周期衰减过程非周期衰减过程n n(2).(2).衰减振荡过程衰减振荡过程n n(3).(3).等幅振荡过程等幅振荡过程n n(4).(4).发散振荡过程发散振荡过程 n n分别见下图的分别见下图的a b c da b c d：第10页/共85页三、系统的过渡过程和性能指标a ab bc cd d 实际的控制系统希望系统具有图实际的控制系统希望系统具有图a a和和b b的输出形式，的输出形式，图图c c和和d d的情况是不容许出现的。的情况是不

12、容许出现的。第11页/共85页 显然，系统的输出和系统的输入是密切相关的，实际系统的输入形式多种多样，为了安全和理论分析的方便，通常选择一些定型的典型的输入形式，主要包括单位阶跃输入、单位速度(斜坡)输入、单位加速度(抛物线)输入。其中，由于阶跃信号（如下图所示）对被控变量影响最大，且容易实现，便于实验、分析和计算，因而常采用它作为系统的输入来研究控制系统。三、系统的过渡过程和性能指标第12页/共85页2.性能指标 控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响应。系统由初始状态随时间到最终状态的响应过程称为动态过程，也称为瞬态响应，它是系统短时间响应特性的度量；当时间趋于无穷大时系统的输出状态称为

13、稳态过程，也称为稳态响应，它表征系统输出量最终复现输入量的程度。任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成。由此可见，控制系统在典型输入信号作用下的性能指标，通常由稳态性能和动态性能两部分组成。三、系统的过渡过程和性能指标第13页/共85页三、系统的过渡过程和性能指标(1)(1)稳态性能稳态性能 对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应的性能指标是稳态误差，它等于系统在典型信号作的性能指标是稳态误差，它等于系统在典型信号作用下，时间用下，时间t t趋向于无穷大时的稳态输出与参考输入趋向于无穷大时的稳态输出与参考输入整定的希望输出之差。

14、整定的希望输出之差。对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下的系统响应的稳态误差就是：的系统响应的稳态误差就是：第14页/共85页三、系统的过渡过程和性能指标(2)(2)动态性能动态性能(a)a)上升时间上升时间:tr tr(b)(b)峰值时间峰值时间:tptp(c)(c)最大超调量最大超调量:MpMp(d)(d)调整时间调整时间:tsts(e)(e)振荡次数振荡次数:N N第15页/共85页6.2 控制系统的数学模型一、数学模型的概念二、数学模型的类型三、数学模型的建立四、描述系统特性的参数第16页/共85页1数学模型 用数学的方法来描述系统输出量

15、与输入量之间的关系，这种系统特性的数学描述就称为系统的数学模型。由于在过渡过程中，系统的输出（即被控变量）随时间而变化，因而在描述系统特性的数学模型中不仅会出现这些变量本身，而且也包含这些变量的各阶导数，所以，系统特性方程式是微分方程式，它是表示系统数学模型最基本的形式。一、数学模型的概念第17页/共85页2建立数学模型的意义 在研究与分析一个控制系统时，不仅要定性地了解系统的工作原理及特性，而且还要定量地描述系统的动态性能。通过定量的分析与研究，找到内部结构及参数与系统性能之间的关系，即数学模型，从而编写控制程序；在系统不能按照预先期望的规律运行时，便可通过对模型的分析，适当地改变其结构和参

16、数，使其满足规定性能的要求；在设计一个系统的过程中，对于给定的被控对象及控制任务，也可以借助数学模型来检验设计思想，以构成完整的系统。这些都离不开数学模型。一、数学模型的概念第18页/共85页3建立数学模型的一般原则 一个合理的数学模型的建立，应该在模型的准确性和简化性之间进行折中。既不能过分强调准确性而使系统过于复杂，也不能片面追求简化性而使分析结果与实际出入过大。这是在建立系统数学模型的过程中要特别注意的问题。一、数学模型的概念第19页/共85页(1).非参量模型 当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，就称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果得到，有时也可以通过计算得到，它的特

17、点是形象、清晰，比较容易看出其定性的特征。但是，由于它们缺乏数学方程的解析性质，要直接利用它来进行系统的分析和设计往往比较困难，必要和可能时，可以对它们进行一定的数学处理来得到参量模型的形式。二、数学模型的类型第20页/共85页(2).参量模型 当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。参量模型按其讨论域可分为时域模型、复数域模型和频域模型。时域模型包括微分方程、差分方程等，其特点是具有直观、准确的优点，不足之处是当系统的结构改变或某个参数变化时，就要重新列写并求解微分方程。(a)微分方程 对于线性连续的控制系统，通常用常系数线性微分方程式来描述，如果以r(t)表示输入量，C(t)表示

18、输出量，则系统特性可用下列微分方程式来描述：二、数学模型的类型第21页/共85页式中 及 分别为与系统结构和参数有关的常系数。它们与系统的特性有关，一般需要通过系统的内部机理分析或大量的实验数据处理才能得到。二、数学模型的类型第22页/共85页(b)传递函数 复数域模型包括系统传递函数和结构图，传递函数不仅可以表征系统的动态特性，而且可以用来研究系统的结构或参数变化对系统性能的影响。线性定常系统的传递函数定义为零初始条件下，输出量（响应函数）的拉普拉斯变换与输入量（输入函数）的拉普拉斯变换之比。拉普拉斯变换为：二、数学模型的类型第23页/共85页 上述的微分方程进行拉普拉斯变换，由于初始条件为

19、零，即系统原来处于静止状态，外加输入是在时才开始作用于系统的，所以可得二、数学模型的类型则这个系统的传递函数可写为则这个系统的传递函数可写为第24页/共85页传递函数具有以下性质：(1)传递函数描述了系统本身的动态特性，它与输入量的大小及性质无关。传递函数的分母是系统的特征多项式，代表系统的固有特性，分子代表输入量与系统之间的变换关系。(2)传递函数不能描述系统的结构。对于动态特性相似的不同的物理系统可以用同一类型的传递函数描述。(3)传递函数的量纲决定于输入量和输出量的量纲。(4)一般情况，传递函数分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次，对于最高阶次为n的系统，称为n阶系统。(5)传递函数只适

20、用于线性系统。满足线性叠加原理是线性系统的主要性质。二、数学模型的类型第25页/共85页(c)频率特性 频域模型主要描述系统的频率特性，应用频率特性在实际工作中不需要进行大量的计算，就能比较迅速地分析系统中各个参量对系统性能的影响以及可以直接研究闭环系统的稳定性，而不必求出系统的特征根。将传递函数中 换成 ，即为频率特性。因此，如果已知各个环节的传递函数，就不需要逐一推导每个环节的频率特性，而是以 代替 求取。反之把频率特性中 换成 ，就可得到该环节或系统的传递函数。二、数学模型的类型第26页/共85页例：右图所示RC电路的传递函数为令：其中 为输入信号的角频率，则传递的频率域表示为其中：二、

21、数学模型的类型第27页/共85页从而可得 的模和相位角分别为 是输入信号角频率 的函数，称为幅频特性，常用幅频特性曲线表示，它表示输出与输入的幅值之比 也是角频率 的函数，称为相频特性，常用相频特性曲线表示，它表示输出相对于输入的相位移 二、数学模型的类型第28页/共85页 =0或较低时，输出电压和输入电压幅值相等或几乎相等；随着 增加，减小，即输出电压幅值减小。时，即输入频率较低时，输出电压对输入电压相角滞后不大；随着输入频率的增大，输出电压相角滞后增大。二、数学模型的类型第29页/共85页1.机理建模：(1)根据系统和各元件的工作原理及其在控制系统中的作用，确定其输入量和输出量。(2)根据

22、元件工作时所遵循的物理或化学定律，列出其相应的原始方程式。在条件许可时可适当简化，忽略一些次要因素。这里所说的物理或化学定律，不外乎牛顿定律、能量守恒定律、物质守恒定律、基尔霍夫定律等等。(3)列出原始方程式的中间变量与其它因素的关系式。(4)将上述关系式代入原始方程式，消去中间变量，得到描述输出量与输入量之间关系的微分方程便是系统或元件在时域的数学模型。三、数学模型的建立第30页/共85页例1贮槽液位控制系统 即如图所示的系统，液体经过阀门1不断地流入贮槽，贮槽内的液体又通过阀门2不断地流出。工艺上要求贮槽的液位h保持定值。在这里，贮槽就是被控对象，液位就是被控变量。三、数学模型的建立n n

23、 设阀门设阀门2 2的开度保持不变，阀门的开度保持不变，阀门1 1的开度变化是引起的开度变化是引起液位变化的扰动作用，对象的输入量是流入贮槽的流量液位变化的扰动作用，对象的输入量是流入贮槽的流量QQi i，对象的输出量是液位，对象的输出量是液位h h。下面来看当阀门。下面来看当阀门1 1的开度变的开度变化时，液位是如何变化的，也就是建立表征化时，液位是如何变化的，也就是建立表征h h和和QQi i之间之间关系的数学表达式。关系的数学表达式。第31页/共85页 由题意可知，贮槽蓄储量的变化率为单位时间流入的物料量减去单位时间流出的物料量。设贮槽横截面积为A，当流入贮槽的流量Qi等于流出贮槽的流量

24、时Q0，对象处于平衡状态，对象的输出量液位h保持不变。设在微小时间内，Qi发生变化，不再等于Q0 因而引起液位变化，此时，流入与流出贮槽的物料量之差应该等于贮槽内增加或减少的物料量，即三、数学模型的建立第32页/共85页 、h都是时间的变量，因而还需消去中间变量，得出只有 和h为变量的关系式。考虑到变化量很微小，可以近似认为Qo与h成正比，与阀门2的阻力系数Rs成反比，即三、数学模型的建立和上式合并，可得：和上式合并，可得：第33页/共85页即：令 、，代入上式可得 这就是用来描述简单的贮槽液位控制系统特性的微分方程式。它是一阶常系数微分方程式，式中T称为时间常数，K称为放大系数。三、数学模型

25、的建立第34页/共85页2.实验建模 许多机电一体化产品的控制系统往往很难通过内在机理的分析来建立数学模型，而是常常用实验的方法来获得数学模型。所谓实验建模，就是在所要研究的系统上，加上一个人为的输入作用，然后用仪表测取并记录表征系统特性的物理量随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线。这些数据或曲线就是用来表征系统特性的非参量数学模型。当然，根据这些数据或曲线的特征再加以一定的构思与数据处理，就有可能使之转变为参量模型。三、数学模型的建立第35页/共85页 为了研究问题方便起见，在实际工作中，常用下面三个物理量来表示系统的特性。这些物理量，称为系统的特性参数。1.一阶系统的特性参数(1).

26、放大系数K(2).时间常数T(3).滞后时间四、描述系统特性的参数第36页/共85页(1).放大系数K 如果有一定的输入变化量 ，通过系统被放大了K倍，变为输出变化量h，则称K为系统的放大系数。K越大，表示系统的输入量有一定变化时，对输出量的影响就越大。放大系数越大，被控变量对这个量的变化就越灵敏，在选择自动控制方案时需要仔细考虑。四、描述系统特性的参数第37页/共85页(2).时间常数T 有的控制系统受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值，有的系统在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。在自动控制系统中，用时间常数T来表示系统到达稳定状态的速度。时间常数

27、T越大，表示系统受到干扰作用后，被控变量变化越慢，达到新的稳定值所需的时间越长。四、描述系统特性的参数第38页/共85页(3).滞后时间 有的系统在受到输入作用后，被控变量却滞后一定的时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。根据滞后性质的不同，可分为传递滞后和容量滞后两类。(1)传递滞后又叫纯滞后，一般用 表示。四、描述系统特性的参数 右图所示为有、无纯滞后一阶右图所示为有、无纯滞后一阶对象的阶跃响应曲线。对象的阶跃响应曲线。为输入为输入量，量，c c(t t)为无纯滞后时的输出量，为无纯滞后时的输出量，c c(t t)为有纯滞后时的输出量。为有纯滞后时的输出量。第39页/共85页 比较两条响应

28、曲线可以看出，它们除了在时间轴上前后相差一个的时间外，其他形状完全相同。也就是说纯滞后对象的特性是当输入量发生变化时，其输出量不是立即响应输入量的变化，而是要经过一段纯滞后时间以后，才开始等量地反映原无滞后时的输出量的变化，其数学表达式为四、描述系统特性的参数第40页/共85页 因此，有、无纯滞后特性的系统其数学模型具有类似的形式。如果上述例子中被控对象都是一阶对象，而且它们的时间常数和放大系数亦相等，仅在自变量t上相差一个T的时间，那么，若无纯滞后的系统特性可以用下述方程式描述的话则有纯滞后的系统特性可以用下述方程式描述四、描述系统特性的参数第41页/共85页(2)容量滞后 容量滞后也叫过渡

29、滞后。即系统在受到阶跃输入作用后，被控变量开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值，其响应曲线如图所示。四、描述系统特性的参数 容量滞后一般是由于物料容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定或能量的传递需要通过一定阻力而引起的，一般出现在阻力而引起的，一般出现在二阶系统。对于这种系统，二阶系统。对于这种系统，要想用前面所讲的描述系统要想用前面所讲的描述系统的三个参数的三个参数K K、T T、来描述的来描述的话，必须作近似处理。话，必须作近似处理。第42页/共85页 近似处理的方法如下：在上图所示的响应曲线上，过反应曲线的拐点O作一切线，与时间轴相交，交点与被控变量开始变

30、化的起点之间的时间间隔h即为容量滞后时间。由切线与时间轴的交点到切线与稳定值KA线的交点之间的时间间隔为T。这样二阶系统就被近似为有滞后时间 ，时间常数为T的一阶系统了。四、描述系统特性的参数第43页/共85页 不难看出，自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。也就是说，系统受到干扰作用后，由于滞后的存在，被控变量不能立即反映出来，于是就不能及时产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到影响。所以，在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。四、描述系统特性的参数第44页/共85页2.二阶系统的特性参数(1).系统增益(2).系统固有频率(3).系统阻尼四、描述系统特性的参数第45页

31、/共85页四、描述系统特性的参数(1)、系统增益K：K较小，系统比较稳定，但较小的K会导致快速响应变差和稳态误差增大。(2)、系统阻尼比 大可以提高系统稳定性及响应过程的平稳性，减小超调量，但同时响应速度降低。(3)、系统固有频率 提高固有频率可以提高系统稳定性、精度和快速响应，提高抗干扰能力，但系统成本增加第46页/共85页6.3 微机控制技术基础一、微机控制系统的组成及其特点二、信号变换概述三、输入输出接口技术和输入输出通道四、抗干扰技术第47页/共85页1.微机控制系统的组成一、微机控制系统的组成及其特点 微机控制系统基本结构示意图微机控制系统基本结构示意图第48页/共85页(1)硬件组

32、成一、微机控制系统的组成及其特点第49页/共85页(2)软件组成 软件是指支持系统运行、并对系统进行管理和控制的程序的总和。从功能上可分为系统软件和应用软件。系统软件由计算机制造厂商提供，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等。应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集程序、滤波程序、控制量计算程序、机械运动过程监控程序等。一、微机控制系统的组成及其特点第50页/共85页2.微机控制系统的特点 1具有完善的输入输出通道，包括模拟量输入输出通道和数字量或开关量输入输出通道，这是计算机有效发挥其控制功能的重要保证。2具有实时控制功

33、能。3由于控制规律是用软件实现的，因而变动一个控制规律，一般只需要修改软件即可。4微机控制系统中，由于计算机具有高速的运算处理能力，一个控制器（控制计算机)经常可采用分时控制的方式而同时控制多个回路。5可靠性高，对环境适应性强，以保证在生产现场应用的要求。一、微机控制系统的组成及其特点第51页/共85页1.采样 二、信号变换概述 采样时，采样频率应该满足第三章提到的仙农采样采样时，采样频率应该满足第三章提到的仙农采样定律。定律。第52页/共85页2.离散模拟信号的量化(A/D变换)采样函数是在时间上离散，在幅值上连续变化的函数，我们称它为离散模拟信号。离散模拟信号不能直接进入计算机，必须经量化

34、成为数字信号后，才能为计算机所接受。所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。二、信号变换概述第53页/共85页 如图a所示，设采样信号A1为1.8V，则图b中的量化值为2V，用数字量010来表示；采样信号A2为3.2V，则图4b中的量化值为3V，用数字量011来表示。二、信号变换概述000001010011100101110第54页/共85页二、信号变换概述 设输入模拟信号的满量程电压值为设输入模拟信号的满量程电压值为FSRFSR（Full Scale Full Scale RangeRange），），ADCADC的位数为的位数为n n，量化电平用

35、，量化电平用Q Q（或（或LSBLSB）表示，表示，则有：则有：量化电平量化电平 误差误差 =量化值量化值 实际值实际值 量化方法量化方法 截断法：采用不大于实际采样值的最大量化值来近似采样值。截断法：采用不大于实际采样值的最大量化值来近似采样值。舍入法：采用最靠近实际采样值的量化值来近似采样值。舍入法：采用最靠近实际采样值的量化值来近似采样值。量化误差量化误差舍入法舍入法:A2:A2点的取值为点的取值为011011，因此，舍入法量化的误差范围为，因此，舍入法量化的误差范围为（-Q/2-Q/2 Q/2Q/2）。）。截断法：截断法：A2A2点的取值为点的取值为100100，误差的范围为（，误差的

36、范围为（-Q-Q0 0）。）。第55页/共85页 计算机控制系统的外围设备由于种类繁多，且工作速度不一，所以不能像存储器那样，直接挂到主机CPU的总线上，都必须通过输入输出接口和输入输出通道才能和CPU的总线相连。因此，IO（输入/输出）接口和IO通道是计算机控制系统必须解决的技术之一。1.接口、通道及其功能 IO接口电路是主机和外围设备之间交换信息的连接部件或称电路，它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带的作用。设置接口电路有以下几个用途：三、输入输出接口技术和输入输出通道第56页/共85页 1.解决主机CPU和外围设备之间时序配合和通联络的问题，以保证CPU和外围设备之间虽异步却

37、能协调工作。2.解决CPU和外围设备之间数据格式转换和匹配问题。3.解决CPU的负载能力和外围设备端口选址的问题。三、输入输出接口技术和输入输出通道第57页/共85页 IO通道，也称为过程通道，是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。由它将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量(或开关量)的形式，送入计算机。计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控制对象，这就是IO通道所要完成的功能。三、输入输出接口技术和输入输出通道第58页/共85页2.IO信号的种类及通信方式 (1).信息的分类 （a）数据信息 模拟量、数字量、开关量和脉冲量 （b）状

38、态信息 状态信息是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。（c）控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的信息。三、输入输出接口技术和输入输出通道第59页/共85页(2).通信方式（a）并行通信 并行通信就是把传送数据的位数用条传输线同时传送。其优点是传送速度快，通常只要提供2条控制和状态线，就能完成CPU和接口及设备之间的协调、应答，实现异步传输，是计算机控制系统中常常采用的通信方式。（b）串行通信 串行通信是数据按位进行传送的。在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位地串行传送和接收。三、输入输出接口技术和输入输出通

39、道第60页/共85页1.干扰源与干扰种类 干扰按其特性可分为直流干扰、交流干扰和随机干扰三类。直流干扰是指以直流电压或直流电流的形式出现，一般由热电效应和电化学效应引起的干扰。交流干扰是最容易出现的一种干扰，由交流电感应引起，因为过程通道往往处于杂散电场和磁场分布较多的场所，当信号反馈线与动力线在电缆槽中平行布线时，经耦合进入通道的干扰尤为明显。随机干扰一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式，多由电感负载的间断工作引起，如各种电源整流器和电动工具的电火花都是这种干扰的来源。这种干扰的时间短，幅度大，会给系统带来很大的危害。四、抗干扰技术第61页/共85页干扰按作用可分为常态干扰和共态干扰 常态干扰和被

40、测信号在信号输入回路中地位相同，所以它以电压源的形式与信号源串联。共态干扰常称共模干扰，是指输入电路上共有的干扰。四、抗干扰技术第62页/共85页2.抗干扰技术(1)硬件抗干扰技术(a)电源系统抗干扰技术 采用电子交流稳压器；采用低通滤波器；采用隔离变压器：变压器的一次侧按三角形接法联结，二次侧按星型接法联结。选用供电比较稳定的交流电源；电源分组供电；直流电源的抗干扰措施：每块集成芯片的电源与地线引入端间应接一片0.0l0.1F的无感瓷片电容。一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，每块板的电源和地线引入处应并接一个10100F的电解电容和一个0.010.1F的无感瓷片电容，防止板间的相互干扰。四、

41、抗干扰技术第63页/共85页(b)模拟量输入输出通道抗干扰技术 信号采用电流传送 采用RC滤波网络滤去高频干扰信号 使用高输入阻抗的差动运算放大器作为通道 的前置放大器，达到抑制共模干扰的作用 利用变压器或光耦合器件把“模拟地”与“数字地”断开，使共模干扰Ucm不能构成回路 屏蔽信号传输线路 采用浮地输入双层屏蔽放大器抑制共模干扰 采用双绞线传输 四、抗干扰技术第64页/共85页(c)开关量输入输出抗干扰技术 RC滤波器法 滤去开关量输入信号中夹杂的干扰信号 抖动电路法 消除机械式触点、开关闭合时产生的抖动 光电耦合隔离法 采用光耦合器传送开关量信号或脉冲信号，可将输入侧与输出侧在电气上完全隔

42、离开来，输入侧与输出侧之间的共模干扰电压因无电回路而被有效地抑制。采用光耦合器“浮置”传输长线 采用光耦合器将计算机与其它所有的外接通道完全隔离。四、抗干扰技术第65页/共85页(d)接地技术 接地是计算机控制系统设计、安装和调试中的一个实用性很强的技术问题。接地一般分为接实地和接虚地两种。接实地指的是与大地作良好的连接，接虚地指的是与电位的基准点相连接。如果把电位基准点与大地连接，则称为共地连接，如果把电位基准点自行浮置或浮空(即与大地电气绝缘)，则称为浮地连接。四、抗干扰技术第66页/共85页计算机控制系统中，“地”大致有以下几种概念：数字地，又称逻辑地，是作为逻辑网络的零电位；模拟地，是

43、作为AD转换、前置放大器或比较器的 零电位；功率地，是作为大电流网络部件的零电位；信号地，通常为传感器的地；交流地，50Hz交流电地线，这种地是噪声地；屏蔽地，是为防止静电感应和磁场感应而设置的地四、抗干扰技术第67页/共85页一般来讲，采用接地技术时，应注意以下几个问题：机壳接地（其余部分浮空）优于全机浮空。一般低频(1MHz以下)电路应一点接地，高频(10MHz以上)电路应多点接地。一点接地又分为串联一点接地和并联一点接地，后者较前者抗干扰能力强。在电源地线的两点之间会有数毫伏的电位差，因此，交流地和信号地不能共用。数字地通常有很大的噪声，所有的模拟公共导(地)线应该与数字公共导(地)线分

44、开走线。功率地，这种地线电流大，地线应粗些，且应与小信号地线分开走线。四、抗干扰技术第68页/共85页 计算机控制系统常采用“三套法”接地系统，即把系统中接地分成三类：第一类是信号地，包括小信号回路、逻辑电路、控制电路等，先把这部分的各接地点接到一个公共点，并且将模拟地和数字地分开处理；第二类是功率地，包括驱动电路等大电流电路的统一接地点；第三类是机壳，包括机架箱体、屏蔽罩等金属结构接地点。最后用较大的接地母线汇集于一个总的公共接地点，再连埋地铜网，与大地相连。四、抗干扰技术第69页/共85页2.软件抗干扰技术(a)Watchdog技术(b)填码技术(c)数字滤波技术(d)数字信号输出方法四、

45、抗干扰技术第70页/共85页6.4 数字控制器的设计一、概述二、差分变换法三、数字PID控制算法四、数字PID的参数整定参考书目：陶永华等，新型PID控制及应用.机械工业出版社，1998，9.第71页/共85页 在采样数据系统中，微处理机直接参与了闭环控制，起着控制器的作用。由于微处理机处理数字形式的信号，所以，人们把微处理机控制器叫做数字控制器。数字控制器一般采用两种设计方法：一种是在一定条件下，把计算机控制系统近似地看成模拟系统，用连续系统的理论来进行动态分析和设计，再将设计结果转变成数字计算机的控制算法，这种方法称为模拟化的设计方法，也称间接设计方法；另一种是把计算机控制系统经过适当的变

46、换，变成纯粹的离散系统，用数学变换等工具进行分析和设计，直接设计出控制算法，这种方法称为离散化设计方法，也称直接设计方法一、概述第72页/共85页1一阶后向差分 一阶导数用下式来近似2二阶后向差分 二阶导数用下式来近似二、差分变换法第73页/共85页 在模拟控制系统中，PID控制算法的模拟表达式为 式中 为控制器的输出信号；为偏差信号，它等于给定量与反馈量之差；KP为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。三、数字PID控制算法第74页/共85页 为了实现上式所示的控制算法，必须将其离散化，即用离散的差分方式来代替连续系统的微分方程。连续时间的离散化，即积分用累加求和近似得微分用一阶后向差分

47、近似得三、数字PID控制算法第75页/共85页利用累加求和代替积分，差分代替微分，PID调节模拟表达式可变为：此式即为离散化的位置式PID控制算法表达式。考虑到第K-1次采样时有两式相减得到：三、数字PID控制算法第76页/共85页三、数字PID控制算法此公式即为此公式即为PIDPID控制的控制的增量式算式增量式算式 第77页/共85页 在实际应用中，数字PID控制的各种算式形式的选择视执行器的形式、被控对象的特性而定。若执行机构不带积分部件，其位置和计算机输出的数字量是一一对应的话(如电液伺服阀)，就要采用位置式算式。若执行机构带积分部件(如步进电动机或步进电动机带动阀门或带动多圈电位器)，

48、就可用增量式算法。若执行机构要求速度设定就选用速度式算式。三、数字PID控制算法第78页/共85页1.PID控制器参数对系统性能的影响(1)比例系数对系统性能的影响 （a）对动态特性的影响 比例系数加大，会使系统的动作灵敏，速度加快。但偏大，则振荡次数增多，调节时间加长。当太大时，系统会趋于不稳定。若太小，又会使系统的动作缓慢。（b）对稳态特性的影响 加大比例系数，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度。但需要注意的是加大只是减少稳态误差，不可能完全消除。四、数字PID控制器的参数整定第79页/共85页(2)积分时间常数对系统性能的影响（a）对动态特性的影响 太小时，系统将不稳定，

49、偏小，则系统振荡次数较多。太大，对系统性能的影响减少。当合适时，过渡过程的特性则比较理想。（b）对稳态误差的影响 积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是，当偏大时，积分作用会减弱，以致于不能减小稳态误差。四、数字PID控制器的参数整定第80页/共85页(3)微分时间常数对系统性能的影响 微分控制可以改善动态特性，减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当偏大或偏小时，超调量较大，调节时间较长，只有合适时，才可以得到比较满意的过渡过程。四、数字PID控制器的参数整定第81页/共85页2.采样周期选择的原则(1).必须满足采样定理的要求。(2)

50、.从控制系统的随动和抗干扰性能来看，则小些好。干扰频率越高，则采样频率最好也愈高，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。(3).根据被控对象的特性来选择，快速系统的应取小些，反之，可取大些。(4).根据执行机构的类型来选择，当执行机构动作惯性大时，可取大些，否则，执行机构来不及反应控制器输出值的变化。(5).从计算机能否精确执行控制算式来选择，应取大些。因为计算机字长有限，过小，偏差值可能很小，甚至为0，调节作用微弱，微分、积分作用不明显。四、数字PID控制器的参数整定第82页/共85页3.用扩充临界比例度法选择PID参数(1)选择一个合适的采样周期，控制器作纯比例控制。(2)调整 的值，使系统出现