第11章 计算机控制系统的设计与实现

1、school of automation engineeringschool of automation engineering1. 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 school of automation engineering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

2、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school of automation engineering 过程输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 school of automation engineering（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

3、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 school of automation engineeringna/d转换器的分类转换器的分类 逐次逼近式、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

4、码偏移二进制码n十进制编码（bcd码）（2）a/d转换器转换器 school of automation engineering （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 101nxdqschool of automation engineering（4）a/d转换器的选择原则转换器的选择原则 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

5、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。 school of automation engineering2 . 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

6、路共用多路共用d/a转换器结构转换器结构 school of automation engineering（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 school of automation engineeringnd/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

7、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 school of automation engineering3. 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

8、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。 school of automation engineering4. 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。 school of automation engineering 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

9、，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yschool of automation engineeringn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 school of automation enginee

10、ringn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 kinschool of automation engineeringn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 ki101niischool of automation engineeringn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

11、现形式。式中，t 为采用周期 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/()fftttschool of automation engineering2. 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

12、值法。 school of automation engineering3. 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。 school of automation engineeringn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

13、算延时与控制算法设计计算延时与控制算法设计school of automation engineering 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 school of automation engineering2. 数字控制器数字控制器d(z)的算法设计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( )( )( )1

14、mmnnbb 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 kjschool of automation engineeringn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），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

15、生相应的变化，从而影响到系统的动态性能。 00b 00b school of automation engineering（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 zuzzdzuzzppzuzzdzuzzppzuzzzz zdzuzzpp zu

16、zzzz zdzuzzpp zmm1111111111( )( )( )1zzz zu zd zkkuzzpp zschool of automation engineeringn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

17、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。 school of automation engineering(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(

18、 )()(1)( )()(1)( )()(1)nnnnu zc e klp u kuzc e klp ukuzc e klp ukm则1( )( )niiu ku kschool of automation engineeringn并行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。 school of automation engineering3. 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

19、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。 school of automation engineeringn带状态观测器的状态反馈一般结构带状态观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 school of automation engineeringn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

20、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。 school of automation engineeringn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

21、 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。school of automation engineering4. 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，同时又要求量化误差足够小，在控制算法中，必须对每个参与运算的参数及中间变量配置一定的比例因子。n一般是先配置参数的比例因子，使各个参数在定点数的表示范围内，保证比例因子配置前后，各支路及

22、控制器总的增益保持不变；然后，再考察算法中各步运算是否可能溢出，如可能存在溢出，则需要与参数比例因子综合考虑，协调配置比例因子。 school of automation engineering1. 计算机控制系统中量化误差来源计算机控制系统中量化误差来源n na/d转换的量化效应转换的量化效应n参数的量化效应参数的量化效应 n运算过程的量化效应运算过程的量化效应 nd/a转换的量化效应转换的量化效应 school of automation engineering2. 变量的量化误差分析变量的量化误差分析 n为分析方便，将变量的量化误差看成确定性外界干扰作用于线性系统，从而对量化误差进行确定

23、性线性分析。 n一般地，一个确定性常值干扰信号（取最大值emax）作用于线性系统，如果设由干扰作用点到系统输出端的闭环传递函数为e(z)，且闭环系统是稳定的，则由终值定理可的有量化误差引起的最大输出误差为 11maxmax111maxmax1lim(1) ( )( )lim(1)( )1lim( )(1)eezzeezeyze zzzzzezeschool of automation engineering3. 参数的量化误差分析参数的量化误差分析 n参数量化误差对系统性能的影响可以通过系统性能对参数的灵敏度来进行分析。通常，可以通过研究零极点对参数的灵敏度来分析参数量化误差对系统性能的影响。

24、 n设控制器的分母多项式为 11012( )()()()nnnnm zzazazpzpzp则极点pj对参数ak 变化的灵敏度可表示为 1()kjjnkjiiijppappschool of automation engineeringn通常控制器本身是稳定的，因而极点均在单位圆内，k 越大，ak对极点pj的影响越小，且分母多项式中常数项对极点影响最大，而高次项系数对极点影响较小。当该极点越接近单位圆时，则受参数影响越大。n极点对参数的灵敏度与该极点与其它极点之间的距离成反比，即极点分布越分散，则极点受参数变化的影响越小。n灵敏度与采样周期有关。随着t的减小，极点越靠近1，从而灵敏度越高。对于多

25、极点而言，采样周期减小，各极点均向1靠近，使得各极点之间的距离也减小，从而增加了极点对参数变化的灵敏度。因此，采样周期较小，灵敏度将增高，参数量化误差对极点的影响越严重。 school of automation engineering4. 量化效应的非线性分析量化效应的非线性分析 n以一阶数字控制器为例，并以很短字长的十进制数运算来说明量化误差产生非线性效应的相关情况。 n例例 11.4 设一阶数字控制器为 设输入e为阶跃函数，且u (0)3，试分别分析舍入与截尾运算时，控制器的输出序列u(k)。 解解 由控制器d(z)可的其差分递推算式 1( )1( )( )1 0.9u zd ze zz

26、( )0.9 (1)( )u ku ke kschool of automation engineeringn采用十进制运算，且量化运算结果为整数 ,运算结果如下乘法舍入运算结果 乘法截尾运算结果 其理想稳态值应为10，可见以上两种量化处理均出现了死区死区。 school of automation engineering 例例 11.5 设一阶数字控制器为 n解解 对于无限字长运算，由终值定理，可得 1( )1( )( )1 0.9u zd ze zz 设输入e为一个在 k = 1时刻幅值为10的脉冲，且u (0)0，试分别分析舍入与截尾运算时，控制器的输出序列u(k)。 1111( )li

27、m(1)010.9zuzz 由控制器d(z)可的其差分递推算式 ( )0.9 (1)( )u ku ke k school of automation engineering 可见，采用舍入运算，输出序列在正负交替衰减到5后，形成一个在55之间的等幅振荡，即极限环振荡；采用截尾运算时，其输出序列却能收敛到其理想的稳态值0。 n其运算结果如下乘法舍入运算结果 乘法截尾运算结果 school of automation engineering 1. 采样周期选择的一般考虑采样周期选择的一般考虑 n闭环系统的稳定性 n闭环系统的带宽n保持器重构误差与相位滞后 n系统抗干扰性能 n前置滤波器 n计算机

28、字长 n数字控制器的设计方法 n计算机工作负荷 (4 10)sb(10 20)sb(20 100)sbschool of automation engineering2. 采样周期选择的经验规则采样周期选择的经验规则 n对一个闭环控制系统，如果被控对象的主导极点的时间常数为td，那么采样周期t应选取n如果被控对象具有纯滞后时间，且对系统影响较大，采样周期应选得比纯滞后时间小，通常要求n如果闭环系统要求稳态调节时间为ts，闭环自然频率为n，则采样周期可取为 /10dtt(0.1 0.25)t/10sttsn10 或 采样周期经验值采样周期经验值 school of automation engi

29、neering 1. 干扰源干扰源 n来自系统外引线的外部干扰来自系统外引线的外部干扰 传导干扰n来自空间的辐射干扰来自空间的辐射干扰 电磁辐射 n 内部干扰内部干扰 由系统的内部结构布局与电路设计及制造工艺不完善所引入的干扰 school of automation engineering2. 干扰的作用形式干扰的作用形式 n串模干扰串模干扰 串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，即相当于干扰源串联在信号源回路中，也称为差模干扰或常态干扰。n共模干扰共模干扰 共模干扰是指在信号的两个输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称共态干扰。 school of automation enginee

30、ring3. 串模干扰的抑制串模干扰的抑制 n采用输入滤波器采用输入滤波器 低通滤波器 n采用电磁屏蔽和良好接地采用电磁屏蔽和良好接地 n采用电流信号传输采用电流信号传输 420ma school of automation engineering4. 共模干扰的抑制共模干扰的抑制 n变压器隔离变压器隔离n光电隔离光电隔离 n school of automation engineeringn 浮地屏蔽浮地屏蔽n采用差分输入放大器采用差分输入放大器 共模干扰电压只有转变为串模干扰才能对系统产生影响，为了抑制共模干扰，就要尽量做到线路平衡。采用差分放大器可以较为有效地抑制共模干扰。 school

31、 of automation engineering5. 电源系统的抗干扰措施电源系统的抗干扰措施 n合理配置低通滤波器与交流稳压装置合理配置低通滤波器与交流稳压装置 n采用抗干扰能力强的开关电源采用抗干扰能力强的开关电源 n采用分布式独立供电采用分布式独立供电 n采用采用ups等备用电源等备用电源 school of automation engineering6. 接地系统的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施 n计算机控制系统的地线种类计算机控制系统的地线种类 数字地、模拟地、信号地、交流地、直流地、功率地、屏蔽地 n接地处理的一般原则与措施接地处理的一般原则与措施 n接地方式 保护接地一般均

32、采用一点接地方式，而工作接地根据工作电流频率不同有一点接地和多点接地两种。n交流地与直流地分开 n模拟地与数字地分开 n屏蔽地接法 屏蔽体最好接大地 ，并将屏蔽体与放大器的公共端连接起来。 school of automation engineering 1. 计算机控制系统可靠性设计的一般原则计算机控制系统可靠性设计的一般原则 。 n在满足系统功能的前提下，尽可能地简化系统结构。在满足系统功能的前提下，尽可能地简化系统结构。 n不必追求过高的性能指标和过多的系统功能。不必追求过高的性能指标和过多的系统功能。n合理划分系统硬件、软件功能。合理划分系统硬件、软件功能。 n计算机控制系统必须具备良

33、好的散热条件。计算机控制系统必须具备良好的散热条件。n电路连接一定要可靠。电路连接一定要可靠。 n一般还应考虑系统或相应的关键部件的机械防震、防尘、一般还应考虑系统或相应的关键部件的机械防震、防尘、防辐射、防潮、防水等相关设计。防辐射、防潮、防水等相关设计。 school of automation engineering2. 计算机控制系统的硬件可靠性设计计算机控制系统的硬件可靠性设计 n元器件的选择元器件的选择 n元器件的失效率n n选择元器件时，应尽量选取处于有效期的元器件。 school of automation engineering 硬件容错通常利用硬件冗余技术将可靠性较低的元部件组成一个可靠性较高的系统; 硬件冗余一般有工作冗余于后备冗余两种种基本方式。 n 工作冗余