第9章计算机控制系统设计及实现、抗干扰、实例

1、第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.1 计算机控制系统设计原则计算机控制系统设计原则对于不同的控制对象，系统对于不同的控制对象，系统设计具体要求是不同的，设计具体要求是不同的，但但 设计的基本要求是大体相同的。具体表现在：设计的基本要求是大体相同的。具体表现在： 1系统应系统应具有优良的操作性能具有优良的操作性能操作性能好，包括两个含义操作性能好，包括两个含义，即使用方便和维修容易，即使用方便和维修容易。 硬件和软件设计时都要考虑硬件和软件设计时都

2、要考虑这个问题。在配置软件时这个问题。在配置软件时， 就应考虑配置什么样的软件就应考虑配置什么样的软件才能降低对操作人员专业才能降低对操作人员专业知知 识的要求。硬件方面，零部识的要求。硬件方面，零部件的配置应便于操作人员件的配置应便于操作人员维维 修。修。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现2通用性好、便于扩充通用性好、便于扩充一个计算机控制系统，一般一个计算机控制系统，一般可以控制多个设备和不同可以控制多个设备和不同的的 过程参数，但各个设备和控过程参数，但各个设备和控制对象的要求是不同的，制对象的要求是不同的，而而 且控制设备还有更新，控制且控制设备还有更新，控制

3、对象还有增减。系统设计对象还有增减。系统设计时时 应考虑能适应各种不同设备应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象，使和各种不同控制对象，使系系 统不必大改动就能很快适应统不必大改动就能很快适应新的情况。这就要求系统新的情况。这就要求系统的的 通用性要好，能灵活地进行扩充。通用性要好，能灵活地进行扩充。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现3可靠性高可靠性高可靠性高是计算机控制系统设计最重要的一个基本要求。可靠性高是计算机控制系统设计最重要的一个基本要求。 一旦系统出现故障将造成整一旦系统出现故障将造成整个生产过程的混乱，引起个生产过程的混乱，引起严严 重后果。因此在计

4、算机控制重后果。因此在计算机控制系统设计时，通常应考虑系统设计时，通常应考虑后后 援手段，如配备常规控制装援手段，如配备常规控制装置或手动控制装置作后备置或手动控制装置作后备。 通常可直接采用多台计算机通常可直接采用多台计算机组成热备份（备份机与控组成热备份（备份机与控制制 机同时工作但不介入控制，机同时工作但不介入控制，一旦主控制机有故障就切一旦主控制机有故障就切换换 到备份机上）或冷备份（备到备份机上）或冷备份（备份机处于待工作状态，一份机处于待工作状态，一旦旦 主控机有故障就启动备份机主控机有故障就启动备份机投入工作）等工作方式来投入工作）等工作方式来提提 高系统的可靠性。高系统的可靠性

5、。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现4实时性好实时性好工业控制机的实时性，表现在对内部和外部的工业控制机的实时性，表现在对内部和外部的事件能及事件能及时时 地响应，并做出相应的处理，不丢失信息、不延误操作。地响应，并做出相应的处理，不丢失信息、不延误操作。 5设计周期要短，价格要便宜设计周期要短，价格要便宜计算机应用技术发展迅速，各种新技术和产品计算机应用技术发展迅速，各种新技术和产品不断出现不断出现， 在满足精度、速度和其它性能要求的前提下，在满足精度、速度和其它性能要求的前提下，应缩短设应缩短设计计 周期和尽可能采用价格低的元器件，以降低整周期和尽可能采用价格低的

6、元器件，以降低整个控制系个控制系统统 的费用。的费用。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.2 计算机控制系统设计步骤计算机控制系统设计步骤1研究被控对象、确定控制任务研究被控对象、确定控制任务2确定系统整体方案确定系统整体方案 (1)确定系统的性质和结构确定系统的性质和结构 (2)确定执确定执行机构方案行机构方案 (3)控制系统总控制系统总体体“黑黑箱箱”设计设计 (4)控制系统层次以控制系统层次以及硬件、软件功能划分及硬件、软件功能划分在总体方案设计完成后，形成了系统组成的粗在总体方案设计完成后，形成了系统组成的粗线条框图线条框图结结 构、硬件与软件划分等文件，供

7、详细设计使用构、硬件与软件划分等文件，供详细设计使用。以此作。以此作为为 进一步设计的依据。进一步设计的依据。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现3建立数学模型，确定控制算法建立数学模型，确定控制算法4硬件的设计硬件的设计 (1)确定过程的输入、输出通确定过程的输入、输出通道及其处理方式道及其处理方式 (2)计算机系统选择计算机系统选择(3)过程通道及接口设计过程通道及接口设计 (4)控制台设计控制台设计 (5)可可靠性设计靠性设计 (6)硬件调试硬件调试第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现5软件的设计软件的设计 (1) 选择编程语言选择编程语言

8、汇编语言汇编语言高级语言高级语言混合语言混合语言(2) 软件设计步骤软件设计步骤问题定义问题定义细化设计细化设计编制源程序编制源程序形成可执行代码形成可执行代码调试调试第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现6系统仿真与调试系统仿真与调试(1) 实验室硬件联调实验室硬件联调(2) 实验室软件联调实验室软件联调(3) 实验室系统仿真实验室系统仿真7现场安装调试现场安装调试第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.3 计算机控制系统输入输出通道设计计算机控制系统输入输出通道设计9.3.1 过程输入输出通道的组成与功能过程输入输出通道的组成与功能 根据过程信

9、根据过程信息的性质及传送方向，过程通道包括模拟量输入通道、息的性质及传送方向，过程通道包括模拟量输入通道、模模 拟量输出拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。通道、数字量输入通道和数字量输出通道。要对工业现场实现控制，就必须对它的运行状态进行检测。模拟量要对工业现场实现控制，就必须对它的运行状态进行检测。模拟量输输 入通道和数字入通道和数字量量(开关开关量量)输输入通道就是为此而设置的两种检测通道。入通道就是为此而设置的两种检测通道。生生 产过程的被调参产过程的被调参数数(一般包括一般包括压力、流量、温度、液面高度等压力、流量、温度、液面高度等等等)一般一般都都 是随时间变化的模拟量，

10、通过检测元件和传感器，可以把它们转换是随时间变化的模拟量，通过检测元件和传感器，可以把它们转换成成 模拟电流或电压。由于计算机只能识别数字量，故模拟电信号必须模拟电流或电压。由于计算机只能识别数字量，故模拟电信号必须通通 过模拟量输入通道变换成相应的数字信号，才能送入计算机；而生过模拟量输入通道变换成相应的数字信号，才能送入计算机；而生产产 现场的两态开关、电平的高低、脉冲量等数字或开关信号，则须通现场的两态开关、电平的高低、脉冲量等数字或开关信号，则须通过过 数字量输入通道输入计算机。数字量输入通道输入计算机。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现计算机控制生产现场的控

11、制计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量通道也有两种，即模拟量输输出通道及数字量输出通道。出通道及数字量输出通道。计算机输出的控制信号是计算机输出的控制信号是以以 数字形式给出的，有的生产数字形式给出的，有的生产过程的执行元件要求提供过程的执行元件要求提供模模 拟电流或电压，故应采用模拟电流或电压，故应采用模拟量输出通道实现；有的拟量输出通道实现；有的执执 行元件只要求提供数字量或行元件只要求提供数字量或开关量，故应采用数字量开关量，故应采用数字量输输 出通道。可见，过程通道是出通道。可见，过程通道是计算机和工业生产过计算机和工业生产过程程(控控制制 对对象象)相互交换信息的桥梁。相互

12、交换信息的桥梁。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.3.2 过程输入输出通道的控制方式过程输入输出通道的控制方式1过程输入输出通道过程输入输出通道与与C PP PP UU UU交换就信息类型交换就信息类型 过程输入输出过程输入输出通道通道与与CP U交换的信息类型有三种交换的信息类型有三种：U UUP PP数据信息：反映生产现场数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包的参数及状态的信息，它包括括 数字量、开关量和模拟量。数字量、开关量和模拟量。状态信息：又叫做应答信状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反映过程息、握手信息，它反映过程通通 道的状态，如准备就绪

13、信号等。道的状态，如准备就绪信号等。控制信息：用来控制过程控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等信息，通道的启动和停止等信息，如如 三态门的打开和关闭、触发器的启动等。三态门的打开和关闭、触发器的启动等。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现2过程通道的编址方式过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道有多个过程输入输出通道， 因此需对每一个过程输入输因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通出通道安排地址。过程通道道 编址方式有两种：编址方式有两种：过程通道与存储器独立编址方式过程通道与存储器独立编址方式过程通道与存储

14、器统一编址方式过程通道与存储器统一编址方式第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现3C PP PP UU UU对过程通道的控制方式对过程通道的控制方式计算机的外围设备及过程通计算机的外围设备及过程通道种类繁多，它们的传送道种类繁多，它们的传送速速 率又很不相同。因此输入输率又很不相同。因此输入输出产生复杂的定时问题，出产生复杂的定时问题，也也 就就是是CP U采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据采用什么控制方式向过程通道输入和输出数据。U UUP PP 常常用的控制方式有三种：用的控制方式有三种：程序查询方式程序查询方式中断控制方式中断控制方式直接存储器存直接存储器存取

15、取(DM A)方方式式) )A AAMMM第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.3.3 输入通道输入通道1模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道的任务是将模拟量输入模拟量输入通道的任务是将模拟量输入信号进行变换、信号进行变换、采样、放大、采样、放大、模模/数转换，转换成二进制数字量输入计算机。数转换，转换成二进制数字量输入计算机。模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、 采样保持器采样保持器和和A/D转换器组成转换器组成 。2数字量输入通道数字量输入通道数字量输入通道主要由两态信息转换电路和接口电路组成

16、。数字量输入通道主要由两态信息转换电路和接口电路组成。 两态信息转换电路的作用是将生产现场的两态两态信息转换电路的作用是将生产现场的两态信息转换信息转换成成 TT L电平信号，通电平信号，通过过L LLT TTII/O接口电路传送到计算机系统接口电路传送到计算机系统。OOO /II第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现根据现场信号的不同，有的根据现场信号的不同，有的两态信息转换电路应能消两态信息转换电路应能消除除开关机械抖动的影响，有的开关机械抖动的影响，有的应能与强电信号隔离，防应能与强电信号隔离，防止止 各种干扰。各种干扰。(1)开关量输入通道开关量输入通道 (2)脉

17、冲量输入通道脉冲量输入通道 (3)中断输入通道中断输入通道 (4)数字编码输入数字编码输入第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.3.4 输出通道输出通道设立输入通道的作用在于将设立输入通道的作用在于将被控对象的各种信息转换被控对象的各种信息转换成成 计算机可以接受的信息，以计算机可以接受的信息，以供计算机处理。而计算机供计算机处理。而计算机处处 理后产生的相应的控制命令理后产生的相应的控制命令或控制量，也必须转换成或控制量，也必须转换成相相 应的物理量才能对被控对象应的物理量才能对被控对象实施控制。这种由可将计实施控制。这种由可将计算算 机发出的控制机发出的控制指指令

18、令(或控制或控制量量)进行转换并能传送给执行进行转换并能传送给执行机机 构的装置构成的信号路径，称之为输出通道。构的装置构成的信号路径，称之为输出通道。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现1模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量变模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量变换成模换成模拟拟 量，这个任务主要量，这个任务主要由由数数/模转换器来完成，对于模拟量输模转换器来完成，对于模拟量输出出 通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持有保持的的 功能。保持器一般有数字保持和模拟保持两种方

19、案功能。保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案，这就，这就决决 定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。(1)独立独立数数/模转换器形式模转换器形式图9.2 独立的多通道D/A转换结构图I/O接口电路D/AD/A第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现(2)共用数模转换器的形式共用数模转换器的形式图9.3 多通道共享D/A的结构框图I/O接口电路D/A保持器多路开关保持器第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现2数字量输出通道数字量输出通道数字量输出通道的任务是根数字量输出通道的任务是根据计算机输出的数字信号据计算机输

20、出的数字信号去去 控制电接点的通、断或数字控制电接点的通、断或数字式执行器的启、停等，简式执行器的启、停等，简称称 DO(D i g i t a ll lla aat tti iig ggi iiD DD( (O OOOu t p u t) )t ttu uup ppt ttu uu OOO 通道。根据被控对象的不同通道。根据被控对象的不同，其输，其输出出 的数字控制信号的形态及相的数字控制信号的形态及相应的配置也不相同。其中应的配置也不相同。其中， 最为常用的数字控制信号是开关且和脉冲量信号。最为常用的数字控制信号是开关且和脉冲量信号。数字量输出通道中，由于许数字量输出通道中，由于许多执行机

21、构往往需要开关多执行机构往往需要开关量量 的控制信号。这时的控制信号。这时，CPU可以可以通通过过I/O接口电路直接对接口电路直接对执执 行机构进行控制，也可以通行机构进行控制，也可以通过半导体开关或机械式继过半导体开关或机械式继电电 器接点的开闭去控制。数字器接点的开闭去控制。数字量输出通道的关键往往是量输出通道的关键往往是要要 解决执行机构的功率驱动问题。解决执行机构的功率驱动问题。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.4 计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统大多用计算机控制系统大多用于工业控制现场，条件复杂于工业控制现场，条件复杂恶恶

22、劣，干扰频繁。干扰严重影劣，干扰频繁。干扰严重影响控制系统的可靠性和稳响控制系统的可靠性和稳定定 性。环境的特殊，要求计算性。环境的特殊，要求计算机控制系统必须有极高的机控制系统必须有极高的抗抗 干扰能力。为此，必须分析干扰能力。为此，必须分析干扰的来源，研究对于不干扰的来源，研究对于不同同 的干扰源采用哪些相应的行的干扰源采用哪些相应的行之有效的抑制或消除干扰之有效的抑制或消除干扰的的 措施，重视接地、布线和供措施，重视接地、布线和供电方面的抗干扰技术，重电方面的抗干扰技术，重视视 CP U可可U UUP PP 靠运靠运行的抗干扰技术相应用软件中对数字信号行的抗干扰技术相应用软件中对数字信号

23、的的 数据处理技术。数据处理技术。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.4.1 干扰的来源干扰的来源计算机控制系统运行环境的计算机控制系统运行环境的各种干扰主要表现在以下各种干扰主要表现在以下几几 个方面：个方面：1恶劣的供电条件恶劣的供电条件2严重的噪声环境严重的噪声环境此外，还有来自空间的干扰此外，还有来自空间的干扰，如太阳及其它天体辐射，如太阳及其它天体辐射的的 电磁波，广播电台或通讯发电磁波，广播电台或通讯发射台发出的电磁波，周围射台发出的电磁波，周围电电 气设备如电机、变压器、中气设备如电机、变压器、中频炉、可控硅逆变电源等频炉、可控硅逆变电源等发发 出的电

24、干扰和磁干扰，气象出的电干扰和磁干扰，气象条件、空中雷电、甚至地条件、空中雷电、甚至地磁磁 场的变化也会引起干扰。这场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰有时会使些空间辐射干扰有时会使计计 算机不能正常工作。算机不能正常工作。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.4.2 干扰的抑制方法干扰的抑制方法1接地技术接地技术 (1)接地方式接地方式“安全安全接接地地”一般均采用一点接地方式一般均采用一点接地方式。“工作接工作接地地”依依工工 作电流频率不同而有一作电流频率不同而有一点接地和多点接地两种。低点接地和多点接地两种。低频频 时，因地线上的分布电感并时，因地线上的分布

25、电感并不严重，故往往采用一点不严重，故往往采用一点按按 地；高频情况下，由于电感地；高频情况下，由于电感分量大，为减少引线电感分量大，为减少引线电感， 故采用多点接地。频带很宽故采用多点接地。频带很宽时，常采用一点接地和多时，常采用一点接地和多点点 接地相结合的混合接地方式。接地相结合的混合接地方式。第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现(2)浮地系统和接地系统浮地系统和接地系统(3)交流地与直流地分开交流地与直流地分开 (4)模拟地与数字地分开模拟地与数字地分开 (5)印刷电路板的地线安排印刷电路板的地线安排 (6)屏蔽地屏蔽地2屏蔽技术屏蔽技术 (1)电场屏蔽电场屏蔽

26、 (2)电磁屏蔽电磁屏蔽 (3)磁场屏蔽磁场屏蔽第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现3隔离技术隔离技术隔离的实质是切断共地耦合隔离的实质是切断共地耦合通道，抑制因地环路引入通道，抑制因地环路引入的的 干扰。隔离是将电气信号转干扰。隔离是将电气信号转变为电、磁、光及其它物变为电、磁、光及其它物理理 量作为中间量，使两侧的电量作为中间量，使两侧的电流回路相对隔离又能实现流回路相对隔离又能实现信信 号的传递。如号的传递。如图图9.4所示。所示。(a) 变压器隔离(b) 继电器隔离(c) 光电耦合器隔离图9.4 隔离电路电路电路电路电路电路电路第第9章章 计算机控制系统设计与实

27、现计算机控制系统设计与实现4串模干扰的抑制串模干扰的抑制 串模干串模干扰扰(又又称常态干扰、正相干称常态干扰、正相干扰扰)是干扰电压和信号是干扰电压和信号电电压串联叠加于负载或放大电压串联叠加于负载或放大电路的输入端，它常常表现路的输入端，它常常表现为为 通道一个输入端对另一个输通道一个输入端对另一个输入端电压变化的干扰。抗入端电压变化的干扰。抗串串 模干扰的技术措施有：模干扰的技术措施有：(1)合理选用信号线合理选用信号线 (2)在信号电路中加装滤波器在信号电路中加装滤波器 (3)选择合选择合适适的的A/D转换器转换器(4)采用调制解调技术采用调制解调技术(5)用光电耦合器隔离干扰用光电耦合

28、器隔离干扰 (6)配备高质量的稳压电源配备高质量的稳压电源第第9章章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现5共模干扰的抑制共模干扰的抑制 共模干共模干扰扰(又又称共态干扰、同相干称共态干扰、同相干扰扰)表现为通道两信号表现为通道两信号端端相对于零电位参考点所共有相对于零电位参考点所共有的干扰电压，包括交流和的干扰电压，包括交流和直直 流的两种电压。共模干扰只流的两种电压。共模干扰只有转换成串模干扰才会影有转换成串模干扰才会影响响 系统。可以选择隔离技术，系统。可以选择隔离技术，使共模干扰不能构成回路使共模干扰不能构成回路。 对于由共模干扰转换过来的对于由共模干扰转换过来的，并且已叠

29、加在有用信号，并且已叠加在有用信号上上 的串模干扰，可用前面个绍的抗串模干扰的方法来滤除。的串模干扰，可用前面个绍的抗串模干扰的方法来滤除。6电源噪声的抑制电源噪声的抑制实践说明，电源的干扰是计实践说明，电源的干扰是计算机控制系统的主要干扰算机控制系统的主要干扰， 抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。 (1)电源变压电源变压器的屏蔽器的屏蔽第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现(2)交流稳压器交流稳压器(3)隔离变压器隔离变压器 (4)低通滤波器低通滤波器 (5)采用分散独立功采用分散独立功能块供电能块供电 7提高软件可靠性提高软件

30、可靠性软件可靠性技术，主要有以下两个方面的内容。软件可靠性技术，主要有以下两个方面的内容。 (1)通过软件提高系统的可靠性通过软件提高系统的可靠性 (2)提高软件自身提高软件自身的可靠性的可靠性第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现9.5 计算机控制系统应用实例计算机控制系统应用实例电阻炉炉温的控制，根据工艺的要求不同而有电阻炉炉温的控制，根据工艺的要求不同而有所变化，所变化，但但 大体上可归纳为以下几个过程：大体上可归纳为以下几个过程： (1)自由升自由升温段，即根据电温段，即根据电阻炉自身约条件对升温速度没阻炉自身约条件对升温速度没有有控制的自然升温过程。控制的自然升

31、温过程。(2)恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。 (3)保温段，即要求在这一过程中炉温基本保持不变。保温段，即要求在这一过程中炉温基本保持不变。 (4)慢慢速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率进行。速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率进行。 (5)自自由降温段。由降温段。第第9章章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现1工艺要求工艺要求 要求电阻炉炉内的温度，应按要求电阻炉炉内的温度，应按图图9.6所示所示的规律变化；的规律变化；图9.6 炉温控制要求从室从室温温t0 0 0 0开始开始到到a点点aaa为自由升温

32、段为自由升温段，当温度一旦到，当温度一旦到达达a点点aaa (即即Ta点点a aa)，)就进入系统调节。就进入系统调节。从从b点点b bb到到c点点c cc为保温段，要为保温段，要始始 终终在系统控制之下，以保证在系统控制之下，以保证所需的炉内温度的精度。所需的炉内温度的精度。加加 工工结束，即结束，即由由c到到d点点ddd为自然降温段为自然降温段。保温段的时间。保温段的时间为为 50100分钟。炉温变化曲线对各项品质指标的要求如下：分钟。炉温变化曲线对各项品质指标的要求如下：abcdTaT00 t0t1t2t3t第第9章章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现过过 渡渡 过过 程

33、程 时时 间间 ： 即即 从从 升升 温温 开开 始始 到到 进进 入入 保保 温温 段段 的的 时时 间间t11 1 11000分分钟钟00 000 111超调量超调量：即升温过程的温度最大：即升温过程的温度最大值值(TM)与与) )MMM保温值保温值(T0)之之)0 0 0T TT(差差 与保温值之比；与保温值之比；静态误差：即当温度进入保温段后的实际温静态误差：即当温度进入保温段后的实际温度度值值(T) )与与保保 温温值值(T0)之差与保温值之比之差与保温值之比。)0 0 0温度保温值的变化范围温度保温值的变化范围：50100。设保温值。设保温值为为100。 T0T0 10% = TM

34、= T T0T0 2%Ve第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现2系统的组成和基本工作原理系统的组成和基本工作原理本电阻炉炉温自动控制系统方块图如本电阻炉炉温自动控制系统方块图如图图9.7所示。所示。计算机D/A变送器1可控硅电阻炉检测元件A/D变送器2图9.7 电阻炉炉温自动控制系统第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现控制过程：计算机定控制过程：计算机定时时(即即采样周采样周期期)对炉温进行测量和对炉温进行测量和控控制一次，炉内温度是由一铂电阻温度计来进行制一次，炉内温度是由一铂电阻温度计来进行测量，其测量，其信信 号经放大送到模数转换芯片换算成

35、相应的数字号经放大送到模数转换芯片换算成相应的数字量后，再量后，再送送 入计算机中进行判别和运算入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率，得到应有的电功率数数(增增量量 值值)，经过数模转换芯片转换成模，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅拟量信号，供给可控硅功功 率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。第第9章章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现3对象特性的测量和识别对象特性的测量和识别 (1)对象模型的归纳对象模型的归纳根据描述对象特性需用微分根据描述对象特性需用微分方程的阶数不同，对象可方程的阶数不同，对象可分

36、分 一阶或二阶。至于阶数高于一阶或二阶。至于阶数高于二阶的由于实际计算，分二阶的由于实际计算，分析析 参数有困难而用纯滞后的一参数有困难而用纯滞后的一、二阶方程来近似代替，、二阶方程来近似代替，因因 此实用上对象模型的基本形式常取如下几种：此实用上对象模型的基本形式常取如下几种：一阶对象一阶对象 对象的微分方程为对象的微分方程为T&y(t) + y(t) = Ku(t)则它的传递函数为则它的传递函数为W(s) =Ts+ 1K第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现它的飞升曲线如它的飞升曲线如图图 9.8所示。一般所示。一般幅值的阶跃信号输幅值的阶跃信号输入入时时，输出稳态值

37、除以输入幅度值即为放大倍，输出稳态值除以输入幅度值即为放大倍数数K，输出输出从从 起始值到起始值到达达0.632稳态值的时间即为时间常稳态值的时间即为时间常数数T。y(t) yp0.632ypT0t图9.8 飞升曲线一第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现纯滞后的一阶对象纯滞后的一阶对象这种对象的微分方程为这种对象的微分方程为则它的传递函数为则它的传递函数为它的飞升曲线如它的飞升曲线如图图9.9所示。它与所示。它与图图9.8的唯一区别在于的唯一区别在于起起 始有一段纯滞后。始有一段纯滞后。y(t)yp0.632ypTy& (t) + y(t) = Ku(t )W(s) =

38、Ts+ 1K esT+0t图9.9 飞升曲线二第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现(2)飞升曲线的测量飞升曲线的测量测量的方法：它在稳定控制测量的方法：它在稳定控制信号作用下系统有一个稳信号作用下系统有一个稳定定 的输出，然后突然在输入端的输出，然后突然在输入端加一幅度适宜的阶跃控制加一幅度适宜的阶跃控制信信 号。输出对应也有一个变化号。输出对应也有一个变化部分，此即为输出的飞升部分，此即为输出的飞升曲曲 线，如线，如图图9.10所示。所示。y(t)y1y00t图9.10 飞升曲线三第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现若将飞升曲线单独画出，即为若

39、将飞升曲线单独画出，即为图图9.8所示。利用上述同所示。利用上述同样样的方法测得的电阻炉炉温的飞升曲线如的方法测得的电阻炉炉温的飞升曲线如图图9.11所示。所示。y(t)ypT+0t图9.11 飞升曲线四第第9章章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现将上述所测得的飞将上述所测得的飞升曲线与典型传递函数的飞升曲线升曲线与典型传递函数的飞升曲线比比 较，可知较，可知图图9.10是一阶对象的飞升曲线，而是一阶对象的飞升曲线，而图图9.11是带是带纯纯 滞后的一阶对象。其传递函数是：滞后的一阶对象。其传递函数是：式中式中：K放大系数放大系数T对象时间常对象时间常数数 对象滞后时间对象滞后

40、时间 (3)一阶一阶对象参数的求取对象参数的求取对于一阶对于一阶对象的放大倍对象的放大倍数数K可由输出稳态值和输入阶跃可由输出稳态值和输入阶跃信信 号幅值的比值求得。输出从起始值到号幅值的比值求得。输出从起始值到达达0.632倍稳态值的倍稳态值的时时 间即为对象时间常数。而对象滞后时间即为对象时间常数。而对象滞后时间间 可直可直接从图中接从图中测测 量。量。W(s) =Ts+ 1K es第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现但实测的飞升曲线起始部分但实测的飞升曲线起始部分有弯曲，不易找到确切的有弯曲，不易找到确切的位位置来定滞后时间，这时可用置来定滞后时间，这时可用一阶加

41、纯滞后的虚线曲线一阶加纯滞后的虚线曲线来来 迫近，使后面大部分重合，迫近，使后面大部分重合，而起始部分则可定出一个而起始部分则可定出一个等等 效的滞后时效的滞后时间间，这时可在曲线斜率的转折点，这时可在曲线斜率的转折点(即即( 拐点拐点)处处) 作一切线，如作一切线，如图图9.11所示。该切线与时间轴所示。该切线与时间轴的交点认为的交点认为是是 一阶的起点，即纯滞后时一阶的起点，即纯滞后时间间 ，而切线与稳态值的交，而切线与稳态值的交点点 时间应时间应为为T，加上纯滞后时间则实测，加上纯滞后时间则实测为为+T。T TT+ + 这样就这样就求求出出 了一阶对象的三个参了一阶对象的三个参数数K、T

42、、。T TT设所得的飞升曲线求得本电阻炉的参数为设所得的飞升曲线求得本电阻炉的参数为T=72（2 227 77= = 分钟）分钟）=88 88= = （分钟）（分钟）K=3300 003 333 33= =第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现4控制规律的选择和参数的计算控制规律的选择和参数的计算计算机参与控制的形式是多计算机参与控制的形式是多种多样的，它取决于控制种多样的，它取决于控制规规 律的选择以及受控对象的特律的选择以及受控对象的特性，现仅结合本电阻炉的性，现仅结合本电阻炉的要要 求，作如下的分析：求，作如下的分析：根据炉温变化曲线的要根据炉温变化曲线的要求，可将

43、其分为三段来进行求，可将其分为三段来进行控控 制；自由升温段，保温段和制；自由升温段，保温段和自然降温段。而真正需要自然降温段。而真正需要电电 气控制的是前面二个阶段，气控制的是前面二个阶段，即自由升温段和保温段。即自由升温段和保温段。为为 避免避免过冲，从室温过冲，从室温到到80%额定温度为自由升温段，额定温度为自由升温段，在在20额定温度时为保温段。在额定温度时为保温段。在自由升温段中，希望升温自由升温段中，希望升温越越 快越好，总是将加热功率全快越好，总是将加热功率全开足，因此得自由升温段开足，因此得自由升温段控控 制规律为：制规律为：当当T 0.8T0时，时，选选Pk=1；1 11=

44、=k k kP PP0 0 0T TT888. 000第第9章章 计算机控制系统设计与实计算机控制系统设计与实现现在在T00 00. .88 88TT TT0 0 0 0后，已较接近需要保温的后，已较接近需要保温的值值TT TT0 0 0 0，为此采用保温，为此采用保温段控制方程。保温控制方法有多种，如用比例控制，因段控制方程。保温控制方法有多种，如用比例控制，因 炉丝所加功炉丝所加功率率P的变化和炉温变化之间存在一段时间延的变化和炉温变化之间存在一段时间延 迟，迟，因此当以温差来控制输出时，即比例控制，系统只因此当以温差来控制输出时，即比例控制，系统只 有在有在炉温与给定炉温与给定值值(保温温保温温度度)相等时才停止输出，这时由相等时才停止输出，这时由 于炉于炉温变化的延迟性质，炉温并不因输入停止而马上停温变化的延迟性质，炉温并不因输入停止而马上停 止上止上升，从而超过给定位。滞后时间越大，超过结定值升，从而超过给定位。滞后时间越大，超过结定值 也越也