计算机控制技术

1、会计学1计算机控制技术计算机控制技术第1页/共431页第2页/共431页第3页/共431页考核办法n平时成绩：20%n期末考试成绩：80%第4页/共431页1.计算机控制系统，李元春等编著，高等教育出版社2.计算机控制技术，姜学军编著，清华大学出版社3.微型计算机控制技术，潘新民等编著，电子工业出版社4.计算机控制技术，冯培悌编著，浙江大学出版社5.期刊工业控制机（技术性比较强）、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表等等。第5页/共431页第6页/共431页第7页/共431页控制器被控对象被控量第8页/共431页给定量+控制器执行机构被控对象被控量检测装置-

2、第9页/共431页给定量+控制器eD/Au执行机构被控对象被控量y测量变送A/D-工控机被控对象第10页/共431页实时数据采集：实时控制决策：实时控制输出：对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。第11页/共431页第12页/共431页硬件部分：主机、接口电路、过程输入/输出通道、外 部设备、 操作台第13页/共431页 主机中央处理器（CPU）内存储器(RAM和ROM)接口电路: : 主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁过程输入/输出

3、通道模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道外部设备 操作台输入设备输出设备外存储器（CRT）显示器或(LED)数码显示器 键盘（功能键和数字键）第14页/共431页软件系统软件应用软件 操作系统语言加工系统诊断系统 控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库 软件部分：数据可靠性检查程序AD转换及采样程序 数字滤波程序 线性化处理程序 数据采集程序 越限报警程序 事故预告程序 画面显示程序 第15页/共431页第16页/共431页和很强的逻辑判断功能，能实现复杂控制规律。第17页/共431页算机网络控制系统等，便于实现控制

4、与管理的一体化，是工业企业的自动化程度进一步提高。第18页/共431页1.2 1.2 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 1 1操作指导控制系统操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。第19页/共431页 2 2直接数字控制系统直接数字控制系统 （Direct Digital ControlDDC） 要求：实时性好、可靠性高和适应性强 一台计算机通常要控制几个或几十个回路输入通道输入通道(AI.DI(AI.DI）输出通道输出通道(AO.DO)(AO.DO)打印机打印机报报 警警操作台操作台CRTCRT计计 算算 机机生生

5、 产产 过过 程程第20页/共431页 3 3监督控制系统监督控制系统（Supervisory Computer Control SCC ） DDC DDC计算计算机机生生 产产 过过 程程SSC SSC 计计 算算 机机记录记录显示显示打印打印调节调节测量测量设定设定值值(b)(b)工艺数据工艺数据模模 拟拟调节器调节器生生 产产 过过 程程SSC SSC 计计 算算 机机记记录录显显示示打打印印调节调节测量测量设定设定值值(a)(a)工艺数据工艺数据第21页/共431页4 4集散型控制系统集散型控制系统 （Distributed Control SystemDCS）第22页/共431页5

6、5现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）第23页/共431页由由企业资源信息管理系统企业资源信息管理系统ERP（Enterprise Resources Planning）、）、生产执行系统生产执行系统MES（Manufacturing Execution System）和）和生生产过程控制系统产过程控制系统PCS（Process Control System）构成的三层结构，已成为综合自）构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。动化系统的整体解决方案。 计算机集成过程系统（计算机集成过程系统（CIPS-Computer Integ

7、rated Process System） 第24页/共431页第25页/共431页第26页/共431页个重点内容。第27页/共431页第28页/共431页第29页/共431页第30页/共431页1.3.1工业控制机的组成第31页/共431页线(AB)、控制总线(CB)和电源总线(PB)四部分。第32页/共431页1. 内部总线第33页/共431页2. 外部总线第34页/共431页 可靠性高和可维修性好 环境适应性强 控制实时性好 完善的输入输出通道 丰富的软件 适当的计算精度和运算速度第35页/共431页1946年世界上第一台电子计算机ENICA问世 1计算机控制技术的发展过程 开创时期（1

8、9551962年） 直接数字控制时期（19621967年） 小型计算机时期（19671972年） 微型计算机时期（1972年至今） 1.4.1 计算机控制系统的发展概况第36页/共431页软件的发展：50年代至70年代软件发展缓慢70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制2计算机控制理论的发展过程 采样定理 差分方程第37页/共431页 Z变换法 )()(0kTfzkTfZkK 状态空间理论 最优控制与随机控制 代数系统理论 系统辨识与自适应控制 先进控制技术第38页/共431页 1推广应用成熟的先进技术 普及应用可编程序控制器（PLC） 广泛使用智能调节器 采用新型的DCS和FCS 2大力

9、研究和发展先进控制技术 分级递阶智能控制系统 模糊控制系统 专家控制系统 学习控制系统 神经控制系统第39页/共431页第40页/共431页第41页/共431页第42页/共431页第43页/共431页第44页/共431页第45页/共431页n 输入输出接口输入输出接口 简称简称“接口接口”n输入输出接口技术输入输出接口技术 研究微处理器和研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。外部设备之间信息交换的技术。n接口电路：是主机和外围设备之间交换信接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。使主机和外设能够协调工息的连接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完成信息交换。作，有效地完成信息交

10、换。n通道：也称为过程通道。它是计算机和控通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。制对象之间信息传送和变换的连接通道。第46页/共431页CPU外外部部设设备备数数据据状状态态控控制制数 据 信数 据 信息息数字量数字量模拟量模拟量开关量开关量状态信息状态信息控制信息控制信息过程通道与过程通道与CPU交换信息交换信息的种类的种类第47页/共431页第48页/共431页第49页/共431页第50页/共431页2.2 数字量输入输出通道与过程通道图2.1数字量输入接口第51页/共431页图2.2数字量输出接口第52页/共431页输入调理电路输入缓冲器地址译码器PC总

11、线生产过程图2.3数字量输入通道结构第53页/共431页图2.4小功率输入调理电路第54页/共431页图2.5大功率输入调理电路第55页/共431页图2.6数字量输出通道结构框图输出驱动器输出锁存器地址译码器生产过程PC总线第56页/共431页第57页/共431页一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。D DL LK K控控 制制 电电 流流外外 部部 设设 备备线线 圈圈铁铁 芯芯触触 点点衔衔 铁铁第58页/共431页第59页/共431页第60页/共431页第61页/共431页图2.17模拟量输入通道的组成结构第62页/共431页第63页/共431页第64页/

12、共431页第65页/共431页n放大器的任务是将模拟输入小信号放放大器的任务是将模拟输入小信号放大到大到A/DA/D转换的量程范围之内，如转换的量程范围之内，如0-0-5VDC;5VDC;n对单纯的微弱信号，可用一个运算放对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大器进行单端同相放大或单端反相放大。大。n若信号源的一端接放大器的负端为反若信号源的一端接放大器的负端为反相放大。当然，这两种电路都是单端相放大。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。器的另一个输入端共地。（2）信号放大电路 第66页/共43

13、1页VIVO1R2R图 2-5 放 大 电 路VIVO1R2R(a)同 相 放 大UsUs(b)反 相 放 大第67页/共431页第68页/共431页第69页/共431页第70页/共431页第71页/共431页图 2 -3 CD4051结 构 原 理 图0S2S3S4S5S6S7S1S动动驱驱码码译译换换转转平平电电ABCIN HmS第72页/共431页第73页/共431页D3D2D1D0动驱码译动驱码译换转平电换转平电0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS图 2-4 多 路 模 拟 开 关 的 扩 展 电 路INHINH第74页/共4

14、31页f(t) K f*(t) T第75页/共431页香农香农(Shannon)(Shannon)定理：如果随时间定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为变化的模拟信号的最高频率为maxmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率S S22maxmax进进行采样，那么取出的样品系列行采样，那么取出的样品系列(f(f1 1* *(t)(t)，f f2 2* *(t)(t)，)就足以代表就足以代表( (或恢复或恢复)f(t)f(t)。第76页/共431页ymax：转换信号的最大值；：转换信号的最大值； ymin：转换信号的最小值；：转换信号的最小值； n：转换后二进制数的位数。：转换后二进制数的位

15、数。量化单位为：量化单位为：m axm in2 1nyyq2 2量化量化量化：是用一组数码量化：是用一组数码(如二进制码如二进制码)来逼近离散模拟信号的来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。幅值，将其转换成数字信号。 第77页/共431页 如果直接将模拟量送入如果直接将模拟量送入A AD D转换器进行转换，则应考虑转换器进行转换，则应考虑到任何一种到任何一种A AD D转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转的操作。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个

16、并联的参量需取自同一瞬换精度。特别是在同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参数的时，而各参数的A AD D转换又共享一个芯片，所得到的几个量就转换又共享一个芯片，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/DA/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求，又要求A/DA/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样成上述任务的器件叫做采样保持器保持器(Sample/Hold

17、),(Sample/Hold),简写为简写为S/HS/H。 第78页/共431页t 可能误差V0t1tfV第79页/共431页sinsin2mmU Ut Uftcos2cos2mmdUUtfUftdt它的微分为：最大变化率为：最大变化率为：max2mdUfUdt在信号与横座标交点处，信号变化率最大，可能引起最大的信在信号与横座标交点处，信号变化率最大，可能引起最大的信号误差，设孔径时间为号误差，设孔径时间为 ，这时最大误差为：，这时最大误差为：t 2mUUft第80页/共431页1002%100tfUUm第81页/共431页 采样保持器又叫做采样保持放大器（SHA），它的原理如图所示。它由采样

18、开关S、保持电容C和缓冲放大器组成。其工作原理如下： SH有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。 采样保持器一旦进入保持期，便应立即启采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动动A/DA/D转换器，保转换器，保 证证A/DA/D转换期间输入恒定。转换期间输入恒定。第82页/共431页n常用的零阶集成采样保持器有常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等等，其内部结构和引脚如图，其内部结构和引脚如图第83页/共431页常用的常用的AD转换器有转换器有：计数器式计数器式双积分式双积分式逐次逼近式逐次逼近式 第84页/共431页 分辩率是指能使转换后数字量变分辩率是指

19、能使转换后数字量变化化1 1的最小模拟输入量。的最小模拟输入量。 n n位二进制数最低位具有的权值位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。就是它的分辨率。2量程量程 量程是指所能转换的输入电压量程是指所能转换的输入电压范围。范围。l分辨分辨率率第85页/共431页3转换时间转换时间 转换时间是指启动转换时间是指启动A AD D到转换结束到转换结束所需的时间。所需的时间。4对基准电源的要求对基准电源的要求 设计时应该考虑外界精密基准电源设计时应该考虑外界精密基准电源。5线性误差线性误差 在满量程输入范围内，偏离理想转在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最换特性的最 大误差定义为线性误差。大误

20、差定义为线性误差。 线性误差常用线性误差常用LSBLSB的分数表示，如的分数表示，如1/2LSB1/2LSB或或1LSB1LSB。第86页/共431页第87页/共431页电路组成及引脚功能电路组成及引脚功能 ADC0809有有28条引脚。条引脚。OE第88页/共431页 2. 12 2. 12位位A AD D转换器转换器AD574AD574 芯片特性：芯片特性： 采用原理采用原理 逐次逼近式逐次逼近式 内部结构内部结构 三态缓冲器、时钟脉冲源和基准电源三态缓冲器、时钟脉冲源和基准电源 输入电压输入电压 单通道单极性或双极性单通道单极性或双极性 分辨率分辨率 12位位 转换时间转换时间 25 S

21、 封装形式封装形式 28脚双列直插式脚双列直插式第89页/共431页 芯片各引脚功能芯片各引脚功能第90页/共431页AD574AD574真值真值表表第91页/共431页 AD574 AD574模拟量输入电路外部模拟量输入电路外部连线连线 AD574可实现单极性输入和双极性输入可实现单极性输入和双极性输入第92页/共431页第93页/共431页第94页/共431页第95页/共431页微型计算机D/A转换接口电路功率放大V/I变换第96页/共431页图2.31一个通路一个D/A转换器的结构第97页/共431页2.2.多个输出通路共用一个多个输出通路共用一个D DA A转换器转换器的结构形式的结构

22、形式图2.32共用D/A转换器的结构第98页/共431页第99页/共431页R/2InRnVRV0-+I3R3=4RI2I1R2=2RR1=1RiILSBMSB第 1位 第 2位 第 3位第 n位第100页/共431页第101页/共431页2RR2RRRR2R2RRR2RR2RRR(a)2R2RRII/2I/2真 地虚 地II/2I/4I/2I/4I/8I/8I/16I/16I/32etc(c)(b)a)各顺序节点都是等值的b)每一节点都有两条通过2R电阻与地相连的支路c)二进制电流分配器第102页/共431页 外部结构特征外部结构特征采用采用20引脚、双列直插式引脚、双列直插式集成电路芯片。

23、集成电路芯片。 分辨率分辨率8位位； 电流稳定时间电流稳定时间1s ； 电流输出电流输出； 与与 TTL电平兼容；电平兼容； 功耗功耗20mW。第103页/共431页2. 12位位DA转换器转换器DAC 1210 DAC 1210的主要性能及特点的主要性能及特点DAC 1210是双列直插式是双列直插式24引脚集成电路芯片。引脚集成电路芯片。主要技术指标：主要技术指标： 输入数字为输入数字为12位二进制数字；位二进制数字； 分辨率分辨率12位；位； 电流建立时间电流建立时间1s； 供电电源供电电源+5+15V(单电源供电单电源供电)； 基准电压基准电压VREF范围范围-10+10V。第104页/

24、共431页DAC 1210引脚说明引脚说明图2.30DAC1210内部原理图第105页/共431页第106页/共431页图2.35V/I转换电路第107页/共431页图2.36AD694引脚图第108页/共431页表2.1AD694引脚接线表第109页/共431页图2.37AD694的基本应用第110页/共431页第111页/共431页图2-41 PCL-726板卡组成框图第112页/共431页第113页/共431页第114页/共431页干扰：有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。干扰的来源:外部干扰和内部干扰外部干扰：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电

25、焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。 内部干扰：系统的软件干扰、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。系统抗干扰的措施：硬件抗干扰和软件抗干扰第115页/共431页图2.41串模干扰示意图第116页/共431页第117页/共431页反相抵消。屏蔽层良好接地，就可避免干扰从传输导线窜入检测回路。第118页/共431页图2.43共模干扰示意图第119页/共431页图(b)所示。图2.44被测信号的输入方式第120页/共431页111CCScmAZZZUU222cmBCSCUUZZZ212211cmcmABCCSCSCUUUUZZZZZ

26、Z第121页/共431页第122页/共431页图2.45变压器隔离第123页/共431页。光电耦合器能隔离干扰的原因光耦在封闭状态下工作靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系输入阻抗小干扰形式一般为大电压、小电流，而光电耦输入发光管在电流状态下工作，故可被抑制第124页/共431页 浮地屏蔽 所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。 第125页/共431页第126页/共431页第127页/共431页图2.48终端匹配第128页/共431页 始端匹配图2.50始端匹配SCPRRRRsc为门A输出低电平时的输出阻抗第129页/共431页第130页/共43

27、1页第131页/共431页第132页/共431页第133页/共431页第134页/共431页第135页/共431页的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统继续未完成的工作。第136页/共431页交流稳压器低通滤波器直流稳压器计算机220VAC第137页/共431页控制器计算机电池充电器电池组220VAC逆变器直流稳压器交流稳压器第138页/共431页常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。第139页/共431页第140页/共431页第141页/共431页第142页/共431页第143页/共431页第144页/共431页第145页/共431页（5

28、）多机系统的接地 近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用多机一点方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。 例如：采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。第146页/共431页第147页/共431页第148页/共431页0*)()() (kkTtkTftf对上式进行拉氏变换，则 第149页/共431页 00*)()()()()()()(ktTstTsktTsdekTtkTfdekTtkTfdetftfLsF0*)()(kkTsekTfsF对上式进行拉氏变换，则第150页/共431页0)()(kkzkTfzF式中F(z)就称为离散函数f *(t

29、)的Z变换。 第151页/共431页*0( )( )( )()kkF zf tf tf kT zZ ZZ Z第152页/共431页)()()2()2 ()()() () 0 ()()() (0*kTtkTfTtTfTtTftfkTtkTftfkkzkTfzTfzTffsFzF)()2 ()() 0 ()()(21*对上式取拉氏变换，得 第153页/共431页azazzazzazaazzkTfzFkkkk12210111)()(第154页/共431页niiissasF1)(nitsiiezzazF1)(因此，连续函数的Z变换可以由有理函数求出第155页/共431页)()(assasFassass

30、asF11)()(assaa2121011aTaTaTaTezezzeezzzzzF)1 ()1 (1)(2第156页/共431页)()(ttf0( )( )()1kkF ztkT zZ Z2单位阶跃单位阶跃信号信号 )( 1)(ttf0121( )1()111(1)1kkF zkT zzzzzzz 第157页/共431页3单位速度信单位速度信号号 ttf)(01232( )(23)(1)(1)kkF zkTzT zzzTzzz第158页/共431页4指数信指数信号号 atetf)(01221( )111kaTkkaTaTaTatF zezezezezzz e 第159页/共431页5正弦信正

31、弦信号号 ttfsin)( 221sin()21( )()2121212()1sin2 cos1j tj tj tj tj tj tj Tj Tj Tj Tj Tj TteejF zeejeejzzj z ez eeej zeezzTzzTZ ZZ ZZ Z第160页/共431页1线性定理线性定理设设a,a1,a2为任意常数，连续时间函为任意常数，连续时间函数数 f(t),f1(t),f2(t) 的的 Z变 换 分 别 为变 换 分 别 为F(z),F1(z),F2(z)，则有，则有1 12 21 122( )( )( )( )( )( )af taF za f ta f taF za F z

32、Z ZZ Z第161页/共431页()( )kf t kTz F zZ Z0(1)(2)12()()(0)( )(2 )(0)( )(2 )( )nnkkkkkf t kTf nT kT zfzf T zf T zzff T zf T zz F z Z Z证明：第162页/共431页10()( )()kkk mmf t kTz F zf mT zZ Z012(1)(2)10010()()()(1) (2) ()(1) (2) ()()()( )()nnkkkkkmm kkkmmmmkkk mmf t kTf nT kT zf kTf kT zf kT zzf kT zf kT zf kT zz

33、f mT zzf mT zf mT zz F zf mT z Z Z证明：第163页/共431页(0) lim ( )zfF z 120( )( )(0)( )(2 )kkF zf kT zff T zf T z)(lim) 0 (zFfz 所以证明：第164页/共431页)() 1(lim)()1 (lim)(111zFzzFzfzz)()()2 () 0 ()()() 0 ()()()()()()(lim)()(lim)()1 (lim0000011111fTfTffTfTffTkTfkTfTkTfkTfzTkTfzkTfzFzzFzFzkkkkkkkzzz第165页/共431页00( )

34、 ()() ( )()* ()kkiig iT f kT iTg kT iT f iTg kTf kT()* ()( ) ( )g kTf kTG z F zZ Z第166页/共431页0)(iTkTf0000()00()00( )* ( )( ) ()( ) ()() ( )() ( )( ) ( )kkkikkik iikik iik iig kTf kTgiT f kT iT zgiT f kT iT zf k iT zgiT zf k iT zgiT zF zGz Z Z第167页/共431页kiiTfkTg0)()(11)()(zzFzG第168页/共431页111001)()()(

35、)()()()()()()()()(zzFzGzFzGzzGkTfTkTgkTgjTfTkTgiTfkTgkjki第169页/共431页( )()ataTf t eF z eZ Z00()( )( )()()atakTkkaTkkaTf t ef kT ezf kT e zF zeZ Z第170页/共431页 ( )( )zd F ztf tTzdZ Z00100 ( )()()1()()()()1( )kkkkzzzkkkkd F zddf kT zf kTzdddf kTk zf kT kT zTztf tTz Z Z第171页/共431页1()( )f kTF zZ Z第172页/共43

36、1页nnnmmmazazabzbzbzF110110)(kkzczcczF110)(kzkTfzTffzF)()() 0 ()(1,)(,)(,) 0 (10kckTfcTfcf)()2()()(210*kTtcTtcTtcctfk第173页/共431页niiizzzazF1)(1()1,2,iiiazf kTinzzZ Z01*)()()(kniikTtkTftf第174页/共431页11()( )1( )2kzcf kTF zF z z djZ Z11()Res( )inkz pif kTF z z第175页/共431页1111Res ( )lim() ( )( )lim() ( )iii

37、kkizpzpnkizpiF z zz p F z zf kTz p F z z第176页/共431页或1201( )( 1 )( 2)()( )( 1 )()nmyk aykaykayk n buk bukbuk m 0112( ) ( )( 1 )() ( 1 )( 2)()mnykbuk bukbuk maykaykayk n 第177页/共431页方程变换为以z为变量的代数方程，最后用查表法或其它方法，求出Z反变换。第178页/共431页12( )( )(1)( )(2)( )()( )nf kF zf kz F zf kz F zf k nz F zZ ZZ ZZ ZZ Z第179页

38、/共431页( ) 5 (1) 6 (2)( )y ky ky ku k 1212( ) 5( ) 6( )( )11( )11 56914212 23zY zz Y zz Y zU zzzY zzzzzzzzzz 第180页/共431页 )23 (21329242122kkkkky第181页/共431页)() 1()()() 1()(101mkubkubkubnkyakyakymn)()()()1 (11011zUzbzbbzYzazammnnnnmmzazazbzbbzUzYzG111101)()()(第182页/共431页程简记为)()(1sGLtg0)()(kkzkTgzG( )( )

39、G zG s第183页/共431页 11ssKsesGTs 21(1)1TsG sKesss 1121111111(1)111() () (1)(1)TTTTTTzG zKzzze zKzTeeTezze z 第184页/共431页G1(s)Y(s)TU(z)U(s)Y1(s)Y(z)串联环节间无采样开关G2(s)G(z)第185页/共431页)()()()()()(21sUsGsUsGsGsY1212( )( )( )( )G zG s G sGG zZ Z)(21zGG12( )( )G s G sZ Z第186页/共431页G1(s)TU(z)U(s)TY1(z)G2(s)Y(z)串联环

40、节间有采样开关G(z)第187页/共431页)()()()()()(1211zYzYzGzUzYzG)()()()()()()()()(2111zGzGzYzYzUzYzUzYzG第188页/共431页)()()(2121zGzGzGG第189页/共431页)()()()(21zGzGzGzGn)()()()(21sGsGsGsGn121 2( )( ) ( )( )( )nnGzG sG sG sGGG zZ Z第190页/共431页G1(s)Y(s)TU(s)Y1(s)Y(z)(b)采样开关在总输入端G2(s)TY2(s)G1(s)TU(s)Y1(s)(a)采样开关在各个环节输入端G2(s

41、)Y2(s)并联环节Y(s)Y(z)第191页/共431页1212( )( )( )( )( )( )( )Y zG zU zG sG sG zG zZ Z)()()()(21zGzGzGzGn第192页/共431页)()()(zRzYzW)()()(zRzEzWe第193页/共431页Y(z)E(z)R(z)y(t)e*(t)r(t)e(t)TH(s)G(s)例11线性离散系统第194页/共431页)()()()(zEzGHzRzE)(1)()(zGHzRzE)(11)()()(zGHzRzEzWe)(1)()()()()(zGHzRzGzEzGzY)(1)()()()(zGHzGzRzYz

42、W第195页/共431页k时刻之前的输入和k时刻之前的输出。故G(z)是物理可实现的。10111( )( )( )1mmnnbbzb zY zG zU zaza z)() 1()() 1()()(110nkyakyamkubkubkubkynm第196页/共431页10111( )( )( )mmmnnnb zbzbY zG zU zzaza10111( )( )( )1m nm nnmnnb zbzb zY zG zU zaza z 第197页/共431页f(t)U(z)u*(t)Y(z)E(z)R(z)y(t)e*(t)r(t)TG2(s)在扰动作用下的线性离散系统G1(s)TD(z)第1

43、98页/共431页)()()(1)()()(2121zRzGGzDzGGzDzYrF(s)U(z)u*(t)Yf (z)yf (t)f (t)G2(s)扰动系统的等效方框图D(z)TG1(s)T第199页/共431页)()()()()()()()()()(*212*12sUsGsGsGsFsUsGsFsGsYf)()()()(212zUzGGzFGzYf)()()(zDzYzUf)()(1)()(212zDzGGzFGzYf第200页/共431页)()(1)()()()()()(1)()()()(1)()()()()(212212122121zGGzDzFGzRzGGzDzGGzDzFGzRz

44、GGzDzGGzDzYzYzYfr第201页/共431页第202页/共431页第203页/共431页第204页/共431页第205页/共431页第206页/共431页部分可看成连续部分，则图所示的系统就等效为一个模拟系统。上述条件得不到满足时，将A-B两端向上部分视为离散部分。则图所示的系统就等效为一个离散系统。连续部分离散部分D/AA/DABAB第207页/共431页第208页/共431页样 A/D、计算机、D/A零阶保持）看作一个整体，其输入和输出为模拟量，将其等效为连续传递函数。第209页/共431页图4.1计算机控制系统的结构图第210页/共431页第211页/共431页D(s)G(s

45、)r(t)-y(t)+e(t)u(t)图4.2假想的连续控制系统结构图第212页/共431页ssTsTsesHTs2)(111)(22(1)2TsTTsT e 1(0.150.5)cT第213页/共431页10sc第214页/共431页第215页/共431页2 /12 /12 /12 /12 /2 /sTsTsTsTeeezsTsTsT112zzTs112)()(zzTssDzD第216页/共431页推导2.梯形积分法tdttetu0)()(ssEsUsD1)()()( )()()()(121 kekeTkuku1z1zT2s) s (D1z1zT21) z (E) z (U) z (D第21

46、7页/共431页112zzTs2/) 2/1 (2/) 2/1 (2/12/1TjTTjTsTsTz22222) 2/() 2/1 () 2/() 2/1 (TTTTz第218页/共431页推导1：级数展开z=esT,T很小。第219页/共431页得到 且推导2（略）映射关系：把S=+j代入，取模的平方有令|z|=1，则对应到s平面上是一个圆，有Tzs1TzssDzD1)()(222)()1 (11TTzTjTsTz222)1()1(TT第220页/共431页Tzs11TsTsTsz11212111第221页/共431页到z平面内半径为1/2的圆，因此如果D(s)稳定，则D(z)稳定。2222

47、2)()1 ()()1 (4121TTTTz2/ 12/ 12/ 12/ 12/ 12/ 1zzz第222页/共431页第223页/共431页nnmmzazazbzbbzEzUzD111101)()()()()()()()(1102211zEzbzbbzUzazazazUmmnn第224页/共431页)() 1()()() 2() 1()(1021mkebkebkebnkuakuakuakumn5.校验这一步可由计算机控制系统的数字仿真计算验证。第225页/共431页第226页/共431页第227页/共431页第228页/共431页Kp*Td*sRe KpKp/Ti*s+G(s)+-Y图5.3

48、模拟PID控制系统第229页/共431页)()(1)()(0tDIPdttdeTdtteTteKtu( )1( )(1)( )PDIU sDsKT sEsTs0Pu Ke ue(t)y00ttKP e(t)0u 控制量的基准比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定。第230页/共431页比例积分调节器其中：积分时间常数001dtPIuKee tuTITe(t)y00tte(t)y00tty1=KP e(t)K1 KP e(t)y2积分作用：消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡第231页/共431页0ddPDeuKe TutDT微分作用：减小超调，克服振荡，提高稳定性，改

49、善系统动态特性第232页/共431页001dddtPDIeuKee tTuTte(t)y00ttKP e(t)KP K1 e(t)KP KD e(t)第233页/共431页第234页/共431页第235页/共431页第236页/共431页第237页/共431页TkekedtdejeTedtkjt) 1()()(00位置型PID算法：0( )( )( ) ( )(1)kDPjITTukK eke jekekTT第238页/共431页( )( )PPu kKek100( )( )( )( )kkIIIIjju kKe jKekKe j( )(1)IIKeku k( ) ( )(1)DDu kK e

50、kekIPiTKKTDDPTKKT1PK( )( )( )( )PIDuku ku ku k第239页/共431页( ) ( )(1)( ) ( ) 2 (1)(2)DPITTukK ekekekekekekTT 利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的递推形式，即)() 1()(kukuku0( )( )( ) ( )(1)kDPjITTukK eke jekekTT10(1)(1)( ) (1)(2)kDPjITTukK eke jekekTT 第240页/共431页012( )( )(1)(2)ukqekqekqek 012(1)2(1)dpidpdpTTqKTTTqKTT

51、qKT 第241页/共431页PID位置算法调节阀被控对象r(t)+-e(t)u(t)c(t)图4.4数字PID位置型控制示意图PID增量算法步进电机被控对象r(t)+-e(t)u(t)c(t)图4.5数字PID增量型控制示意图第242页/共431页第243页/共431页PID位置型控制程序离线计算KP，KI，KD置e(k-1)=0计算e(k)=r(k)-y(k)计算uP(k)_=KPe(k)计算uI(k)=KIe(k)+uI(k-1)计算uD(k)=KDe(k)-e(k-1)e(k-1)e(k)计算u(k)=uP(k)+uI(k)+uD(k)，输出给D/A将A/D转换结果赋给y(k)采样时刻

52、是否到？D/A被控对象A/DY第244页/共431页PID增量式控制程序离线计算KP，KI，KD置e(k-1)=e(k-2)=0,计算e(k)=r(k)-y(k)计算uP(k)_=KPe(k)-e(k-1)计算uI(k)=KIe(k)计算uD(k)=KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)e(k-2)e(k-1)，e(k-1)e(k)计算u(k)=uP(k)+uI(k)+uD(k)，输出给D/A将A/D转换结果赋给y(k)采样时刻是否到？D/A被控对象A/DYN第245页/共431页PID增量式控制程序离线计算q0，q1，q2置e(k-1)=e(k-2)=0,计算e(k)=r(k)-y(k)

53、计算uD(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)e(k-2)e(k-1)，e(k-1)e(k)将u(k)输出给D/A将A/D转换结果赋给y(k)采样时刻是否到？D/A被控对象A/DYN第246页/共431页第247页/共431页给定值接近时，积分控制投入，消除静差。第248页/共431页)1()()()()(0kekeTTjeTTKkeKkukjdifp)(0)(1kekeKf图4.7积分分离曲线第249页/共431页第250页/共431页u(t)umaxumax第251页/共431页Tieieedttki002) 1()(第252页/共431页1 255( )( )(50)

54、110 1275IPITu kKekT第253页/共431页当积分项连续n次小于输出精度的情况下，不要把它们作为“零”处理，而是把它们累加起来，直到累加值大于时才输出，同时把累加单元清零。( ) 50ek 第254页/共431页图4.8消除积分不灵敏去程序流程第255页/共431页(1) 不完全微分PID控制算法改进原因：微分具有放大干扰信号的特点在PID控制中，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡。改进方法：串联一阶惯性环节，作为低通滤波器抑制高频噪声，组成不完全微分PID控制器。 第256页/共431页1( )1ffD sTsPIDDf(s)e(t)u (t

55、)u(t)()()()fdutTutu tdt)()(1)()(0tDIpdttdeTdtteTtektu)()(1)()()(0tDIpfdttdeTdtteTtektudttduT第257页/共431页式中由上式可以求得不完全微分PID控制的增量型控制算法式中第258页/共431页下图，在t=0时刻出现阶跃信号，纯微分(a)在第一个周期出现大跃变信号，容易振荡；(b)中的控制信号则较均匀、平缓。图4.10PID控制的阶跃响应第259页/共431页第260页/共431页第261页/共431页)()()(, 0)()()(),()(kekykrkekykrkekP当当 该系统实际上是一个非线性

56、控制系统。该系统实际上是一个非线性控制系统。即当偏差绝对值即当偏差绝对值e(k)时，时，P(k)为为0； 当当e(k)时，时， P(k)=e(k)，输出值，输出值u(k)以以PID运算结果输出。运算结果输出。第262页/共431页第263页/共431页m inm axTT T 第264页/共431页第265页/共431页第266页/共431页模拟控制度0202)()(dttedtteDDC第267页/共431页第268页/共431页第269页/共431页一切线。图4.13被调量在阶跃输入下的变化过程曲线第270页/共431页第271页/共431页第272页/共431页得到好的动态性能和效果。第

57、273页/共431页一般意义。第274页/共431页第275页/共431页( )1( ) ( ) ( )( )( )TsccY zeGzZH sG sZG sU zsGc(s)H(s)第276页/共431页)()(1)()()(zGzDzGzDz)(1)()()(zzGzzD第277页/共431页计算公式。注意：(z)可根据所需要的输入及响应性能确定。第278页/共431页)( ,1)()()(10mnzazbzEzUzDniiimiiiminiiiiizUzazEzbzU01)()()(第279页/共431页miniiiikuaikebku01)()()( 由此而得到的D(z)是物理可实现的

58、 D(z)也必须是稳定的。第280页/共431页实质上是时间最优控制，最少拍控制系统也称为最小调整时间系统或最快响应系统。NNzzzz2211)(第281页/共431页第282页/共431页第283页/共431页函数，q=3，输入为单位加速度输入函数。)(1)()()()()()(zzRzYzRzRzEze)()()(zzRzEe1)!1(1)(qtqtrqzzBzR)1 ()()(1第284页/共431页)()()1 (lim)()1 (lim1111zzRzzEzezz)()1 ()()1 (lim111zzzBzeqz)()1 ()(1)(1zFzzzqe)()1 (1)(1)(1zFz

59、zzqe11( ) 1ppF zfzf z 第285页/共431页qzz)1 (1)(1qqzzGzzzzGzD)1)()1 (1)(1)()(1)(11第286页/共431页)1/(1)(1zzR1)(1)()()()(zzRzzRzEe3211111)()()(zzzzzzzRzY11( ) 1 (1)qzzz 第287页/共431页第288页/共431页第289页/共431页) 15 . 0 (/ 2)(sssGsT5 . 0)368. 01)(1 ()718. 01 (368. 0) 15 . 0 (21)(1111zzzzssseZzGTs21)1 (1)(zz)718. 01)(1

60、 ()368. 01)(5 . 01 (435. 5)()()(1)(1111zzzzzGzzzDee第290页/共431页等速度输入时4322)()()(zzzzRzzY432432)()()(TzTzTzzRzzY第291页/共431页42322275 . 3)()()(zTzTzTzRzzY图5.15按等速输入设计的最少拍控制器对不同输入的响应第292页/共431页第293页/共431页持器，它是滞后的因此有：第294页/共431页第295页/共431页时间大于等于d个采样周期，否则根据：第296页/共431页第297页/共431页的纯滞后。第298页/共431页( ), ( ), (