计算机控制技术课件 5

微机计算机控制技术

第14讲

在经典控制理论中，用传递函数模型来设计和分析单输入单输出系统，但传递函数模型只能反映初系统的输出变量和输入变量之间的关系，而不能了解到系统内部的变化情况。在现代理论中，用状态控件模型来设计和分析多输入多输出系统，便于计算机求解，同时也为多变量系统的分析研究提供了有力的工具。第五章

现代控制技术5.1采用状态空间的输出反馈设计法

设线性定常系统被控对象的连续状态方程为其中：x(t)是n维状态向量；

u(t)是r维控制向量；

y(t)是m维输出向量；

A是n*n维状态矩阵；

B是n*r维控制矩阵；

C是n*m维输出矩阵；系统的闭环结构形式如下图示。

利用状态空间表达式，设计出数字控制器D(z)，使得多变量计算机控制系统满足所需要的性能指标，即在控制器D(z)的作用下，系统输出y(t)经过N次采样后，跟踪参考输入函数r(t)的瞬间响应时间为最小。5.1.1连续状态方程的离散化等效离散状态方程5.1.2最小拍无纹波的跟踪条件

y(N)=Cx(N)=r0

x(N)=05.1.3输出反馈设计法的设计步骤1.将连续状态方程进行离散化2.求满足跟踪条件和附加条件的控制序列u(k)的Z变换U(z)。3.求取误差序列e(k)的

Z变换E(z)。4.求控制器的脉冲传递函数D(z)。

5.2采用状态空间的极点配置设计法5.2.1按极点配置设计控制规律

为了按极点配置设计控制规律，暂设控制规律反馈的实际对象的全部状态，而不是重构状态，如下图所示。反馈控制规律L满足如下方程：|zI-F+GL|=β(z)L具有唯一解的充分必要条件是被控对象完全能控。5.2.2按极点配置设计状态观察器预报观察器现时观察器降阶观察器5.2.3按极点配置设计控制器控制器的组成分离性原理状态反馈控制器的设计步骤观察器及观察器类型选取5.3采用状态空间的最优化设计法

本节首先在所有状态都可用的条件下导出了LQ问题的最优控制规律，如果全部状态是不可测的，就必须估计他们，这可用状态观察器完成。然后对随机扰动过程，可以求出使估计误差的方差最小的最优估计器，它称卡尔曼滤波器。这种估计器的结构与状态观测器相同，但其增益矩阵K的确定方法是不同的，而且它一般为时变的。最后根据分离性原理来求解LQG问题的最优控制，并采用卡尔曼滤波器来诡计状态。采用LQG最优控制器的调节系统r(k)=0如下图所示。

5.3.1LQ最优控制器设计问题的描述

系统控制的目的按线性二次型性能指标函数

上式即为LQ最优控制器。带LQ最优控制器调节系统如下所示。2.二次型性能指标函数离散化3.最优控制规律计算5.3.2状态最优估计器设计连续被控系统的状态方程离散化卡尔曼滤波公式的推导卡尔曼滤波增益矩阵K(k)的计算5.3.4跟踪系统的设计微机计算机控制技术

第15讲

在计算机控制系统中，除了硬件电路外，还有软件。所谓应用软件就是面向控制系统本身的程序，他是根据系统的具体要求，由用户自己设计的。在进行计算机控制系统设计时，大量的工作就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用程序。第六章

应用程序设计与实现技术6.1程序设计技术程序设计过程见右图6.1.1模块化与结构化程序设计模块化程序设计

自底向上模块化设计

自顶向下模块化设计2.结构化程序设计顺序、选择、循环6.1.2高级语言与汇编语言混合编程

1.汇编语言编程程序执行速度快，要求的硬件少。

2.高级语言编程运算能力强，编写方便。

3.高级语言和汇编语言混合编程

用高级语言编写计算，图形绘制，显示，打印程序，用汇编语言编写时钟管理，中断管理和输入输出程序等。6.1.3工业控制组态软件控制组态图形生成系统显示组态6.2数据结构及其应用技术6.2.1基本术语数据、数据元素、数据对象、数据结构6.2.2数据结构类型1.顺序结构（1）线性表：一组有序的数据元素。（2）数组：线性表的推广，其中每个元素是由一个数值和一组下标组成。（3）堆栈：特殊结构的线性表，只能在一端插入或删除。（4）队列：是先进先出的表。

2.链形结构

链表由若干个节点组成，每个节点有两个域：一个数据域，用来存放数据元素；另一个是指针域，用来存放下一个节点的数据域首址。3.树形结构

每个记录有四个域：记录名，数据，左指针，右指针。把记录抽象为一个节点，则称为树形结构。6.2.3数据查找技术

1.顺序查找

2.折半查找

3.分块查找

4.直接查找6.2.4数据排序技术1.插入排序2.希尔排序3.选择排序4.快速排序6.3测量数据预处理技术6.3.1系统误差的自动校准1.全自动校准2.人工自动校准6.3.2线性化处理和非线性补偿1.铂热电阻的阻值与温度的关系-200－0度：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]0－850度：Rt=R0[1+At+Bt2]2.热电偶的热电势与温度的关系3.孔板差压与流量的关系4.气体体积流量的非线性补偿6.3.3标度变换方法1.线性变化公式前提是参数值与A/D转换结果之间为线性关系。Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)/(Nmax-Nmin)+Ymin

2.公式转换法3.其他标度变换法如多项式插值，线性插值，查表等。6.3.4越限报警处理上限报警，下限处理，上下限处理。6.4数字控制器的工程实现数字控制器算法的工程实现可以分为6个部分，如下图所示。6.4.1给定值和被控量处理6.4.2偏差处理计算偏差，偏差报警，输入补偿，非线性特性。6.4.3控制算法的实现6.4.4控制量出处理1.输出补偿2.变化率限制3.输出保持4.安全输出6.4.5自动手动切换

软自动/软手动，控制量限幅，自动/手动，无平衡无扰动切换6.5系统的有限字长数值问题1.量化误差来源

A/D转换的量化效应，控制规律计算中的量化效应，控制参数的量化效应和D/A转换的量化效应。2.D/A转换器的字长选择3.运算的字长选择6.6软件抗干扰技术6.6.1数字滤波技术

通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。实质上是一种程序滤波。算术平均值法中位值滤波法限幅滤波法惯性滤波法6.6.2开关量的软件抗干扰技术1.开关量信号输入抗干扰措施2.开