对某一特定对象进行计算机控制系统的离散化设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——对某一特定对象进行计算机控制系统的离散化设计

课程设计

内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书

学院：课程名称：计算机控制系统课程设计班级：学生姓名：学号：指导教师（签名）：

一、课程设计题目1.对某一特定对象进行计算机控制系统的离散化设计2．对某一对象进行DDC原则性设计二、课程设计的目的通过本课程设计，使学生能较好的把握计算机控制系统的离散化设计方法；计算机控制系统的DDC设计方法，在一定程度上使学生对计算机控制系统有一个较全面的了解和对所学的知识进行整合，使其得到一次全面、系统、独立的培养。三、课程设计的主要内容和要求已知条件：1、设有限拍无波纹随动系统如图，对象特性G(S)=10/S(1+0.1S)采用零阶保持器，采样周期T=0.1S,试设计单位速度输入时有限拍无波纹调理器D(Z)。R(S)+E（Z）_D(Z)H0(S)G(S)Y(Z)TT零阶保持器对象T有限拍调理器2、某加热炉燃烧系统如图，试进行DDC原则性设计，使加热炉能环保经济的运行。计算机控制系统课程设计说明书

要求：1、严格遵守作息时间，认真完成课程设计，设计共计一周。2、按要求完成课程设计说明书一份。四、工作进度安排1、根据已知技术参数完成计算机控制系统的离散化设计。（2天）2、根据题目设计相应的控制方案，画出原则性系统结构图，说明系统各部分的作用及工作原理。（2天）3、编写课程设计说明书（1天）五、主要计算机控制系统课程设计说明书

Ge(z)?E(z)1（1-3）?1?Gc(z)=

R(z)[1?D(z)HG(z)]有限拍随动系统的调理器由（1-2）和（1-3）可得

D(z)Gc(z)（1-4）

Ge(z)HG(z)由式（1-4）可见．有限拍数字调理器跟对象持性HG(z)和闭环Z传递函数有关，也跟误差Z传递函数Ge(z)有关。

众所周知，随动系统的调理时间也就是系统的误差e(kT)达到恒定值或趋于零所需要的时间，根据Z变换的定义

E(z)??e(kT)z?k

k?0?=e(0)?e(T)z?1?e(2T)z?2?e(3T)z?3???e(kT)z?k?...（1-5）

由式（1-5）就可知道e(0),e(T),e(2T),...,e(kT),...。有限拍系统就是要求系统在典型的输入作用下，当k≥N时，e(kT)为恒定值或e(kT)等于零。N为尽可能小的正整数。由式（1-3）得

A(z?1)（1-6）E(z)?Ge(z)R(z)?Ge(z)?1m(1?z)在特定的输入作用下，为了使（1-6）式中E（z）是尽可能少的有限项，必需合理地选择Ge(z)。

1.1.2有限拍调理器的设计

由（1-4）式，有限拍调理器D(z)?Gc(z)，它跟系统的闭环Z传递函数Gc(z)和

Ge(z)HG(z)输入型式[与选择的Ge(z)]有关，也跟对象的特性HG(z)有关。当对象特性HG(z)中包含

z?r因子以及单位圆上（z=1除外）和单位圆外的零点时，有限拍调理器将可能无法实现。

2

计算机控制系统课程设计说明书

z设HG(z)=

?r?(1?zzii?1il?1)（1-7）

?(1?pzi?1n?1)z则D(z)?r?1(1?pz)Gc(z)?ii?1nn（1-8）

Ge(z)?(1?ziz?1)i?1式中，zi是HG(z)零点，pi是HG(z)极点。

由式（1-8）可见，若D(z)中存在zr环节，则表示数字调理器应具有超前特性，即在环节施加输入信号之前r个采样周期就应当有输出，这样的超前环节是不可能实现的。所以HG(z)分子中含有z?r因子时，必需使闭环Z传递函数Gc(z)的分子中含有z?r因子，以抵消HG(z)中的z?r因子，以免D(z)中出现超前环节zr。

在式（1-8）中，若在?(1?ziz?1)中，存在单位圆上（zi?1除外）和单位圆外的zi时，

i?1n则D(z)将是发散不可实现的，因此，D(z)中不允许包含HG(z)的这类零点，也不允许它们作为Gc(z)的极点，所以只能把HG(z)中zi≥1（zi?1除外）的零点作为Gc(z)的零点，从而保证了D(z)的稳定性。当然，Gc(z)的分子部分增加了这些zi≥1（zi?1除外）的零点以后，将使调理时间ts加长。

由式（1-4），有限拍系统的闭环传递函数

Gc(z)?D(z)HG(z)Ge(z)（1-9）

若对象特性HG(z)的极点?(1?piz?1)中，存在单位圆上（pi?1除外）或单位圆外的

i?1n极点时，为了保证系统的输出稳定，HG(z)的单位圆上（pi?1除外）或单位圆外的极点，用Ge(z)的零点对消掉。

综上所述，设计有限拍调理器时，必需顾及D(z)的可实现性要求，合理选择Gc(z)和

Ge(z)。

3

计算机控制系统课程设计说明书

（1）（zi?1除外）或单位圆外的极点；D(z)必需是可实现的，D(z)不包含单位圆上D(z)不包含超前环节。

（2）选择Gc(z)时，应把HG(z)分子中z?r因子，作为Gc(z)分子的因子，即Gc(z)的分子部分必需包含HG(z)分子部分的因子z?r（r=1,2,3，?）；应把HG(z)的单位圆上（zi?1除外）和单位圆外的零点作为Gc(z)的零点。

（3）选择Ge(z)时，必需考虑输入型式，并把HG(z)的所有不稳定极点，即单位圆上（pi?1除外）和单位圆外的极点作为Ge(z)的零点。

1.1.3有限拍无纹波设计

有限拍系统采用Z变换方法进行设计，采样点上的误差为零，不能保证采样点之间误差值也为零，有限拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波。纹波不仅造成误差，也消耗功率，消费能量，而且造成机械摩损。有限拍的设计的要求是在系统的典型输入作用下，经过尽可能少的采样周期以后，系统达到稳定。并且，在采样点之间没有纹波。

波动是零阶保持器的输入e2(kT)的波动造成的。有限拍无纹波设计就是要求当k≥N时，e2(kT)保持恒定值，或为零，N为某正整数。由于E2(z)?D(z)E1(z)?D(z)Ge(z)R(z)，若选定D(z)Ge(z)是z?1的有限多项式，那么，在确定的输入作用下，经过有限拍，e2(kT)就能达到某恒定值，而且能保证系统的输出没有纹波。

为了使e2(kT)是有限拍，应当让D(z)Ge(z)是z?1的有限多项式，由式（1-4）可得

D(z)Ge(z)?Gc(z)HG(z)

?Gc(z)?(1?pzii?1?rni?1n?1)zGe(z)?(1?ziz?1)（1-10）

式中pi，zi分别是HG(z)的极点和零点。由式（1-10）可以看出，HG(z)的极点pi不会影响

4

计算机控制系统课程设计说明书

而HG(z)的零点zi有可能使D(z)Ge(z)成为z?1的无限多项D(z)Ge(z)成为z?1的有限多项式，

式，因此有限拍无纹波系统的设计，要求Gc(z)的零点包含HG(z)的全部零点。这也是有限拍无纹波设计与有限拍有纹波设计的唯一不同之处。在有限拍有纹波设计时，只要求

Gc(z)的零点包含HG(z)的单位圆上（zi?1除外）和单位圆外的零点。

1.2有限拍无纹波设计实例

已知条件：

设有限拍无波纹随动系统如图，对象特性G(S)=10/S(1+0.1S)采用零阶保持器，采样周期T=0.1S,试设计单位速度输入时有限拍无波纹调理器D(Z)。

R(S)+E（Z）_D(Z)H0(S)G(S)Y(Z)TT零阶保持器对象T有限拍调理器

图1-2有限拍随动系统

解：广义对象的Z传递函数

HG(z)?(1?e?TS)?0.368z?1(1?0.717z?1)10?Z??=?1?1ss(0.1s?1)(1?z)(1?0.368z)??HG(z)具有z?1因子，零点z1??0.717，极点p1?1，p2?0.368。Gc?z??z?1?1?0.717z?1??a0?a1z?1???选择??12?1Ge?z???1?z1??b0?b1z???（1-11）

Gc(z)中z-1和1+0.717z-1是由于HG(z)中含有z-1因子和零点z=-0.717，Ge(z)中(1-z-1)2

是由单位速度输入决定的。而Gc(z)中(a0+a1z-1)的项和Ge(z)中的(b0+b1z-1)项是为了使Ge(z)和Gc(z)的阶次一致，且使式子Gc(z)=1-Ge(z)成立。由式（1-11）可得

z?1?1?0.717z?1??a0?a1z?1??1??1?z?1??b0?b1z?1?

2解方程，可得

a0=1.408，a1=-0.826，b0=1，b1=0.592单位速度输入时，有限拍无纹波调理器

5

计算机控制系统课程设计说明书

3.826?1?0.5864z?1??1?0.368z?1?Gc?z?D?z????1?1Ge?z?HG?z?1?z1?0.592z????E2?z??D?z?Ge?z?R?z??3.826?1?0.5864z?1??1?0.368z?1??1?z??1?0.592z??1?1?1?z??1?0.592z??12?1Tz?1?1?z??12

?0.3826z?1?0.0174z?2?0.1z?3?0.1z?4?...由Z变换定义可得e2(0)=0e2(T)=0.3825e2(2T)=0.0174

e2(3T)=e2(4T)=e2(5T)=?=0.1

系统三拍以后，即k≥3，e2(kT)=0.1，所以系统的调理时间ts=3T=0.3s，并且可保证系统的输出是无纹波的。与有纹波有限拍系统一样，按单位速度输入设计的有限拍无纹波系统，当输入为单位阶跃函数时，调理时间ts=3T=0.3s，超调量σp相当大。为了作出有限拍无纹波系统的输出相应，（包括采样点之间的输出值），可以用广义Z变换或扩展Z变换求出Y?z,???Ge?z?D?z?HG?z,??R?z?然后求出相应的y(t)。图1-3表示有限拍无纹波系统的输出响应。

由上述分析可以得出，为了消除纹波，系统的调理时间加长或者调理性能变坏。有限拍无纹波设计，依旧只是针对某种类型的输入信号。当输入型式改变时，系统的动态性能寻常变坏。

图1-3有限拍无纹波系统的输出响应

6

计算机控制系统课程设计说明书

以上就是对某一特定对象进行计算机控制系统的离散化设计的结果，并通过有限拍无波纹调理器的设计思路和例题，实现了有限拍的设计目的,在系统的典型输入作用下，经过尽可能少的采样周期以后，系统达到稳定。并且，在采样点之间没有纹波。

7

计算机控制系统课程设计说明书

其次章加热炉系统的DDC原则性设计

DDC系统的应用领域十分广泛，如石油、化工、发电、冶金、轻工、制药和建材等领域，现已成为计算机控制的基本系统，按需要构成小、中、大系统。DDC系统功能的发挥取决于应用设计的水平。本章表达加热炉燃烧系统DDC原则性设计的方法。

DDC系统的设计分为开发设计和应用设计两部分。开发设计是生产最终用户所需的硬件和软件，应用设计时选择被控对象所需的硬件、软件和控制方案。

2.1DDC系统的开发设计概述

开发者的任务是生产最终用户所需的硬件和软件。首先进行市场调查，了解用户需求；然后进行系统设计，落实具体的技术指标；最终进行制造调试，检验合格后在市场销售。开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。

（1）标准化

标准化是指硬件要符合国际和行业标准规范。例如，设计工业PC要符合PC总线标准,采用通用的元器件，如Intel80386、80486，Pentium系列CPU，标准的RS-232、RS-422、RS-485、以太网通信接口等。

（2）模板化

硬件模板化是指按系统功能把硬件分成若干个模板。例如，可以把一台工业PC分成主机板、AI板、AO板、DI板、DO板、通信板、总线底板等。

（3）模块化

软件模块化是指按应用软件功能将其分为若干个功能模块，每个模块之间既相互独立又相互联系，若干个模块组合成功能更齐全的模块组。

（4）系列化

系列化是指构成系统的硬件和软件要配套。例如，配置一台工业PC，除了一系列的硬件模板外，还要有安装硬件模板的机箱或机架，另外还有配套的硬盘、软盘、光盘、显示器、键盘、鼠标和打印机等。软件除了Windows操作系统及其配套软件外，还要有配套的用于工业控制的应用软件或监控组态软件。

开发者为用户提供通用的OEM产品，即初次制造产品，这种开发设计被称为“一次开发〞。用户按被控对象的要求选择所需的OEM产品，并组装成计算机控制系统，对生产过程实施控制，这种应用设计被称为“二次开发〞。

8

计算机控制系统课程设计说明书

2.2DDC系统的应用设计

应用者的任务是选择满足控制对象所需的硬件和软件，设计控制方案，并用监控组态软件构成可实际运行的控制回路及操作显示画面，通过现场投运调试，满足操作监控要求。应用设计的过程按顺序可以分为可行性研究、初步设计、详细设计、组态设计、应用组态、安装调试、现场投运7个阶段。本文探讨其中的控制方案设计、工程设计和运行调试。

DDC系统的应用设计的目标是把控制系统方案应用于生产过程，实现安全运行，满足控制要求。DDC系统的应用设计的内容是用工程图纸和文字资料描述控制方案的具体方案。下面简单介绍应用设计的原则和内容。

随着DDC系统规模的不断扩大和繁杂程度的不断提高，过去那种单一、两个人的手工作坊式的设计方法已不使用，必需依靠大量人分工协调共同完成。为此，人们总结出一系列科学的设计方法，包括规范化设计方法，结构化设计方法和集成化设计方法。

2.2.1应用设计的原则

DDC系统的应用设计人员必需要有正确的设计指导思想、严谨的科学作风、熟练的业务技能和丰富的实践经验，另外还必需符合一系列应用设计规范。为了做好DDC系统的应用设计工作，设计人员应综合考虑以下设计原则。

（1）符合应用设计标准和规范

目前我国石油、化工、电力、冶金等工业部门制定了有关常规仪表控制系统和计算机控制系统的应用设计标准和规定，并出版了设计手册及工具书，可以参照这些标准和规定进行DDC系统的应用设计。

（2）坚持求实和创新精神

创新是为了提高设计的先进性，以利于推动生产过程自动化水平的不断提高。因此，设计人员要勇于开拓进取，充分吸取国内外的先进技术。

（3）处理好技术与经济的关系

设计工作处了要技术上可靠和先进外，还需要考虑经济上的合理性，加强经济论证分析，做多方案的技术与经济比较，以求得良好的综合效益。技术水平的高低应当从工程实际出发，使技术和经济得到辩论的统一。

（4）维护设计的科学性和客观性

设计的依据是来自生产工艺的要求，设计人员应深入生产第一线了解用户需求。为了维护设计的科学性和客观性，设计中采用的基础资料要确凿可靠，各种数据和技术条件要

9

计算机控制系统课程设计说明书

正确、切合实际。为了保证设计的完整性和严肃性，设计文件要规范化，文件中的文字说明要明白和确凿。图纸要明了和正确。

（5）协调各个专业之间的关系

DDC系统的应用和设计是整个项目设计的一部分，是能否实现生产过程自动化的关键。尽管DDC系统的应用设计属于自控专业的设计范围，设计人员除了要重视应用设计工作外，还应处理好与外专业之间的相互协同，协调各个专业之间的关系。主要处理好与下述专业的关系：

①自动专业与工艺专业的关系

DDC系统的应用设计人员必需了解工艺的流程及装置布局，熟悉生产过程的控制要求和操作方式。工艺专业设计人员必需向自控专业控制人员提供自控条件和工艺参数。

②自控专业与设备专业的关系

DDC系统的应用设计人员必需了解设备的概况和性能，对关键性设备要了解其工作原理的操作特点。设备专业设计人员必需向自控专业设计人员提供设备控制要求，一次仪表安装位置和设备运行参数。

③自控专业与电气专业的关系

DDC系统的应用设计人员必需向电气专业设计人员提出仪表供电电源等级、供电电压、允许电压波动范围和耗电量，备用电源和不休止电源的供电要求，控制室接地和防干扰要求。

2.2.2应用设计的内容

根据控制方案和设计原则，绘制应用设计图，编写设计说明书。DDC系统的应用设计的主要内容包括以下几点：

（1）管线仪表设备（PID）位号图（2）现场仪表设备选型（3）计算机设备选型（4）安装接线图

（5）控制系统的组态文档

2.2.3加热炉DDC系统的控制方案设计

DDC系统的控制方案的设计必需针对某个生产过程或被控对象，下面仅以加热炉燃烧控制为例来探讨。根据已知条件，对某加热炉燃烧系统进行DDC原则性设计，使加热炉能环

10

计算机控制系统课程设计说明书

保经济的运行。

1．炉温并行串级控制方案

一般串级控制中主调理器只对应一个副调理器，若同时对应两个副调理器，那就构成并行串级控制。炉膛温度、燃料流量和空气流量并行串级控制系统如图2-1所示，炉膛温度为主控参数，燃料流量和空气流量为副控参数。炉膛温度主调理器TC的输出直接作为燃料流量副调理器FFC的给定值，同时经过空燃比运算器ｒ运算后，作为空气流量副调理器FAC的给定值。通过调整ｒ，可以改变空气和燃料的配比关系。

图2-1炉温并行串级控制系统

为了使燃料充分燃烧必需供给足够量的空气，即保证一定的剩余空气系数μ或空燃比ｒ，其定义分别为

??Fa(2-1)A0FfFaFamax(2-2)

FfFfmaxr?其中，Fa和Famax分别为空气流量的测量值和最大值，Ff和Ffmax分别为燃料流量的测量值和最大值，A0为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量。

空燃比ｒ与剩余空气系数μ的关系为

????(2-3)

其中，β为量程修正系数，它的计算式为

??A0FfmaxFamax(2-4)

剩余空气系数μ的理论值是1，此时燃烧后排放的烟气中氧含量为零，称为最正确燃烧。这种理想状况很难达到，一般选用μ＝1.02～1.10。通过测量烟气含氧量O2来分析燃烧优

11

计算机控制系统课程设计说明书

劣，理想状况是烟气含氧量O2＝0％，剩余空气系数μ与烟气含氧量O2的估算式为

O2?空气系数μ＝1.10。

21???1??%(2-5)例如，测量烟气中含氧量O2＝2％，求得剩余

加热炉燃烧过程中，不仅要保证稳态状况下的剩余空气系数μ一定，更重要的是在加热炉热负荷变化的动态状况下，保证μ仍维持在合理的范围内，图2-1所示的控制方案，在稳态状况下，空气和燃料之间的配比关系也难以保证一定，在动态状况下更不用说了。炉温并行串级控制系统（图2-1）的负荷变化试验曲线如下图所示。试验所用的温度对象、空气流量和燃料流量对象特性式分别为

Gt?s?Ga?s?1?1?Tts?14(2-6)

?1?Tas?2(2-7)

Gf?s??1(2-8)1?Tfs其中，Tt，Ta和Tf分别为温度、空气和燃料对象的时间常数。

图2-2炉温并行串级控制系统的负荷变化试验曲线

12

计算机控制系统课程设计说明书

图2-2说明，当升负荷时，如炉温给定值St从1150℃升到1250℃，尽管燃料流量给定值Sf和空气流量给定值Sa同时直线上升，但由于空气对象的时间常数大于燃料对象的时间常数，使得实际燃料流量Ff的增加速度大于实际空气流量Fa，此时剩余空气系数μ下降。假使μ设置得比较小，则有可能出现燃料过剩；反之，当降负荷时，μ上升，又出现空气过剩。

综上所述，假使不考虑空气、燃料流量对象特性的差异，而把温度调理器的输出信号同时直接送给两个流量调理器，那么将造成升负荷时剩余空气系数μ值偏低，简单产生不完全燃烧而冒黑烟；而降负荷时刚好相反，μ值偏高，空气过剩而增加排烟热损失。这两种状况的后果是降低了加热炉的燃烧热效率，并污染了环境。

针对上述问题，必需改善空气与燃料之间的动态配比。为此，对空气、燃料流量采用相互交织限制的措施，保证在稳态和动态状况下，剩余空气系数μ值始终维持在最正确燃烧区，燃烧效率高。

2．双交织限制燃烧控制方案

双交织限制燃烧控制系统如图2-3所示。它增加了高值选择器HS２、低值选择器LS２、正偏置+a４％和负偏置-a３％，从而保证了加热炉负荷变化的过程中，既限制了剩余空气系数μ的下限值，又限制了μ的上限值，使得燃料流量Fｆ和空气流量Fａ分别限制在冒黑烟界限和空气剩余界限之内，如图2-4所示。

图2-3双交织限制燃烧控制系统

13

计算机控制系统课程设计说明书

双交织限制燃烧控制系统的工作原理如下：

在燃料流量调理回路中，炉温调理器TC的输出信号A，与根据空气流量测量值Fa计算出的所需燃料流量减去偏置a３％得到的信号C

a?F?C??1?3?a(2-9)

?100?r和信号B相比较，由高值选择器HS２和低值选择器LS１来选通A，C，B之一作为燃料流量调理器FFC的给定值Sｆ。

在空气流量调理回路中，炉温调理器TC的输出信号A，与燃料流量测量值Fｆ加上偏置a４％得到的信号E

a??E??1?4?Ff(2-10)

?100?和信号D相比较，由低值选择器LS２和高值选择器HS１来选通A，E，D之一，再乘以空燃比ｒ作为空气流量调理器FAC的给定值Sａ。

图2-4表示出当负荷变化时，双交织限制燃烧控制系统中各信号的过渡过程。下面分别对稳定负荷、升负荷和降负荷这三种状态进行分析。（1）定负荷

当系统处于稳定负荷状态时，炉温调理器TC的输出信号A同时作为燃料流量调理回路的给定值（Sｆ＝A）和空气