1、计算机控制系统控制过程。
从本质上看,微型计算机控制系统的控制过程可以归纳为如下四点。
1)实时数据采集:对被控参数的瞬时值进行检测,并且将采样结果输入计算机;
2)实时决策:对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后,按照预先规定的控制规律进行运算,则称为实时决策,或简称决策。
3)实时控制:根据决策结果,实时地对控制机构发出控制信号;
4)信息管理:随着网络技术和控制策略的发展,信息共享和管理也介入到控制系统之中。
2、计算机控制系统基本结构框图
3、微型计算机控制系统的组成。
一、硬件组成。
微型计算机控制系统硬件主要由主机,i/o接口,过程输入输出通道(设备),通用外部设备,通信设备,操作台(设备),系统支持功能等组成。
二、软件组成。
软件可分为系统软件和应用软件。
4、微型计算机控制系统的分类。
根据应用特点,控制目的和系统构成,微型计算机控制系统大致上可分为6种类型:操作指导控制系统das,直接数字控制系统ddc,监督控制系统scc和分散控制系统dcs,计算机集成制造系统cims,现场总线控制系统(fcs)
第2章输入/输出通道的接**术。
1、原因。 反映现场工况的信号类型。
1.模拟量:连续变化的物理量;
2.数字量
①以二进制或ascii码形式。
②两个状态的量,通常可用一位二进制数表示。
③脉冲量。 计算机能够接收的信号类型数字量
i/o通道的分类。
检测通道。模拟量输入通道(ai)
数字量输入通道(di)
控制通道。模拟量输出通道(ao)
数字量输出通道(do)
2、模拟量输入通道。
工作过程: 过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压(或电流)形式后送至多路开关;在微机的控制下,由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级,进行放大、采样和a/d转换,实现过程参数的巡回检测。
ai(analog input)通道的作用。
a/d转换。
ai通道中的信号变换。
模拟信号到数字信号的转换包含信号采样和量化两个过程。
3、模拟量输出通道 ao的基本结构。
主要由dac和输出保持器组成。
滤波 就是从所要测量的信号中除去干扰信号的过程。
4、数字滤波
它是利用一定的计算程序减少干扰在有用信号中的比重,消除随机误差,同时对信号进行必要的平滑处理,以保证系统的正常运行,所以是一种程序滤波或软件滤波。
数字滤波的优点。
(1)数字滤波是用程序实现的,不需要增加硬件设备,可以多个通道“共用”一个滤波程序,各回路间不存在阻抗匹配等问题。而且可靠性高、稳定性好、还可以节约投资;
(2)数字滤波能对频率很低(如0.01hz)的信号实现滤波,而模拟滤波时,则因r或c选得太大而无法实现;
(3)要改变滤波方法只需修改滤波程序,因而灵活方便。
小结。一般来说,对于变化缓慢的参数,可选用程序判断滤波及惯性滤波;而对于变化较快的信号,则可选用算术平均滤波和加权平均滤波;对要求较高的系统可选用复合滤波。在滤波效果相同的情况下,应选用执行时间短的程序。
不适当地应用数字滤波(例如把真实的参数波动也滤掉了)反而会降低控制效果,以至适得其反,造成控制系统不稳定,因此必须加以注意。
5、工程量线性转换。
例1 某压力测量仪表的量程为0-30kg,计算机采样后对应的数字变化范围为0-fah,某时刻计算机采样并经滤波后的数字量bch,设仪表是线性的,求此时压力为多少?
解: 已知amin=0,amax=30,nmin=0,nmax=(250)d,n=(204)d,此时所测的压力为:
实际使用时,为了实现上述变换,必须先进行标定,找出amin、nmin和amax、 nmax并存入计算机存储器中,将上式编成子程序,以后当采集参数需要标度变换时,调用该子程序。
即可。 第3章数字pid及其算法。
1、离散化方法。
差分变换法。
即将微分方程中的导数用差分变换法近似。
后向差分法
前向差分法。
例3.1 求惯性环节的差分方程。
零阶保持器法(即阶跃响应不变法)
pid的优点:
1. 原理简单,使用方便; 2. 适应性强; 3. 鲁棒性强
2、主要内容:
模拟pid调节器数字pid控制算法
总结:对于模拟pid调节器,在阶跃信号作用下,首先是p、d作用,使控制作用加强,然后再进行积分,直到消除静差。模拟pid调节器无论从静态、动态分析,其控制品质都可以保证。
数字pid控制算法。
3、数字pid控制算法的改进。
积分饱和现象:
指主要由积分项的累积作用的存在所引起的pid运算的饱和现象。
影响:超调量增加,上升时间增加,调节时间增加。
积分饱和效应:
由于积分饱和现象引起的系统超调量、上升时间、调节时间增大的效应。
积分项的改进方法。
1. 积分分离法 2. 遇限削弱积分法 3. 变速积分pid控制法
微分项的改进。
1. 不完全微分pid法 2. 被控量微分pid控制法(微分先行pid法)
4、采样周期t的选择原则。
5、数字pid参数的整定方法。
一、试凑法。
二、实验经验法。
1. 扩充临界比例度法。
2. 扩充响应曲线法。
第4章直接数字控制及其算法。
数字控制设计方法。
间接设计法(模拟化设计):
根据连续系统设计方法设计d(s),然后再将其离散化。
直接设计法(离散化设计):
从被控对象特性出发,直接根据采样系统理论设计数字控制器d(z)
直接设计法的基本原理:
gp(s)—被控对象的传递函数;
g(z)—广义对象的脉冲传递函数;
d(z)—数字控制器的脉冲传递函数;(要设计)
(z)—闭环脉冲传递函数。
r(z)、e(z)、d(z)、u(z)、g(z)、c(z)、φz)
直接数字控制及其算法。
4.1 最少拍无差系统的设计。
4.2 最少拍无波纹系统的设计。
4.3 大林算法。
4.4 模糊控制算法。
1、 最少拍无差系统的设计。
2、 最少拍无差系统:
指系统在典型的输入信号作用下,经过尽可能少的n个采样周期以后达到稳态,且无静差的系统。
最少拍无差系统设计的具体要求:
1. 准确性
e(∞)0,即到达稳态后,输出能准确地跟随输入;
2. 快速性
n最小,即系统到达稳态经过的时间最短;
3. 稳定性
即随时间的增加,偏差应逐渐减小,系统衰减;
4. 物理上的可实现性
即u(k)表达式中不能包含将来时刻的量。
例4.1最少拍无差系统的闭环脉冲传递函数φ(z),并求偏差序列,输出序列 。 针对单位阶跃输入设计。
解:可知:偏差序列e(k) 为 : 1,0,0,0,……
系统输出序列c(k) :0,1,1,1,……
即系统只需一拍(一个采样周期)后在采样点上的偏差变为0,即系统在一拍后输出跟随输入。
波形图:图a 偏差序列波形图。
图b 系统输出序列波形图。
例4.2 针对单位速度输入设计最少拍无差系统的闭环脉冲传递函数φ(z),并求偏差序列,输出序列。
解:可知:偏差序列e(k) 为 : 0,t, 0, 0, 0,…
系统输出序列c(k) :0,0,2t,3t,4t……
即系统只需两拍(两个采样周期)后在采样点上的偏差变为0,即系统在两拍后输出跟随输入。
波形图:(t=1)
图a 偏差序列波形图。
图b 系统输出序列波形图。
以上两个例题中,虽然得到的输出序列经过若干拍后在采样点上跟随输入,但从稳定性方面分析,则可能会出现两种情况。
1)衰减振荡:
即u(t),e(t)随时间减小,输出量收敛于给定值(真正稳定);
2)发散振荡:
即u(t),e(t)随时间增大,输出量发散(不稳定)。
例4.3 设被控对象传递函数。
经采样(t=1)和零阶保持,其对应的z传递函数,试针对单位阶跃输入设计。
最少拍控制器d(z),并求控制量和系统输出序列 。
解:可知:系统输出序列c(k) :0,1,1,1,……
控制量输出序列u(k) :3.774,-16.1,46.96,-130.985…
图a 系统输出序列波形图图b 控制量输出序列波形图。
即系统在一拍后采样点上的偏差变为0,即系统在一拍后在采样点上输出跟随输入。但是由于控制量序列是发散的,所以,事实上,在采样点之间的输出值是振荡发散的,系统不稳定。
此例表明,在最少拍控制中,不但应保证输出量在采样点上的稳定,而且要保证控制变量收敛,才能使闭环系统真正稳定。
上面推出的构造φ(z) 、e(z)的方法,即设计系统时仅考虑准确性、快速性的方法,只适用于稳定无滞后的对象;而对于一般对象,设计系统时还要考虑稳定性和物理上的可实现性。
稳定无滞后。
1.稳定:g(z)中不包含不稳定的零点、极点;
2.无滞后: g(z)中不包含z -m的因子。结论:
由稳定性要求可得,在设计φ(z)时充分考虑用它来抵消g(z)中的不稳定零极点。
即:①将g(z)中的不稳定零点作为φ(z)的零点而保留
②将g(z)中的不稳定极点作为φe(z)的零点而保留。
这就是最少拍系统设计的稳定性要求或稳定性约束条件。
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