计算机控制复习

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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