《计算机控制技术》ppt课件.ppt

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1、第8章 计算机控制系统的设计,计算机控制系统的设计,8.1 计算机控制系统的设计步骤与方法8.1.1 总体方案的确定8.1.2 计算机控制系统输入部分的设计8.1.3 确定控制算法8.1.4 计算机控制系统输出部分的设计8.1.5 计算机控制系统的调试,计算机控制系统的设计,8.2 计算机控制系统的可靠性设计8.3 计算机控制系统的抗干扰技术8.3.1 硬件抗干扰技术8.3.2 软件抗干扰技术8.4 计算机控制系统设计举例,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,1系统设计的步骤1）系统的分析与设计 2）系统的实施 3）系统调试与投入 2系统设计方法从系统构成上看，除被控对象外，其余部分都要由设

2、计者进行设计。从功能上分，可分为总体部分、输入部分、控制器部分和输出部分。,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,8.1.1 总体方案的确定1确定被控对象的被控量和控制量2建立数学模型3选用检测元件（传感器）4选用执行机构5选定输入/输出通道6选用计算机和选定外部设备,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,8.1.1 总体方案的确定1确定对象的被控量和控制量被控量的选择原则如下：选择对控制目标起关键影响作用的量作为被控量；为提高系统的控制质量，选择与控制目标有密切关系的量作为辅助被控量。控制量的选择原则如下。选对被控量有重大影响的对象输入变量作为控制量；若对象存在多个输入量，选择对被控量响应较

3、快、变化范围较大的量作为控制量；所选控制量之间的相互依赖关系越小越好。,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,【例8-1】设计燃油辊道窑温度控制系统。辊道窑温度控制系统示意图和窑道理想烧成温度曲线如图8-1所示。,图8-1 例8-1图,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,2建立数学模型 为了实现计算机控制，使计算机能按设计出的控制算法对被控对象进行控制，必须事先知道被控对象的数学模型，也就是指前面所说的控制量与被控量的关系。可用如下3种方法建模：理论分析法。实验测试法。经验公式法。3选用检测元件（传感器）,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,4选用执行机构执行机构是控制器与被控对象之间的连

4、接部件，根据不同的生产对象、不同的物理量，可以选用适当的执行机构如下。步进电机。电动执行机构。气动调节阀。液压执行机构。5选定输入/输出通道一条完整的模拟量输入通道应包含信号测量、信号调理电路、模拟多路开关、A/D转换器、计算机控制接口等模块。,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,6选用计算机和选定外部设备对计算机有多种选择，可以视设计任务、对象复杂性、运行条件和发展前景等情况而定。提出如下选机原则：实时性。可靠性。可扩充性。可维护性。根据上述选机原则，可给出如下3种选择方案：1）工业控制机（或工业PC）2）单片机 3）自行设计系统,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,8.1.2 计算机控

5、制系统输入部分的设计1A/D转换器字长的确定1）确定采集数据的结构形式（共享S/H,A/D或A/D)2）量化误差量化必定存在误差。设量化器的输入为x(t)，输出为x*(t)，则量化误差为式中，为量化误差，是q、x、t 的函数。3）求A/D转换器的字长求得A/D转换器的字长为,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,分辨率定义为求得A/D转换器的字长为4）校核校核原则：计算机的字长应大于A/D转换器的字长。除上面提及的输入量化误差外，还有如下误差。D/A转换器引入的输出误差。存储器存储系数、数据时，因舍入或截尾而产生的存储误差。运算器运算时（特别是乘法、递归运算等）带来的运算误差。因此，为了提高精

6、度，机内CPU的字长必须比求得的A/D转换器字长要长得多。,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,2多路转换开关的设计 对于单片机多路转换开关每一路输入端口的外部接口电路，其周围环境的好坏直接影响A/D转换器的性能。A/D转换器的基准电源是否稳定对A/D转换器的绝对精度影响很大。3开关量输入通道的设计,输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,8.1.3 确定控制算法有了数学模型，就可以据此推算（设计）出控制器算法。纯滞后是个超越函数，工程上常用有理公式近似法（Pade展开法）进行近似处理。指数es可以展开成级数为也可以用一个分母为n 阶，分子为m 阶（

7、mn）的有理分式来近似。表8-1给出了m=n=2的近似式，可使有理分式系数在n,m一定的情况下，与上面展开式的系数相同。,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,表8-1 es的近似式,8.1计算机控制系统的设计步骤与方法,8.1.4 计算机控制系统输出部分的设计1结构形式的确定(共享D/A或多D/A)2D/A转换器字长的确定设执行器的最大输入值为Umax，最小输入值为Umin。，参照前面关于A/D转换器叙述，可给出D/A转换器的字长是：3开关量输出通道的设计计算机系统的输出设备往往是高电压大电流设备，大功率设备运作时，常常会产生强电磁干扰，须加入隔离措施，转换和隔离两种措施都不可少。,8.1计

8、算机控制系统的设计步骤与方法,8.1.5 计算机控制系统的调试调试工作分为硬件、软件调试和联合调试。1）硬件调试首先是部件的单独检查，另外要核对数据总线、地址总线和控制总线的走线序号是否正确。接下来是联合调试。2）软件调试类似于硬件调试，软件调试时首先对各模块单独调试，然后进行软件联调。3）软、硬件联调主要解决硬、软件不协调的地方。,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,1几个基本概念1）可靠性、可靠度和可靠度函数系统可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性是一个定性概念，很难用一个特征量来表示，它带有随机性。系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率，称为系统的可靠

9、度（又称为可靠率）。系统的可靠度是个时间函数，称为可靠度函数R(t)。式中P为概率,为产生故障前的工作时间，t 为规定时间。,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,可靠度函数可用一个数值、分数、百分数来表示。式中，N0 为当t=0 时在规定条件下进行工作的系统个数，r(t)为在0t 时刻的工作时间内累计故障系统数（产生故障后不修复）。2）故障率函数工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后的dt 时间内发生故障的概率，称为产品的故障率（失效率）(t)。式中，dr(t)为t时刻后dt 时间内发生故障的产品数，d为微分算符，为增量符，NS(t)为到t时刻尚未发生故障的产品数，有NS(t)=N0 r(

10、t)R(t)。,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,经过计算，求得：结果说明可靠度具有指数分布规律。3）平均故障前时间（Mean Time to Failure，MTTF）设N0个不可修复系统在同样条件下进行试验，测得其各故障前时间为t1,t2,tN0，其平均故障前时间为4）平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）一个可修复系统在使用过程中发生了N0 次故障，每次故障修复后又再使用。测得其每次工作持续时间为t1,t2,tN0，其平均故障间隔时间为式(8-3)。式中，T为系统总的工作时间。tMTBF 与维修效果有关。,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,2

11、系统可靠性模型常用的模型有串联系统模型、并联系统模型和混联系统模型3种，如图8-2所示。1）串联系统的可靠性模型串联系统的数学模型为：式中，n为组成系统的单元数，Ri 为第i 个单元的可靠度，Rs为系统的可靠度。,图8-2 3种结构的可靠性模型,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,当各个单元部件的寿命为指数分布 时，系统的可靠度为 式中 系统中每种部件都有一定的失效率和一定的数量，则该部件的失效率为 2）并联系统的可靠性模型 这是最简单的冗余系统，如图8-2（b）所示。,图8-2 3种结构的可靠性模型,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,并联系统的数学模型为：并联单元越多，系统的可靠度越高。当

12、各单元的寿命为指数分布时，并联系统的可靠度为若系统所有单元均相同，失效率均为，则系统的可靠度为对于常用的二单元并联系统，由上式得,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,3）混联系统的可靠性模型一般工程系统往往不单纯是串联或并联的，还有串并、并串等混合模型，如图8-2（c）所示。对于不太复杂的系统，可以用串联或并联的基本公式，用等效模型法便能求出系统的可靠度。对图8-2（c）的系统，得系统结果，如图8-3（b）所示。,图8-2 3种结构的可靠性模型,图8-3 混联系统的等效模型,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,3提高计算机系统可靠性的途径1）系统可靠性设计系统的可靠性设计是指在系统设计的过程中

13、，在各个环节上采取必要的提高可靠性的设计措施。（1）总体设计（2）电路设计（3）结构设计（4）热设计（5）三防设计(防潮、防霉菌、防盐雾）（6）抗冲击、振动设计（7）电磁兼容性设计（8）安全设计,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,2）容错设计容错设计是指在系统结构上，通过增加冗余资源的方法来掩盖故障造成的影响，使得即使出错发生故障，系统功能仍不受影响。（1）硬件冗余（2）软件冗余（3）信息冗余（4）时间冗余3）加固设计为减弱或消除有害应力的影响，可采用加固设计技术。（1）热设计（2）机箱设计（3）抗干扰和防泄漏,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,规定在各设备电源接线端口测得的干扰电压不得超

14、过表8-3所列的极限值。各设备辐射的电波场强（测量距离为10m）不得超过表8-4所列的极限值。,表8-3 设备电源接线端口的干扰电压极限值,表8-4 设备辐射的电波场强极限值,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,4软件的可靠性设计1）软件可靠性概念 软件可靠性是指软件在规定条件下和规定时间内完成规定功能而不引起系统故障的能力。软件可靠性是一个综合性的指标，它与多个因素有关。通常用下述的6个方面来评价软件质量。功能性:实用性、准确性、互操作性、一致性和安全性。可靠性。包括容错性和可恢复性。易用性。包括易理解性和易操作性。效率。包括时间性、资源性。可维性。包括易分析性、易修改性、稳定性和易测试性。

15、可移植性。包括适应性、易安装性、规范性和可换性。,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,2）软件可靠性设计的阶段与方法（1）软件开发过程的6个阶段 要求/规格说明阶段。系统分析阶段。编码调试阶段。测试验证阶段。文档整理阶段。维护和再完善阶段。（2）软件可靠性设计方法软件可靠性设计的方法有很多种。这些方法的共同特点是要求程序具有既易于理解、编写方便，又便于验证、减少出错的良好结构。,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,3）软件正确性验证对较复杂软件的正确性验证，需要有专门的技术和设备。对较简单的软件，可以用多组各种情况的模拟数据输入软件运行，如果均能通过，则认为软件正确。4）软件容错设计技术软件容

16、错是指在软件故障的情况下，系统仍能在预定条件下和预定时间内正确运行的能力。图8-5是容错基本原理图。,图8-5 容错基本原理,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,5）信息保护技术信息保护是指为防止信息被非法窃取、篡改、非法使用或破坏而采取的保护措施。基本的信息保护技术有以下几种：（1）内存保护区域保护。访问方式保护。（2）外存保护利用目录保护。利用“允许存取口令”保护。利用文件二重化保护。,8.2 计算机控制系统的可靠性设计,（3）身份识别与口令为防止非法用户使用系统和合法用户非法使用系统信息，需要对用户身份进行识别和验证。识别用户是公开的，而验证身份是秘密的。（4）信息编码与加密可靠性信息编

17、码的目的是防止硬件故障、软件错误和人为因素等原因引起的信息破坏。加密旨在防止信息泄密，是保护信息的最基本方法。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,8.3.1 硬件抗干扰技术1无源滤波器和有源滤波器 滤波器只允许电源整个频谱中的一段或多段一定的频率幅度通到负载去。滤波器由无源元件（如电阻R、电容C 和电感L）组成时，称为无源滤波器。滤波器由R、L、C 和有源元件（如晶体管、运放等）组成时，称为有源滤波器。这两种滤波器主要用来滤除从电源端来的尖峰电流和瞬时噪声电压干扰，以及信号线上的杂波干扰。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,1）电容滤波器和电感滤波器图8-6（a）为电容滤波器电路原理图。输

18、入量为电流IC(s)，输出量为电压UC(s)，滤波器的传递函数为式中，ZC(s)称为电容滤波器的阻抗函数，简称容抗。以 s=j 代入，得到频率特性为,图8-6 无源滤波器原理图,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,电感L的电抗也与频率有关，也可用来构成滤波器，如图8-6（b）所示。设输入量为IL(s),输出量为UL(s)，传递函数和频率特性分别为 ZL(s)简称为感抗，它与L 和 均成正比。对C、L 进行不同的组合，可以构成各种滤波特性的滤波器。图8-6（c）为倒L型滤波器，图8-6（d）为型滤波器。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,2）阻容滤波器LC滤波器在对信号滤波的同时，对有用信号的

19、衰减很少。但电感线圈制作麻烦，并不像阻容那样有系列产品可供选用。3）有源滤波器（1）一阶有源滤波器图8-9（a）所示为一阶有源滤波器原理图。按运算放大器的原理立即可以推出其传递函数和频率特性为：,在频率特性的表示式中，R2/R1是个常数，称为放大系数。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,（2）二阶有源滤波器 图8-9（b）所示为二阶有源滤波器原理图。在此不加推导地直接写出其传递函数为,图8-9 一阶和二阶有源滤波器原理图,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,令，上式的分母是特征多项式，特征方程为以T1T2 除全式，得 两个根（系统两极点）为 取各种R、C值，可得由阻尼系数表示的各种振荡特性。

20、为与典型的二阶振荡系统一致，再令,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,n称为固有振荡频率，称为阻尼系数，可以求得 n就是所求的转折频率。2屏蔽技术 把电磁能量限制在一定的空间范围内的技术称为屏蔽技术。通常采用某种可能的办法阻止电磁能量传播。1）电场屏蔽通过电容耦合而引起的感应称为静电感应或静电耦合，这是一种电压感应，如图8-10（a）所示。B点感应出的耦合干扰电压为:,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,为了减少耦合，即减小UB，CM要小，CB要大。若A、B间放一块金属片D，对地电容为CD，如图8-10（b）所示，还有不大的边缘剩余电容可以忽略。B点上感应干扰电压为 静电屏蔽的屏蔽效果依赖于对

21、地连接的质量。如果与机壳相连，机壳要用粗线接地，因为细线有感抗，干扰频率高时感抗很大，效果会变坏。,图8-10 静电感应及其屏蔽,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,2）磁场屏蔽寄生电感耦合的原理依据的是电磁感应定律。设A为产生交变干扰电磁场的源，在相隔一定距离的B上感生出交变干扰电动势。则受感部分的感应干扰电压UK为：屏蔽的任务就是减小或消除A、B间的磁耦合，即削弱EB或IB。式（8-7）表明，元件受感干扰电压大小与干扰频率成正比。因此，屏蔽方法分为以下两个方面。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,（1）对低频干扰磁场或变化缓慢干扰磁场的屏蔽屏蔽物采用高磁导率的金属材料制成，当空间的干扰磁

22、力线进入屏蔽物，屏蔽物将为磁力线提供一条低磁阻的通路通过，然后进入空间再回到干扰源闭合，如图8-11（a）所示。若要屏蔽直流干扰磁场，就非要用坡莫合金高磁导率材料不可了。同样，可以屏蔽内部元件产生的干扰，使之不会影响外部空间，如图8-11（b）所示。,图8-11 磁场的屏蔽,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,（2）对高频干扰磁场的屏蔽因为高频时集肤效应很强，干扰磁力线只集中作用在屏蔽材料的表层。高频屏蔽机理与低频屏蔽机理不同，为便于说明，假设屏蔽物是一筒套，如图8-12所示。干扰磁力线作用在屏蔽物上 时，将激励出交变电动势，并产生交变感应涡流。涡流的方向是力图使其产生的 磁场与干扰磁场相反，

23、涡流磁 力线的方向与外干扰磁力线的 方向相反而互相抵消。,图8-12 高频磁场的屏蔽,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,3）电磁场屏蔽一个载有高频交变电流的导体，在其周围空间会产生交变电磁场。由空间传播的干扰称为辐射干扰。抗干扰的方法主要是屏蔽加滤波。在受干扰设备的输入端处加入L、C组合的一阶或二阶滤波器。4）导线屏蔽现在来研究未加屏蔽的一条导线的 情况。如图8-13所示。当通过微弱信号的信号导线处在干 扰场中时,由于导线与干扰源之间、导线与地之间存在寄生电容，会感应出静电干扰电压，其值如式（8-6）所示。,图8-13 导线电磁屏蔽图,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,如果在信号线上加一个

24、金属编织的网状屏蔽套，如图8-13中虚线所示。将屏蔽线两端a、b分别与机壳相接。ID将经导线负载屏蔽套信号源回路形成流经屏蔽套的在空间上的反向电流，并产生一个大小相等的反向磁场，与原磁场相抵消，从而实现磁屏蔽。3接地技术电气、电子设备的良好接地是抑制系统内部干扰耦合和防止外部干扰侵入的重要手段。1）接地方式（1）直接接地 直接接地是指将各电子电路的接地接到一条公共接地母线上。这是用得最多的一种接地方式。直接接地可分为多点接地和单点接地两种。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,（2）浮动接地 浮动接地是指电路的整个地线系统与大地之间无导体连接，以一个悬浮的“地”作为系统的参考电位。（3）电容接

25、地电容接地是指通过电容器把系统地与大地连起来。主要用接地电容器给干扰的高频分量提供一条低阻抗通路。2）屏蔽接地有两种接地方案可供选择。一种是接地点选在仪器侧，另一种是接地点选在信号源侧，如图8-14所示。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,图8-14（a）中信号源的地（大地）与仪器的系统地之间有一共模干扰电压ECM。图8-14（b）中把接地点接在信号源侧。,图8-14 屏蔽套接地点的选择方案,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,4电源干扰的抑制电源方面的干扰主要来自两个方面。第一，系统的供电电源是从电网经变压、整流、滤波和稳压而得到的，来自电网的各种干扰便引入到内部。第二，多个计算机系统或多

26、台外部设备公用同一个电源，通过电源线路产生相互干扰。1）交流稳压器交流稳压器适用于电网电压波动较大的场合。常用的是电磁式交流稳压器，具有较好的稳压及抗电网干扰的性能。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,2）压敏电阻的应用 压敏电阻是一种非线性电阻元件。其伏安特性如图8-15所示。可利用这种特性达到吸收过压和消除瞬变尖峰的目的。3）瞬态电压抑制二极管瞬态电压抑制二极管简称为TVS。当TVS两端受到高能瞬间冲击时，利用反向击穿特性，能瞬即将自身阻抗从高阻抗变为低阻抗，通过大电流，而将两端电压保持在一个数值上，这样就保护了电路器件。,图8-15 压敏电阻器的伏安特性,图8-16 压敏电阻的接线方式

27、举例,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,4）交流线间滤波器 在电网来的交流电源的进线端接入一个四端网络的滤波器，此滤波器应能让50Hz的正弦波顺利通过，从而有效抑制高频干扰。图8-18为平衡式交流线间滤波器的原理图。图8-18中，L1、L2是两个电感相等的线圈，匝数W和线径相同，密绕在一个磁心上，但绕向相反，这点在图上用黑点标志的同名端来表示。,图8-17 TVS接线方式举例,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,经过计算，电路总的电感为两个线圈的耦合系数定义为设耦合是理想的，k=1，代入式（8-8）得 L0=0。,图8-18 交流线间滤波器原理图,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,5）电源

28、变压器的静电屏蔽本部分是前面电场屏蔽原理在电源变压器中的应用。变压器的原边和副边都是由金属导线绕制成的，原副边的各个线匝间都构成一个寄生电容，如图8-19所示。这样，原、副边之间就有两条 通道。一条是正常通道，原、副边间的电磁耦合；另一条是 绕组间的寄生电容。在原、副边间加入静电屏蔽层 M，并将其接大地，此时干扰 从原边经C1到M入地，便可很 好地将干扰滤掉，而不耦合到副边去。,图8-19 电源变压器的静电屏蔽,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,8.3.2 软件抗干扰技术软件抗干扰是一种被动措施，可节省资源，运用灵活，不失为一种重要的抗干扰手段。1数字滤波数字滤波是指用某种方法对输入信号进行

29、数字处理，减小干扰占有用信号的比重，提高信号的真实性。2指令冗余技术如果PC因干扰而出现错误，程序的执行便会脱离正常轨道，俗称程序乱飞。克服程序乱飞的办法有以下3种：,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,多用单字节指令；在双字节指令和三字节指令之后插入两条NOP指令，模拟操作数；重复书写对程序的流向起决定作用的指令和对系统工作状态起决定作用的指令。也可在这些指令前面插入两条NOP指令。3软件陷阱技术 软件陷阱是一条引导指令，可以拦截乱飞的程序并将其引导到指定位置，在该处用专门的处理程序进行出错处理，从而使程序纳入正常轨道。,8.3 计算机控制系统的抗干扰技术,4看门狗技术 程序因受干扰而出现死

30、循环时，可以用程序监视技术来监测，并使程序脱离死循环，这就是“看门狗”技术。看门狗技术可由硬件实现，也可由软件实现，也可由硬、软件结合实现。,8.4 计算机控制系统设计举例,过程控制系统是计算机控制重要的应用领域。下面以一个储罐液位控制系统为例来介绍计算机控制系统的设计过程。1控制系统的总体描述储罐液位控制系统示意图如图 8-20所示。1）性能指标要求 静差：不超过给定值的2。超调量：不超过稳态值的5。上升时间：从0上升到稳态值 95的时间不超过550s。调节时间：在2稳定带内调节时间不超过700s。,图8-20 储罐液位控制系统示意图,8.4 计算机控制系统设计举例,2）控制系统的组成部分单

31、回路液位控制系统组成框图如图8-21所示。3）控制系统的参量 被控量：即输出量，液位。控制量：阀门开度，是控制器的输出值。,图8-21 单回路液位控制系统组成框图,8.4 计算机控制系统设计举例,调节介质：对被控量起调节作用的物理介质，为液体。给定值：即输入量，对应于被控量的稳态值。偏差：被控量与给定值之间的差值。干扰量：所有引起被控量波动的量。2被控对象的数学模型下面用两种方法建立储罐过程的数学模型。1）机理建模法 本过程只有一个储蓄容量，称为单容过程。已知储罐的流入量为q1，储罐的流出量为q2，液位h的变化反映了由于q1与q2不相等而引起的液体在罐内的积累。,8.4 计算机控制系统设计举例

32、,设储罐的截面积为A，高度为h，水体积为Ah，根据动态物料平衡关系有系统研究更关心的是在某平衡状态下的增量式，设各参数分别为q10、q20、h0，则增量为 式(8-9)为由流体力学知 式中，2、v2和A2分别是出口流体的密度、速度和截面积。根据伯努利方程有式中，p1、p2为流体在阀2前后的压力；v1、v2为阀2前后的流速；1、2为阀2前后的密度。,8.4 计算机控制系统设计举例,认为v10，p20，1=2=1、代入式（8-12）得因为所以代入式（8-10）得式中，Kc为系数。可见，液位与流量呈非线性关系。对曲线进行线性化处理，可近似认为q2与h成正比。与电学中电阻的概念类比，定义液阻为,8.4

33、 计算机控制系统设计举例,在式（8-10）和式（8-13）中消去中间变量，得 这是被控对象以微分方程式表示的数学模型。对上式进行拉氏变换，得数学模型的传递函数表达式为 考虑到调节阀1与实际储罐的入口有一段距离，滞后时间为，故数学模型写为这样就将过程数学模型的结构确定了，是含纯滞后的一阶惯性环节。,8.4 计算机控制系统设计举例,2）实验建模法以图8-21的结构连成系统，实验在开环状态下进行。在某稳定状态下，突然断开功率放大器的输出，手动外接一个阶跃输入信号，在液位计的输出端采样记录液位的数据及对应的电压值，画出变化曲线。其中一组时间与液位的数据见表8-5。用MATLAB语言描点画出响应曲线，响

34、应曲线如图8-22所示。,表8-5 单位阶跃响应曲线实验数据,8.4 计算机控制系统设计举例,从表8-5及图8-22（b）可见，系统有一纯滞后，稳态值为y()=196.5。在曲线的最大斜率处（拐点处）作切线，则得到纯滞后时间为,图8-22 对象的阶跃响应曲线,8.4 计算机控制系统设计举例,这是含纯滞后的一阶惯性环节。上升时间为调节时间为 显然，性能指标不符合要求。为了使系统的响应达到期望性能指标的要求，必须加控制器，构成闭环反馈系统。,8.4 计算机控制系统设计举例,3数字控制器的设计 1）离散PID算法控制器根据5.2.4节用扩充响应曲线法进行数字调节器PID参数整定的方法，可选择PID的

35、3个参数和采样时间。查表5-6，选控制度为1.05时的PID调节器，参数为代入式（5-60）得位置PID算法的控制量递推式,8.4 计算机控制系统设计举例,构成离散的PID调节器后加入到图8-21中，当输入为阶跃信号时，得到输出响应的仿真曲线，如图8-23所示。图8-23中显示，性能指标不满足要求。对所选参数进行调整，波形有所改善，但仍然达不到性能要求。,图8-23 离散PID算法输出曲线图,8.4 计算机控制系统设计举例,2）最少拍算法控制器 式中，广义对象满足无纹波的条件，且m=d，n=q=1，则由 解得则,8.4 计算机控制系统设计举例,则控制量选择采样周期，应使d为整数。初选T25s，

36、d3，数据代入式（8-17）并仿真得到一条连续阶跃响应输出曲线，如图8-24所示。曲线显示，输出纯滞后为50s（两拍），再经过25s（一拍）后，即总共经过d=3拍后，输出能跟踪输入。,图8-24 最少拍算法输出曲线图,8.4 计算机控制系统设计举例,3）达林算法控制器根据期望系统性能指标的要求，预选等效的闭环系统为含纯滞后的一阶惯性环节，时间常数T0=150s，纯滞后时间与原对象相同，并验证之。可满足性能指标的要求。等效闭环系统的传递函数为根据式（5-91），重写达林算法的控制器模型为,8.4 计算机控制系统设计举例,初选采样时间为T50s，则，代入式（8-18）将控制器代入闭环系统中，并仿真

37、，观察输出响应曲线的变化，如图8-25所示。,图8-25 达林算法输出曲线图,8.4 计算机控制系统设计举例,控制曲线显示，第一拍的控制幅度不是太大，而后逐步降低，对执行机构的冲击较小，容易实现。对加了控制器的闭环响应曲线分析，超调量、上升时间、调节时间和稳态值都能达到指标要求。修改采样时间，T=10s，则，代入式（8-18），得同样代入闭环系统中，可见仿真曲线没有变化。表明对于阶跃输入，采样周期的选择影响不大。以式（8-19）推导控制器的算法。用直接实现法求控制器的差分方程表达式，代入式(5-93)得,经过对3种方案的分析比较，选择对含纯滞后系统极为有效的控制算法达林算法。4控制系统设计1）

38、硬件系统设计 硬件系统原理线路图如图8-26所示（略）。主要组成部件如下。核心：单片机89C51 片外扩展：8KBRAM存储器6264，I/O口扩展8155 转换器：ADC0809，DAC0832 锁存器等：74HC373，74HC377，74HC245和3-8译码器74HC138 输入/输出部件：6个LED，4个按键,8.4 计算机控制系统设计举例,各芯片片选地址分配见表8-6。工作过程说明如下。液位信号（电压值）从ADC0809的IN0引脚输入，A/D转换后储存。液位给定值由键盘设定，与液位信号比较得出偏差值。若超限则报警，LED4显示P，同时以P1.0驱动报警灯，以P1.1驱动蜂鸣器。按

39、达林算法计算控制器的输出值。,8.4 计算机控制系统设计举例,输出值经D/A转换得模拟电压值并输出。液位信号的电压值经标度转换变为液位值存储，送LED显示。6个LED显示如图8-27（a）所示。键盘设定液位的高、低报警限。2）软件系统设计 软件系统主要包括以下8个模块。,图8-27 显示器与键盘设置,8.4 计算机控制系统设计举例,数据采集：A/D转换，采样周期为10s。数字滤波：采用5个数平均值滤波法。标度转换：将液位变送器的标准电压信号转换为液位值。动态显示：动态循环显示。键盘扫描：读键值并判断功能。控制计算：达林算法。控制输出：D/A转换。报警处理：超过高、低报警限时驱动报警灯及蜂鸣器。,