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1、第八章计算机控制系统设计与实现第1页，共46页，编辑于2022年，星期三对对于于不不同同的的控控制制对对象象，系系统统设设计计具具体体要要求求是是不不同同的的，但设计的基本要求是大体相同的。具体表现在：但设计的基本要求是大体相同的。具体表现在：1系统应具有优良的操作性能系统应具有优良的操作性能操操作作性性能能好好，包包括括两两个个含含义义，即即使使用用方方便便和和维维修修容容易易。硬硬件件和和软软件件设设计计时时都都要要考考虑虑这这个个问问题题。在在配配置置软软件件时时，就就应应考考虑虑配配置置什什么么样样的的软软件件才才能能降降低低对对操操作作人人员员专专业业知知识识的的要要求求。硬硬件件方
2、方面面，零零部部件件的的配配置置应应便便于于操操作作人人员员维维修。修。8.1 计算机控制系统设计原则计算机控制系统设计原则 第2页，共46页，编辑于2022年，星期三2通用性好、便于扩充通用性好、便于扩充一一个个计计算算机机控控制制系系统统，一一般般可可以以控控制制多多个个设设备备和和不不同同的的过过程程参参数数，但但各各个个设设备备和和控控制制对对象象的的要要求求是是不不同同的的，而而且且控控制制设设备备还还有有更更新新，控控制制对对象象还还有有增增减减。系系统统设设计计时时应应考考虑虑能能适适应应各各种种不不同同设设备备和和各各种种不不同同控控制制对对象象，使使系系统统不不必必大大改改动
3、动就就能能很很快快适适应应新新的的情情况况。这这就就要求系统的通用性要好，能灵活地进行扩充。要求系统的通用性要好，能灵活地进行扩充。第3页，共46页，编辑于2022年，星期三3可靠性高可靠性高可可靠靠性性高高是是计计算算机机控控制制系系统统设设计计最最重重要要的的一一个个基基本本要要求求。一一旦旦系系统统出出现现故故障障将将造造成成整整个个生生产产过过程程的的混混乱乱，引引起起严严重重后后果果。因因此此在在计计算算机机控控制制系系统统设设计计时时，通通常常应应考考虑虑后后援援手手段段，如如配配备备常常规规控控制制装装置置或或手手动动控控制制装装置置作作后后备备。通通常常可可直直接接采采用用多多
4、台台计计算算机机组组成成热热备备份份（备备份份机机与与控控制制机机同同时时工工作作但但不不介介入入控控制制，一一旦旦主主控控制制机机有有故故障障就就切切换换到到备备份份机机上上）或或冷冷备备份份（备备份份机机处处于于待待工工作作状状态态，一一旦旦主主控控机机有有故故障障就就启启动动备备份份机机投投入入工作）等工作方式来提高系统的可靠性。工作）等工作方式来提高系统的可靠性。第4页，共46页，编辑于2022年，星期三4实时性好实时性好工工业业控控制制机机的的实实时时性性，表表现现在在对对内内部部和和外外部部的的事事件件能能及及时时地地响响应应，并并做做出出相相应应的的处处理理，不不丢丢失失信信息息
5、、不延误操作。不延误操作。5设计周期要短，价格要便宜设计周期要短，价格要便宜计计算算机机应应用用技技术术发发展展迅迅速速，各各种种新新技技术术和和产产品品不不断断出出现现，在在满满足足精精度度、速速度度和和其其它它性性能能要要求求的的前前提提下下，应应缩缩短短设设计计周周期期和和尽尽可可能能采采用用价价格格低低的的元元器器件件，以以降降低低整整个个控控制制系统的费用。系统的费用。第5页，共46页，编辑于2022年，星期三8.2 计算机控制系统设计步骤计算机控制系统设计步骤 1研究被控对象、确定控制任务研究被控对象、确定控制任务2确定系统整体方案确定系统整体方案(1)确定系统的性质和结构确定系统
6、的性质和结构(2)确定执行机构方案确定执行机构方案(3)控制系统总体控制系统总体“黑箱黑箱”设计设计(4)控制系统层次以及硬件、软件功能划分控制系统层次以及硬件、软件功能划分在在总总体体方方案案设设计计完完成成后后，形形成成了了系系统统组组成成的的粗粗线线条条框框图图结结构构、硬硬件件与与软软件件划划分分等等文文件件，供供详详细细设设计计使使用用。以此作为进一步设计的依据。以此作为进一步设计的依据。第6页，共46页，编辑于2022年，星期三3建立数学模型，确定控制算法建立数学模型，确定控制算法4硬件的设计硬件的设计(1)确定过程的输入、输出通道及其处理方式确定过程的输入、输出通道及其处理方式(
7、2)计算机系统选择计算机系统选择(3)过程通道及接口设计过程通道及接口设计(4)控制台设计控制台设计(5)可靠性设计可靠性设计(6)硬件调试硬件调试第7页，共46页，编辑于2022年，星期三5软件的设计软件的设计(1)选择编程语言选择编程语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言混合语言混合语言(2)软件设计步骤软件设计步骤问题定义问题定义 细化设计细化设计 编制源程序编制源程序 形成可执行代码形成可执行代码 调试调试 第8页，共46页，编辑于2022年，星期三6系统仿真与调试系统仿真与调试(1)实验室硬件联调实验室硬件联调(2)实验室软件联调实验室软件联调(3)实验室系统仿真实验室系统仿真7现场安
8、装调试现场安装调试第9页，共46页，编辑于2022年，星期三8.3 计算机控制系统输入输出通道设计计算机控制系统输入输出通道设计8.3.1 过程输入输出通道的组成与功能过程输入输出通道的组成与功能 根根据据过过程程信信息息的的性性质质及及传传送送方方向向，过过程程通通道道包包括括模模拟拟量量输输入入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。要要对对工工业业现现场场实实现现控控制制，就就必必须须对对它它的的运运行行状状态态进进行行检检测测。模模拟拟量量输输入入通通道道和和数数字字量量(开开关关量量)输输入入通通道道就就是是为为此此
9、而而设设置置的的两两种种检检测测通通道道。生生产产过过程程的的被被调调参参数数(一一般般包包括括压压力力、流流量量、温温度度、液液面面高高度度等等等等)一一般般都都是是随随时时间间变变化化的的模模拟拟量量，通通过过检检测测元元件件和和传传感感器器，可可以以把把它它们们转转换换成成模模拟拟电电流流或或电电压压。由由于于计计算算机机只只能能识识别别数数字字量量，故故模模拟拟电电信信号号必必须须通通过过模模拟拟量量输输入入通通道道变变换换成成相相应应的的数数字字信信号号，才才能能送送入入计计算算机机；而而生生产产现现场场的的两两态态开开关关、电电平平的的高高低低、脉脉冲冲量量等等数数字字或或开开关关
10、信信号号，则则须须通过数字量输入通道输入计算机。通过数字量输入通道输入计算机。第10页，共46页，编辑于2022年，星期三计计算算机机控控制制生生产产现现场场的的控控制制通通道道也也有有两两种种，即即模模拟拟量量输输出出通通道道及及数数字字量量输输出出通通道道。计计算算机机输输出出的的控控制制信信号号是是以以数数字字形形式式给给出出的的，有有的的生生产产过过程程的的执执行行元元件件要要求求提提供供模模拟拟电电流流或或电电压压，故故应应采采用用模模拟拟量量输输出出通通道道实实现现；有有的的执执行行元元件件只只要要求求提提供供数数字字量量或或开开关关量量，故故应应采采用用数数字字量量输输出出通通道
11、道。可可见见，过过程程通通道道是是计计算算机机和和工工业业生生产产过过程程(控控制制对对象象)相相互互交交换换信信息息的的桥梁。桥梁。第11页，共46页，编辑于2022年，星期三8.3.2 过程输入输出通道的控制方式过程输入输出通道的控制方式 1过程输入输出通道与过程输入输出通道与CPU交换就信息类型交换就信息类型过程输入输出通道与过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：交换的信息类型有三种：数数据据信信息息：反反映映生生产产现现场场的的参参数数及及状状态态的的信信息息，它它包包括数字量、开关量和模拟量。括数字量、开关量和模拟量。状状态态信信息息：又又叫叫做做应应答答信信息息、握握手手信
12、信息息，它它反反映映过程通道的状态，如准备就绪信号等。过程通道的状态，如准备就绪信号等。控控制制信信息息：用用来来控控制制过过程程通通道道的的启启动动和和停停止止等等信信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。第12页，共46页，编辑于2022年，星期三2过程通道的编址方式过程通道的编址方式由由于于计计算算机机控控制制系系统统一一般般都都有有多多个个过过程程输输入入输输出出通通道道，因因此此需需对对每每一一个个过过程程输输入入输输出出通通道道安安排排地地址址。过程通道编址方式有两种：过程通道编址方式有两种：过程通道与存储器独立编址方式过程通道与存储器
13、独立编址方式过程通道与存储器统一编址方式过程通道与存储器统一编址方式第13页，共46页，编辑于2022年，星期三3CPU对过程通道的控制方式对过程通道的控制方式计计算算机机的的外外围围设设备备及及过过程程通通道道种种类类繁繁多多，它它们们的的传传送送速速率率又又很很不不相相同同。因因此此输输入入输输出出产产生生复复杂杂的的定定时时问问题题，也也就就是是CPU采采用用什什么么控控制制方方式式向向过过程程通通道道输输入和输出数据。常用的控制方式有三种：入和输出数据。常用的控制方式有三种：程序查询方式程序查询方式中断控制方式中断控制方式直接存储器存取直接存储器存取(DMA)方式方式第14页，共46页
14、，编辑于2022年，星期三8.3.3 输入通道输入通道 1模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输入通道的任务是将模拟量输入信号进行变换、模拟量输入通道的任务是将模拟量输入信号进行变换、采样、放大、模采样、放大、模/数转换，转换成二进制数字量输入计算数转换，转换成二进制数字量输入计算机。机。模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样保持器和采样保持器和A/D转换器组成转换器组成。2数字量输入通道数字量输入通道数数字字量量输输入入通通道道主主要要由由两两态态信信息息转转换换电电路路和和接接口口电电路路组组成成。两两态态信信息息转转换换电
15、电路路的的作作用用是是将将生生产产现现场场的的两两态态信信息息转转换换成成TTL电平信号，通过电平信号，通过I/O接口电路传送到计算机系统。接口电路传送到计算机系统。第15页，共46页，编辑于2022年，星期三根根据据现现场场信信号号的的不不同同，有有的的两两态态信信息息转转换换电电路路应应能能消消除除开开关关机机械械抖抖动动的的影影响响，有有的的应应能能与与强强电电信信号号隔隔离离，防防止止各种干扰。各种干扰。(1)开关量输入通道开关量输入通道(2)脉冲量输入通道脉冲量输入通道(3)中断输入通道中断输入通道(4)数字编码输入数字编码输入第16页，共46页，编辑于2022年，星期三8.3.4
16、输出通道输出通道设设立立输输入入通通道道的的作作用用在在于于将将被被控控对对象象的的各各种种信信息息转转换换成成计计算算机机可可以以接接受受的的信信息息，以以供供计计算算机机处处理理。而而计计算算机机处处理理后后产产生生的的相相应应的的控控制制命命令令或或控控制制量量，也也必必须须转转换换成成相相应应的的物物理理量量才才能能对对被被控控对对象象实实施施控控制制。这这种种由由可可将将计计算算机机发发出出的的控控制制指指令令(或或控控制制量量)进进行行转转换换并并能能传传送送给给执执行行机机构构的的装装置置构构成成的的信信号号路路径径，称称之之为为输输出出通道。通道。第17页，共46页，编辑于20
17、22年，星期三1模拟量输出通道模拟量输出通道模模拟拟量量输输出出通通道道的的任任务务是是把把计计算算机机输输出出的的数数字字量量变变换换成成模模拟拟量量，这这个个任任务务主主要要由由数数/模模转转换换器器来来完完成成，对对于于模模拟拟量量输输出出通通道道，要要求求可可靠靠性性高高，满满足足一一定定的的精精度度，还还必必须须具具有有保保持持的的功功能能。保保持持器器一一般般有有数数字字保保持持和和模模拟拟保保持持两两种种方方案案，这这就就决决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。(1)独立数独立数/模转换器形式模转换器形式图8.2 独立的多通道D/A转换结构
18、图I/O接口电路D/AD/A第18页，共46页，编辑于2022年，星期三(2)共用数模转换器的形式共用数模转换器的形式图8.3 多通道共享D/A的结构框图I/O接口电路D/A保持器多路开关保持器第19页，共46页，编辑于2022年，星期三 2数字量输出通道数字量输出通道数数字字量量输输出出通通道道的的任任务务是是根根据据计计算算机机输输出出的的数数字字信信号号去去控控制制电电接接点点的的通通、断断或或数数字字式式执执行行器器的的启启、停停等等，简简称称DO(Digital Output)通通道道。根根据据被被控控对对象象的的不不同同，其其输输出出的的数数字字控控制制信信号号的的形形态态及及相相
19、应应的的配配置置也也不不相相同同。其其中中，最最为为常常用用的的数数字字控控制制信信号号是是开开关关且且和和脉脉冲冲量量信号。信号。数数字字量量输输出出通通道道中中，由由于于许许多多执执行行机机构构往往往往需需要要开开关关量量的的控控制制信信号号。这这时时，CPU可可以以通通过过I/O接接口口电电路路直直接接对对执执行行机机构构进进行行控控制制，也也可可以以通通过过半半导导体体开开关关或或机机械械式式继继电电器器接接点点的的开开闭闭去去控控制制。数数字字量量输输出出通通道道的的关关键键往往往往是是要要解决执行机构的功率驱动问题。解决执行机构的功率驱动问题。第20页，共46页，编辑于2022年，
20、星期三8.4 计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统抗干扰技术 计计算算机机控控制制系系统统大大多多用用于于工工业业控控制制现现场场，条条件件复复杂杂恶恶劣劣，干干扰扰频频繁繁。干干扰扰严严重重影影响响控控制制系系统统的的可可靠靠性性和和稳稳定定性性。环环境境的的特特殊殊，要要求求计计算算机机控控制制系系统统必必须须有有极极高高的的抗抗干干扰扰能能力力。为为此此，必必须须分分析析干干扰扰的的来来源源，研研究究对对于于不不同同的的干干扰扰源源采采用用哪哪些些相相应应的的行行之之有有效效的的抑抑制制或或消消除除干干扰扰的的措措施施，重重视视接接地地、布布线线和和供供电电方方面面的的抗抗干干扰扰技技
21、术术，重重视视CPU可可靠靠运运行行的的抗抗干干扰扰技技术术相相应应用用软软件件中中对对数字信号的数据处理技术。数字信号的数据处理技术。第21页，共46页，编辑于2022年，星期三8.4.1 干扰的来源干扰的来源 计计算算机机控控制制系系统统运运行行环环境境的的各各种种干干扰扰主主要要表表现现在在以以下下几个方面：几个方面：1恶劣的供电条件恶劣的供电条件2严重的噪声环境严重的噪声环境此此外外，还还有有来来自自空空间间的的干干扰扰，如如太太阳阳及及其其它它天天体体辐辐射射的的电电磁磁波波，广广播播电电台台或或通通讯讯发发射射台台发发出出的的电电磁磁波波，周周围围电电气气设设备备如如电电机机、变变
22、压压器器、中中频频炉炉、可可控控硅硅逆逆变变电电源源等等发发出出的的电电干干扰扰和和磁磁干干扰扰，气气象象条条件件、空空中中雷雷电电、甚甚至至地地磁磁场场的的变变化化也也会会引引起起干干扰扰。这这些些空空间间辐射干扰有时会使计算机不能正常工作。辐射干扰有时会使计算机不能正常工作。第22页，共46页，编辑于2022年，星期三8.4.2 干扰的抑制方法干扰的抑制方法1接地技术接地技术(1)接地方式接地方式“安安全全接接地地”一一般般均均采采用用一一点点接接地地方方式式。“工工作作接接地地”依依工工作作电电流流频频率率不不同同而而有有一一点点接接地地和和多多点点接接地地两两种种。低低频频时时，因因地
23、地线线上上的的分分布布电电感感并并不不严严重重，故故往往往往采采用用一一点点按按地地；高高频频情情况况下下，由由于于电电感感分分量量大大，为为减减少少引引线线电电感感，故故采采用用多多点点接接地地。频频带带很很宽宽时时，常常采采用用一一点点接接地地和和多多点点接地相结合的混合接地方式。接地相结合的混合接地方式。第23页，共46页，编辑于2022年，星期三(2)浮地系统和接地系统浮地系统和接地系统(3)交流地与直流地分开交流地与直流地分开(4)模拟地与数字地分开模拟地与数字地分开(5)印刷电路板的地线安排印刷电路板的地线安排(6)屏蔽地屏蔽地2屏蔽技术屏蔽技术(1)电场屏蔽电场屏蔽(2)电磁屏蔽
24、电磁屏蔽(3)磁场屏蔽磁场屏蔽第24页，共46页，编辑于2022年，星期三3隔离技术隔离技术隔隔离离的的实实质质是是切切断断共共地地耦耦合合通通道道，抑抑制制因因地地环环路路引引入入的的干干扰扰。隔隔离离是是将将电电气气信信号号转转变变为为电电、磁磁、光光及及其其它它物物理理量量作作为为中中间间量量，使使两两侧侧的的电电流流回回路路相相对对隔隔离又能实现信号的传递。如图离又能实现信号的传递。如图8.4所示。所示。(a)变压器隔离 (b)继电器隔离 (c)光电耦合器隔离图8.4 隔离电路电路电路电路电路电路电路第25页，共46页，编辑于2022年，星期三4串模干扰的抑制串模干扰的抑制串串模模干干
25、扰扰(又又称称常常态态干干扰扰、正正相相干干扰扰)是是干干扰扰电电压压和和信信号号电电压压串串联联叠叠加加于于负负载载或或放放大大电电路路的的输输入入端端，它它常常常常表表现现为为通通道道一一个个输输入入端端对对另另一一个个输输入入端端电电压压变变化化的的干干扰扰。抗抗串模干扰的技术措施有：串模干扰的技术措施有：(1)合理选用信号线合理选用信号线(2)在信号电路中加装滤波器在信号电路中加装滤波器(3)选择合适的选择合适的A/D转换器转换器(4)采用调制解调技术采用调制解调技术(5)用光电耦合器隔离干扰用光电耦合器隔离干扰(6)配备高质量的稳压电源配备高质量的稳压电源第26页，共46页，编辑于2
26、022年，星期三5共模干扰的抑制共模干扰的抑制共共模模干干扰扰(又又称称共共态态干干扰扰、同同相相干干扰扰)表表现现为为通通道道两两信信号号端端相相对对于于零零电电位位参参考考点点所所共共有有的的干干扰扰电电压压，包包括括交交流流和和直直流流的的两两种种电电压压。共共模模干干扰扰只只有有转转换换成成串串模模干干扰扰才才会会影影响响系系统统。可可以以选选择择隔隔离离技技术术，使使共共模模干干扰扰不不能能构构成成回回路路。对对于于由由共共模模干干扰扰转转换换过过来来的的，并并且且已已叠叠加加在在有有用用信信号号上上的的串串模模干干扰扰，可可用用前前面面个个绍绍的的抗抗串串模模干干扰的方法来滤除。扰
27、的方法来滤除。6电源噪声的抑制电源噪声的抑制实实践践说说明明，电电源源的的干干扰扰是是计计算算机机控控制制系系统统的的主主要要干干扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。(1)电源变压器的屏蔽电源变压器的屏蔽第27页，共46页，编辑于2022年，星期三(2)交流稳压器交流稳压器(3)隔离变压器隔离变压器(4)低通滤波器低通滤波器(5)采用分散独立功能块供电采用分散独立功能块供电7提高软件可靠性提高软件可靠性软件可靠性技术，主要有以下两个方面的内容。软件可靠性技术，主要有以下两个方面的内容。(1)通过软件提高系统的可靠性通过软件提高系统的可靠性(2)提
28、高软件自身的可靠性提高软件自身的可靠性第28页，共46页，编辑于2022年，星期三8.5 计算机控制系统应用实例计算机控制系统应用实例 电电阻阻炉炉炉炉温温的的控控制制，根根据据工工艺艺的的要要求求不不同同而而有有所所变变化化，但但大体上可归纳为以下几个过程：大体上可归纳为以下几个过程：(1)自自由由升升温温段段，即即根根据据电电阻阻炉炉自自身身约约条条件件对对升升温温速速度没有控制的自然升温过程。度没有控制的自然升温过程。(2)恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。(3)保温段，即要求在这一过程中炉温基本保持不变。保温段，即要求在这一
29、过程中炉温基本保持不变。(4)慢慢速速降降温温段段，即即要要求求炉炉温温下下降降的的速速度度按按某某一一斜斜率率进行。进行。(5)自由降温段。自由降温段。第29页，共46页，编辑于2022年，星期三1工艺要求工艺要求要求电阻炉炉内的温度，应按图要求电阻炉炉内的温度，应按图8.6所示的规律变化；所示的规律变化；从室温从室温t0开始到开始到a点为自由升温段，当温度一旦到达点为自由升温段，当温度一旦到达a点点(即即Ta点点)，就进入系统调节。从，就进入系统调节。从b点到点到c点为保温段，要始终在系统控制之点为保温段，要始终在系统控制之下，以保证所需的炉内温度的精度。加工结束，即由下，以保证所需的炉内
30、温度的精度。加工结束，即由c到到d点为自然点为自然降温段。保温段的时间为降温段。保温段的时间为50100分钟。炉温变化曲线对各项品质指分钟。炉温变化曲线对各项品质指标的要求如下：标的要求如下：abcdTa图8.6 炉温控制要求T00 t0 t1 t2 t3 t 第30页，共46页，编辑于2022年，星期三过过渡渡过过程程时时间间：即即从从升升温温开开始始到到进进入入保保温温段段的的时时间间t1100分钟分钟超超调调量量：即即升升温温过过程程的的温温度度最最大大值值(TM)与与保保温温值值(T0)之差与保温值之比；之差与保温值之比；静静态态误误差差：即即当当温温度度进进入入保保温温段段后后的的实
31、实际际温温度度值值(T)与保温值与保温值(T0)之差与保温值之比。之差与保温值之比。温度保温值的变化范围：温度保温值的变化范围：50100。设保温值为。设保温值为100。第31页，共46页，编辑于2022年，星期三2系统的组成和基本工作原理系统的组成和基本工作原理本电阻炉炉温自动控制系统方块图如图本电阻炉炉温自动控制系统方块图如图8.7所示。所示。计算机D/A变送器1可控硅电阻炉检测元件A/D变送器2图8.7 电阻炉炉温自动控制系统第32页，共46页，编辑于2022年，星期三控控制制过过程程：计计算算机机定定时时(即即采采样样周周期期)对对炉炉温温进进行行测测量量和和控控制制一一次次，炉炉内内
32、温温度度是是由由一一铂铂电电阻阻温温度度计计来来进进行行测测量量，其其信信号号经经放放大大送送到到模模数数转转换换芯芯片片换换算算成成相相应应的的数数字字量量后后，再再送送入入计计算算机机中中进进行行判判别别和和运运算算，得得到到应应有有的的电电功功率率数数(增增量量值值)，经经过过数数模模转转换换芯芯片片转转换换成成模模拟拟量量信信号号，供供给给可可控控硅硅功功率率调调节节器器进进行行调调节节，使使其其达达到到炉炉温温变变化化曲曲线线的的要求。要求。第33页，共46页，编辑于2022年，星期三3对象特性的测量和识别对象特性的测量和识别(1)对象模型的归纳对象模型的归纳根根据据描描述述对对象象
33、特特性性需需用用微微分分方方程程的的阶阶数数不不同同，对对象象可可分分一一阶阶或或二二阶阶。至至于于阶阶数数高高于于二二阶阶的的由由于于实实际际计计算算，分分析析参参数数有有困困难难而而用用纯纯滞滞后后的的一一、二二阶阶方方程程来来近近似似代代替，因此实用上对象模型的基本形式常取如下几种：替，因此实用上对象模型的基本形式常取如下几种：一阶对象一阶对象对象的微分方程为对象的微分方程为则它的传递函数为则它的传递函数为第34页，共46页，编辑于2022年，星期三它它的的飞飞升升曲曲线线如如图图8.8所所示示。一一般般幅幅值值的的阶阶跃跃信信号号输输入入时时，输输出出稳稳态态值值除除以以输输入入幅幅度
34、度值值即即为为放放大大倍倍数数K，输出从起始值到达输出从起始值到达0.632稳态值的时间即为时间常数稳态值的时间即为时间常数T。Typ0.632yp0y(t)t图8.8 飞升曲线一第35页，共46页，编辑于2022年，星期三纯滞后的一阶对象纯滞后的一阶对象这种对象的微分方程为这种对象的微分方程为则它的传递函数为则它的传递函数为 它它的的飞飞升升曲曲线线如如图图8.9所所示示。它它与与图图8.8的的唯唯一一区区别别在于起始有一段纯滞后。在于起始有一段纯滞后。T+yp0.632yp0y(t)t图8.9 飞升曲线二第36页，共46页，编辑于2022年，星期三(2)飞升曲线的测量飞升曲线的测量测测量量
35、的的方方法法：它它在在稳稳定定控控制制信信号号作作用用下下系系统统有有一一个个稳稳定定的的输输出出，然然后后突突然然在在输输入入端端加加一一幅幅度度适适宜宜的的阶阶跃跃控控制制信信号号。输输出出对对应应也也有有一一个个变变化化部部分分，此此即即为为输输出出的的飞升曲线，如图飞升曲线，如图8.10所示。所示。y1y00y(t)t图8.10 飞升曲线三第37页，共46页，编辑于2022年，星期三若若将将飞飞升升曲曲线线单单独独画画出出，即即为为图图8.8所所示示。利利用用上上述述同同样的方法测得的电阻炉炉温的飞升曲线如图样的方法测得的电阻炉炉温的飞升曲线如图8.11所示。所示。T+yp0y(t)t
36、图8.11 飞升曲线四第38页，共46页，编辑于2022年，星期三将将上上述述所所测测得得的的飞飞升升曲曲线线与与典典型型传传递递函函数数的的飞飞升升曲曲线线比比较较，可可知知图图8.10是是一一阶阶对对象象的的飞飞升升曲曲线线，而而图图8.11是是带带纯纯滞滞后后的的一一阶阶对象。其传递函数是：对象。其传递函数是：式中：式中：K放大系数放大系数 T对象时间常数对象时间常数 对象滞后时间对象滞后时间(3)一阶对象参数的求取一阶对象参数的求取对对于于一一阶阶对对象象的的放放大大倍倍数数K可可由由输输出出稳稳态态值值和和输输入入阶阶跃跃信信号号幅幅值值的的比比值值求求得得。输输出出从从起起始始值值
37、到到达达0.632倍倍稳稳态态值值的的时时间间即即为对象时间常数。而对象滞后时间为对象时间常数。而对象滞后时间可直接从图中测量。可直接从图中测量。第39页，共46页，编辑于2022年，星期三 但实测的飞升曲线起始部分有弯曲，不易找到确切的位置来定滞但实测的飞升曲线起始部分有弯曲，不易找到确切的位置来定滞后时间，这时可用一阶加纯滞后的虚线曲线来迫近，使后面大部后时间，这时可用一阶加纯滞后的虚线曲线来迫近，使后面大部分重合，而起始部分则可定出一个等效的滞后时间分重合，而起始部分则可定出一个等效的滞后时间，这时可在，这时可在曲线斜率的转折点曲线斜率的转折点(即拐点即拐点)处作一切线，如图处作一切线，
38、如图8.11所示。该切所示。该切线与时间轴的交点认为是一阶的起点，即纯滞后时间线与时间轴的交点认为是一阶的起点，即纯滞后时间，而切，而切线与稳态值的交点时间应为线与稳态值的交点时间应为T，加上纯滞后时间则实测为，加上纯滞后时间则实测为+T。这样就求出了一阶对象的三个参数。这样就求出了一阶对象的三个参数K、T、。设所得的飞升曲线求得本电阻炉的参数为设所得的飞升曲线求得本电阻炉的参数为 T=72（分钟）（分钟）=8（分钟）（分钟）K=330第40页，共46页，编辑于2022年，星期三4控制规律的选择和参数的计算控制规律的选择和参数的计算计计算算机机参参与与控控制制的的形形式式是是多多种种多多样样的
39、的，它它取取决决于于控控制制规规律律的的选选择择以以及及受受控控对对象象的的特特性性，现现仅仅结结合合本本电电阻阻炉炉的要求，作如下的分析：的要求，作如下的分析：根根据据炉炉温温变变化化曲曲线线的的要要求求，可可将将其其分分为为三三段段来来进进行行控控制制；自自由由升升温温段段，保保温温段段和和自自然然降降温温段段。而而真真正正需需要要电电气气控控制制的的是是前前面面二二个个阶阶段段，即即自自由由升升温温段段和和保保温温段段。为为避避免免过过冲冲，从从室室温温到到80%额额定定温温度度为为自自由由升升温温段段，在在20额额定定温温度度时时为为保保温温段段。在在自自由由升升温温段段中中，希希望望
40、升升温温越越快快越越好好，总总是是将将加加热热功功率率全全开开足足，因因此此得得自自由由升升温温段段控控制制规规律律为为：当当T0.8T0时时，选选Pk=1；第41页，共46页，编辑于2022年，星期三在在T0.8T0后，已较接近需要保温的值后，已较接近需要保温的值T0，为此采，为此采用保温段控制方程。保温控制方法有多种，如用比用保温段控制方程。保温控制方法有多种，如用比例控制，因炉丝所加功率例控制，因炉丝所加功率P的变化和炉温变化之间的变化和炉温变化之间存在一段时间延迟，因此当以温差来控制输出时，存在一段时间延迟，因此当以温差来控制输出时，即比例控制，系统只有在炉温与给定值即比例控制，系统只
41、有在炉温与给定值(保温温度保温温度)相等时才停止输出，这时由于炉温变化的延迟性质，相等时才停止输出，这时由于炉温变化的延迟性质，炉温并不因输入停止而马上停止上升，从而超过给炉温并不因输入停止而马上停止上升，从而超过给定位。滞后时间越大，超过结定值也越大。炉温上定位。滞后时间越大，超过结定值也越大。炉温上升到一定高度后，才开始下降并继续下降到小于给升到一定高度后，才开始下降并继续下降到小于给定位时，系统才重新输出。同样由于炉温变化滞后定位时，系统才重新输出。同样由于炉温变化滞后于输出，它持继续下降，从而造成温度的上下波动，于输出，它持继续下降，从而造成温度的上下波动，即所渭振荡。考虑到滞后的影响
42、，调节规律必须加即所渭振荡。考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即入微分因数，即PD调节。调节。第42页，共46页，编辑于2022年，星期三PD算法和参数的选定算法和参数的选定在连续系统在连续系统PD校正的控制量可表示为校正的控制量可表示为式中：式中：T采样周期采样周期 TD微分时间微分时间 KP比例系数比例系数 e=u0-ui误差值误差值 u0温度给定值温度给定值 ui温度反馈值温度反馈值第43页，共46页，编辑于2022年，星期三根据给定的参数和经验公式，可得：根据给定的参数和经验公式，可得：PID算法和参数选定算法和参数选定离散算法可表示为离散算法可表示为(用增量表示用增量表示)第44页，共46页，编辑于2022年，星期三式中：式中：T采样周期采样周期 TI微分时间微分时间 TD积分时间积分时间 KP比例系数比例系数实际中将用到算法为实际中将用到算法为式中式中 第45页，共46页，编辑于2022年，星期三初初值值可可以以取取q(k-1)=0，e(k-1)=0。算算法法程程序序每每一一步步要要计计算算e(k)，y(k)，q(k)，其其中中q(k)用用于于下下一一步步计计算算y(k)，M为常数项，为稳定值时所需要的功率。为常数项，为稳定值时所需要的功率。程序中选用的实际参数为程序中选用的实际参数为第46页，共46页，编辑于2022年，星期三