計算機控制系統(tǒng) 第8章

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1、1計算機控制系統(tǒng)第8章 計算機控制系統(tǒng)工程設計的某些問題北京航空航天大學2第8章主要內容 8.1 量化效應分析 8.2 采樣周期的選用 8.3 計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術 8.4 計算機控制系統(tǒng)可靠性技術 8.5 計算機控制系統(tǒng)設計 本章小結北京航空航天大學38.1 量化效應分析有限字長二進制特性有限字長二進制特性1. 量化特性量化特性 有限位(n)二進制所能表現的數據為2n個等間隔數，這個等間隔數q稱為量化單位，也稱為量化因子。字長為N，取1位作符號位，則有 1121/2NNq一個任意值的真實數x，只可以用q 的整倍數xq來表示qxL q即有qxx量化誤差常用的量化方法：(1) 舍入量化將小

2、于量化單位的尾數四舍五入整量化。 (2) 截尾量化將小于量化單位的尾數全部截掉。 北京航空航天大學4有限字長二進制特性有限字長二進制特性(1) 舍入量化(2) 截尾量化舍入量化誤差R/ 2/ 2RqqT0,00,0 TTqxqx0Tq對于原碼及反碼 對補碼 截尾量化誤差 量化特性及量化誤差北京航空航天大學5有限字長二進制特性有限字長二進制特性2. 統(tǒng)計特性統(tǒng)計特性(1)舍入情況均值方差(2)截尾情況均值方差量化誤差的概率分布密度函數量化誤差的概率分布密度函數/2/21()()dd0qRRRRRRRqEPq2/2222/21()()()dd12qRRRRRRRRqqDPq兩種情況下的量化誤差的方

3、差相同，均值卻不一樣。01()()dd2qTTTTTTTqEPq12)2(1)()()(0222qdqqdPDTqTTTTTTT北京航空航天大學6有限字長二進制特性有限字長二進制特性3. 溢出特性溢出特性 對一定碼制的二進制，數值在該處發(fā)生大的改變，二進制的這種特性稱為溢出特性，而且不同碼制的二進制數，其溢出特性也不同。 二進制數碼及其溢出特性圖 溢出特性是非線性的。運算一旦溢出，輸出將從大的正數躍變?yōu)榱慊虼蟮呢摂?，從而造成控制系統(tǒng)的失控。溢出保護措施后的數據范圍北京航空航天大學78.1.2 計算機控制系統(tǒng)中的量化1. A/D的量化效應 A/D字長的有限引起2. 控制器參數的量化效應 計算機字

4、長有限引起3. 控制規(guī)律計算中的量化效應 乘法除法運算、右移運算等4. D/A轉換的量化效應 D/A字長CPU字長圖圖8-5 8-5 計算機控制系統(tǒng)的典型結構圖計算機控制系統(tǒng)的典型結構圖 北京航空航天大學88.1.3 量化效應分析1 量化誤差分析量化誤差分析1)參數的量化誤差分析利用靈敏度分析法進行 )()()()()()()(2121011110nmnnnmmmpzpzpzzzzzzzbazazbzbzbzPzNzD(1, )ka kn)(zD)()()(2111nnnnpzpzpzazazzP首先研究的變化對極點的影響。設kakkaajjppjp(,)0jkP p a(,)0 jjkkP

5、pp aa有極點多項式利用泰勒級數展開，并忽略高次項，則有(,)(,)0jjjjkkjkzpjzpkkPPP pp aaP p apaza1() n kjjnkjiiijppapp靈敏度公式： 北京航空航天大學98.1.3 量化效應分析 參數的量化誤差分析結論：參數的量化誤差分析結論：(1) 靈敏度與 成正比k越大,ak對根的影響也越大；an對根的影響最大。當極點越接近單位圓，則它受ak的影響就越大。 (2) 靈敏度與各極點之間距離成反比(3) 靈敏度與采樣周期T有關采樣周期減少，靈敏度將增高，參數量化影響將更嚴重 (4) 系數量化靈敏度與算法編排方式有關 經驗表明，串聯與并聯編排時系數量化誤

6、差靈敏度比直接編排靈敏度小，因此，在實現高階控制器時，應盡量避免采用直接型結構。n kjp北京航空航天大學108.1.3 量化效應分析 2) 變量的量化誤差分析采用確定性分析法 認為量化干擾是一確定常數，并取其最大值，分析量化造成的最大可能誤差。(1) 變量量化誤差的確定性分析 變量量化誤差可視為附加的確定性常值外加干擾e(k)作用到系統(tǒng)上，從而可以利用各種分析方法進行分析和估算 。常做以下假設： 量化誤差源為確定性的常數，且此常數取量化誤差的最大值。 各支路量化誤差源對輸出的影響是線性疊加的； 各條支路量化誤差源對輸出的影響只考慮其穩(wěn)態(tài)值。北京航空航天大學118.1.3 量化效應分析 (2)

7、 量化誤差的傳播 確定性量化誤差通過一個環(huán)節(jié)D(z)后，得到環(huán)節(jié)輸出的最大量化誤差值為舍入量化誤差max/ 2 q1lim( )zuD z（終值定理） 11( )e1 eaTaTzD zzz求輸出的量化誤差(乘積按舍入處理)eaT解：令 11( )1D zz乘積舍入 12 1qu結論：(1)(1) 環(huán)節(jié)的極點對量化誤差起放大作用(2)T 1，量化噪聲量化誤差環(huán)節(jié)傳播結構圖北京航空航天大學128.1.3 量化效應分析2量化效應的非線性分析量化效應的非線性分析量化效應的本質是非線性特性，如死區(qū)等1( )1( )( )1U zD zR zaz(1)( )(1)u kau kr k0.9,a (0)1

8、0uq已知，輸入為零輸入為零。1乘積采用舍入量化處理 k ( )5u kq當 時，環(huán)節(jié)輸出死區(qū)2乘積采用截尾量化處理 k ( )0u k 當 時，環(huán)節(jié)輸出(0)10uq初值( )5u kq 極限環(huán)k ( )9u kq 當 時，環(huán)節(jié)輸出負死帶(0)10uq 初值0.9,a (0)10uq0.9,a 0.9,a (0)10uq初值0.9,a 一階環(huán)節(jié) 的結構圖11/(1)az當 時，環(huán)節(jié)輸出k 北京航空航天大學138.1.3 量化效應分析3 量化對閉環(huán)系統(tǒng)的影響量化對閉環(huán)系統(tǒng)的影響 從概念上可以看到，控制器算法的參數量化誤差將會改變控制算法的零極點分布，從而影響閉環(huán)系統(tǒng)的特性。 控制算法中乘法量化

9、誤差，不管是作為隨機干擾還是確定干擾，都相當于在控制算法中不同位置引入了量化誤差干擾，從而影響系統(tǒng)的輸出。 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，A/D及D/A轉換器的有效字長量化特性對閉環(huán)系統(tǒng)影響更為明顯，特別是，A/D或D/A轉換器字長通常比計算機字長要短得多，量化非線性要嚴重得多，因此對系統(tǒng)的影響更為明顯。 北京航空航天大學148.1.4 減少量化效應的變換方法 變換的特點是，在小采樣周期下，離散模型近似于原連續(xù)模型，克服了z變換的不足；在數字算法實現時有更好的數值特性。1. 變換的定義變換的定義11zzTT 或 1( )( )zTGG z 2()e12sTsTzsT ！212zs TsT！0T sG()與

10、G(s)形式相同，極點位置及各種特性與G(s)相似 北京航空航天大學158.1.4 減少量化效應的變換方法2. 變換的差分方程描述變換的差分方程描述 已知變量x(k)的變換，需要將變換定義帶入即可寫出相應的差分方程。( )( )( )C saG sU ssa1e1e( )esTaTaTaG zZssaz1(1e)/( )( )(1e)/aTz TaTTGG zT(1e)/ ( )(1e) ( )/aTaTT CUT(1e)(1e)(1)( )( )( )aTaTc kc kTc ku kTT實現時有較好數值特性 (1)e( )(1e) ( )aTaTc kc ku k實現時有較差數值特性 (

11、)( )xa y(1)( )( )zX za Y zT(1)( )( )x kx kT a y k北京航空航天大學168.2 采樣周期的選用采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響1. 對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響 采樣周期T是系統(tǒng)的一個重要的參數，對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響。2. 丟失采樣信息的影響丟失采樣信息的影響smax2采樣定理 smax(4 10)R實際應用時： s(4 10)b北京航空航天大學17采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響3. 與系統(tǒng)抑制干擾能力的關系與系統(tǒng)抑制干擾能力的關系 4. 系統(tǒng)輸出平滑性與采樣周期系統(tǒng)輸出平滑性與采樣周期輸出響應的不平滑性 sf

12、 max2l經驗規(guī)則：u階躍響應非周期 u階躍響應是振蕩 rr(5 10)TNTdr(10 20)TNT北京航空航天大學18采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響5系統(tǒng)輸出的時間延遲與采樣周期系統(tǒng)輸出的時間延遲與采樣周期 ZOH引入的相位延遲是系統(tǒng)產生相位延遲的重要組成部分 ZOH的相位遲后 為了保證系統(tǒng)有足夠的相穩(wěn)定裕度，希望在系統(tǒng)開環(huán)截止頻率處，由零階保持器引入的相位遲后不大于（510），對應有： 2/Tcc2(5 100.17 0.3557.3T）北京航空航天大學19采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響6. 計算機字長與采樣周期計算機字長與采樣周期 由于字長有限，當減小，所產生的量化誤差會增大。 當采樣周期過小時

13、，將會增大控制算法對參數變化的靈敏度，使控制算法參數不能準確表示，從而使控制算法的特性變化較大。7. 計算機的工作負荷與采樣周期計算機的工作負荷與采樣周期 計算機的運算是串行的，系統(tǒng)管理、輸入輸出、控制算法計算等各項任務都要占用一定的時間，故當計算機的速度及計算任務確定后，采樣間隔就要受到一定限制。 計算機速度提高 ，T可以取得更小。 控制算法復雜性增加 ，計算工作量增加 ，限制T的降低。北京航空航天大學20選擇采樣頻率的經驗規(guī)則 對一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果被控過程的主導極點的時間常數為Td，那么采樣周期應取 被控過程具有純延滯時間 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調節(jié)時間有要求 閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)自然頻率有要求d/

14、10TT(1/4 1/10)Ts/10Ttsn10北京航空航天大學21選擇采樣頻率的經驗規(guī)則 采樣周期選取總原則： 在能滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，應盡量選取較大的采樣周期（即較低的采樣頻率），以降低系統(tǒng)成本?？刂谱兞?流量 壓力 液面 溫度 采樣周期 s工業(yè)過程控制典型變量的采樣周期 北京航空航天大學22多采樣頻率系統(tǒng) 主要好處：(1)可以有效地減少計算機的運算量，從而降低對計算機的運算速度的要求；(2)對寬頻帶回路的快變信號選擇相應高的采樣速率，可以減少高頻控制器數字化帶來的動態(tài)誤差；根據低頻帶回路的慢變信號選擇相應低的采樣速率，可以減少低頻控制器數字化帶來的量化誤差。 多采樣速率配置的原則

15、 根據每個回路或變量特性，按前面討論的原則進行配置。就單個回路而言，采樣頻率的選擇與單速率系統(tǒng)是相同的。為使多采樣速率在計算機中實現簡單，除保證同步采樣的要求外，采樣速率之比通常取整數倍，如采樣速率比n=2，4等。北京航空航天大學23計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術8.3.1 干擾源干擾源1 電網噪聲 電網中大功率設備的啟停、電網切換或各種故障的產生，都會使電網發(fā)生瞬變，產生脈沖型噪聲。2 內部干擾 由于整個系統(tǒng)的接地系統(tǒng)不完善，信號被電磁感應和電容耦合，使系統(tǒng)內部存在干擾。3 外部干擾 主要指來自空間的干擾，如太陽及其他天體輻射的電磁波、電臺發(fā)出的電磁波、周圍的電器設備的電磁干擾，氣象條件、空中雷

16、電，甚至地磁場的變化也會引起干擾。北京航空航天大學24計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術8.3.2 抗干擾措施抗干擾措施1. 克服空間感應的抗干擾措施克服空間感應的抗干擾措施 空間感應的干擾主要來源于電磁場在空間的傳播，一般只需采用適當的屏蔽及正確的接地方法即可解決。 根據屏蔽目的的不同，屏蔽及接地的方法也不一樣： 電場屏蔽解決分布電容問題，所以一般接大地。 電磁場屏蔽主要避免雷達、短波電臺等高頻電磁場輻射干擾，屏蔽層可以用低阻金屬材料做成，而且連接大地。 磁屏蔽用以防止磁鐵、電機、變壓器、線圈等磁感應、磁耦合，屏蔽層用高導磁材料做成，一般也以接大地為好。北京航空航天大學258.3.2 抗干擾措施2.

17、 過程通道的抗干擾措施過程通道的抗干擾措施1) 串模干擾及其抑制 串模干擾疊加在被測信號上的干擾信號。 串模干擾信號的主要成分是50Hz的工頻和特殊的高次諧波，且通過電磁耦合和漏電等傳輸形式，疊加到信號或引線上形成干擾。 （1）模擬濾波（2）進行電磁屏蔽和良好的接地從根本上切斷引起干擾的干擾源。例如選擇帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜連接一次儀表（如壓力變送器、熱電偶）和轉換設備，并配以良好的接地措施來解決。圖8-18 二階阻容濾波器網絡北京航空航天大學268.3.2 抗干擾措施 2) 共模干擾及其抑制 共模干擾產生的主要原因是不同“地”之間存在共模電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地存在漏阻抗。 （1）采用

18、差分放大器作信號前置放大圖8-20 差分輸入級示意圖 （2）采用隔離技術將地電位隔開l使用變壓耦合或光電耦合隔離方法l若將光電耦合器與壓頻（V/F）變換器、頻壓（F/V）變換器組合起來，形成組合式模擬隔離器，不僅隔離方便，信號抗干擾性強，而且對模擬信號的遠距離傳送尤為有效。北京航空航天大學278.3.2 抗干擾措施3. 電源系統(tǒng)的抗干擾措施電源系統(tǒng)的抗干擾措施(1) 合理配置和使用低通濾波器和交流穩(wěn)壓裝置(2) 采用抗干擾能力強的開關電源(3) 采用分布式獨立供電(4) 采用備用電源或不間斷電源（UPS）北京航空航天大學288.3.2 抗干擾措施4. 地線配置的抗干擾措施地線配置的抗干擾措施

19、接地是抑制干擾的主要方法，其目的： 清除各電路電流流經公共地線阻抗時產生的噪聲電壓； 避免磁場及地電位差的影響，不使其形成地回路。 針對幾種地線的處理措施： 高頻電路就近多點接地的多點接地原則和低頻電路一點接地的一點接地原則； 交流地與信號地分開； 數字地與模擬地分開走線，只在一點匯在一起； 功率地的地線應粗，且與小信號地線分開，而與直流地相連； 信號地以5導體一點入地。 北京航空航天大學29 8.3.2 抗干擾措施5. 看門狗電路看門狗電路（Watchdog） Watchdog的每一次溢出輸出將引起系統(tǒng)復位，使系統(tǒng)重新初始化或產生中斷使系統(tǒng)進入故障處理程序，進行必要的處理，自動恢復正常的運行

20、程序。 程序正常運行時，CPU每隔TS Tmax，設置定時器，使定時器不能達到Tmax，故不會發(fā)出故障中斷或故障復位的信號。圖8-21 Watchdog的構成北京航空航天大學308.3.2 抗干擾措施 應用場合1) 對系統(tǒng)“飛程序”自動恢復 可用于檢測由于干擾引起的系統(tǒng)出錯并自動恢復運行，提高控制系統(tǒng)的可靠性。 只能實現任務的恢復，不可能實現斷點的恢復。 2) 對硬件的故障進行檢測 表現在Watchdog可能連續(xù)產生溢出脈沖，頻繁進入中斷處理程序。 北京航空航天大學318.3.2 抗干擾措施6. 對干擾進行濾波對干擾進行濾波 一般干擾的頻率較高，對連續(xù)模擬控制系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)本身的低通特性，

21、這些干擾對系統(tǒng)的影響會較小。 但對計算機控制系統(tǒng)，當高頻信號與有用信號一起被采樣時，將會使高頻信號折疊到低頻信號，嚴重影響系統(tǒng)的輸出。 針對計算機控制系統(tǒng)，如果系統(tǒng)干擾比較嚴重，一般都應在采樣開關之前加入模擬低通濾波器，對干擾加以衰減濾除。 在計算機內部，采用數字濾波器對進入計算機內的信號進行濾波。北京航空航天大學328.3.3 干擾濾波技術1. 模擬濾波器模擬濾波器 在采樣開關前加入適當的模擬濾波器（稱為抗混迭濾波器或前置模擬低通濾波器），通常為簡單的低通網絡。 選取濾波器參數時，應盡量保證： 在系統(tǒng)頻帶內信號幅值變化比較平坦，在該頻帶外，信號幅值有較大的衰減，成為較陡峭衰減的形狀。Ff1(

22、 )(1)nG sT s, 3 , 2 , 1n北京航空航天大學338.3.3 干擾濾波技術2. 數字濾波數字濾波 利用程序實現的濾波。只需根據濾波算法編制相應的程序即可達到目的。1) 平均值濾波 在一個采樣周期中，對信號y連續(xù)進行m次采樣，并對其取算術平均值，作為本采樣周期內的濾波器輸出。 還可以在平均算法中給各次采樣值不同的權重系數，此時濾波算法為：10)(1miiiymy10i101mii通常取滿足110m北京航空航天大學348.3.3 干擾濾波技術2) 中值濾波 在一個采樣周期中，將信號的連續(xù)次（一般取奇數,）采樣值進行排序，取其中間值作為本采樣周期內的濾波器輸出。一般m越大濾波效果越

23、好， 但延滯增大。 中值濾波對緩變過程的脈沖干擾有良好的濾波效果。3) 限幅濾波 根據對象的特點和系統(tǒng)的精度，對采樣數據的正常范圍事先作一個估計。若某次采樣受到強烈的干擾，使數據明顯超出正常范圍，就應該將其剔除。 對隨機脈沖干擾和采樣器不穩(wěn)定引起的失真有良好的濾波效果。ooo| ( )(1)|( )( )| ( )(1)|( )(1)y ky kYy ky ky ky kYy ky k 北京航空航天大學358.3.3 干擾濾波技術4) 慣性濾波 模擬RC低通濾波器的數字實現。適用于有用信號緩慢變化，干擾信號波動頻繁的場合。RC濾波器的傳函 向后差分法 f( )1( )1Y sX sT sfff

24、( )(1)( )TTy ky kx kTTTT)()1 () 1(kxky北京航空航天大學368.4 計算機控制系統(tǒng)可靠性技術8.4.1 概述概述1.計算機控制系統(tǒng)故障計算機控制系統(tǒng)故障 1）系統(tǒng)故障：是指整個系統(tǒng)運行的全局故障，它使系統(tǒng)停機或永不停機，但結果總是錯的。 固定故障重新啟動也不能恢復正常工作的故障。 偶然故障發(fā)生故障后，可用重新啟動方式使系統(tǒng)恢復正常工作 。 2) 硬件故障：這類故障是指系統(tǒng)的物理器件的工作參數偏離正常值或完全損壞而造成的故障。 3) 軟件故障：這類故障是指軟件本身所含錯誤引起的故障，它是由設計錯誤造成的。 北京航空航天大學378.4.1 概述概述2.表征系統(tǒng)可

25、靠性的特征量表征系統(tǒng)可靠性的特征量 1）可靠度系統(tǒng)在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率。 2) 失效率（亦稱故障率）工作到時刻尚未失效的系統(tǒng)，在該時刻之后的單位時間內發(fā)生失效的概率。失效率也可以表示為單位時間內發(fā)生的平均故障次數，以表示。 3) 平均故障間隔時間（MTBF） 平均故障間隔時間表示從一次故障到下一次故障的平均時間，即故障發(fā)生的時間間隔的平均值，記作m。對于不能進行維修的系統(tǒng)，使用平均無故障時間（MTTF）來表征系統(tǒng)的可靠性則更為恰當。 4) 維修度、平均修復時間（MTTR） 維修度的定義為：在規(guī)定條件下工作的系統(tǒng)，在規(guī)定時間內按照規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復到

26、能夠完成規(guī)定功能狀態(tài)的概率。北京航空航天大學388.4.2 提高系統(tǒng)硬件可靠性措施 1. 提高單機系統(tǒng)可靠性的方法提高單機系統(tǒng)可靠性的方法 (1) 對元部件嚴格篩選，使用可靠的單個元件，并對元件進行多道老化和嚴格檢驗；(2) 充分重視元部件安裝的機械強度，以使機械運動（如振動）不會引起導線或焊接區(qū)的斷裂。此外，對必要的元部件應機械加固；(3) 對組件采取涂漆和澆注處理可進一步提高機械緊固性；(4) 插座是發(fā)生故障的最常見因素，因此，應盡量少用插座，并采用大的插座；(5) 抗溫升保護，多數電子器件對溫度變化比較敏感，因此需要設計足夠的通風系統(tǒng)，采用溫度補償措施。 北京航空航天大學398.4.2

27、提高系統(tǒng)硬件可靠性措施 2.容錯技術容錯技術：在容忍和承認錯誤的前提下，考慮如何消除、抑制和減少錯誤影響的技術。冗余技術包括： 硬件堆積冗余（靜態(tài)冗余）u通過元部件的重復（如相同元部件的并聯）而獲得可靠性的提高。 2) 待命儲備冗余（動態(tài)冗余）系統(tǒng)由s+1個功能相同的模塊組成，其中一個運行，其余作備件（冷備件或熱備件）。若正在運行的模塊發(fā)生故障，它便被切除而由備用模塊取代。 3) 混合冗余（動靜冗余結合）1) 將前兩種方法結合運行的方案 北京航空航天大學408.4.3 提高軟件可靠性措施 1軟件設計的避錯技術軟件設計的避錯技術1) 采用結構化程序設計是普遍采用的方法。 (1) 無GOTO語句編

28、程 (2) 從上到下程序設計法 (3) 模塊式結構 2) 工程應用中常采用一些實用方法，如軟件固化，建立RAM數據保護區(qū)以及使用自診斷程序等。3 ) 采用自診斷程序是提高計算機軟件可靠性的重要手段。 北京航空航天大學418.4.3 提高軟件可靠性措施 2軟件的容錯技術軟件的容錯技術 軟件容錯的基本活動有四個：故障檢測、損壞估計、故障恢復和缺陷處理。 軟件容錯的基本方法： 恢復塊方法 選擇一組操作作為容錯設計單元。每一時刻有一個文本處于運行狀態(tài)。一旦該文本出現故障，則以備件文本加以替換，從而構成“動態(tài)冗余”。 N文本方法 設計N個功能相同，但內部差異的文本程序。每個文本程序中設置一個或多個交叉檢

29、測點。每當文本執(zhí)行到一個交叉檢測點時，便產生一個比較向量，并將比較向量交給驅動程序，自己則進入等待狀態(tài)，等待來自驅動程序的指令。 北京航空航天大學428.4.3 提高軟件可靠性措施 3軟件測試軟件測試 1) 軟件測試的種類 動態(tài)測試 靜態(tài)測試 程序正確性證明 2) 測試方法 黑盒法可以測試軟件的功能 白盒法可以測試程序的內部邏輯結構 3) 軟件的測試過程 (1) 模塊測試 (2) 整體測試 (3) 有效性測試 (4) 系統(tǒng)測試 北京航空航天大學438.5 計算機控制系統(tǒng)設計計算機控制系統(tǒng)設計計算機控制系統(tǒng)設計原則計算機控制系統(tǒng)設計原則1 .可靠性高2. 操作性好3. 實時性強4. 通用性好5.

30、 經濟效益高北京航空航天大學44計算機控制系統(tǒng)設計步驟 系統(tǒng)總體控制方案設計； 控制算法設計 系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)包括：1）選擇系統(tǒng)總線；2）選擇主機機型；3）輸入輸出通道設計；4）選擇傳感器和執(zhí)行機構；5）操作員控制臺設計；6）硬件設計與開發(fā)。 軟件設計與開發(fā) 系統(tǒng)調試l 包括硬件調試、軟件調試、模擬調試和現場投運。 北京航空航天大學458.5.3 系統(tǒng)調試1系統(tǒng)硬軟件調試 1) 硬件調試 2) 軟件調試2模擬調試 是在實驗室條件下實現的。常有全實物調試、半實物仿真調試。 3現場在線調試1) 需要做好調試前的準備工作 2) 制定調試大綱 3) 進行系統(tǒng)現場調試北京航空航天大學46設計舉例雙擺實

31、驗系統(tǒng)的計算機控制設計與實現1. 雙擺實驗控制系統(tǒng)介紹1)雙擺實驗控制系統(tǒng)組成北京航空航天大學478.5.4 設計舉例2）雙擺實驗控制系統(tǒng)性能指標 本實驗系統(tǒng)控制的目的是：當滑車在導軌上以一定速度和加速度運動時，應保持雙擺的擺動角度最??；或雙擺有任一初始擺角時，系統(tǒng)將使雙擺迅速返回平衡位置。 為實現上述控制目的，提出如下性能指標要求：(1) 計算機D/A輸出100mV時，電機應起動。 (2) 滑車最大運動速度為 s，D/A的最大輸出對應滑車的最大運行速度。(3) 當有較大的初始擾動（上擺角初始角度為50o）時，上下擺的擺角到達穩(wěn)態(tài)時間5s6s，擺動次數34次。(4) 當滑車從偏離零位處回歸零位

32、時，上下擺的擺角到達穩(wěn)態(tài)時間5s6s，擺動次數34次。北京航空航天大學488.5.4 設計舉例2 控制系統(tǒng)的整體方控制系統(tǒng)的整體方案案 整個系統(tǒng)結構示意圖如圖8-28所示，控制系統(tǒng)方塊圖如圖8-29所示。圖8-28 雙擺計算機控制系統(tǒng)結構圖圖8-29 雙擺計算機控制系統(tǒng)方塊圖北京航空航天大學49 8.5.4 設計舉例3 雙擺系統(tǒng)數學建模雙擺系統(tǒng)數學建模 利用拉格朗日方程建立雙擺系統(tǒng)的動力學方程并進行適當的簡化，以得到在小擾動情況下系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程。1)以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數學模型以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數學模型非保守系統(tǒng)的拉格朗日方程 ddiiiLLFtqqn,i21L：拉格朗

33、日函數=系統(tǒng)的總能量-系統(tǒng)的總勢能 北京航空航天大學508.5.4 設計舉例2）建立電機加雙擺對象的數學模型）建立電機加雙擺對象的數學模型 直流伺服電機在忽略了感抗的影響以及啟動死區(qū)電壓后，可以視為一個二階的線性系統(tǒng)。 即有圖8-31 電機模型tae2aKrUKF rXRJs2ataetaR F rrK uK K xR J x2taetaa()/FrK uK K xR J xR r北京航空航天大學518.5.4 設計舉例 進行適當的整合，就可得到平衡位置附近處電機加雙擺對象的數學模型：2et12122a232et12122422a 111115612121313010000()0000()00

34、0100() ()000()()0000010000KKmm grxMrJ RMrJxxKKmm g mm rJmxgMrJ Rlml MrJm lxxmmmmggm lm l 1t2a23a4t2a 1560()0()00 xr KMrJ Rxxuxr KMrJ Rlxx 北京航空航天大學528.5.4 設計舉例4 系統(tǒng)控制器設計系統(tǒng)控制器設計1) 系統(tǒng)速度環(huán)設計執(zhí)行電機的死區(qū)達到1V，即有 dead1VU為滿足克服死區(qū)電壓的指標要求，引入模擬放大環(huán)節(jié)，使D/A輸出時電機起動，則從計算機輸出點到控制電機輸入點之間的放大倍數必須滿足 為了滿足D/A輸出滿量程5V時對應滑車最大速度s的要求，需要

35、在控制系統(tǒng)結構中引入測速機輸出進行速度反饋。采用穩(wěn)態(tài)數值，有 雙擺控制系統(tǒng)的模擬內環(huán)0dead(/0.1)KUmaxmaxmax1gw2mVVUKK KK Krr北京航空航天大學53 考慮放大器箱的放大倍數，D/A輸出電壓u滿足： 則描述系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程可以改寫為 令ee2gwKKK K K r 8.5.4 設計舉例aa012()uuuKKK2et12122a232et12122422a 11 1115612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000K Kmm grxMrJ RMrJxxK Kmm g mm rJmxgMrJ R lml

36、 MrJm lxxmmmmggm lm l1122a23a4122a 1560()0()00ttxrK K KMrJ RxxuxrK K KMrJ R lxxuBXA北京航空航天大學548.5.4 設計舉例2) 系統(tǒng)位置環(huán)設計(1) 采樣周期的選取 根據電機的模型以及電機的相關參數可知，該電機的機電時間常數為： aMte13.9 6.250.040.467 0.0482R JeTK K根據采樣周期的選取原則，可以將采樣周期選擇為：10msT 北京航空航天大學558.5.4 設計舉例（2）位置環(huán)控制器設計 這里選用離散最優(yōu)二次型方法進行調節(jié)器設計，且只側重于設計方法的應用。TT01( )( )(

37、 )( )2kJXk QX kuk Ru k其中Q、R陣的初始設置如下： 100000010000000010000001000000005 . 000000010Q1 . 0R可利用MATLAB中的函數來計算得反饋增益K等：K,P,e=dlqr(F,G,Q,R)北京航空航天大學568.5.4 設計舉例5 軟件設計軟件設計 圖圖8-33 雙擺計算機控制系統(tǒng)的程序流程圖雙擺計算機控制系統(tǒng)的程序流程圖6閉環(huán)控制實驗結果閉環(huán)控制實驗結果1）擺角擾動閉環(huán)控制（上擺角初始擾動角度50o） 未加控制的擺角曲線 施加最優(yōu)控制的擺角曲線2）滑車位置回零控制（滑車從處回歸零位） 未加控制的擺角曲線 施加最優(yōu)控制

38、的擺角曲線北京航空航天大學57本章小結 分析了量化特性及其數學描述。重點分析了量化誤差對控制器零極點的影響，并概要地分析了量化誤差對系統(tǒng)響應特性的影響，從中總結了一些減少或抑制量化效應的方法。 簡要地總結和討論了采樣周期對系統(tǒng)性能的各種影響，提出了選用采樣周期的一些原則及經驗規(guī)則。 概要總結了系統(tǒng)可能遇到的各種干擾，并介紹了常采用的屏蔽技術、接地技術、電源抗干擾技術以及常用的看門狗技術、模擬及數字濾波技術。 介紹了一些提高系統(tǒng)硬件、軟件可靠性等方面的實用措施。 介紹了計算機控制系統(tǒng)大致的設計過程，并通過一個實驗系統(tǒng)的設計，說明了系統(tǒng)的設計步驟。 北京航空航天大學58 第第 8 8 章章 結結 束束