計算機控制系統(tǒng)第9章課件

1、1第9章 計算機控制系統(tǒng)軟件設計 1.計算機控制系統(tǒng)的軟件概念 本章主要內(nèi)容2.控制算法的編排實現(xiàn)3.數(shù)據(jù)處理技術蘭州交通大學自動化學院4.采樣頻率的選擇2 計算機控制系統(tǒng)的硬件是完成控制任務的設備基礎，必須有相應的軟件才能構成完整的控制系統(tǒng)。 本章主要介紹計算機控制系統(tǒng)軟件的概念及特點，介紹控制軟件的體系結構，重點介紹控制算法的不同編排結構和控制應用軟件系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)處理方法。最后簡要介紹計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)時采樣頻率對系統(tǒng)的影響和采樣頻率選取的經(jīng)驗規(guī)則。蘭州交通大學自動化學院3 計算機控制系統(tǒng)軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，如操作、管理、控制、計算和自診斷等，它是計算機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞

2、。 91 計算機控制系統(tǒng)的軟件概念 蘭州交通大學自動化學院 若按功能分類，計算機控制系統(tǒng)中的軟件分為系統(tǒng)軟件、應用軟件。41. 控制軟件的特點： 模塊化結構程序設計 偶然故障的自動恢復 對模擬量及不合理數(shù)據(jù)的處理 程序的實時性 蘭州交通大學自動化學院52.控制應用軟件體系結構 基本型結構 兩層式(客戶機服務器)結構 三層式結構 圖9-1 三層式應用軟件體系結構 蘭州交通大學自動化學院63.控制軟件設計語言的選用 編寫應用程序前首先面臨的一個問題，是選用什么語言設計程序，一般來說，可以選用機器語言、匯編語言或高級語言（如BASIC、PASICAL、PL/M、C等）來編寫程序。蘭州交通大學自動化學

3、院（1）機器語言（即機器指令）（2）匯編語言（3）高級語言（4）高級語言和匯編語言的混合使用74.實時控制軟件的設計蘭州交通大學自動化學院（1）實時管理軟件 完成實時時鐘管理，并向各分系統(tǒng)提供真實時間依據(jù)，使計算機系統(tǒng)以確定的時間周期重復進行采樣、計算、輸出；輸入/輸出信息管理，以完成數(shù)據(jù)的采集與輸出；比較完善的中斷管理功能，以便分別處理不同的中斷請求；完成對各分系統(tǒng)程序運行順序的管理，即進行任務調(diào)度；完成人-機聯(lián)系；設置系統(tǒng)的初始值。8蘭州交通大學自動化學院（2）過程監(jiān)視及控制算法計算軟件 數(shù)據(jù)變換處理程序（如數(shù)字濾波、單位換算、數(shù)據(jù)合理性檢查、數(shù)據(jù)誤差校正等）；控制指令生產(chǎn)程序（如控制器算

4、法計算、系統(tǒng)狀態(tài)控制、控制指令輸出等）；信息管理程序（如數(shù)據(jù)存儲、輸出、打印、顯示以及文件管理等）。9蘭州交通大學自動化學院92控制算法的編排實現(xiàn)1.控制算法的編排結構（1）直接型結構控制器由下述脈沖函數(shù)表示： 直接型結構是直接按高階z傳遞函數(shù)的分子、分母多項式系數(shù)進行編排。根據(jù)生產(chǎn)工藝及控制性能要求設計相應的控制器算法，在設計得到控制器算法D(z)后，就需要將控制器算法進行編排，以便計算機編程實現(xiàn)。10蘭州交通大學自動化學院 若按零點（分子）在前，極點（分母）在后 的形式編排，則可得到如圖9-2(a)、圖9-2(b)所示的零極型編排結構。若按極點（分母）在前，零點（分子）在后的形式編排，則可

5、得到圖9-2(c)所示的極零型編排結構。圖9-2 直接型結構11蘭州交通大學自動化學院（2）串聯(lián)型結構將D(z)的分子分母因式分解，得一階或二階的環(huán)節(jié)乘積如下：其中的Di（i=1，2，l）可能為或12蘭州交通大學自動化學院 D(z)可以用這些低階環(huán)節(jié)的編排結構（采用直接型編排實現(xiàn)）進行串聯(lián)而得。圖9-3即為一個四階系統(tǒng)的串聯(lián)編排結構圖（圖中每個小環(huán)節(jié)均采用零極型結構）。圖9-3 串聯(lián)型編排實現(xiàn)結構圖串聯(lián)型結構有一定的優(yōu)點：如果控制器中某一系數(shù)產(chǎn)生誤差，只能使其相應環(huán)節(jié)的零點或極點發(fā)生變化，對其它環(huán)節(jié)的零極點沒有影響。13蘭州交通大學自動化學院（3）并聯(lián)型結構將D(z)的分子分母因式分解，得一階

6、或二階的環(huán)節(jié)乘積如下：利用部分分式展開法，D(z)可以表示成一階或二階環(huán)節(jié)之和：其中的Di （i=1，2，l）可能為或14蘭州交通大學自動化學院 D(z)可以用這些低階環(huán)節(jié)的編排結構（采用直接型編排實現(xiàn)）進行并聯(lián)而得，圖9-4為一個3階系統(tǒng)的并聯(lián)編排結構圖（圖中每個小環(huán)節(jié)均采用零極型結構）。圖9-4 并聯(lián)型編排實現(xiàn)結構圖 并聯(lián)型結構有較大的優(yōu)點：各個通道彼此獨立，一個環(huán)節(jié)的運算誤差，只影響本環(huán)節(jié)的輸出，對其它環(huán)節(jié)的輸出沒有影響。152. 比例因子的配置絕大多數(shù)情況下，使各支路信號不上溢。在個別最壞情況下，若有溢出，則采用溢出保護措施。蘭州交通大學自動化學院比例因子配置的一般原則如下：盡量減少動

7、態(tài)信號的下溢值，減小不靈敏區(qū)，提高分辨率。控制算法各支路的比例因子可以采用實際參數(shù)的最大值與計算機代碼的最大值之比來確定。要保證配置比例因子前后，支路的增益與總的傳遞特性保持不變。要特別注意對A/D和D/A比例因子的計算。16圖9-5(a)，計算機實現(xiàn)增益小于1的控制器 ，其余增益移到系統(tǒng)模擬部分完成。蘭州交通大學自動化學院圖9-5(b)，將大于1的增益放到最后，并在該增益之前設置數(shù)字限幅保護，防止輸入信號較大時發(fā)生上溢。圖9-5 數(shù)字控制系統(tǒng)控制器增益的分配171.系統(tǒng)誤差的校正1）直流零位的校正 方法:先測量短路時的零位電壓x0，并將測得的數(shù)據(jù)存儲起來。正常測量時，從每次測量結果x中減去零

8、位電壓x0，即可得到零位校正后的測量結果。 2）零點漂移的自動校正 方法：輸入部分采用了一個多路開關，在開機時，或每隔一定的時間，系統(tǒng)進行一次自動校正。 蘭州交通大學自動化學院9.3 數(shù)據(jù)處理技術 18計算公式： 9-12 零點漂移自動校正電路 蘭州交通大學自動化學院19算術平均值濾波 適用對象：主要適用于對壓力、流量等周期脈動的采樣值進 行平滑加工，但對于脈沖性干擾信號的平滑效果 欠佳。 2 數(shù)字濾波幾種常用的數(shù)字濾波方法 算術平均值濾波 加權平均值濾波 中位值濾波 限幅濾波 慣性濾波 蘭州交通大學自動化學院20 式中ck（k1，2，N）是各次采樣值的加權系 數(shù)，為常數(shù)項，0ck1，且滿足。

9、 加權平均值濾波適用對象：加權平均值濾波法適用于純遲延較大的被控對象。 蘭州交通大學自動化學院21 中位值濾波 適用對象：中位值濾波對偶然脈沖干擾信號有良好的濾波效果。 中值濾波的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣m次（m3，且m=3k，一般k取奇數(shù)），并按大小順序排列，然后剔除最大最小值數(shù)據(jù)，保留中間值進行平均，作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。 濾波原理 常?。禾m州交通大學自動化學院22 限幅濾波適用對象 ：對偶然脈沖干擾信號有良好的濾波效果。 限幅濾波濾波公式式中xk第k次采樣值；yk第k次濾波結果輸出值；xH、xL采樣值允許的上限值、下限值。限速（限制變化率）濾波 式中xk、xk1第k、第k1次采樣值；y

10、k第k次濾波結果輸出值；X相鄰兩次采樣值所允許的最大增量 蘭州交通大學自動化學院23慣性濾波法適用于高頻及低頻干擾信號。 適用對象 慣性濾波 （一階低通濾波器）說明 如果同時采用幾種濾波方法，一般先用中位值濾波或限幅濾波，然后再用平均值濾波法。如果應用不恰當，非但達不到濾波效果，反而會降低控制品質(zhì)。 蘭州交通大學自動化學院 9-12 RC低通濾波器 24 查表法是一種較精確的非線性處理方法。設有非線性關系的兩個參數(shù)A和B，現(xiàn)要根據(jù)參數(shù)A取參數(shù)B的數(shù)值。 3 非線性處理1)查表法 通常有查表法、擬合函數(shù)法、折線近似與插值法。 造表根據(jù)需要確定參數(shù)A的起始值A0和等差變化值N，有 確定一塊連續(xù)存儲

11、區(qū)，設其地址為AD0、AD1、ADn，采用按順序遞增或遞減的關系，即ADi1ADiM，M是參數(shù)B在計算機中存儲值的字節(jié)數(shù)。 蘭州交通大學自動化學院25查表 設有待查參數(shù)Am，由i（AmA0）/ N，有 從存儲地址Ti處連續(xù)取M個字節(jié)數(shù)據(jù)，即為對應參數(shù)Am的Bm值。 查表法的優(yōu)點是迅速準確，但如果參數(shù)變化范圍較大或變化劇烈時，要求參數(shù)Ai的數(shù)量將會很大，表會變得很大，表的生成和維護將變得困難。 蘭州交通大學自動化學院262)擬合函數(shù)法 各種熱電偶的溫度與熱電勢的關系都可以用高次多項式描述。式中 T 溫度； 實際應用時，方程所取項數(shù)和系數(shù)取決于熱電偶的類型和測量范圍。以n4為例，對高次多項式可做如

12、下處理：E 熱電偶的測量熱電勢；a0、a1、an系數(shù)。蘭州交通大學自動化學院273)折線近似與線性插值法 圖9-14 熱電偶TE關系曲線 以溫度熱電勢函數(shù)曲線為例。右圖是某熱電偶溫度（T）與熱電勢（E）的關系曲線。 折線近似法的原理是，將該曲線按一定要求分成若干段，然后把相鄰分段點用折線連接起來，用直線方程來表示。蘭州交通大學自動化學院284 標度變換方法 為了運算、顯示或打印輸出，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成工程量。這種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，也稱為標度變換 。1)線性參數(shù)標度變換 線性標度變換的前提條件是被測參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結果之間呈線性關系。線性標度變換公式如下 式中A0、Am一次測量儀表的下限值、上限

13、值；Ax實際測量值（工程量）；N0、Nm儀表下限、上限所對應的數(shù)字量；Nx測量值所對應的數(shù)字量。蘭州交通大學自動化學院292)非線性參數(shù)標度變換 過程參數(shù)信號與該信號所代表的物理量不成線性關系，則標度變換應根據(jù)具體情況具體分析。 差壓變送器測量流量為例，由于差壓與流量的平方成正比，故有式中Q流量；得測量流量的標度變換公式為: 式中Q0、Qm流量儀表的下限值、上限值；K比例系數(shù)；P節(jié)流裝置的壓差。Qx差壓變送器所測得的差壓值；N0、Nm差壓變送器上限值、下限值所對應的數(shù)字量；Nx差壓變送器所測得的差壓值對應的數(shù)字量。蘭州交通大學自動化學院303)其它標度變換法 許多非線性傳感器并不像上面講的傳感

14、器那樣可以直接寫出解析式，或者雖然能夠?qū)懗?，但計算相當困難，這時可采用多項式插值法，也可以用線性插值法或查表法進行標度變化。蘭州交通大學自動化學院315.越限報警處理 如果需要判斷的報警參數(shù)是 ,該參數(shù)的上下限約束分別是 和 ，則上下限報警的物理意義如下：蘭州交通大學自動化學院下限報警：若 ，則下限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。下限報警：若 ，則下限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。上限報警：若 ，則上限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。321.采樣頻率對系統(tǒng)性能的影響1）對系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響在計算機控制系統(tǒng)里，采樣周期T是系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大影響。2）丟失采樣信息的影響蘭州交

15、通大學自動化學院9.4 采樣頻率的選擇為使系統(tǒng)的輸出能準確復現(xiàn)系統(tǒng)的輸入信號，要求采樣信號應能準確地包含原連續(xù)信號的信息，才可形成正確的偏差去控制輸出信號。假定輸出及反饋信號的最大頻率為max，依采樣定理，采樣頻率s應當滿足s2max。然而對于一個實際控制系統(tǒng)，信號的最大頻率max難于確定（特別像階躍信號等許多信號所含的頻率就很高）。 在計算機控制系統(tǒng)里，系統(tǒng)輸出中所含的最高頻率分量由被控對象特征根中的最高頻率決定的?？紤]到被控對象建模時的不準確，為了減少頻率混疊現(xiàn)象，常常要求采樣頻率滿足： 另外，采樣頻率可以依系統(tǒng)的閉環(huán)頻帶確定，即把閉環(huán)頻帶看作是信號的最高頻率，故采樣頻率應高于閉環(huán)頻帶兩倍

16、以上。工業(yè)應用時，考慮到高于閉環(huán)頻帶的信號分量對低頻分量的影響，為減少混疊現(xiàn)象，常應選用:343）采樣周期與系統(tǒng)抑制干擾能力的關系若干擾是變化的，且具有一定的頻率，并要求像連續(xù)系統(tǒng)那樣對干擾進行控制，那就必須依干擾信號中的最高頻率fmax來選擇采樣頻率s：蘭州交通大學自動化學院計算機控制系統(tǒng)抑制干擾的能力不如連續(xù)系統(tǒng)，主要的原因是，信號采樣使系統(tǒng)丟失了采樣間隔之間干擾變化的信息。在極端情況下，若采樣開關動作速度比干擾變化的速度慢得多，即采樣間隔過長，那么系統(tǒng)對干擾就猶如完全沒有控制作用一樣（因為在采樣間隔內(nèi)控制作用不變）。所以，在選擇系統(tǒng)的采樣頻率時，還必須要考慮系統(tǒng)可能受到的干擾以及系統(tǒng)對抑

17、制干擾的要求 通常，作用于系統(tǒng)上的干擾的頻率較高，依上式來確定s，勢必使s取得過高，以致工程實現(xiàn)較為困難。因此，工程應用中比較常用的方法可類似于圖示方法。9-15 采樣周期與輸出方差關系圖 圖為某系統(tǒng)受到隨機干擾時，輸出方差與采樣周期T的關系曲線。當T 增大時，輸出方差增加。若給定系統(tǒng)輸出方差的最大允許值，依圖即可確定最大采樣周期T允。4）系統(tǒng)輸出平滑性與采樣周期為了獲得較好的系統(tǒng)性能，希望將采樣周期取得小些較好，但也并不是越小越好，過小的采樣周期也會帶來一些欠缺和問題。 計算機產(chǎn)生的指令信號是通過零階保持器輸出的，為一組階梯信號。在這組階梯信號作用下，被控過程的輸出是一組彼此相連的階躍響應，

18、如圖所示。為了減小這種波動，采樣周期應取得小些為好，以保證在響應過程中有足夠多的采樣點數(shù)。經(jīng)驗規(guī)則是： （1）若系統(tǒng)的階躍響應是非周期形狀，一般要求在階躍響應的升起時間Tr內(nèi)的采樣點數(shù)Nr為：（2） 若系統(tǒng)的階躍響應是振蕩的形狀，要求在一個振蕩周期Td內(nèi)的采樣點數(shù)Nr為：圖9-16 輸出響應的不平滑性375）計算機字長與采樣周期當采樣周期趨于無限小時，由于計算機運算部件、A/D及D/A變換器的字長有限，計算機控制系統(tǒng)并不趨近連續(xù)系統(tǒng)，且由于字長有限所產(chǎn)生的量化誤差反而會增大。6）計算機的工作負荷與采樣周期蘭州交通大學自動化學院控制系統(tǒng)要求計算機在一個采樣周期內(nèi)應完成必要的系統(tǒng)管理、輸入、輸出、控制算法計算等任務。 最后，還應指出，在計算機控制系統(tǒng)中是否使用前置濾波器對采樣周期的選取也有很大影響。如果在系統(tǒng)中使用前置濾波器，通?？梢苑艑拰Σ蓸又芷诘南拗疲丛试S選用相對較大的采樣周期。392.選擇采樣頻率的經(jīng)驗規(guī)則(1)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(shù)為Td，那么采樣周期T應取:(2)如果被控過程具有純延滯時間，且占有一定的重要地位，采樣周期T應比延滯時間小一定的倍數(shù)，通常要求：蘭州交通大學自動化學院(3)如果閉環(huán)系統(tǒng)要求有下述特性：穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時