全套课件·计算机控制技术.ppt
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1、二五四 自动控制技术在许多领域里获得了广泛的应用,将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现,就组成了典型的计算机控制系统。如果计算机是微型计算机,就是微型计算机控制系统。一、计算机控制系统的概念一、计算机控制系统的概念1、自动控制系统的基本结构、自动控制系统的基本结构 计算机控制系统由控制计算机和受控对象两计算机控制系统由控制计算机和受控对象两大部分组成。一般来说,自动控制系统随着控制对大部分组成。一般来说,自动控制系统随着控制对象、控制规律、执行机构的不同而具有不同的特象、控制规律、执行机构的不同而具有不同的特点,可归纳为图点,可归纳为图1-11-1所示的两种基本结构。所示的两种基本结构
2、。控制器执行机构被控对象给定值被控参数变送单元测量元件控制器执行机构被控对象被控参数(a)(b)(a)闭环控制系统框图 (b)开环控制系统框图图 1-1 控制系统的一般形式2、计算机控制系统的组成图1-2 计算机控制系统结构图3 3、计算机控制系统的控制过程、计算机控制系统的控制过程(1)实时数据采集实时数据采集 (2)实时控制决策实时控制决策 (3)实时控制输出实时控制输出 (4)信息管理信息管理4、几个术语(1)实时:指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的,超出了这个时间就会失去控制时机,控制也就失去了意义。(2)“在线”方式:在计算机控制系统中,如果生产过程设备直接与计算机连
3、接,生产过程直接受计算机的控制。(3)“离线”方式:若生产过程设备不直接与计算机相连接,其工作不直接受计算机的控制,而是通过中间记录介质,靠人进行联系并作相应操作的方式。二、计算机控制系统的发展概况1、计算机控制技术的发展 (1)开创阶段(19521965年)(2)小型计算机时期(19651972年)(3)微型计算机时期(1972至今)2、计算机控制理论的发展过程(1)采样定理 (2)差分方程(3)z变换法 (4)状态空间理论(5)最优控制与随机控制 (6)代数系统理论(7)系统辨识与自适应控制三、计算机控制系统的发展趋势 普及应用可编程序控制器 采用集散控制系统 研究和发展智能控制系统 1.
4、2 1.2 微型计算机控制系统的组成及特点微型计算机控制系统的组成及特点一、微型计算机控制系统的硬件组成一、微型计算机控制系统的硬件组成图1-3 微机控制系统组成框图 二、系统的软件组成二、系统的软件组成 1.1.系统软件系统软件(1)操作系统(2)诊断系统(3)开发系统(4)信息处理2.应用软件(1)过程监视程序(2)过程控制计算程序(3)公共服务程序 三、微型机控制系统的特点三、微型机控制系统的特点1.1.计算机控制可以同时实现模拟变送器、控制器、计算机控制可以同时实现模拟变送器、控制器、指示器、手操作器以及记录仪等多种模拟仪表的指示器、手操作器以及记录仪等多种模拟仪表的功能,并且便于监视
5、和操作。功能,并且便于监视和操作。2.2.计算机控制利用计算机快速运算能力。计算机控制利用计算机快速运算能力。3.3.计算机控制利用计算机强大的信息处理能力,计算机控制利用计算机强大的信息处理能力,4.4.计算机控制系统调试、整定灵活方便。计算机控制系统调试、整定灵活方便。5.5.利用网络分布结构可以构成计算机控制、管理集利用网络分布结构可以构成计算机控制、管理集成系统,即成系统,即DCSDCS。6.6.计算机控制系统中同时存在连续型和离散型两类计算机控制系统中同时存在连续型和离散型两类信号。信号。1.3 微型机控制系统的分类微型机控制系统的分类 计算机控制系统大致可分为以下几种典型的型计算机
6、控制系统大致可分为以下几种典型的型式:操作指导、直接数字控制、顺序控制、监督式:操作指导、直接数字控制、顺序控制、监督控制以及分布式控制系统等功能。如果计算机控控制以及分布式控制系统等功能。如果计算机控制系统按照其功能或工作任务分类,可以分为以制系统按照其功能或工作任务分类,可以分为以下几种类型。下几种类型。一、操作指导控制系统一、操作指导控制系统图1-4 操作指导控制系统原理框图 二、直接数字控制系统(DDC系统)图1-5 DDC系统原理框图三、计算机顺序控制系统三、计算机顺序控制系统四、计算机监督控制系统四、计算机监督控制系统(SCC(SCC系统系统)图1-6 SCC系统原理框图 五、分布
7、式控制系统五、分布式控制系统(DCS(DCS系统系统)图1-7 分布式控制系统原理框图第2章 输入输出过程通道二五四2.1 数字量过程通道 在计算机控制系统中,需要及时对被控对象的各种参数进行检测,并将其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行处理;处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出至被控对象。因此,在计算机和被控对象之间,必须设置进行信息传递和转换的连接通道,即过程通道。一、数字量输入通道一、数字量输入通道图2-1 开关量输入通道的典型结构示意图二、数字量输出通道图2-2 典型的数字量输出通道结构示意图2.2 2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道图2-3 模拟量输入通道的组成结构示
8、意图 模拟量输入通道一般由模拟量输入通道一般由I/VI/V变换、多路变换、多路转换器、采样保持器、转换器、采样保持器、A/DA/D转换器、接口及转换器、接口及控制逻辑电路组成。控制逻辑电路组成。2.3 模拟量输出通道 模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键,它的任务是将CPU输出的数字信号转换成模拟信号去驱动相应的执行机构,以达到控制的目的。1、模拟量输出通道的组成 D7Q78 位输 入寄存器D0Q0DI7DI0ILECS1WR2WRD7Q78 位DAC寄存器D0Q01LE2LE8 位D/A转换器VREFIout2Iout1RfbAGNDVCCDGNDXFER图2-4 DAC0832
9、的内部结构2、模拟量输出通道的设计(1)(1)每个通道设置一个独立的每个通道设置一个独立的D/AD/A转换器转换器(2)(2)多通道复用一个多通道复用一个D/AD/A转换器转换器第3章 计算机控制系统的 控制算法二五四3.1 数字控制器的模拟化设计方法 计算机控制属于离散控制,可采用直接设计系统控制器的方法。当采样周期相对于对象的时间常数来说足够短,离散控制与模拟控制的性能接近时,系统控制器亦可采用模拟控制器数字化的方法来设计,也就是将描述系统调节规律的微分方程近似为差分方程,导出控制算法,用计算机实现。一、模拟化设计方法一、模拟化设计方法图3-1 计算机控制系统的典型结构图二、模拟化设计步骤
10、第一步:用连续系统理论设计;第二步:选择采样周期T;第三步:用合适的离散化方法求出;第四步:将变为差分方程或状态空间方程;第五步:编写计算机程序。3.2 3.2 数字数字PIDPID控制算法控制算法 PID控制器出现在20世纪30年代,其主要是根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制的控制规律,简称PID控制。PID控制具有原理简单,易于实现,参数调整方便,结构改变灵活,适用性强,鲁棒性强等优点。一、基本PID算法1.比例控制器(P)比例控制器的控制规律为()()pu tK e t 比例调节器对于偏差是即时反应,根据误差进行调节,使系统沿着减小误差的方向运动。误差大则控制作用也大。
11、比例调节器一般不能消除稳态误差。2.比例积分(PI)控制器 消除静差的有效的方法是在比例控制的基础上加积分控制,构成比例积分控制。比例积分控制器的控制规律为:积分调节的引入,可以消除或减少控制系统的稳态误差。但是积分的引入,有可能使系统的响应变慢,并有可能使系统不稳定。1()()()d piu tKe te ttT3.比例积分微分(PID)控制器 微分的作用是在误差刚出现且误差值尚不大时,根据误差变化的速度,提前给出较大的调节作用,使误差尽快消除。比例积分微分控制器的控制规律为:微分作用的增加有助于加速系统的动态响应,使系统超调减少,系统趋于稳定。但微分作用有可能放大系统的噪声,减低系统的抗干
12、扰能力。1d()()()()ddpdie tu tKe te ttTTt二、数字PID算法 1.PID算法的离散化()()utuk()()e te k10()d()tkne ttTe nd()(1)dee ke ktT 3.3.位置式位置式PIDPID和增量式和增量式PIDPID的功能比较的功能比较(1)位置式需要由机器外部引入执行机构的初始位置,位置式需要由机器外部引入执行机构的初始位置,而增量式是不需要的。而增量式是不需要的。(2)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用,所以即使计算机发生故障,执行器仍能保作用,所以即使计算机发生故障,执行
13、器仍能保持在原位,使工艺生产在计算机故障时不受大的持在原位,使工艺生产在计算机故障时不受大的干扰,而位置式本身不具备这种功能。干扰,而位置式本身不具备这种功能。(3)位置型算式每次输出与整个过去状态有关,容易位置型算式每次输出与整个过去状态有关,容易产生较大的累积计算误差;而增量型算式中由于产生较大的累积计算误差;而增量型算式中由于消去了积分项,容易取得较好的控制效果。消去了积分项,容易取得较好的控制效果。(4)为实现手动为实现手动自动无扰切换,在切换瞬时,计自动无扰切换,在切换瞬时,计算机的输出值应设置为原始阀门开度,若采用增算机的输出值应设置为原始阀门开度,若采用增量式,其输出对应于阀门位
14、置的变化部分,易于量式,其输出对应于阀门位置的变化部分,易于实现从手动到自动的无扰动切换。实现从手动到自动的无扰动切换。三、数字三、数字PIDPID改进算法改进算法 1.不完全微分PID算法 由于理想的微分对高频噪声有很大的放大作用,容易引起控制过程振荡,降低调节品质,因此考虑对理想的微分环节进行改进,在数字控制器中串接入低通滤波器来抑制高频干扰,不完全微分PID调节器框图如上图所示。2.2.积分分离积分分离PIDPID算法算法 积分分离算法的思想是在较大时,取消积分作积分分离算法的思想是在较大时,取消积分作用;而在较小时将积分作用投入。用;而在较小时将积分作用投入。11()()()()()(
15、1)kdpbniTTu kK e ke kKe ne ke kTT1()0()be kKe k 3.3.防积分饱和防积分饱和PIDPID算法算法(1)(1)给定值变化限制。给定值变化限制。(2)(2)积分停止算法。积分停止算法。(3)(3)增量式算法。增量式算法。(4)(4)反向计算。反向计算。4.4.微分先行微分先行PIDPID算法算法()R s1()1()ddTsTs1()1()ddTsTs1(1)piKTs()Us()Ys图3-2 微分先行PID控制框图 5.消除积分不灵敏区的PID控制 为了消除这种积分不灵敏区,除增加为了消除这种积分不灵敏区,除增加A/DA/D转换器位数,以加长字长,
16、提高运算精转换器位数,以加长字长,提高运算精度外,还可以将小于输出精度的积分项累度外,还可以将小于输出精度的积分项累加起来,而不将其丢掉,直到累加值大于,加起来,而不将其丢掉,直到累加值大于,才输出累加和。才输出累加和。6.6.带死区的带死区的PIDPID算法算法 在计算机控制系统中,某些系统为了避免控在计算机控制系统中,某些系统为了避免控制动作过于频繁,以消除由于频繁动作所引起的制动作过于频繁,以消除由于频繁动作所引起的振荡,有时采用带有死区的振荡,有时采用带有死区的PIDPID控制系统。带死区控制系统。带死区的的PIDPID控制,就是在标准数字控制,就是在标准数字PIDPID调节器前面增加
17、调节器前面增加一个非线性环节。一个非线性环节。3.3 3.3 数字数字PIDPID调节器参数的整定调节器参数的整定 数字数字PIDPID调节器参数的整定,需要确定,调节器参数的整定,需要确定,及系统的采样周期及系统的采样周期T T。控制效果的好坏,在。控制效果的好坏,在很大程度上取决于参数的选择是否恰当。很大程度上取决于参数的选择是否恰当。一、一、PIDPID参数对系统控制性能的影响参数对系统控制性能的影响1.1.比例控制对控制性能的影响比例控制对控制性能的影响2.2.积分控制对控制性能的影响积分控制对控制性能的影响3.3.微分控制对控制性能的影响微分控制对控制性能的影响4.4.控制规律的选择
18、控制规律的选择5.5.采样周期的选择采样周期的选择二、扩充临界比例度法整定二、扩充临界比例度法整定PIDPID参数参数1.1.选择一个足够短的采样周期选择一个足够短的采样周期T T ;2.2.逐渐加大比例系数,使控制系统出现临界振荡;逐渐加大比例系数,使控制系统出现临界振荡;3.3.选择控制度;选择控制度;4.4.根据控制度,查表;根据控制度,查表;5.5.按照求得的整定参数,投入系统运行,观察控制按照求得的整定参数,投入系统运行,观察控制效果,再适当调整参数,直到获得满意的控制效效果,再适当调整参数,直到获得满意的控制效果为止。果为止。三、扩充响应曲线法整定三、扩充响应曲线法整定PIDPID
19、参数参数1.1.断开数字调节器,让系统处于手动操作状态;断开数字调节器,让系统处于手动操作状态;2.2.用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线;化过程曲线;3.3.在曲线最大斜率处作切线,求得滞后时间在曲线最大斜率处作切线,求得滞后时间、被控对象的时间常数,查表。被控对象的时间常数,查表。四、试凑法整定四、试凑法整定PIDPID参数参数1.1.首先只整定比例部分;首先只整定比例部分;2.2.如果在比例调节的基础上系统的静差不能满如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求,则须加入积分环节;足设计要求,则须加入积分环节;3.3.若使用比例积分
20、控制消除了静差,但动态过若使用比例积分控制消除了静差,但动态过程经反复调整仍不能满意,则可加入微分环程经反复调整仍不能满意,则可加入微分环节,构成比例积分微分调节器。节,构成比例积分微分调节器。3.4 数字控制器的直接设计方法 数字控制器的连续化设计技术,是立足于连续数字控制器的连续化设计技术,是立足于连续控制系统控制器的设计,但是连续化设计技术要控制系统控制器的设计,但是连续化设计技术要求相当短的采样周期,因此只能实现较简单的控求相当短的采样周期,因此只能实现较简单的控制算法。由于控制任务的需要,必须根据控制系制算法。由于控制任务的需要,必须根据控制系统的性能要求,应用离散控制理论,直接设计
21、数统的性能要求,应用离散控制理论,直接设计数字控制系统,这种控制器的设计方法称为数字控字控制系统,这种控制器的设计方法称为数字控制器的直接设计方法。制器的直接设计方法。一、数字控制器的直接法设计步骤一、数字控制器的直接法设计步骤(1)根据对控制系统性能指标的要求和其他的约束条件,确定闭环系统脉冲函数;(2)确定数字控制器;(3)编程实现。二、最少拍数字控制器的设计二、最少拍数字控制器的设计 所谓最少拍控制,就是要求闭环系所谓最少拍控制,就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态。期内达到无静差的稳态。3.5 3.5 施密斯施密斯(Sm
22、ith)(Smith)预估控制预估控制 在工业生产过程中,大多数工业对象具有较在工业生产过程中,大多数工业对象具有较大的纯滞后时间。对象的纯滞后时间对控制系统大的纯滞后时间。对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利。但对象的纯滞后时间与对的控制性能极为不利。但对象的纯滞后时间与对象的时间常数之比大于象的时间常数之比大于0.50.5时,采用常规的比例积时,采用常规的比例积分微分控制来克服大出滞后是很难适应的,而且分微分控制来克服大出滞后是很难适应的,而且还会使控制过程严重超调,稳定性变差。为了满还会使控制过程严重超调,稳定性变差。为了满足含有纯滞后对象的系统的控制,提出了施密斯足含有纯滞后对
23、象的系统的控制,提出了施密斯预估算法。预估算法。3.6 大林算法 大林算法适用于被控对象是带有纯滞后的一阶或大林算法适用于被控对象是带有纯滞后的一阶或二阶惯性环节,带有纯滞后的一阶或惯性环节为:二阶惯性环节,带有纯滞后的一阶或惯性环节为:带有纯滞后的二阶或惯性环节为:带有纯滞后的二阶或惯性环节为:1()1sckGseT s12()(1)(1)sckG seTsTs第4章 控制系统应用程序设计二五四 任何一个计算机控制系统,都包括一个相应的软件支持系统。如何来组织这个软件支持系统,是一个复杂的问题。为把软件系统组织和设计好,就需要掌握程序结构、数据结构、软件的组织方法等方面的内容。4.14.1应
24、用程序设计的基本原则与方法应用程序设计的基本原则与方法 控制系统中控制任务的实现最终是靠程序的控制系统中控制任务的实现最终是靠程序的执行来完成的。应用程序设计得如何,将决定整执行来完成的。应用程序设计得如何,将决定整个控制系统的效率和它的优劣。个控制系统的效率和它的优劣。一、应用程序设计的目标及原则1.1.设计目标设计目标(1)(1)可靠性可靠性(2)(2)可修改性可修改性(3)(3)可理解性可理解性(4)(4)可测试性可测试性(5)(5)效率效率2.2.软件设计原则软件设计原则(1)(1)模块结构性原则模块结构性原则(2)(2)抽象性原则抽象性原则(3)(3)局部性原则局部性原则(4)(4)
25、信息隐藏原则信息隐藏原则三、应用程序设计的方法三、应用程序设计的方法 1.1.模块化程序设计模块化程序设计 2.2.结构化程序设计结构化程序设计 3.3.应用软件的设计应用软件的设计 4.4.工业控制组态软件工业控制组态软件4.2 数据结构及其应用 在计算机控制系统中,除了数值计算和数据的输入输出外,还常遇到非数值运算。为了设计高质量的程序,设计者不但要掌握编程技术,还要研究程序所加工的对象,即研究数据的格式、特性、数据元素间的相互关系。下面介绍常用的数据结构基本知识,包括线性表、数组、堆栈、队列、链表和树,以及数据查找和数据排序方法。一、基本术语数据(data)是描述客观事物的数、字符,以及
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