1、School of Automation Engineering一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與步驟一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與步驟二、過程輸入輸出通道設(shè)計(jì)二、過程輸入輸出通道設(shè)計(jì)三、數(shù)字信號調(diào)理三、數(shù)字信號調(diào)理四、數(shù)字控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)四、數(shù)字控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)五、量化效應(yīng)分析五、量化效應(yīng)分析六、采樣周期選擇六、采樣周期選擇七、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)七、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)八、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)八、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)School of Automation Engineering1. 1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則 足夠的硬件和軟

2、件支撐能力足夠的硬件和軟件支撐能力 系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面 系統(tǒng)可靠性高系統(tǒng)可靠性高 良好的可維護(hù)性良好的可維護(hù)性 較好的可擴(kuò)充性較好的可擴(kuò)充性 School of Automation Engineering控制系統(tǒng)調(diào)研與控制任務(wù)確定控制系統(tǒng)調(diào)研與控制任務(wù)確定 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型，確定控制策略與控制算法建立數(shù)學(xué)模型，確定控制策略與控制算法 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與系統(tǒng)仿真系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與系統(tǒng)仿真現(xiàn)場調(diào)試與投入運(yùn)行現(xiàn)場調(diào)試與投入運(yùn)行 2. 2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟School of

3、Automation Engineering 過程輸入輸出通道一般包括模擬量輸入輸出通過程輸入輸出通道一般包括模擬量輸入輸出通道和開關(guān)量（數(shù)字量）輸入輸出通道。道和開關(guān)量（數(shù)字量）輸入輸出通道。 1 1、模擬量輸入通道、模擬量輸入通道 School of Automation Engineering（1）信號調(diào)理）信號調(diào)理 信號調(diào)理是對來自傳感器或變送器的信號進(jìn)行必要的調(diào)整處理，使之成為較為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號，根據(jù)具體需要可包含信號放大、信號濾波、信號隔離、阻抗匹配、電平轉(zhuǎn)換、非線性補(bǔ)償、電壓/電流轉(zhuǎn)換等功能。 n信號調(diào)整信號調(diào)整 將傳感器信號調(diào)整為A/D轉(zhuǎn)換器所要求的輸入信號。 如：電平調(diào)整、電

4、壓/電流轉(zhuǎn)換等n信號濾波信號濾波 消除信號中的干擾噪聲RC濾波器 典型二階濾波器 School of Automation EngineeringnA/D轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類 逐次逼近式、雙斜積分式、并行比較（閃速）式、 串行比較（流水線）式、壓頻（V/F）轉(zhuǎn)換式、 調(diào)制式 nA/D轉(zhuǎn)換器的編碼方式轉(zhuǎn)換器的編碼方式 n二進(jìn)制編碼 單極性編碼 雙極性編碼 原碼、補(bǔ)碼、反碼、偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼n十進(jìn)制編碼（BCD碼）（2）A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 School of Automation Engineering （3）A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo) n分辨率分辨率 n二進(jìn)制 或

5、 n十進(jìn)制 或n轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量所對應(yīng)的實(shí)際模擬輸入量與理論模擬輸入量的接近程度 n轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 n量程量程 max2nxDqmax21nxDqmax2 10nxDqmax2 101nxDqSchool of Automation Engineering（4）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇原則轉(zhuǎn)換器的選擇原則 nA/D轉(zhuǎn)換的分辨率的選擇主要依據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)變化范圍和控制系統(tǒng)的精度要求來共同確定。 n如果實(shí)際模擬信號的最大值為umax，最小值為umin，最大允許誤差為emax，如果選擇A/D轉(zhuǎn)換為 n 位，則必須滿足 maxminmax2nuuemaxminmaxlglg2u

6、uen 為了使控制系統(tǒng)具有良好的精度，一般選擇為了使控制系統(tǒng)具有良好的精度，一般選擇A/D芯片的芯片的位數(shù)比上式確定的最低位數(shù)位數(shù)比上式確定的最低位數(shù)nmin要高要高12位。位。 School of Automation Engineering2 . 模擬量輸出通道模擬量輸出通道 （1）模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu)）模擬量輸出通道的基本結(jié)構(gòu) n各路獨(dú)立各路獨(dú)立D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)n多路共用多路共用D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu) School of Automation Engineering（2） D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 nD/A轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo) n分辨率分辨率 n轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精

7、度 轉(zhuǎn)換精度是反映數(shù)字量對應(yīng)的實(shí)際輸出模擬量與其理論輸出信號的接近程度。 n轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 一般為幾十納秒到幾微妙 n輸出信號類型輸出信號類型 電壓型、電流型、互補(bǔ)電流輸出型2REFnVD 2REFnID 或 School of Automation EngineeringnD/A轉(zhuǎn)換器的選擇原則轉(zhuǎn)換器的選擇原則 n選擇D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性，即在性能上必須滿足模擬量輸出通道對D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求。n D/A轉(zhuǎn)換器一般由與其對應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)輸入范圍和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度要求來共同確定。 n設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大有效輸入為umax ，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)電壓為uD，最大允許誤差為

8、emax，則其字長為n 應(yīng)滿足maxmaxmin,2Dnuuemaxmaxlgmin,lg2Duuen School of Automation Engineering3. 開關(guān)量（數(shù)字量）輸入通道開關(guān)量（數(shù)字量）輸入通道 n主要由輸入調(diào)理電路與輸入緩沖器兩部分構(gòu)成。主要由輸入調(diào)理電路與輸入緩沖器兩部分構(gòu)成。n輸入調(diào)理電路的主要對輸入的開關(guān)量信號進(jìn)行必要的濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離等處理，最終轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的TTL電平信號。n輸入緩沖器的作用是對外部輸入信號進(jìn)行緩沖、加強(qiáng)和選通，以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的接口。 School of Automation Engineering4. 開關(guān)量（數(shù)字量）輸出通

9、道開關(guān)量（數(shù)字量）輸出通道 n開關(guān)量輸出通道的主要功能主要功能是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娖阶儞Q或功率驅(qū)動去控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通/斷或啟/停等。n這類輸出通道一般由輸出鎖存器輸出鎖存器與輸出信號調(diào)理電路輸出信號調(diào)理電路構(gòu)成。 School of Automation Engineering 1. 數(shù)字濾波數(shù)字濾波 數(shù)字濾波數(shù)字濾波，就是通過一定的計(jì)算程序?qū)?shù)字信號進(jìn)行濾波與平滑，加強(qiáng)有用信號成分，消除或減少各種干擾和噪聲信號。n限幅濾波限幅濾波 其中 為相鄰兩次采樣值之差的最大允許值。 n限幅濾波對隨機(jī)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 ( )( ),( )(1)( )(

10、1)ssssy ky ky ky kYy ky k，其它YSchool of Automation Engineeringn中值濾波中值濾波n中值濾波就是對某一個(gè)被測信號連續(xù)采樣n次（n 3，且n一般為奇數(shù)），然后把n次采樣值按大小排序，再取中間值作為本次采樣的輸出值。 n中值濾波對緩慢變化的過程參數(shù)中的脈沖干擾有良好的濾波效果 School of Automation Engineeringn算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波 n算術(shù)平均值濾波就是把對信號進(jìn)行 n 次采樣采樣值進(jìn)行相加，求其算術(shù)平均值作為t kT 時(shí)刻的濾波器輸出，即 n算術(shù)平均值濾波對周期性干擾信號有較好的抑制作用，但會產(chǎn)生一定

11、的延遲 .101( )()nsiy ky kinSchool of Automation Engineeringn加權(quán)平均值濾波加權(quán)平均值濾波n將各個(gè)采樣值取不同的比例，即具有不同的權(quán)重，然后再相加。其一般算式為10( )()nisiy ky ki101niiSchool of Automation Engineeringn慣性濾波慣性濾波 n慣性濾波實(shí)際上是模擬RC低通濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)形式。式中，T 為采用周期 稱為慣性濾波系統(tǒng)，且01。 n當(dāng) 越大，頻帶越窄，濾波平滑性越好，但其相位滯后也相應(yīng)增大。 n 慣性濾波適用于波動頻繁的工藝參數(shù)濾波，它能很好地消除周期性干擾信號。 ( )(1)(1

12、)( )sy ky ky k/()ffTTTSchool of Automation Engineering2. 非線性補(bǔ)償非線性補(bǔ)償 n通過模擬量輸入通道采集到的數(shù)字量與該數(shù)字量所代表的被測參數(shù)值之間不一定呈線性關(guān)系。n需要對它們進(jìn)行非線性補(bǔ)償，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，以便于實(shí)現(xiàn)顯示和控制。n通常采用分段線性化的方法，即用多段折線近似代替曲線進(jìn)行計(jì)算，這種線性化處理方法稱為線性插值法。 School of Automation Engineering3. 標(biāo)度變換標(biāo)度變換 n經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)的無量綱數(shù)字量一般不能直接應(yīng)用于控制系統(tǒng)，必須把它們轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能參與運(yùn)算、顯示

13、、記錄和打印，同時(shí)也便于操作人員進(jìn)行監(jiān)視和管理，這種轉(zhuǎn)換稱為標(biāo)度變換標(biāo)度變換。 n根據(jù)被測參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間是否呈關(guān)系，標(biāo)度變換通常也分為線性標(biāo)度變換線性標(biāo)度變換與非線性標(biāo)度非線性標(biāo)度變換變換。 School of Automation Engineeringn一拍延時(shí)控制算法一拍延時(shí)控制算法 n一拍延時(shí)控制算法，即在采用固定計(jì)算延時(shí)，且延時(shí)時(shí)間固定為一個(gè)采樣周期 。 1. 計(jì)算延時(shí)與控制算法設(shè)計(jì)計(jì)算延時(shí)與控制算法設(shè)計(jì)School of Automation Engineering 當(dāng)采樣信號輸入后，立即進(jìn)行處理，處理完畢即輸出控制信號，計(jì)算延時(shí)與算法的計(jì)算時(shí)間密切相關(guān)，總的計(jì)算延時(shí)將

14、是不固定的 。n非固定延時(shí)控制算法非固定延時(shí)控制算法 School of Automation Engineering2. 數(shù)字控制器數(shù)字控制器D(z)的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 對于同一控制規(guī)律D(z)，通?？梢杂卸喾N不同的差分算式形式，即對應(yīng)于不同的算法結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方式，其相應(yīng)的計(jì)算效率及量化誤差的影響也有所不同。 (1) 直接型結(jié)構(gòu)直接型結(jié)構(gòu) 設(shè)10111( )( )( )1mmnnbb zb zU zD zE za za zLL則有 01( )( )( )mnijijijU zE zb zU za z求z 反變換可得 01( )()()mnijiju kbe kia u kjSch

15、ool of Automation Engineeringn當(dāng) 時(shí)，相當(dāng)于控制器有一步延遲，一般應(yīng)按照一拍延時(shí)控制算法形式實(shí)現(xiàn)。 n當(dāng) 時(shí)，一般應(yīng)按非固定延時(shí)控制算法。 n直接型結(jié)構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)比較簡單，并且許多運(yùn)算可在e(k)采集前進(jìn)行（即后臺計(jì)算），因而計(jì)算延時(shí)相對較小。n直接型結(jié)構(gòu)也存在一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，如果控制算法中參數(shù)bi和aj中任意一個(gè)參數(shù)存在一定誤差，將使該控制器所有的零極點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而影響到系統(tǒng)的動態(tài)性能。 00b 00b School of Automation Engineering（2）串行結(jié)構(gòu)）串行結(jié)構(gòu) 將D(z)表示成一系列一階或二階環(huán)節(jié)的串聯(lián)（乘積）形式，即 12

16、( )( )( )( )( )( )lU zD zkD z DzD zE zL111121111111111111111222222( )1( )( )1( )1( )( )1( )1( )( )1( )1( )( )1( )1( )( )1nnnnnnnnnmmmmmmmmmmmmUzzDzE zzpp zUzzDzUzzppzUzzDzUzzppzUzzzz zDzUzzpp zUzzzz zDzUzzpp zMM1111111111( )( )( )1zzz zU zD zkkUzzpp zSchool of Automation Engineeringn相應(yīng)的差分算式為 1121121

17、11112222 111 11( )(1)(1)( )(1)(1)( )(1)(1)( )( )(1)(1)( )( )(1)(1)( )( )(1)(1)nnnnnnnmmmmmmmmmmuke kp ukukukpukukukpukukukz ukp uku kukz ukp u ku kku kkz u kp u kMM串行結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：如果控制算法中某一個(gè)參數(shù)產(chǎn)生誤差，它也只能使其對應(yīng)環(huán)節(jié)的零點(diǎn)或極點(diǎn)發(fā)生變化，而對其他環(huán)節(jié)沒有影響。 School of Automation Engineering(3) 并行結(jié)構(gòu)并行結(jié)構(gòu) n利用部分分式展開法將D(z)分解為若干一階或二階環(huán)節(jié)的形式，

18、即 12( )( )( )( )( )( )lU zD zD zDzD zE zL1211112( )( )( )111lllnnc zc zc zU zD zE zp zp zp zL設(shè)11111222121( )( )( )1( )( )( )1( )( )( )1lllnnnnUzc zD zE zp zUzc zDzE zp zUzc zDzE zp zM令111 12222( )()(1)( )()(1)( )()(1)nnnnu zc e klp u kuzc e klp ukuzc e klp ukM則1( )( )niiu ku kSchool of Automation En

19、gineeringn并行結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是各個(gè)通道彼此獨(dú)立，一個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)算誤差只影響到本環(huán)節(jié)的輸出，而對其他環(huán)節(jié)的輸出沒有影響。 n與串行結(jié)構(gòu)一樣，并行結(jié)構(gòu)中，如果某一參數(shù)產(chǎn)生誤差，也只影響對應(yīng)環(huán)節(jié)的零點(diǎn)或極點(diǎn)，對其他環(huán)節(jié)沒有影響。 School of Automation Engineering3. 狀態(tài)空間描述控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)狀態(tài)空間描述控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) n不帶狀態(tài)觀測器的控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不帶狀態(tài)觀測器的控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 指直接利用狀態(tài)變量或輸出變量反饋構(gòu)成控制規(guī)律，即 ( )( )( )kkkurKx( )( )( )kkkurFy 以上兩式形式上使用的都是各個(gè)變量的

20、當(dāng)前值，不存在滯后，因而一般就直接用非固定延時(shí)算法1的形式實(shí)現(xiàn)即可。 School of Automation Engineeringn帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋一般結(jié)構(gòu)帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋一般結(jié)構(gòu) n帶狀態(tài)觀測器的控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶狀態(tài)觀測器的控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) School of Automation Engineeringn帶預(yù)報(bào)觀測器的控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶預(yù)報(bào)觀測器的控制器算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 為提高算法的計(jì)算效率，將帶預(yù)報(bào)觀測器的控制器算法整理為 op(1) ( )( )( )( )( )( )kkkkkkkxABKLC xBrLyAxBrLy(1)(1)(1)kkkurKx 由于預(yù)

21、報(bào)觀測器具有一步預(yù)報(bào)的形式，因此采用一拍延時(shí)算法是合理的。 School of Automation Engineeringn帶現(xiàn)時(shí)觀測器的控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶現(xiàn)時(shí)觀測器的控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 將帶現(xiàn)時(shí)觀測器的控制器算法整理為ococ( ) (1) (1)( )(1)(1)( )kkkkkkkxA LCA BKLCBK xB LCB rLyA xB rLy( )( )( )kkkurKx 顯然，帶現(xiàn)時(shí)觀測器的控制算法宜采用非固定延時(shí)算法結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并可適當(dāng)將算法分解為前臺和后臺算法，從而可用非固定延時(shí)算法2實(shí)現(xiàn)。School of Automation Engineering4. 控制算法中比例因

22、子的設(shè)置控制算法中比例因子的設(shè)置 n在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，若計(jì)算機(jī)不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，或根據(jù)實(shí)時(shí)性要求只能使用定點(diǎn)運(yùn)算，這就要求參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)及所得結(jié)果均應(yīng)在給定定點(diǎn)數(shù)的表示范圍內(nèi)。n為使所有計(jì)算不產(chǎn)生溢出，同時(shí)又要求量化誤差足夠小，在控制算法中，必須對每個(gè)參與運(yùn)算的參數(shù)及中間變量配置一定的比例因子。n一般是先配置參數(shù)的比例因子，使各個(gè)參數(shù)在定點(diǎn)數(shù)的表示范圍內(nèi)，保證比例因子配置前后，各支路及控制器總的增益保持不變；然后，再考察算法中各步運(yùn)算是否可能溢出，如可能存在溢出，則需要與參數(shù)比例因子綜合考慮，協(xié)調(diào)配置比例因子。 School of Automation Engineering1. 計(jì)算機(jī)控制系

23、統(tǒng)中量化誤差來源計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中量化誤差來源n nA/D轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)n參數(shù)的量化效應(yīng)參數(shù)的量化效應(yīng) n運(yùn)算過程的量化效應(yīng)運(yùn)算過程的量化效應(yīng) nD/A轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng) School of Automation Engineering2. 變量的量化誤差分析變量的量化誤差分析 n為分析方便，將變量的量化誤差看成確定性外界干擾作用于線性系統(tǒng)，從而對量化誤差進(jìn)行確定性線性分析。 n一般地，一個(gè)確定性常值干擾信號（取最大值emax）作用于線性系統(tǒng)，如果設(shè)由干擾作用點(diǎn)到系統(tǒng)輸出端的閉環(huán)傳遞函數(shù)為e(z)，且閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則由終值定理可的有量化誤差引起的最大輸出誤差為 11m

24、axmax111maxmax1lim(1) ( )( )lim(1)( )1lim( )(1)eezzeezeyzE zzzzzezeSchool of Automation Engineering3. 參數(shù)的量化誤差分析參數(shù)的量化誤差分析 n參數(shù)量化誤差對系統(tǒng)性能的影響可以通過系統(tǒng)性能對參數(shù)的靈敏度來進(jìn)行分析。通常，可以通過研究零極點(diǎn)對參數(shù)的靈敏度來分析參數(shù)量化誤差對系統(tǒng)性能的影響。 n設(shè)控制器的分母多項(xiàng)式為 11012( )()()()nnnnM zzazazpzpzp則極點(diǎn)pj對參數(shù)ak 變化的靈敏度可表示為 1()kjjnkjiiijppappSchool of Automation

25、Engineeringn通?？刂破鞅旧硎欠€(wěn)定的，因而極點(diǎn)均在單位圓內(nèi)，k 越大，ak對極點(diǎn)pj的影響越小，且分母多項(xiàng)式中常數(shù)項(xiàng)對極點(diǎn)影響最大，而高次項(xiàng)系數(shù)對極點(diǎn)影響較小。當(dāng)該極點(diǎn)越接近單位圓時(shí)，則受參數(shù)影響越大。n極點(diǎn)對參數(shù)的靈敏度與該極點(diǎn)與其它極點(diǎn)之間的距離成反比，即極點(diǎn)分布越分散，則極點(diǎn)受參數(shù)變化的影響越小。n靈敏度與采樣周期有關(guān)。隨著T的減小，極點(diǎn)越靠近1，從而靈敏度越高。對于多極點(diǎn)而言，采樣周期減小，各極點(diǎn)均向1靠近，使得各極點(diǎn)之間的距離也減小，從而增加了極點(diǎn)對參數(shù)變化的靈敏度。因此，采樣周期較小，靈敏度將增高，參數(shù)量化誤差對極點(diǎn)的影響越嚴(yán)重。 School of Automation

26、 Engineering4. 量化效應(yīng)的非線性分析量化效應(yīng)的非線性分析 n以一階數(shù)字控制器為例，并以很短字長的十進(jìn)制數(shù)運(yùn)算來說明量化誤差產(chǎn)生非線性效應(yīng)的相關(guān)情況。 n例例 11.4 設(shè)一階數(shù)字控制器為 設(shè)輸入e為階躍函數(shù)，且u (0)3，試分別分析舍入與截尾運(yùn)算時(shí)，控制器的輸出序列u(k)。 解解 由控制器D(z)可的其差分遞推算式 1( )1( )( )1 0.9U zD zE zz( )0.9 (1)( )u ku ke kSchool of Automation Engineeringn采用十進(jìn)制運(yùn)算，且量化運(yùn)算結(jié)果為整數(shù) ,運(yùn)算結(jié)果如下乘法舍入運(yùn)算結(jié)果 乘法截尾運(yùn)算結(jié)果 其理想穩(wěn)態(tài)值應(yīng)

27、為10，可見以上兩種量化處理均出現(xiàn)了死區(qū)死區(qū)。 School of Automation Engineering 例例 11.5 設(shè)一階數(shù)字控制器為 n解解 對于無限字長運(yùn)算，由終值定理，可得 1( )1( )( )1 0.9U zD zE zz 設(shè)輸入e為一個(gè)在 k = 1時(shí)刻幅值為10的脈沖，且u (0)0，試分別分析舍入與截尾運(yùn)算時(shí)，控制器的輸出序列u(k)。 1111( )lim(1)010.9zuzz 由控制器D(z)可的其差分遞推算式 ( )0.9 (1)( )u ku ke k School of Automation Engineering 可見，采用舍入運(yùn)算，輸出序列在正負(fù)交

28、替衰減到5后，形成一個(gè)在55之間的等幅振蕩，即極限環(huán)振蕩；采用截尾運(yùn)算時(shí)，其輸出序列卻能收斂到其理想的穩(wěn)態(tài)值0。 n其運(yùn)算結(jié)果如下乘法舍入運(yùn)算結(jié)果 乘法截尾運(yùn)算結(jié)果 School of Automation Engineering 1. 采樣周期選擇的一般考慮采樣周期選擇的一般考慮 n閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 n閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬n保持器重構(gòu)誤差與相位滯后 n系統(tǒng)抗干擾性能 n前置濾波器 n計(jì)算機(jī)字長 n數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法 n計(jì)算機(jī)工作負(fù)荷 (4 10)sb(10 20)sb(20 100)sbSchool of Automation Engineering2. 采樣周期選擇的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則采樣周期選擇的經(jīng)驗(yàn)

29、規(guī)則 n對一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果被控對象的主導(dǎo)極點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)為Td，那么采樣周期T應(yīng)選取n如果被控對象具有純滯后時(shí)間，且對系統(tǒng)影響較大，采樣周期應(yīng)選得比純滯后時(shí)間小，通常要求n如果閉環(huán)系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間為ts，閉環(huán)自然頻率為n，則采樣周期可取為 /10dTT(0.1 0.25)T/10sTtsn10 或 采樣周期經(jīng)驗(yàn)值采樣周期經(jīng)驗(yàn)值 School of Automation Engineering 1. 干擾源干擾源 n來自系統(tǒng)外引線的外部干擾來自系統(tǒng)外引線的外部干擾 傳導(dǎo)干擾n來自空間的輻射干擾來自空間的輻射干擾 電磁輻射 n 內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾 由系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局與電路設(shè)計(jì)及制造工藝不完

30、善所引入的干擾 School of Automation Engineering2. 干擾的作用形式干擾的作用形式 n串模干擾串模干擾 串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲，即相當(dāng)于干擾源串聯(lián)在信號源回路中，也稱為差模干擾或常態(tài)干擾。n共模干擾共模干擾 共模干擾是指在信號的兩個(gè)輸入端相對公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱共態(tài)干擾。 School of Automation Engineering3. 串模干擾的抑制串模干擾的抑制 n采用輸入濾波器采用輸入濾波器 低通濾波器 n采用電磁屏蔽和良好接地采用電磁屏蔽和良好接地 n采用電流信號傳輸采用電流信號傳輸 420mA School of Auto

31、mation Engineering4. 共模干擾的抑制共模干擾的抑制 n變壓器隔離變壓器隔離n光電隔離光電隔離 n School of Automation Engineeringn 浮地屏蔽浮地屏蔽n采用差分輸入放大器采用差分輸入放大器 共模干擾電壓只有轉(zhuǎn)變?yōu)榇８蓴_才能對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，為了抑制共模干擾，就要盡量做到線路平衡。采用差分放大器可以較為有效地抑制共模干擾。 School of Automation Engineering5. 電源系統(tǒng)的抗干擾措施電源系統(tǒng)的抗干擾措施 n合理配置低通濾波器與交流穩(wěn)壓裝置合理配置低通濾波器與交流穩(wěn)壓裝置 n采用抗干擾能力強(qiáng)的開關(guān)電源采用抗干擾能力強(qiáng)

32、的開關(guān)電源 n采用分布式獨(dú)立供電采用分布式獨(dú)立供電 n采用采用UPS等備用電源等備用電源 School of Automation Engineering6. 接地系統(tǒng)的抗干擾措施接地系統(tǒng)的抗干擾措施 n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的地線種類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的地線種類 數(shù)字地、模擬地、信號地、交流地、直流地、功率地、屏蔽地 n接地處理的一般原則與措施接地處理的一般原則與措施 n接地方式 保護(hù)接地一般均采用一點(diǎn)接地方式，而工作接地根據(jù)工作電流頻率不同有一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種。n交流地與直流地分開 n模擬地與數(shù)字地分開 n屏蔽地接法 屏蔽體最好接大地 ，并將屏蔽體與放大器的公共端連接起來。 School of A

33、utomation Engineering 1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的一般原則計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的一般原則 。 n在滿足系統(tǒng)功能的前提下，盡可能地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在滿足系統(tǒng)功能的前提下，盡可能地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 n不必追求過高的性能指標(biāo)和過多的系統(tǒng)功能。不必追求過高的性能指標(biāo)和過多的系統(tǒng)功能。n合理劃分系統(tǒng)硬件、軟件功能。合理劃分系統(tǒng)硬件、軟件功能。 n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須具備良好的散熱條件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須具備良好的散熱條件。n電路連接一定要可靠。電路連接一定要可靠。 n一般還應(yīng)考慮系統(tǒng)或相應(yīng)的關(guān)鍵部件的機(jī)械防震、防塵、一般還應(yīng)考慮系統(tǒng)或相應(yīng)的關(guān)鍵部件的機(jī)械防震、防塵、防輻射、防潮、防水等相關(guān)設(shè)計(jì)。防輻射、防潮、防水等相關(guān)設(shè)計(jì)。 School of Automation Engineering2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件可靠性設(shè)計(jì) n元器件的選擇元器件的選擇 n元器件的失效率n n選擇元器件時(shí)，應(yīng)盡量選取處于有效期的元器件。 School of Automation Engineering 硬件容錯通常利用硬件冗余技術(shù)將可靠性較低的元部件組成一個(gè)可靠性較高的系統(tǒng); 硬件冗余一般有工作冗余于