对某一特定对象进行计算机控制系统的离散化设计.docx
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1、计算机控制系统课程设计说明书 摘 要本次课程设计分为有限拍无纹波设计和DDC系统的设计两部分。有限拍无纹波设计是系统在典型输入信号作用下,经过尽可能少的的采样周期后,系统达到稳定,并且在采样点之间没有纹波。有限拍控制实质上是时间最优控制,系统的性能指标是调节时间最短。DDC系统的设计分为开发设计和应用设计两部分。开发设计是生产最终用户所需的硬件和软件,应用设计时选择被控对象所需的硬件、软件和控制方案。应用设计的过程按顺序可以分为可行性研究、初步设计、详细设计、组态设计、应用组态、安装调试、现场投运7个阶段。本文讨论其中的控制方案设计、工程设计和运行调试。关键词:计算机控制系统;离散化设计;有限
2、拍无纹波;DDC设计 目 录 第一章 有限拍无纹波调节器的设计11.1 有限拍无纹波设计依据11.1.1 有限拍设计概述11.1.2 有限拍调节器的设计21.1.3 有限拍无纹波设计41.2 有限拍无纹波设计实例5第二章 加热炉系统的DDC原则性设计82.1 DDC系统的开发设计概述82.2 DDC系统的应用设计92.2.1 应用设计的原则92.2.2 应用设计的内容102.2.3 加热炉DDC系统的控制方案设计102.2.4 DDC系统的硬、软件的选择及调试19后记21参考文献22第一章 有限拍无纹波调节器的设计本章分为设计依据和设计实例两部分。介绍了离散化设计中的有限拍无纹波调节器设计是在
3、Z平面上设计的方法,对象可以用离散模型表示,或者用离散化模型表示的连续对象。离散化设计时也应该合理选择采样周期,系统必须工作在线性区。1.1有限拍无纹波设计依据1.1.1有限拍设计概述有限拍设计是在系统在典型的输入作用下,设计出数字调节器,使系统的调节时间最短或者系统在有限个采样周期内结束过渡过程。有限拍控制实质上是时间最优控制,系统的性能指标是调节时间最短(或者尽可能地短)。典型输入的Z变换具有的形式。有限拍随动系统如图1-1示,图中D(z)是数字调节器模型,由计算机实现,是零阶保持器的传递函数。 R(S)D(Z)H0(S)G(S)_+Y(Z)TTT有限拍调节器零阶保持器对象E(Z) 图1-
4、1 有限拍随动系统G(s)是控制对象的传递函数,零阶保持器和控制对象离散化以后,成为广义对象的Z传递函数HG(z) HG(z)=Z (1-1)有限拍随动系统的闭Z环传递函数 (1-2)有限拍随动系统的误差Z传递函数= (1-3)有限拍随动系统的调节器由(1-2)和( 1-3)可得 (1-4)由式(1-4)可见有限拍数字调节器跟对象持性HG(z)和闭环Z传递函数有关,也跟误差Z传递函数有关。众所周知,随动系统的调节时间也就是系统的误差e(kT)达到恒定值或趋于零所需要的时间,根据Z变换的定义 = (1-5) 由式(1-5)就可知道。有限拍系统就是要求系统在典型的输入作用下,当kN时,为恒定值或等
5、于零。N为尽可能小的正整数。由式(1-3)得 (1-6)在特定的输入作用下,为了使(1-6)式中E(z)是尽可能少的有限项,必须合理地选择。1.1.2 有限拍调节器的设计由(1-4)式,有限拍调节器,它跟系统的闭环Z传递函数和输入型式与选择的有关,也跟对象的特性有关。当对象特性中包含因子以及单位圆上(z=1除外)和单位圆外的零点时,有限拍调节器将可能无法实现。设 = (1-7)则 (1-8)式中,是零点,是极点。由式(1-8)可见,若中存在环节,则表示数字调节器应具有超前特性,即在环节施加输入信号之前r个采样周期就应当有输出,这样的超前环节是不可能实现的。所以分子中含有因子时,必须使闭环Z传递
6、函数的分子中含有因子,以抵消中的因子,以免中出现超前环节。 在式(1-8)中,若在中,存在单位圆上(除外)和单位圆外的时,则将是发散不可实现的,因此,中不允许包含的这类零点,也不允许它们作为的极点,所以只能把中1(除外)的零点作为的零点,从而保证了的稳定性。当然,的分子部分增加了这些1(除外)的零点以后,将使调节时间加长。由式(1-4),有限拍系统的闭环传递函数 (1-9)若对象特性的极点中,存在单位圆上(除外)或单位圆外的极点时,为了保证系统的输出稳定,的单位圆上(除外)或单位圆外的极点,用的零点对消掉。综上所述,设计有限拍调节器时,必须顾及的可实现性要求,合理选择和。(1)必须是可实现的,
7、不包含单位圆上(除外)或单位圆外的极点;不包含超前环节。(2)选择时,应把分子中因子,作为分子的因子,即的分子部分必须包含分子部分的因子(r=1,2,3,);应把的单位圆上(除外)和单位圆外的零点作为的零点。(3)选择时,必须考虑输入型式,并把的所有不稳定极点,即单位圆上(除外)和单位圆外的极点作为的零点。1.1.3 有限拍无纹波设计有限拍系统采用Z变换方法进行设计,采样点上的误差为零,不能保证采样点之间误差值也为零,有限拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波。纹波不仅造成误差,也消耗功率,消费能量,而且造成机械摩损。有限拍的设计的要求是在系统的典型输入作用下,经过尽可能少的采样周期以后,系统达
8、到稳定。并且,在采样点之间没有纹波。波动是零阶保持器的输入的波动造成的。有限拍无纹波设计就是要求当kN时,保持恒定值,或为零,N为某正整数。由于 ,若选定是的有限多项式,那么,在确定的输入作用下,经过有限拍,就能达到某恒定值,而且能保证系统的输出没有纹波。为了使是有限拍,应该让是的有限多项式,由式(1-4)可得 (1-10)式中,分别是的极点和零点。由式(1-10)可以看出,的极点不会影响成为的有限多项式,而的零点有可能使成为的无限多项式,因此有限拍无纹波系统的设计,要求的零点包含的全部零点。这也是有限拍无纹波设计与有限拍有纹波设计的唯一不同之处。在有限拍有纹波设计时,只要求的零点包含的单位圆
9、上(除外)和单位圆外的零点。1.2有限拍无纹波设计实例已知条件:设有限拍无波纹随动系统如图,对象特性G(S)=10/S(1+0.1S) 采用零阶保持器,采样周期T=0.1S,试设计单位速度输入时有限拍无波纹调节器D(Z)。 R(S)D(Z)H0(S)G(S)_+Y(Z)TTT有限拍调节器零阶保持器对象E(Z)图1-2 有限拍随动系统解:广义对象的Z传递函数= 具有因子,零点,极点,。 选择 (1-11) Gc(z)中z-1和1+0.717z-1是由于HG(z)中含有z-1因子和零点z=-0.717, Ge(z)中(1-z-1)2是由单位速度输入决定的。 而Gc(z)中(a0+a1z-1)的项和
10、Ge(z)中的(b0+b1z-1)项是为了使Ge(z)和Gc(z)的阶次相同,且使式子Gc(z)=1-Ge(z)成立。由式(1-11)可得解方程,可得 a0=1.408,a1=-0.826,b0=1,b1=0.592单位速度输入时,有限拍无纹波调节器由Z变换定义可得 e2(0)=0 e2(T)=0.3825 e2(2T)=0.0174 e2(3T)=e2(4T)=e2(5T)=0.1系统三拍以后,即k3,e2(kT)=0.1,所以系统的调节时间ts=3T=0.3s,并且可保证系统的输出是无纹波的。与有纹波有限拍系统一样,按单位速度输入设计的有限拍无纹波系统,当输入为单位阶跃函数时,调节时间ts
11、=3T=0.3s,超调量p相当大。为了作出有限拍无纹波系统的输出相应,(包括采样点之间的输出值),可以用广义Z变换或扩展Z变换求出然后求出相应的y(t)。图1-3表示有限拍无纹波系统的输出响应。由上述分析可以得出,为了消除纹波,系统的调节时间加长或者调节性能变坏。有限拍无纹波设计,仍然只是针对某种类型的输入信号。当输入型式改变时,系统的动态性能通常变坏。图1-3 有限拍无纹波系统的输出响应以上就是对某一特定对象进行计算机控制系统的离散化设计的结果,并通过有限拍无波纹调节器的设计思路和例题,实现了有限拍的设计目的,在系统的典型输入作用下,经过尽可能少的采样周期以后,系统达到稳定。并且,在采样点之
12、间没有纹波。第二章 加热炉系统的DDC原则性设计 DDC系统的应用领域十分广泛,如石油、化工、发电、冶金、轻工、制药和建材等领域,现已成为计算机控制的基本系统,按需要构成小、中、大系统。DDC系统功能的发挥取决于应用设计的水平。本章叙述加热炉燃烧系统DDC原则性设计的方法。 DDC系统的设计分为开发设计和应用设计两部分。开发设计是生产最终用户所需的硬件和软件,应用设计时选择被控对象所需的硬件、软件和控制方案。2.1DDC系统的开发设计概述开发者的任务是生产最终用户所需的硬件和软件。首先进行市场调查,了解用户需求;然后进行系统设计,落实具体的技术指标;最后进行制造调试,检验合格后在市场销售。开发
13、设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。(1)标准化标准化是指硬件要符合国际和行业标准规范。例如,设计工业PC要符合PC总线标准,采用通用的元器件,如Intel 80386、80486,Pentium系列CPU,标准的RS-232、RS-422、RS-485、以太网通信接口等。(2)模板化硬件模板化是指按系统功能把硬件分成若干个模板。例如,可以把一台工业PC分成主机板、AI板、AO板、DI板、DO板、通信板、总线底板等。(3)模块化软件模块化是指按应用软件功能将其分为若干个功能模块,每个模块之间既相互独立又相互联系,若干个模块组合成功能更齐全的模块组。(4)系列化系列化是指构成系统的硬
14、件和软件要配套。例如,配置一台工业PC,除了一系列的硬件模板外,还要有安装硬件模板的机箱或机架,另外还有配套的硬盘、软盘、光盘、显示器、键盘、鼠标和打印机等。软件除了Windows操作系统及其配套软件外,还要有配套的 用于工业控制的应用软件或监控组态软件。开发者为用户提供通用的OEM产品,即初次制造产品,这种开发设计被称为“一次开发”。用户按被控对象的要求选择所需的OEM产品,并组装成计算机控制系统,对生产过程实施控制,这种应用设计被称为“二次开发”。2.2DDC系统的应用设计应用者的任务是选择满足控制对象所需的硬件和软件,设计控制方案,并用监控组态软件构成可实际运行的控制回路及操作显示画面,
15、通过现场投运调试,满足操作监控要求。应用设计的过程按顺序可以分为可行性研究、初步设计、详细设计、组态设计、应用组态、安装调试、现场投运7个阶段。本文讨论其中的控制方案设计、工程设计和运行调试。DDC系统的应用设计的目标是把控制系统方案应用于生产过程,实现安全运行,满足控制要求。DDC系统的应用设计的内容是用工程图纸和文字资料描述控制方案的具体方案。下面简略介绍应用设计的原则和内容。随着DDC系统规模的不断扩大和复杂程度的不断提高,过去那种单一、两个人的手工作坊式的设计方法已不使用,必须依靠许多人分工协调共同完成。为此,人们总结出一系列科学的设计方法,包括规范化设计方法,结构化设计方法和集成化设
16、计方法。2.2.1应用设计的原则 DDC系统的应用设计人员必须要有正确的设计指导思想、严谨的科学作风、熟练的业务技能和丰富的实践经验,另外还必须符合一系列应用设计规范。为了做好DDC系统的应用设计工作,设计人员应综合考虑下列设计原则。(1)符合应用设计标准和规范目前我国石油、化工、电力、冶金等工业部门制定了有关常规仪表控制系统和计算机控制系统的应用设计标准和规定,并出版了设计手册及工具书,可以参照这些标准和规定进行DDC系统的应用设计。(2)坚持求实和创新精神创新是为了提高设计的先进性,以利于推动生产过程自动化水平的不断提高。因此,设计人员要勇于开拓进取,充分吸取国内外的先进技术。(3)处理好
17、技术与经济的关系设计工作处了要技术上可靠和先进外,还需要考虑经济上的合理性,加强经济论证分析,做多方案的技术与经济比较,以求得良好的综合效益。技术水平的高低应该从工程实际出发,使技术和经济得到辩论的统一。(4)维护设计的科学性和客观性设计的依据是来自生产工艺的要求,设计人员应深入生产第一线了解用户需求。为了维护设计的科学性和客观性,设计中采用的基础资料要准确可靠,各种数据和技术条件要正确、切合实际。为了保证设计的完整性和严肃性,设计文件要规范化,文件中的文字说明要清楚和确切。图纸要清晰和正确。(5)协调各个专业之间的关系DDC系统的应用和设计是整个项目设计的一部分,是能否实现生产过程自动化的关
18、键。尽管DDC系统的应用设计属于自控专业的设计范围,设计人员除了要重视应用设计工作外,还应处理好与外专业之间的相互配合,协调各个专业之间的关系。主要处理好与下述专业的关系:自动专业与工艺专业的关系 DDC系统的应用设计人员必须了解工艺的流程及装置布局,熟悉生产过程的控制要求和操作方式。工艺专业设计人员必须向自控专业控制人员提供自控条件和工艺参数。 自控专业与设备专业的关系DDC系统的应用设计人员必须了解设备的概况和性能,对关键性设备要了解其工作原理的操作特点。设备专业设计人员必须向自控专业设计人员提供设备控制要求,一次仪表安装位置和设备运行参数。自控专业与电气专业的关系DDC系统的应用设计人员
19、必须向电气专业设计人员提出仪表供电电源等级、供电电压、允许电压波动范围和耗电量,备用电源和不间断电源的供电要求,控制室接地和防干扰要求。2.2.2应用设计的内容根据控制方案和设计原则,绘制应用设计图,编写设计说明书。DDC系统的应用设计的主要内容包括以下几点:(1)管线仪表设备(PID)位号图(2)现场仪表设备选型(3)计算机设备选型(4)安装接线图(5)控制系统的组态文档2.2.3加热炉DDC系统的控制方案设计DDC系统的控制方案的设计必须针对某个生产过程或被控对象,下面仅以加热炉燃烧控制为例来讨论。根据已知条件,对某加热炉燃烧系统进行DDC原则性设计,使加热炉能环保经济的运行。 1炉温并行
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- 某一 特定 对象 进行 计算机控制 系统 离散 设计