计算机控制系统的离散化设计.doc

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1、计算机控制系统课程设计说明书 前 言 计算机控制系统 系统地论述了计算机控制系统的结构、原理、设计和应用，既有理论分析也有应用实例，论述了直接数字控制系统（DDC）、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS)和可编程控制器系统（PLS或PLC）4类典型的计算机控制系统。直接数字控制系统（DDC)是计算机控制的基础，本书深入论述了DDC系统的形成、发展、体系结构、控制算法、硬件、软件、设计和应用，分析了DDC系统的输入、输出、控制和运算功能，并引入了功能块及组态的概念；集散控制系统（DCS）是计算机控制的主流系统，本书概述了DCS的产生、发展、特点和优点，论述了DCS的体系结构、控制站、

2、操作员站、工程师站和应用设计，分析了DCS的分散控制和集中管理的设计思想，以及分而自治和综合协调的设计原则。 通过本课程设计，使学生能较好的使用离散化设计方法对被控对象进行校正分析；对计算机控制系统DDC设计过程中的方案设计有初步了解，通过该设计在一定程度上使学生对计算机控制系统所学知识进行整合，使其得到一次全面、系统、独立的培养。目 录 第一章 计算机控制系统的离散化设计1 1.1有限拍设计 11.1.1有限拍设计的概述11.1.2 有限拍调节器21.1.3 采样频率的选择21.2 有限拍无纹波设计31.2.1 有限拍无波纹设计概述31.2.2有限拍无纹波设计实例3本章小结5第二章 DDC系

3、统的设计和应用62.1.DDC系统的设计62.1.1DDC系统的设计原则62.1.2 DDC系统的设计过程62.2.DDC系统的应用62.2.1.DDC系统的应用设计62.2.2.DDC系统的应用实例6本章小结13总 结14参考文献15 第一章 计算机控制系统的离散化设计计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出数字调节器，使系统达到要求的性能指标。本章介绍的离散化设计是在Z平面上设计的方法，对象可以用离散模型表示，也可以用离散化模型表示的连续对象。离散化设计比模拟设计精确，所以离散化设计有的也称为精确设计法。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。本章将重

4、点介绍有限拍无波纹设计。 1.1 有限拍设计 1.1.1 有限拍设计的概述有限拍设计是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化控制，系统的性质指标是调节时间最短（或者尽可能的短）。 1.1.2 有限拍调节器 图1-1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。有限拍数字调节器 跟对象特性HG（z)和闭环Z传递函数Gc(z)有关，也跟误差Z传递函数Ge(z)有关。 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1-1 有限拍随动系统G(s)是控

5、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） 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，为恒定值或等于零。N为尽可能小的正整数。 设计有限拍调节器时，必须顾及D(z)的可实现性要求，合理选择Ge(z)和Gc(z)。 （1）D(z)必

6、须是可实现的，D(z)不包含单位圆上（z=1除外）和单位圆外的极点；D(z)不包含超前环节。 （2）选择Gc(z)时，应把HG(z)分子中因子，作为Gc(z)分子的因子，即Gc(z)的分子部分必须包含HG(z)分子中因子（r=1，2，3，.)；应把HG(z)的单位圆上（=1除外)和单位圆外的零点作为Gc(z)的零点。（3)选择Ge(z)时，必须考虑输入型式，并把HG(z)的所有不稳定极点，即单位圆上（=1除外)和单位圆外的零点作为Ge(z)的零点。 1.1.3 采样频率的选择 按照典型输入设计的有限拍系统，其调节时间为一个到几个采样周期T，也就是说明调节时间和采样周期T有关，当系统的采样频率无

7、限增加，也就是采样周期无限缩短时，系统的调节时间不是趋于零的，因为采样频率的上限受饱和特性的限制，不可能无限提高。 1.2 有限拍无纹波设计 1.2.1 有限拍无波纹设计概述有限拍系统采用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，也能消耗功率，消费能量，而且造成机械摩损。有限拍的设计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，保持恒值，或为零，N为某正数。由于 。若选定是的有限多项式

8、，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。 有限拍无纹波设计，要求Gc(z)的零点包含HG(z)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Gc(z) 的零点包括HG(z)的单位圆上（=1除外)和单位圆外的零点。 1.2.2有限拍无纹波设计实例已知条件：有限拍无波纹随动系统如图1-2，对象特性G(S)=10/S(1+0.1S) 采用零阶保持器，采样周期T=1S,试设计单位阶跃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

9、1-2 有限拍随动系统设计过程如下：广义对象的Z传递函数： =选择 （1-6） Gc(z)中z和(9z+1)是由于HG(z)中含有z因子和零点z=-0.111，Ge(z)中(z-1)2是由单位速度输入决定的。而Gc(z)中(a0+a1z)的项和Ge(z)中的(b0+b1z)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（1-6）可得 解方程，可得 a0=1.89，a1=-0.99，b0=1，b1=0.11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)=0.21 e2(2T)=e2(3T)=e2(4T)=1系统三拍以后，

10、即k2，e2(kT)=1，所以系统的调节时间ts=3T=3s，并且可保证系统的输出是无纹波的。 本章小结有限拍设计的目标是调节时间ts尽可能短。有限拍系统的设计跟输入型式R（z)，广义对象的Z传递函数HG(z)以及对输出波纹的要求有关。为了设计出稳定、可实现的有限拍调节器，必须依据上述几个方面合理选择Ge(z)和Gc（z),并由此得出有限拍调节器。 有限拍调节器的调节时间ts与采样周期T有关，通常T越短，调节时间ts越短，但是采样周期T不能无限缩短，或者采样频率不可能无限提高，因为对象的饱和特性限制了采样上限频率。有限拍系统对输入型式时敏感的，为了提高有限拍系统对输入型式的适应能力可以采用换接

11、程序的方法来改善过渡过程特性或者采用折衷设计法或者采用最小均方误差设计等方法。第二章 DDC系统的设计和应用 DDC系统的设计分为开发设计和应用设计两部分。开发设计的任务是生产最终用户所需的硬件和软件，应用设计的任务是设计控制方案、选择硬件和软件、输入输出组态、控制回路组态、操作画面组态、打印报表组态、施工设计、现场调试。本章将重点论述DDC方案的原则性设计，并介绍典型应用实例。 2.1.DDC系统的设计 2.1.1DDC系统的设计原则 DDC系统设计过程中应遵守的共同设计原则，主要体现在以下几个方面：可靠性、冗余性、实时性、操作性、维修性、通用性、灵活性、开放性和经济性。 2.1.2 DDC

12、系统的设计过程DDC系统的设计过程分为开发设计和应用设计两部分。开发设计的任务是生产最终用户所需的硬件和软件，应用设计的任务是选择被控对象所需的硬件、软件和控制方案。开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。应用设计按顺序可分为可行性研究、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。 2.2.DDC系统的应用 2.2.1.DDC系统的应用设计 DDC系统的应用设计中控制方案或控制策略的设计最为重要，其余设计都是为控制方案服务的。在进行控制方案设计之前，设计人员首先应该对控制对象进行深入的调查和分析，并熟悉工艺流程，根据生产中提出来的问题，确定系统所要完成的任务

13、。然后写出设计报告，选择控制方案是控制系统设计的关键，控制方案的好坏，直接影响控制效果、系统投资和经济效益。 2.2.2.DDC系统的应用实例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说明。某加热炉燃烧系统如图，试进行DDC方案原则性设计，使加热炉能环保经济的运行。 设计过程如下： 分析：该加热炉控制要求比较高，需要综合考虑环境保护、节能效果和负荷响应速度。为此，选用带氧量校正的双交又限制燃烧控制方案，如图2.1所示。图2.1 带氧量校正的双交叉限制燃烧控制系统 图2.1中增加了高值选择器HS、低值选择器LS、正偏置+a和负偏置-a，从而保证了加热炉

14、负荷变化的过程中，既限制了剩余空气系数的下限值，又限制了的上限值，使得燃料流量F和空气流量F分别限制在冒黑烟界线和空气剩余界线之内。双交叉限制燃烧控制系统的工作原理如下：在燃料流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，空气流量测量值Fa除以空燃比r计算出的所需燃料流量，再减去偏置a得到信号C (21)再加偏置a1%得到信号B (22）由高值选择器HS和低值选择器LS来选通A，C，B之一作为燃料流量控制器的设定值Sf 在空气流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与燃料流量测量值F加上偏置a得到的信号E (23)减偏置a2%得到信号D (24)由低值选择器LS和高值选择器HS来选通A，E，

15、D之一，再乘以空燃比作为空气流量调节器FAC的给定值S。 图2.2表示出当负荷变化时，双交叉限制燃烧控制系统中各信号的过渡过程。下面分别对定负荷、升负荷和降负荷这三种状态进行分析。 （1）定负荷当系统处于稳定负荷状态时，炉温调节器TC的输出信号A同时作为燃料流量调节回路的给定值（SA）和空气流量调节回路的给定值（SA）信号，此时剩余空气系数等于给定值，如图2.2（d）所示。 （2）升负荷当升负荷时，信号A急剧上升，发生正跳变，如图2.2（a）所示。先看空气流量调节回路的情况，见图2.2（c）。此时，AE时，LS选通E，A被中断，同时ED，HS又选通E，再乘以作为空气流量给定值S，使空气流量随着

16、E值的增加而增加，即空气流量随着燃料流量的增加而增加，交叉限制开始。当E增加到EA时，LS选通A，E被中断，同时AD，HS1又选通A，再乘以作为空气流量给定值S，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。再看燃料流量调节回路的情况，见图2.2（b）。此时，AC，HS选通A。当A正跳变到AB时，LS又选通B，A被中断，B作为该回路的燃料流量给定值S使燃料流量随着B值的增加而增加，即燃料流量随着空气流量的增加而增加，交叉限制开始。当B增加到BA，同时AC，HS选通A，LS也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值S，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。至此，升负荷的过渡过程结束。在这个动态过程中，燃料流

17、量和空气流量互相影响交替增加。图2.3（a）和（c）所示的实验曲线也证明了上述分析。 （3）降负荷当降负荷时，信号A急剧下降，发生负跳变，如图2.2（a）所示。先看燃料流量调节回路的情况，见图2.2（b）。此时，AC，HS选通A。当A负跳变到AC时，HS选通C，A被中断，同时CB，LS又选通C，C作为该回路的燃料流量给定值S，使燃料流量随着C值的减小而减小，即燃料流量随着空气流量的减小而减小，交叉限制开始。当C减小到CA时，HS选通A，同时AB，LS也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值S，交叉限制结束，此时系统恢复稳态。再看空气流量调节回路的情况，见图2.2（c）。此时，AE，LS选通A。当

18、A负跳变到AD时，HS又选通D，再乘以作为空气流量给定值S，使空气流量随着D值的减小而减小，即空气流量随着燃料流量的减小而减小，交叉限制开始。当D减小到DA时，同时Aa，当升负荷时多增加一些空气流量，实现“先增加空气后增加燃料”；通过选择aa，当降负荷时多减少一些燃料，实现“先减少燃料后减少空气”。这样，不仅可以使燃料和空气流量的变化速度相协调，而且可以解决因燃料流量调节阀的动作快，空气流量调节阀的动作慢，两者配合失调，所引起的冒黑烟的问题。（3）在稳态过程中防止空气和燃料流量的波动，+a和-a可以防止因空气流量的波动而引起燃料流量的波动；而+a和-a可以防止因燃料流量的波动而引起空气流量的波

19、动。这就相当于设置了一个死区，可以防止干扰和改善系统的响应特性。通过分析和实验结果表明，双交叉限制燃烧控制系统是用牺牲系统跟踪负荷的速度，来换取燃料与空气流量之间相互制约，并限制剩余空气系数的瞬态变化，从而达到节约能源的目的。双交叉限制的响应速度更慢，对升、降负荷都有影响。双交叉限制燃烧控制系统的优点是对剩余空气系数进行双向限幅，保证燃烧始终维持在最佳燃烧区，有利于节能。但它的缺点是偏置过小使系统对负荷响应速度变慢。研究结果表明，四个偏置+a、-a、-a和+a的取值与系统对负荷响应速度和节能效果有关。从节能的观点看，希望四个偏置的取值小点，但这样会使系统对负荷响应速度变慢。此外，由于燃料、空气

20、流量的随机波动是不可避免的，为了防止由此而引起的高值、低值选择器不必要的频繁切换给系统带来的扰动，也必须用偏置来给系统设置一定的死区，所以希望四个偏置的取值大点。一般要根据实际情况和控制要求在调试中确定四个偏置值。四个偏置取不同数值的实验结果如图2.3所示。由该图可知，如果aa2，aa4，负荷变化14，那么剩余空气系数的瞬时波动仅为1，调节时间为45秒，如图2.3（a）和（b）所示；如果a和a不变，aa8，同样的负荷变化，那么的瞬时波动增至4，但调节时间却缩短到25秒，如图2.3（c）和（d）所示。综合考虑节能效果（即值的变化量）和系统对负荷响应的快速性这两方面的影响，并通过实验研究，建议选择

21、aa25，aa410。如果要求调节过程短，则取上述偏置的上限值；如果要求最大限度节能，则取上述偏置的下限值。本章小结 DDC系统的设计分为开发设计和应用设计两部分。开发设计的任务是生产最终用户所需的硬件和软件，应用设计的任务是设计控制方案、选择硬件和软件、输入输出组态、控制回路组态、操作画面组态、打印报表组态、施工设计、现场调试。 DDC系统的设计原则主要体现在可靠性、冗余性、实时性、操作性、维修性、通用性、灵活性、开放性和经济性9个方面。DDC系统的开发设计是生产最终用户所需的硬件和软件，开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。DDC系统的应用设计是选择被控对象所需的硬件、软件和

22、控制方案，应用设计过程可分为可行性研究、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。 本章叙述了DDC系统的设计原则、设计过程、设计方法和应用设计，并介绍了典型应用实例。总 结 通过对计算机控制系统的离散化设计，我们对有限拍无纹波设计的原理，整定和设计有了一个比较清晰的认识。有限拍系统采用Z变换方法进行设计，有限拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波。有限拍的设计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，系统达到稳定，并且在采样点之间没有纹波。通过DDC原则性设计，我们对燃烧控制系统的方案选择有了一定的了解，双交叉限制燃烧控制方案是在串级控制系统的基础上，进行

23、相应的改进而得到的，双交叉限制燃烧控制系统的优点是对剩余空气系数进行双向限幅，保证燃烧始终维持在最佳燃烧区，有利于节能。但它的缺点是偏置过小使系统对负荷响应速度变慢。通过对方案的设计，我们了解了双交叉限制燃烧控制系统的基本原理以及运行特点，加深了对计算机控制系统的理解。参考文献1 何克忠. 计算机控制系统.北京：清华大学出版社,1998.2 王锦标. 计算机控制系统.北京：清华大学出版社,2004.3 谢剑英, 贾青. 微型计算机控制技术.北京：国防工业出版社,2001.4 张玉明. 计算机控制系统分析与设计.北京：中国电力出版社,2000.5 Karl J Astrom. Computer-Controlled Systems.北京：清华大学出版社,2002.15