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计算机控制技术课件

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  • 日期: 2016-06-20
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标签: 计算机控制

计算机控制技术课件,给需要的人

计算机控制技术 自动化学院 张腾飞 办 公 室: 教5-216 Email:tfzhang@126.com 课程简介 ¾ 课程性质 ¾ 课时安排:40+8学时 ¾ 成绩评定:期末+实验+平时 ¾ 教材: 顾德英 《计算机控制技术》(第2版) 北京邮电大学出版社 先修课程 该课程实践性较强,先修课程较多,是自动化 类专业学生必修课程。 ‹ 模拟电子技术 ‹ 数字电子技术 ‹ 微型计算机原理与接口技术 ‹ 单片机原理与接口技术 ‹ 自动控制原理 后续应用 z 毕业设计 z 工程设计 z 实际应用 主要涉及内容 z 在微机原理教学的基础上,通过深入讲解典型微机总线结 构,阐明一般输入输出接口电路设计方法 z 介绍将生产现场各种物理量引入计算机中的方法,为实现 计算机对生产现场的检测、控制提供必要的硬件基础 z 在经典控制理论的指导下,针对不同被控对象和系统性能 指标要求,研究数字控制器的一般设计方法 z 结合控制理论发展的新动向,介绍新型控制策略的设计与 实现方法 z 通过对于典型计算机控制系统设计实例的讲解,培养学生 的计算机控制系统设计能力 课程章节内容 ¾ 计算机控制系统概述 ¾ 工业控制计算机 ¾ I/O接口与过程通道 ¾ 顺序控制与数字控制技术 ¾ 数字控制器设计 ¾ 控制系统的数据处理技术 ¾ 复杂控制技术 ¾ 计算机控制系统设计与实现 ¾ 智能控制技术基础 第1章 计算机控制系统概述 计算机控制的发展 z 随着自动控制理论、自动化技术和计算机技术的飞 速发展,计算机控制系统不仅在国防、航空航天等 高精尖学科得到了广泛的应用,而且在现代化的工 农业生产以及医疗卫生等领域也发挥着越来越重要 的作用。 z 在现代工业企业自动化中,计算机控制技术是核 心,它是计算机技术和控制理论有机结合的产物。 计算机控制的发展概况及趋势 计算机控制的发展过程 第一台电子计算机于1946年在美国问世 50年代末,用于过程控制 1962年,英国实现了一个DDC (Direct Digital Control)系统 60年代后期 ,集成电路技术的发展,出现了适合工 业生产过程控制的小型计算机 1972年出现了微型计算机,分布式控制系统DCS 控制系统的发展史 1. 30年代初期:分散控制方式 z 直接作用式气动控制器 z 控制装置安装在被控过程附近,每个回路有单独控 制器 z 运行人员分布在全厂各处 z 适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业 2. 30年代末期:集中控制 z 中央控制室,信息远距离传输问题 z 变送器、执行器和控制器分离:变送器、执行器安装在现 场,控制器在中央控制室 z 优点:运行人员可获得整个的生产信息,便于协调控制 z 注意:控制仪表和运行人员在地理上的集中,控制器分别 完成各控制任务,故障影响不大——运行管理的集中,仍 然分散控制 z 采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式 仪表 3. 50年代末60年代初:集中控制方式 z 计算机用于生产过程直接数字控制,造价高,一台 计算机控制全厂的生产过程,整个系统控制任务的 集中 z 特点:控制集中、管理集中 z 缺点:受硬件水平限制,计算机可靠性低,一旦发 生故障,全厂生产瘫痪。 集中控制系统 控制 计算机 基本 控制 过程 1 基本 控制 过程 2 基本 控制 过程 3 基本 控制 过程 4 基本 控制 过程 5 4. 70年代:分布控制方式 z 分析集中控制方式的失败,提出了分布式控制系统 的概念 z 把控制功能分散在不同的计算机中完成,采用通信 技术实现各部分之间的联系和协调 z 特点:控制分散、管理集中 分布式控制系统 z 以微处理器作为核心的集中分散控制系统,利用 4C技术,对生产过程进行集中监视、操作、管理 和分散控制的新型控制系统。 z 又称集散控制系统(Total Distributed Control System,TDCS) 。 z 主要特点:集中管理、分散控制。 总结:控制系统的发展历史 (循环) z 1. 30年代初期:分散控制→ (控制分散、 管理分散) z 2. 30年代末期:集中控制→ (控制分散、管理集中) z 3. 50年代末60年代初:集中控制→ (控制集中、管理集中) z 4. 70年代:分布控制 (控制分散、管理集中) 计算机控制系统的发展趋势 ☻综合自动化 ☻网络化 ☻智能控制系统 ☻虚拟化 ☻绿色化 计算机控制技术的应用领域 无处不在的控制 食品与饮料 纸浆与造纸 药品 基础设施 石化 能源电力 半导体 汽车 烟草 以太网, 开放的解决方案 Ethernet TCP/IP Ethernet TCP/IP Ethernet TCP/IP 结构方案:混合结构 140 CRA 140 CRA 140 CRA 140 CRP 140 NOE 140 CRP 140 NOE 10 / 100 M bits/s 以太网 Quantum 远程 I/O 多至 31 个站 切换时 保持数字输出 结构方案:标准 S908 结构用于过程控制 140 CRP 140 CRP 双 CPU 结构 双电缆用于 远程 I/O 站 140 CRA 140 CRA 140 CRA 冗余电源 Quantum 远程 I/O 系统 多至 31 个站 Schneider 的工业控制网络 Ethernet TCP/ IP (10M/100M) Modbus Plus WorldFIP / Fipway ASi InterBus-S VSD VSD 发布信息 请求信息 全自动柔性喷涂机器人 巡航导弹的制导系统由全球卫星定位系统接收装置、惯性导 航系统、数字化地图及取景相机组成。而采用新型的景象匹 配制导方式将会使导弹的攻击精确度进一步提高。 在220kV电站运行的光电互感器 500kV组合式光电互感器样机 1.1 计算机控制系统特征与组成 典型的计算机控制系统: 将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现 给定值 控制器 - 微型机或计算机 D/A 执行机构 输出值 被控对象 A/D 检测装置 图1.1 计算机控制系统基本框图 计算机控制系统的构成 计算机控制系统 硬件部分 软件部分 控制计算机 外围设备 系统软件 应用软件 1.1.1 计算机控制系统的特征与工作原理 ⒈结构特征 执行控制功能的核心部件是计算机,是模数混合系统 控制规律利用软件实现,便于实现复杂的控制规律 可同时控制多个回路 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。 ⒉信号特征 采样器 y (t) y*(t) A/D r (nT) y (nT) + Σ 计算机 u(nt) 控制 器 D/A e (nT) u*(t) y (t) 执行器 被控对 象 传感器 模拟信号 y(t) 离散模拟信号 y*(t) 数字信号 y(nT) 数字信号 u(nT) 量化模拟信号 u*(t) 110111 010101 110111 010101 O tO T 2T t O O T 2T t T 2T t O T 2T t 图1.2 计算机控制系统的信号流程 按照计算机控制系统中信号的传输方向,系统的信息 通道由三部分组成 ⑴过程输出通道 包含由D/A转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道 ⑵过程输入通道 包含由A/D转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道 ⑶人机交互通道 系统操作者通过人机交互通道向计算机控制系统发布相关命 令,提供操作参数,修改设置内容等,计算机则可通过人机交 互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对像控制 效果等 ⒊控制方法特征 常用的设计方法有两种: 模拟调节规律离散化设计法 直接设计法 ⒋功能特征 ¾ 以软件代替硬件 ¾ 数据存储 ¾ 状态、数据显示 ¾ 管理功能 5.计算机控制系统的工作原理 计算机控制过程可归结为如下四个步骤: ⑴实时数据采集:对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进 行检测并输入 ⑵实时控制决策:对采集到的被控量进行分析和处理,并按 已定的控制规律,决定将要采取的控制行为 ⑶实时控制输出:根据控制决策、适时地对执行机构发出控 制信号,完成控制任务 ⑷信息管理:随着网络技术和控制策略的发展,信息共享和 管理也是计算机控制系统必须完成的功能 上述过程不断重复,使整个系统按照一定的品质指标进行工 作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理 ⒍计算机控制系统的工作方式 (1)、在线方式和离线方式 生产过程和计算机直接连接,并受计算机控制的方式称为 在线方式或联机方式 生产过程不和计算机相连,且不受计算机控制,而是靠人 进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式 (2)、实时 :指信号的输入、计算和输出都要在一定的 时间范围内完成,亦即计算机对输入信息,以足够快 的速度进行控制 1.1.2 计算机控制系统的硬件组成 显示终端 打印机 磁盘驱动器 接口 接口 接口 软件 微 型 计 算 机 接口 A/D 多路开关 传感器、变送 器 接口 D/A 多路开关 执行机构 生 接口 开关量输入 产 过 程 接口 开关量输出 通人 信机 设联 备系 通用外部设备 I/O接口 主机及操作 台 I/O接口 I/O通道 信号检测与变送 生产对象 硬件组成 z 主机 z I/O接口 z 通用外部设备 z 检测元件与执行机构 z 操作台 1.1.3 计算机控制系统软件 按功能分类,分为系统软件和应用软件两大部分 系统软件一般是由计算机厂家提供的,用来管理计算机本身 的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、 各种编译软件、监控管理软件,这些软件一般不需要用户自己 设计,它们只是作为开发应用软件的工具。 应用软件是面向生产过程的程序,如A/D、D/A转换程序,数 据采样,数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。 应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的 优劣,将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响,它 的设计是非常重要的。 1.2 计算机控制系统的分类 ¾ 按照控制方式分类: 开环控制和闭环控制 ¾ 按照控制规律分类: 程序和顺序控制、比例积分微分控制(PID控制)、 有限拍控制、复杂规律控制、智能控制等 ¾ 按照系统的功能、工作特点分类: 操作指导控制系统, 直接数字控制系统, 监督计算机控制系统, 分布式计算机控制系统, 计算机集成制造系统 1.2.1 操作指导控制系统 (Operational Information System——OIS) 微 A/D 转 换 器 采 样 器 测 量 元 件 工 业 型 对 机 显示终端 调节器 象 打印机 计算机的输出不直接用来控制生产对象,而只是对系统过程参 数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数 据进行必要的操作 A/D 多路开关 检测元件 操作指导 计算机 生产 过程 显示打印 操作者 执行机构 1.2.2 直接数字控制系统 (Direct Digital Control system——DDC) 设定值 接口 输入 通道 计 算 显示 机 接口 输出 打印 通道 检测 生 产 过 执行 程 机构 计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测,并 根据预定的控制规律进行运算,然后发出控制信号,通过输出 通道直接控制调节阀等执行机构。(如计算机温度控制系统) 是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。 1.2.3 监督计算机控制系统 (Supervisory Computer Control——SCC) SCC+模拟调节器 SCC计算机 设定值 测量值 SCC+DDC控制系统 SCC计算机 设定值 检测值 模拟调节 器 A/D 多路开关 传感器 DDC D/A 多路开关 A/D 多路开关 传感器 生产过程 生产过程 计算机根据工艺参数和过程参量检测值,按照所设计的控制 算法进行计算,计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或 DDC计算机,最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程 1.2.4 集散控制系统(DCS) 决策管理层 生产管理层 操作监控层 直接控制层 决策管理 计算机 生产管理 计算机 操作员 站 过程控 制站 决策管理 计算机 决策管理 计算机 决策管理网络 生产管理 计算机 生产管理 计算机 生产管理网络 工程师 站 监控计 算机站 控制网络 过程控 制站 过程控 制站 生产过程 计算机 网关 计算机 网关 计算机 网关 过程控 制站 1.2.5 现场总线控制系统(FCS) 现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数 字式、开放的、双向的通信网络。 现在国际上流行的设备级的通信网络,如CANBUS、 LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF 等 信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向最高层均采用通 信网络互连; 系统结构采用全分散化, 现场总线的节点是现场设备或现场 仪表,如传感器、变送器、执行器等。 现场设备具有互操作性,改变了DCS 控制层的封闭性和专用 性,不同厂家的现场设备既可互连也可互换,并可以统一组态; 通信网络为开放式互连网络,可极其方便地实现数据共享; 技术和标准实现了全开放,面向任何一个制造商和用户。 1.2.6 计算机集成制造系统(ClMS) z 计算机集成制造系统(CIMS,Computer Integrated Manufacturing System) z 是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理 技术、管理技术、系统工程等新技术发展的结果 z 将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加 工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等 生产要素集成起来,进行统一控制,求得生产活动 的最优化 1.2.6 计算机集成制造系统(ClMS) z CIM的理念包括两个基本出发点 ¾ 第一点:企业的各个生产环节是不可分割的,需要统一 考虑 ¾ 第二点:整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递 和加工处理的过程 z 主要应包括工程设计自动化、产品加工自动化和生 产管理信息化等三个方面 1.3 计算机控制理论与新型控制策略 ⒈计算机控制理论 计算机控制系统理论主要包括 ¾ 离散系统理论 ¾ 采样系统理论 ¾ 数字系统理论 离散系统理论 z 差分方程及z变换理论 z 常规设计方法 z 按极点配置的设计方法 z 最优设计方法 z 系统辨识及自适应控制 采样系统理论 z 采样理论 z 连续模型及性能指标的离散化 z 性能指标函数的计算 z 采样控制系统的仿真 z 采样周期的选择 数字系统理论 数字系统理论包括: z 离散系统和采样系统理论 z 数字信号整量化效应的研究 如:量化误差、非线性特性的影响等 z 数字控制器实现中的一些问题 如:计算延时、控制算法编程等 ⒉新型控制策略 在常规计算机控制中,我们总是假设已经知道了受控 对象的模型,但由于实际中存在种种不确定因素,如: ¾ 参数变化 ¾ 未建模动态特性 ¾ 平衡点的变化 ¾ 传感器噪声 ¾ 不可预测的干扰输入 ⒉新型控制策略 鲁棒控制 预测控制 模糊控制 神经控制 专家控制 遗传算法 鲁棒控制 ¾ 计算机控制系统中所建立的对象模型只能是实际 物理系统的不精确的表示 ¾ 鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在 其他变化因素的条件下,使系统仍能保持预期的性能 ¾ 如果模型的变化和模型的不精确不影响系统的稳 定性和其它动态性能,这样的系统我们称它为鲁棒控 制系统 预测控制 z 预测控制是一种基于模型又不过分依赖模型的控制 策略,其基本思想类似于人的思维与决策,即根据 头脑中对外部世界的了解,通过快速思维不断比较 各种方案可能造成的后果,从中择优予以实施。 z 三条基本原理:模型预测—滚动优化—反馈校正 模糊控制 z 模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法 z 模糊控制是一种能够提高工业自动化能力的计算机 控制技术 z 凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合 都可采用模糊控制技术 神经网络控制 z 神经网络控制是一种基本上不依赖于模型的控制方 法,它比较适用于那些具有不确定性或高度非线性 的控制对象,并具有较强的适应和学习功能 专家控制 z 专家控制系统是一种已广泛应用于故障诊断、各种 工业过程控制和工业设计的智能控制系统 z 工程控制论与专家系统的结合形成了专家控制系统 z 黑板结构是一种强功能的专家系统结构和问题求解 模型,它能够处理大量不同的、错误的和不完全的 知识,以求解问题 注:所谓黑板是用来记录系统推理过程中用到的控制 信息、中间假设和中间结果的数据库 遗传算法 z 遗传算法是一种新发展起来的优化算法,基于自然 选择和基因遗传学原理的搜索算法 z 它将“适者生存” 的达尔文进化理论引入串结构, 并且在串之间进行有组织但又随机的信息交换 z 基因任意组合所构成的串的集合 ¾ 在控制中的应用主要是进行优化和学习,常和其它 控制策略相结合 END 第2章 工业控制计算机 南京邮电大学 电气工程系 OUTLINE ¾ 2.1 IPC工控机的组成结构 ¾ 2.2 IPC总线结构 ¾ 2.3 IPC工控机输入/输出模板 ¾ 2.4 单片机 ¾ 2.5 可编程控制器(PLC) 研华IPC-610MB-H 支持母板的4U高上架式机箱 主要特点: 支持300W ATX PFC PS/2电源、前置3个半高驱动 器、前置USB和PS/2及I/O接口、前置报警LED 支持ATX母板1U上架式机箱 支持ATX母板1U上架式机箱 凌华工控机 RACK-410S 系列 RACK-400L 系列 工控机结构特点 z 全钢机箱 工控机的全钢机箱是按标准设计的,抗冲击、抗振动、 抗电磁干扰,内部可安装同PC-bus兼容的无源底板 z 无源底板 无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成,ISA 或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择,该板为四层 结构,中间两层分别为地层和电源层,这种结构方式可以 减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插 接各种板卡,包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等 工控机结构特点 z 工业电源为AT开关电源,平均无故障运行时间达到25000 小时,两个电源 z CPU卡 工控的CPU卡有多种,根据尺寸可分为长卡和半长卡, 根据处理器可分为386、486、586、PII、PIII主板,用户可 视自己的需要任意选配。其主要特点是:工作温度0-60摄 氏度;装有“看门狗”计时器;低功耗,最大时为5V/2.5A 2.1 IPC工控机的组成结构 z 工业控制计算机,简称工控机,也称为工业计算机 IPC(Industrial Personal Computer) z 主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作 z 以工控机为核心的测量和控制系统,处理来自工业 系统的输入信号,再根据控制要求将处理结果输出 到执行机构,去控制生产过程,同时对生产进行监 督和管理 2.1.1 IPC工控机的特点 可靠性高 实时性好 环境适应性强 丰富的输入输出模板 系统扩充性和开放性好 系统通信功能强 控制软件包功能强 冗余性 2.1.2 IPC工控机硬件组成 硬件:主机板(CPU、内存储器)、系统总线、过程 输入输出通道、人机接口、通信设备、系统支持板、 磁盘系统。 2.1.2 IPC工控机的软件组成 软件是工业控制机的程序系统,可分为系统软件、 工具软件、 应用软件三部分。 系统软件:用来管理IPC的资源,并以简便的形式向用户提 供服务 工具软件:技术人员从事软件开发工作的辅助软件,包括 汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊 断程序等 应用软件:系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制 和管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、 人-机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。 2.1.4 IPC工控机的主要类型及其选型 依据采用总线的不同,工控机的产品主要有: ¾ PC总线工控机 ¾ STD总线工控机 ¾ VME总线工控机 IPC选型 : (1)主机档次 (2)IPC机型号 (3)内存、外存配置 STD总线 1、总线标准 STD总线即Standard Bus,是一种规模最小、面向 工业控制及测量、设计周密的8位系统总线。 2、STD总线的性能特点 1)支持8位微处理器 2)56根总线被划分为四组,即:逻辑电源总线6根、 辅助电源总线4根、双向数据总线8根、地址总16根、 控制总线22根 3)支持多处理器系统,可实现分布式、主机式及多 主STD总线多处理器系统 4)STD总线采用同步方式传输数据 5)STD总线最初只定义了两根中断控制线,系统的 中断功能不强,在System II STD总线系统中,由 于兼容了PC/XT,中断功能显著提高 6)CMOS化 7)局部总线扩展能力 8)支持网络的功能 9)具有机械强度高、抗振动及抗冲击能力强的特点 10)可靠性高 VME总线 z VME总线(Versamodel Eurocard),Motorola公司 1981年推出的第一代32位工业开放标准总线 z 主要特点是VME总线的信号线模仿Motorola公司 生产的68000系列单片机信号线,由于其应用的广 泛性被IEEE收为标准 2.2 IPC总线结构 2.2.1 总线概述 总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议 总线定义与分类: 总线是一组信号线的集合,它定义了引线的信号、电气、 机械特性,是微机系统内部各组成部分之间、不同的计算 机之间建立信号联系,进行信息传送的通道 总线:内部总线(系统总线)和外部总线(通信总线) 总线按功能或信号类型划分,主要有三类总线: ¾ 数据总线 ¾ 地址总线 ¾ 控制总线 总线主要有数据传输、中断、多主设备支持、错误 处理等功能 2.2.2 内部总线 ¾ 指微机内部各功能模块间进行通信的总线,也称 为系统总线 ¾ 是构成完整微机系统的内部信息枢纽 ¾ STD总线 ¾ ISA总线 ¾ PCI总线 ISA总线介绍 z 20世纪80年代初期,IBM在推出自己的微机系统 IBM PC/XT时,定义了一种8位数据宽度的总线结 构,称为XT总线 z 随着IBM采用80286 CPU,推出IBM PC/AT微机系 统,又定义了与XT总线兼容的16位的AT总线 z ISA总线(Industrial Standard Architecture)即AT总 线,它是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的 总线体系结构 z 后来在大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留 3~4个ISA总线扩充槽,即可以插入8位ISA卡,又 可以插入16位ISA卡 z ISA总线插槽有一长一短两个插口 ¾ 长插口有62个引脚,以A31~A1和B31~B1表示,分别 列于插槽的两面 ¾ 短插口有36个引脚,以C18~C1和D18~D1表示,也分 别列于插槽的两面 ISA总线插槽结构 D18 D1 C18 B31 C1 B1 A31 A1 ISA板卡 ISA板卡 PCI总线---对传统总线结构的突破 z 随着微处理器速度及性能的改进与更新,作为微型 计算机重要组成部件的总线也被迫作相应的改进和 更新。否则,低速的总线将成为系统性能的瓶颈 z 另一个不容忽视的事实:随着微处理器的更新换 代,一个个曾颇具影响的总线标准也相继黯然失色 了,与其配套制造的一大批接口设备(板卡、适配 器及连接器等)也渐渐被束之高阁 z Æ迫使人们思考一个问题:能否制定和开发一种性 能优越且能保持相对稳定的总线结构和技术规范来 摆脱传统总线技术发展的这种困境呢? PCI总线---对传统总线结构的突破 z PCI总线(Peripheral Component Interconnect,外 围部件互连总线)于1991年由Intel公司首先提出, 并由PCI SIG(Special Interest Group)来发展和推广 z PCI SIG是一个包括Intel、IBM、Compaq、Apple 和DEC等100多家公司在内的组织集团。1992年6月 推出了PCI 1.0版,1995年6月又推出了支持64位数 据通路、66MHz工作频率的PCI 2.1版。 z 由于PCI总线先进的结构特性及其优异的性能,使 之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者,并被多 数现代高性能微机系统所广泛采用 PCI总线的主要特点 z 传输率高 z 采用数据线和地址线复用结构,减少了总线引脚数 z 总线支持无限猝发读写方式和并行工作方式 z 总线宽度为32位(5V),可升级为64位(3.3V) z PCI总线与CPU异步工作:PCI总线的工作频率固 定为33MHz,与CPU的工作频率无关,使PCI总线 不受处理器的限制 z 提供了即插即用功能,允许PCI局部总线扩展卡和 元件进行自动配置 必需的 地址和 数据线 AD0 ~ AD31 C/BE0 ~ C/BE3 PAR FRAME 接口控制 信号 TRDY IRDY STOP DEVSEL IDSEL 出错报告 仲裁 系统 PERR SERR REQ GNT CLK RST 可选的 AD32 ~ AD63 C/BE4 ~ C/BE7 64位总线 PAR64 扩展信号 REQ64 ACK64 LOCK 接口控制 INTA INTB INTC INTD 中断信号 SBO SDONE TDI TDO TCK TMS TRST 支持高速缓 存信号 边界扫描 信号 图2.2 PCI总线引脚 PCI卡 PCI总线的功能特性 连接到PCI总线上的设备分为两类: 主控设备(Master)、目标设备(Target) PCI支持多主控设备,主控设备可以控制总线、驱 动地址、数据及控制信号 目标设备不能启动总线操作,只能依赖于主控设备 向它进行传递或从中读取数据 2.2.3 外部总线 z 外部总线是指用于计算机与计算机之间或计算机与 其它智能外设之间的通信线路 z 常用的外部总线有IEEE-488并行总线、RS-232C串 行总线和RS485通信总线 1、IEEE-488并行通信总线 16条信号线和8条地线 ,16根信号线可分成3组 :8根双向数 据总线、3根数据字节传送控制总线、5根接口管理总线,均 为低电平有效 •IEEE-488总线特点 数据线 数据控制线 接口管理线 设备A 控者 听者 讲者 计算机 设备B 听者 讲者 电压表 设备C 听者 打印机 2、RS-232C串行通信总线 状态 逻辑状态 -15V0 F>0 A1 F<0 0 F<0 F<0 A F<0 A3 F>0 B F>0 A4 ¾ 凡F≥0时,向x方向进给,在第一、四象限向+x方 向进给;在第二、三象限,向-x方向进给; ¾ 凡F<0时,向y方向进给,在第一、二象限向+y方 向进给;在第三、四象限,向-y方向进给。 ¾ 不管是哪个象限,都采用与第一象限相同的偏差计 算公式,只是式中的终点坐标值均取绝对值 表4.2 四象限的进给脉冲和偏差计算 偏差判别 A1 A2 进给 A3 A4 偏差计算 F≥0 +Δx -Δx -Δx +Δx F´=F-|ye| F<0 +Δy +Δy -Δy -Δy F´=F+|xe| ⑶ 直线插补计算的程序实现 四 象 限 直 线 插 补 计 算 流 程 图 例 4.3 设给定的加工轨迹为第一象限的直线OP,起点为坐标原点, 终点坐标A(xe,ye),其值为(5,4),试进行插补计算并作 出走步轨迹图。 2. 逐点比较法圆弧插补 (1)第一象限圆弧插补计算原理 图4.13 逐点比较法圆弧插补 ①偏差判别 ¾ 偏差值 F = x2 + y2 -R2 z 当P点位于圆弧上时,F = 0 z 当P点位于圆弧外时,F > 0 z 当P点位于圆弧内时,F < 0 ②进给 z P点在圆弧外时,F > 0,向圆外 ( -x方向 ) 进 给一步。 z P点在圆弧内时,F < 0,向圆外 ( +y方向 ) 进给一步。 z P点在圆弧上时,F = 0,规定按F > 0处理。 ③偏差计算 ¾ 设P点在圆外,F > 0, F = (x-1)2 + y2 - R2 = x2 -2x + l + y2 -R2 =(x2 + y2 -R2)-2x + l = F-2x + 1 ¾ 若P点在圆内,F < 0 , F = x2 + (y+ 1)2 -R2 = x2 + y2 +2y + l - R2 = (x2 + y2 -R2) +2y + l = F+2y+l ④ 终点判别 ¾ 总步数作为计数长度值,长度计数器的初值为 Nxy = |xe -x0|+ |ye -y0| ¾ 每个坐标方向设一个计数器 Nx = |xe -x0| Ny = |ye -y0| 第一象限逆圆 插补的流程图 例4.6 图4.15圆弧插补走步轨迹图 (2)四象限的圆弧插补原理 第二象限顺圆的偏差计算公式 图4.16 第二象限的顺圆 ¾ 若F≥0时,新的加工点坐标将是(x+1,y),可求出新的偏差为 F'=F+2x +1 ¾ 若F<0时,新的加工点坐标将是(x,y+1),可求出新的偏差为 F'=F+2y +1 (a) (b) 图4.17 四个象限中圆弧的对称性 ¾ 在圆弧插补中,沿对称轴的进给方向相同,沿非对 称轴的进给方向相反 ¾ 其次,所有对称圆弧的偏差计算公式,只要取起点 坐标的绝对值,就与第一象限中NRl或SRl的偏差计 算公式相同 表4.4 八种圆弧插补的计算公式和进给方向 圆弧 类型 SR1 SR2 NR3 NR4 NR1 NR2 SR3 SR4 F≥0时的 进给 -Δy +Δy -Δy +Δy -Δx +Δx +Δx -Δx F<0时的进 给 计算公式 +Δx -Δx +Δx -Δx +Δy -Δy +Δy -Δy 当F≥0时,计算F´=F-2yi +1和yi= yi´-1 当F<0时,计算F´=F+2xi+ 1和xi´=xi+1 当F≥0时,计算F´=F-2 xi +1和xi´=xi-1 当F<0时,计算F´=F+2 yi+ 1和yi= yi´+1 4.2.3 步进电机控制技术 z 步进电机是一种能将电脉冲信号直接转变成 与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执 行元件。其速度与脉冲频率成正比。 z 步进电机按转矩产生的原理可分为 ¾ 反应式(variable reluctance,VR)步进电机 ¾ 永磁式(permanent magnet,PM)步进电机 ¾ 混合式(hybrid,HB)步进电机 ⒈步进电机的工作原理 ⑴反应式步进电机的结构 图4.18 三相反应式步进电机结构 ¾ 定子:由硅钢片叠成的,每相有一对磁极(N、S 极),每个磁极的内表面都分布着多个小齿,它们大 小相同,间距相同。该定子上共有3对磁极。每对磁 极都缠有同一绕组,也即形成一相,这样3对磁极有3 个绕组,形成三相。可以得出,四相步进电动机有4 对磁极、4相绕组;五相步进电动机有5对磁极、5相 绕组;依此类推。 ¾ 转子:由软磁材料制成的,其外表面也均匀分布着 小齿,这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同,形 状相似 ⑵反应式步进电机的工作原理 A相导通 B相导通 C相导通 A相导通 齿踞角和步踞角 ¾ 对于步进电机,如果转子的齿数为z,则齿距角θz为 θz=2π/z=360°/z ¾ 步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置,步进电机的 步距角θ可以表示如下  θ=θz/n=360°/(nz) 其中:n是步进电机工作拍数,z是转子的齿数。 ¾ 对于三相步进电机,若采用三拍方式,则它的步距角是  θ=360°/(3×4)=30°  9 对于转子有40个齿且采用三拍方式的步进电机而言,其步 距角是 θ=360°/(3×40)=3° ⒉步进电机的工作方式 对于三相步进电机则有单拍(简称单三拍)方式、双 相三拍(简称双三拍)方式、三相六拍方式。 ⑴单三拍工作方式,通电顺序为 A→ B → C → A ⑵双三拍工作方式,通电顺序为 AB → BC → CA → AB ⑶三相六拍工作方式,通电顺序为 A → AB → B → BC → C → CA → A ¾ 如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电,则 步进电机正向转动。反之,如果通电方向与上述顺 序相反,则步进电机反向转动。 ⒊步进电机控制接口及输出字表 ⑴ 步进电机控制接口 ⑵ 步进电机输出字表 ⒋步进电机控制程序 三相六拍步进电机走 步控制程序流程 步进电机速度控制程序 注意两点: ①速度往往和输出字的输送频率有关 ¾ 按正序或反序取输出字可控制步进电机正转或反转,输出 字更换得越快,步进电机的转速越高 ②调速过程总是有加速问题 ¾ 控制延时的时间常数,即可达到调速的目的; Ti为相邻两 次走步的时间间隔,Vi为进给一步后速度,a为加速度 数控系统设计举例 -基于PC的多轴运动控制 1.多轴运动控制卡-PMAC ¾ 美国DELTA TAU公司生产的可编程多轴控制器PMAC (Programmable Multi-Axis Controller),是目前世界上功能较 强的运动控制器之一,是完全开放体系结构、PC机平台上的 运动控制卡 ¾ 该产品使用高速DSP,提供全新的高性能技术和 Windows平台,其最新产品TURBO PMAC可以控制32个轴, CPU速度为150MHz,具有光纤通讯、MACRO 链等功能 2. 基于PMAC开放式数控系统的硬件设计 ¾运动控制器采用的是PMAC四轴运动控制卡PMAC Lite,板 卡配置有双端口RAM ¾以ACC-34A作为I/O扩展接口板,共有62个带光隔的I/O结点 ¾ACC-8P为普通接线器,便于PMAC与各伺服驱动器的连接 ¾伺服驱动电机选用的是松下永磁同步交流伺服电机,电机自 身配有2500线光电编码器作为速度和位置反馈元件,主轴电 机采用变频器实现主轴的无级调速 ¾PMAC与IPC之间的通信可以通过PC总线和双端口RAM 两 种方式进行 双端口RAM 主要用于与PMAC的快速数据通讯和命令通讯 9当IPC 向PMAC写数据时,双端口RAM 能够在实时状态下 快速地将位置指令数据或程序信息进行下载 9当从PMAC中读取数据时,IPC通过双端口RAM可以快速地 获取系统的状态、电机的位置、速度、跟随误差等各种数据 因而,利用双端口RAM 大大提高了数控系统的响应能力和加 工精度,同时也方便了用户的编程和开发 3.基于PMAC开放式数控系统的软件设计 ¾ 主控模块:为用户提供一个友好的系统操作界面, 在此界面下,系统的各功能模块以菜单的形式被调用 ¾ 系统的功能模块可分为实时控制类功能模块和非实 时管理类模块两大类。 9 实时控制类功能模块是控制机床当前运动和动作的软件 模块,具有毫秒级甚至更高要求的时间响应 9 非实时管理类模块没有具体的时间响应要求 4.3 本章小结 习题 ¾ 什么是顺序控制?顺序控制系统有何特点?有哪 几种类型? ¾ 什么是数字程序控制?有哪几种方式? ¾ 直线、圆弧插补过程有哪些步骤? ¾ 简述反应式步进电动机的工作原理 ¾ 三相步进电动机有哪几种工作方式? END 第5章 数字控制器设计 南京邮电大学 电气工程系 OUTLINE ¾ 5.1 数字控制器的模拟化设计 ¾ 5.2 计算机控制系统的离散化设计 ¾ 5.3 大林算法 ¾ 5.4 动态矩阵控制算法 ¾ 5.5 数字控制器的计算机实现 ¾ 5.6 本章小结 习题 5.1 数字控制器的模拟化设计 z 数字控制器的模拟化设计方法: ¾ 在一定条件下把计算机控制系统近似地看成模拟系 统,忽略控制回路中所有的采样开关和保持器,在 s域中按连续系统进行初步设计,求出模拟控制器 ¾ 然后通过某种近似,将模拟控制器离散化为数字控 制器,并由计算机实现 5.1.1数字控制器的模拟化设计步骤 r(t) + e(t) e(k) u(k) - T D(z) T u(t) y(t) H(s) G(s) 典型的计算机控制系统 设计问题: 根据已知的系统性能指标和G(s),设计数字控制器D(z) z ⒈设计假想的连续控制器 D(s) 设计的第一步就是找一种近似的结构,来设计一种 假想的连续控制器D(s) ,结构图可以简化为: r(t) + _ e(t) D(s) u(t) G(s) y(t) 已知G(s)来设计控制器D(s)两种方法 ¾ 事先确定控制器的结构,如PID算法,然后对其 控制参数进行整定完成设计; ¾用连续控制系统设计方法设计,如用频率特性 法、根轨迹法等设计D(s)的结构和参数。 z ⒉选择采样周期 T 在计算机控制系统中,完成信号恢复功能一般由零阶保持 器H(s)来实现。零阶保持器的传递函数为 其频率特性为 H 0 (s) = 1 − e−Ts s H ( jω ) = 1 − e− jωT = 2e− jωT 2 (e jωT 2 − e− jωT 2 ) jω 2 jω =T sin ωT 2 ωT e− jω T 2 =T sin ωT 2 ωT ∠ − ωT 2 2 2 ¾ 可以看出,零阶保持器将对控制信号产生附加相移(滞后) ¾ 对于小的采样周期 ,可把零阶保持器H(s)近似为 H (s) = 1 − e−sT 1 − 1 + sT − (sT )2 ≈ 2 + L = T (1 − s T + L) ≈ −sT Te 2 s s 2 )上式表明,当T很小时,零阶保持器H(s)可用半个采样周期 的时间滞后环节来近似 )而在控制理论中,若有滞后的环节,每滞后一段时间,其 相位裕量就减少一部分。我们就要把相应减少的相位裕量补 偿回来 ) 假定相位裕量可减少5°~15°,则采样周期应选为:  T ≈ (0.15 ~ 0.5) 1 ωc ¾ 按上式的经验法选择的采样周期相当短。因此,采用连续 化设计方法,用数字控制器去近似连续控制器,要有相当短 的采样周期。 z ⒊将D(s)离散化为D(z) (1) 双线性变换法 (2) 前向差分法  (3) 后向差分法 (1) 双线性变换法 z = e sT sT = e2 − sT e2 1 + sT = 1− 2 sT 2 +L +L ≈ 1+ 1− sT 2 sT 2 双线性变换或塔斯廷(Tustin)近似 s = 2 z −1 T z +1 D(z) = D(s) s= 2 z−1 T z+1 (2) 前向差分法 利用级数展开可将z=esT写成以下形式  z=esT=1+sT+…≈1+sT 由上式可得 s = z −1 T D(z) = D(s) s= z−1 T (3) 后向差分法 利用级数展开还可将z=esT写成以下形式  Z = esT = 1 e − sT ≈1 1− sT s = z −1 Tz D(z) = D(s) s= z−1 Tz z⒋设计由计算机实现的控制方法 ¾ 数字控制器D(z)的一般形式为下式,其中n≥m, 各系数ai,bi为实数,且有n个极点和m个零点 D(z) = U(z) E(z) = b0 +b1z−1 +L+bmz−m 1+ a1z−1 +L+ anz−n ¾ 需要将D(z)表示成差分方程的形式,编制程序,由 计算机实现数字调节规律 U(z) = (-a1z-1-a2z-2-…-anz-n)U(z)+(b0+b1z-1+…+bmz-m)E(z) ) 上式用时域表示为  u(k) = -a1u(k-1) - a2u(k-2) -… - anu(k-n) + b0e(k) + b1e(k-1) +…+ bme(k-m)) z5.校验 ¾ 控制器D(z)设计完并求出控制算法后,须检验其闭 环特性是否符合设计要求 ¾ 这一步可由计算机控制系统的数字仿真计算来验 证,如果满足设计要求设计结束,否则应修改设计 例5.1 已知被控对象的传递函数为 G(s) = 10 s(0.5s + 1) 试设计数字控制器D(z),使闭环系统性能指标满足: ⑴ 静态速度误差系数KV ≥10s-1 ⑵ 超调量σ%≤25% ⑶ 调节时间ts≤1s 解: 第一步 设计D(s) ⑴ 采样周期的确定,系统的截止频率ωc≈10/s,此 处选取T=0.05s ⑵ 设计结果 D(s) = 8 s + 2 (s +15) 第二步 D(s)离散为D(z) 采用双线性变换法 D(z) = D(s) s= 2(z−1) T ( z+1) = 6.11z − 5.53 z − 0.45 第三步 检验系统的性能指标 ⑴求G(z) G(z) = z ⎡1 − ⎢ ⎣ e−TS s ⎤ G(s)⎥ ⎦ = (z 0.05 − 1)( z − 0.9) ⑵检验KV Kv = 1 T lim(1 − z →1 z −1 ) D( z )G ( z ) == 1 0.05 lim(1 − z →1 z −1 ) 6.11z − 5.53 z − 0.45 (z 0.05 −1)(z − 0.9) = 10.55s−1 ⑶检验控制系统超调量和调节时间性能指标 连续系统仿真曲线和计算机控制系统仿真曲线 : 1.4 y(t) 1.2 1.4 y*(t) 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 t/s 0 0 σ%=10% ≤20%, s=0.5≤1s 5T 10T 16T 18T t σ%=10% ≤20%, ts=0.65≤1s 第四步 数字控制器的实现 D(z) = U (z) E(Z ) = 6.11 − 5.53z−1 1 − 0.45z−1 取z反变换,其差分方程为 u(k) = 0.45u(k-1) + 6.11e(k) - 5.53e(k-1) 按照上式编制程序并由计算机运行,即可实现数字 控制规律 5.1.2 数字PID控制器 z 按反馈控制系统偏差的比例( proportional)、积分 ( integral )和微分( differential )规律进行控制的调 节器,简称为PID调节器,是控制系统中应用最为 广泛的一种控制规律 z PID调节器之所以经久不衰,主要有以下优点: ¾ 技术成熟,通用性强 ¾ 原理简单,易被人们熟悉和掌握 ¾ 不需要建立数学模型 ¾ 控制效果好 z ⒈PID的数字化 ¾ PID算法的表达式为 ∫ P(t) = KP [e(t) + 1 TI e(t)dt +TD de(t ) ] dt 对应的模拟PID调节器的传递函数为 D(s) = U (s) E(s) = KP (1 + 1 TI s + TD s ) ⑴数字PID位置型控制算法 ∫ P(t) = KP [e(t) + 1 TI e(t)dt +TD de(t ) ] dt ∫ ∑ ∑ n n n e(t)dt = E( j)Δt = T E( j) 0 j=0 j=0 de(t) ≈ E(k) − E(k −1) = E(k) − E(k −1) dt Δt T ∑ P(k ) = KP ⎧ ⎨E(k ⎩ ) + T TI k E( j) + TD [E(k) − E(k −1)]⎫⎬ j=0 T ⎭ ⑵数字PID增量型控制算法 P(k ) = K P ⎧ ⎨E(k ⎩ ) + T TI k ∑ E ( j ) + TD [ E (k ) − E (k − 1)]⎫⎬ j=0 T ⎭ z 根据递推原理 ∑ P(k −1) = KP ⎧ ⎨E(k ⎩ −1) + T TI k−1 E( j) + TD j=0 T [E(k −1) − E(k − 2)]⎫⎬ ⎭ P(K)=P(K-1)+ΔP(K) 增 量 式 PID 控 制 算 法 程 序 框 图 N Y ⑶数字PID控制算法实现方式比较 r(t) + e(t) PID位置算法 - u 调节阀 a、位置式控制 r(t) + e(t) PID位置算法 - u 步进电机 y(t) 被控对象 y(t) 被控对象 b、增量式控制 增量型算法具有如下优点: z (1) 计算机输出增量,所以误动作影响小,必要时可用逻辑 判断的方法去掉; z (2) 在位置型控制算法中,由手动到自动切换时,必须首先 使计算机的输出值等于阀门的原始开度,即P(k-1),才能保 证手动/自动无扰动切换,这将给程序设计带来困难。而增 量设计只与本次的偏差值有关,与阀门原来的位置无关, 因而增量算法易于实现手动/自动无扰动切换 z ⑶在位置控制算式中,不仅需要对E(j)进行累加,而且计算 机的任何故障都会引起P(k)大幅度变化,对生产产生不利, 而增量式不产生积分失控,故容易获得较好的调节品质 增量型算法不足之处 z ①积分截断效应大,有静态误差; z ②溢出的影响大。 因此,应该根据被控对象的实际情况加以选择 ¾ 在以晶闸管或伺服电机作为执行器件,或对控制精 度要求高的系统中,应当采用位置型算法 ¾ 在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中, 则应采用增量式算法 5.1.3 数字PID控制器的改进 1. 积分分离数字PID控制算法 k ∑ u(k) = kpe(k) + kLki e( j) + kd [e(k) − e(k −1)] j=0 kL—逻辑系数 kL = ⎧⎪ 1 ⎨ ⎪⎩ 0 e( j) ≤ E0 e( j) ≥ E0 E0—预先设置的阈值 ¾ 当偏差绝对值大于E0时,积分不起作用 ¾ 当偏差较小时,才引入积分作用,使调节性能得 到改善 2.带死区的数字PID控制算法 z 带死区的PID,是在计算机中人为地设置一个不灵 敏区(也称死区)e0,当偏差的绝对值小于e0 时, 其控制输出维持上次的输出;当偏差的绝对值不小 于e0 时,则进行正常的PI D控制输出 . z 若e0值太小,使控制动作过于频繁,达不到稳定被 控对象的目的;若e0值太大,则系统将产生很大的 滞后 3.不完全微分数字PID控制算法 微分控制:反映的是误差信号的变化率,是一种有“预见”的 控制,因而它与比例或比例积分组合起来控制能改善系统 的动态特性。 z 但微分控制有放大噪声信号的缺点,因此对具有高频干扰 的生产过程,微分作用过于敏感,控制系统很容易产生振 荡,反而导致了系统控制性能降低。 z 例如当被控量突然变化时,偏差的变化率很大,因而微分 输出很大,由于计算机对每个控制回路输出时间是短暂 的,执行机构因惯性或动作范围的限制,其动作位置未达 到控制量的要求值,因而限制了微分正常的校正作用,使 输出产生失真,即所谓的微分失控(饱和)。 z 这种情况的实质是丢失了控制信息,其后果是降低了控制 品质。 z 为了克服这一缺点,采用不完全微分PID控制器可以抑制高 频干扰,系统控制性能则明显改善。 kp kp + + E(s) kp U(s) E(s) kp U'(s) 1 U(s) Tis ++ Tis + + 1+Tfs kpTd 1+Tf s (a) kpTds (b) 图5.8 不完全微分算法结构图 ¾不完全微分结构的微分传递函数为 U (s) = kdTd s E(s) 1+Tf s ¾对于完全微分结构的微分传递函数为 U ( s ) = k p Td sE ( s ) ud(kT) 12 10 T=1s 8 不完全微分 6 4 2 完全微分 0 0 1T 2 T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 两种微分作用比较 4.微分先行PID控制算法 R(s) E(s) k p ( 1+ 1 Tis ) U(s) — Y(s) 1+Td s 微分先行PID控制结构图 微分先行的增量控制算式 : Δu (k ) = kp [e(k ) − e(k −1)] + kp T Ti e(k )   = − kp Td T [ y(k) − 2 y(k −1) + y(k − 2)]   = − kp Td Ti [ y(k) − y(k −1)] 特点: ¾ 只对输出量y(t)进行微 分,对给定值r(t)不作微分 Æ在改变给定值时,对系 统的输出影响比较缓和的 ¾ 适用于给定值频繁变化 的场合 Æ可避免因给定值升降时 所引起的超调量过大、阀 门动作过分振荡,可明显 改善系统的动态特性 5.1.4 数字PID控制器参数的整定 z 数字控制器的参数整定:各种数字PID控制算法用 于实际系统时,必须确定算法中各参数的具体数 值,如比例增益Kp、积分时间常数Ti、微分时间常 数Td和采样周期T,以使系统全面满足各项控制指 标,这一过程叫做数字控制器的参数整定。 z 数字PID控制器参数整定的任务: 确定T、Kp、Ti和Td 1. 采样周期T的选择 采样周期T的选择与下列一些因素有关: „ 作用于系统的扰动信号频率fn „ 对象的动态特性 ¾ 当仅是惯性时间常数起作用时,ωs≥10ωm ¾ 当系统中纯滞后时间τ占有一定份量时,应该 选择T≈τ/10 ¾ 当系统中纯滞后时间τ占主导作用时,可选择 T≈τ „ 测量控制回路数。测量控制回路数N越多,采样周 期T越长。若采样时间为τ,则采样周期T≥Nτ „与计算字长有关 几种常见的对象,选择采样周期的经验数据 被控参数 流量 压力 液位 温度 成分 采样周期/s 1~5 3~10 6~8 15~20 15~20 备注 优先用(1~2)s 优先用(6~8)s 优先用7s 取纯滞后时间常数 优先用 2. 数字PID参数的工程整定 (1)扩充临界比例度法 模拟调节器中所用的临界比例度法的扩充,步骤如下: z ①选择合适的采样周期T。调节器作纯比例KP的闭 环控制,逐步加大KP,使控制过程出现临界振荡。 由临界振荡求得临界振荡周期Tu和临界震荡增益 ku,即临界振荡时的kP值 z ②选择控制度 控制度:数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程 ∫ 的误差平方的积分之比,即 控制度 = ⎡⎣min e2dt⎤⎦D ∫ ⎡⎣min e2dt⎤⎦A ③选择控制度后,按表求得T,kP,TI,TD值 控制度 1.05 1.2 1.50 2.0 模拟调节器 控制规律 PI PID PI PID PI PID PI PID PI PID T/Tu 0.03 0.014 0.05 0.043 0.41 0.09 0.22 0.16 — — kp/ku 0.55 0.63 0.49 0.47 0.42 0.34 0.36 0.27 0.57 0.70 Ti/Tu 0.88 0.49 0.91 0.47 0.99 0.43 1.05 0.40 0.83 0.50 Td/ Tu — 0.14 — 0.16 — 0.20 — 0.22 — 0.13 z ④参数的整定只给出一个参考值,需再经过实际调 整,直到获得满意的控制效果为止。 (2)扩充响应曲线法 已知系统的动态特性曲线,就可采用扩充响应曲线法 进行整定。其步骤如下: z ①断开数字调节器,使系统在手动状态下工作。当 系统在给定值处达到平衡后,给一阶跃输入。 z ②用仪表记录下被调参数在此阶跃作用下的变化过 程曲线(即广义对象的飞升特性曲线) 图5.12 被控对象阶跃响应 z ③在曲线最大斜率处,求得滞后时间θ,被控对象 时间常数τ,以及它们的比值θ / τ 。 z ④根据所求得的θ、τ和θ / τ的值,查表5-3,即可求 出控制器的T、KP、Ti、和Td。 表5.3 PID参数整定计算表 Kp Ti Td P 1/(Rτ) PI 0.9/(Rτ) 3τ PID 1.2/(Rτ) 2τ 0.5τ 例5.2 已知某加热炉温度计算机控制系统的过渡过程曲线如 图所示,其中τ=30,Tg=180s,T=10s,试求数字PID控制算 法的参数,并求其差分方程。 解: R = 1/Tg = 1/180,Rτ= 1/180×30 =1/6。根据表5.3有 kp = 1.2/(Rτ) = 7.2、Ti = 2τ= 60s、Td = 0.5τ= 15s ki = kp×T/Ti = 7.2×10/60 = 1.2 kd = kp×Td/T = 7.2×15/10 = 10.8 u(k) = u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+ kd[e(k)-2e(k-1) +e(k-2)] = u(k-1)+7.2[e(k)-e(k-1)]+1.2e(k)+ +10.8[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] = u(k-1)+ 9.2e(k)-28.8e(k-1)+10.8e(k-2) (3)归一参数整定法 ¾一种简化扩充临界比例度整定法。由于该方法只需要整定 一个参数即可,故称其为归一参数整定法 已知增量型PID控制的公式为: ΔP(k) = Kp[E(k) − E(k −1)]+ KI E(k) + KD[E(k) − 2E(k −1) + E(k − 2)] 根据Ziegler-Nichle条件,如令T=0.1Tk 、TI=0.5Tk ,TD=0.125Tk, Tk为纯比例作用的临界振荡周期,则 ΔP(k ) = K P [2.45 E (k ) − 3.5E (k − 1) + 0.125 E (k − 2)] 简化为只要整定一个参数KP。改变KP,观察控制效果,直到 满意为止。 (4)变参数寻优法 目前常用的参数调整方法有: z 对某些控制回路根据负荷不同,采用几组不同的 PID参数,以提高控制质量。 z 时序控制:按照一定的时间顺序采用不同的给定值 和PID参数。 z 人工模型:把现场操作人员的操作方法及操作经验 编制成程序,由计算机自动改变参数。 z 自寻最优:编制自动寻优程序,当工况变化时,计 算机自动寻找合适的参数,使系统保持最佳的状态。 ‹凑试法确定PID参数 整定步骤: (1) 首先只整定比例部分 ¾ 比例系数由小变大,观察相应的系统响应,直到得到反应 快,超调小的响应曲线。 ¾ 若系统无静差或静差已小到允许范围内,并且响应效果良 好,那么只须用比例调节器即可,最优比例系数可由此确定 (2) 若静差不能满足设计要求,则须加入积分环节 ¾ 首先置Ti为一较大值,并将第一步得到的比例系数略为缩小 (如缩小为原值的0.8倍),然后减小积分时间,使得在保持系 统良好动态性能的情况下,静差得到消除 ¾ 在此过程中,可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与 积分时间,以期得到满意的控制过程与整定参数 ‹ 凑试法确定PID参数 整定步骤: (3) 若用PI消除了静差,但动态过程仍不满意,则可加入微分 环节,构成PID调节器 ¾ 可先置微分时间Td为零。在第二步整定的基础上,增大 Td ,同时相应地改变比例系数和积分时间,逐步凑试,以获 得满意的调节效果和控制参数 整定比例部分 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 50 100 150 200 250 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 50 100 150 200 250 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 整定积分部分 1 .4 1 .2 1 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 0 100 200 300 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 KI系数值比较大引起的振荡 1.4 1.2 KD=0.1 KD=0.6 1 KD=0.3 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 调节微分系数 ‹ PID控制参数的自整定法 ¾ 参数自整定就是在被控对象特性发生变化后,立即使PID控 制参数随之作相应的调整,使得PID控制器具有一定的“自调 整”或“自适应”能力 ¾所谓特征参数法就是抽取被控对象的某些特征参数,以其为 依据自动整定PID控制参数 ¾基于被控对象参数的PID控制参数自整定法的首要工作是, 在线辨识被控对象某些特征参数,比如临界增益K和临界周期 T(频率ω=2π/T) PID常用口诀: ¾ 参数整定找最佳,从小到大顺序查 ¾ 先是比例后积分,最后再把微分加 ¾ 曲线振荡很频繁,比例度盘要放大 ¾ 曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳 ¾ 曲线偏离回复慢,积分时间往下降 ¾ 曲线波动周期长,积分时间再加长 ¾ 曲线振荡频率快,先把微分降下来 ¾ 动差大来波动慢,微分时间应加长 ¾ 理想曲线两个波,前高后低四比一 ¾ 一看二调多分析,调节质量不会低 5.2 计算机控制系统的离散化设计 z 模拟化设计方法的缺点:系统的动态性能与采样频率的选 择关系很大 z 离散化设计方法:是在z平面上设计的方法,对象可以用离 散模型表示,或者用离散化模型的连续对象,以采样控制 理论为基础,以z变换为工具,在z域中直接设计出数字控制 器D(z)。这种设计法也称直接设计法或z域设计法 ¾ 由于直接设计法无须离散化,也就避免了离散化误差。又 因为它是在采样频率给定的前提下进行设计的,可以保证 系统性能在此采样频率下达到品质指标要求,所以采样频 率不必选得太高。因此,离散化设计法比模拟设计法更具 有一般意义 5.2.1 数字控制器的离散化设计步骤 T R(s) — Gc(z) HG(z) T E(z) D(z) T U(z) H0(s) G(s) Y(z) T y(s) 广义对象的脉冲传递函数为 HG( z ) = z[H (s)0 G(s)] = ⎡1− e −Ts z⎢ ⎢⎣ s ⎤ G(s)⎥ ⎥⎦ 闭环脉冲传递函数为 Gc(z) = Y (z) R(z) = D(z)HG(z) 1+ D(z)HG(z) 误差脉冲传递函数为 Ge (z) = E(z) R(z) = 1 − Gc(z) D(z) = U (z) = Gc (z) = Gc (z) E(z) HG(z)[1− Gc (z)] HG(z)Ge (z) 设计步骤 ¾ 由H0(s)和G(s)求取广义对象的脉冲传递函数HG(z) ¾ 根据控制系统的性能指标及实现的约束条件构造闭 环脉冲传递函数Gc(z) ¾ 根据D(z)式确定数字控制器的脉冲传递函数D(z) ¾ 由D(z)确定控制算法并编制程序 5.2.2 最少拍控制器设计 z 在数字随动系统中,通常要求系统输出能够尽快地、 准确地跟踪给定值变化,最少拍控制就是适应这种 要求的一种直接离散化设计法 z 在数字控制系统中,通常把一个采样周期称为一拍 z 所谓最少拍控制,就是要求设计的数字调节器能使 闭环系统在典型输入作用下,经过最少拍数达到输 出无静差。显然这种系统对闭环脉冲传递函数的性 能要求是快速性和准确性。 z 实质上最少拍控制是时间最优控制,系统的性能指 标是调节时间最短(或尽可能地短) ⒈最少拍控制系统D(z)的设计 ‹ 根据性能指标要求,构造一个理想的闭环脉冲传 递函数 由误差表达式 E(z) = Ge (z)R(z) = e0 + e1z−1 + e2 z−2 +L ¾ 实现无静差、最小拍,应在最短时间内趋近于 零,即E(z)应为有限项多项式 ,因此,在输入R(z)一 定的情况下,必须对Ge(z)提出要求 典型输入的z变换具有如下形式: ⑴单位阶跃输入 ⑵单位速度输入 R (t) = u (t), R(z) = 1 1 − z −1 R (t) = t, R(z) = T z −1 (1 − z − 1 ) 2 ⑶单位加速度输入 R (t) = 1 t2, R(z) 2 = T 2 z − 1 (1 + z − 1 ) 2 (1 − z − 1 ) 3 ¾ 由此可得出调节器输入共同的z变换形式 R(z) = A(z) (1 − z − 1 ) m 其中A(z)是不含有(1-z-1)因子的z-1的多项式 ¾ 根据z变换的终值定理,系统的稳态误差 lim t→∞ e(t ) = lim(1 z →1 − z −1 ) E ( z ) = lim(1 z →1 − z −1 )Ge ( z) R( z ) = lim(1 z →1 − z −1 )Ge ( z ) (1 A( z ) − z−1)m =0 lim t→∞ e(t ) = lim(1 z →1 − z −1 ) E ( z ) = lim(1 z →1 − z −1 )Ge ( z ) R ( z ) = lim(1 − z →1 z −1 )Ge ( z) (1 A( z ) − z−1)m = 0 很明显,要使稳态误差为零,Ge(z)中必须含有(1-z-1)因子,且 其幂次不能低于m ,即 Ge (z) = (1− z−1)M F (z) 式中, M ≥ m , F(z)是关于z-1的有限多项式 ¾ 为了实现最少拍,要求Ge(z)中关于z-1的幂次尽可能低,令 M=m, F(z)=1 ,则所得Ge(z)即可满足准确性,又可快速性要 求,这样就有 Ge (z) = (1− z−1)m Gc (z) = 1− (1− z−1)m ⒉典型输入下的最少拍控制系统分析 z 单位阶跃输入 Ge (z) = (1− z −1) Gc (z) = 1− (1− z −1) = z −1 E( z) = R( z )Ge (z) = 1 1− z−1 (1 − z −1 ) = 1 = 1• z 0 + 0 • z −1 + 0 • z −2 Y (z) = R(z)Gc (Z ) = 1 1− z−1 z −1 = z −1 + z −2 + z −3 +L ¾ e (0) = 1, e (T) = e (2T) = ··· = 0,这说明开始一个采样点上 有偏差,一个采样周期后,系统在采样点上不在有偏差 ¾ 过度过程为一拍 z 单位速度输入时 Ge (z) = (1− z −1)2 Gc (z) = 1− (1− z −1)2 = 2z −1 − z −1 E(z) = R( z )Ge (z) = Tz −1 (1− z−1)2 (1 − 2 z −1 + z−2 ) = Tz −1 Y (z) = R(z)Gc (z) = 2Tz −2 + 3Tz −3 + 4Tz −4 + L ¾ e (0)=0, e (T)=T, e (2T) = e (3T) = ··· = 0,这说明经过两 拍后,偏差采样值达到并保持为零 ¾ 过渡过程为两拍 z 单位加速度输入 Ge (z) = (1− z −1)3 Gc (z) = 1− (1− z −1)3 = 3z −1 − 3z −2 + z −3 e e E(Z ) = Ge (Z )R(Z ) = (1 − Z −1 ) 3  T 2 Z 2(1 (1 + −Z −Z1 )−31 ) = T 2 Z −1 2 + T 2Z 2 −2 ¾ e (0)=0,e (T)= e (2T) =T2/2,e (3T) = e (4T) = ··· = 0,这说 明经过三拍后,输出序列不会再有偏差 ¾ 过渡过程为三拍 z 例5.3 计算机控制系统如下图所示,对象的传递函数 G(s) = 2 s(0.5s + 1) 采样周期T=0.5s,系统输入为单位速度函数,试设计有限拍 调节器D(z) Gc(z) T R(s) — T E(z) D(z) HG(z) T U(z) H0(s) G(s) Y(z) T y(s) 解:广义对象传递函数为 HG( z) = Z ⎡1 ⎢ − e−Ts ⎢⎣ s 2 s(0.5s + 1) ⎤ ⎥ ⎥⎦ = Z ⎡ ⎢(1 ⎣ − e−Ts ) s 2 4 (s + 2) ⎤ ⎥ ⎦ = (1 − z −1)Z ⎡ ⎢ ⎣ s 2 4 (s + 2) ⎤ ⎥ ⎦ = (1 − z −1 ) Z ⎡2 ⎢⎣ s2 − 1 s + s 1 + ⎤ 2 ⎥⎦ = 0.368(1+ 0.718z −1) (1− z −1)(1− 0.368z −1) 由于r(t)=t,查表得:Ge (z) = (1− z−1)2 ¾ 求得的控制器的脉冲传递函数 D(Z ) = Gc (Z ) HG(Z )Ge (Z ) = 5.435(1− 0.5Z −1)(1− 0.368Z −1) (1− Z −1)(1+ 0.718Z −1) 检验: E(z) = Ge (z)R(z) = Tz−1 由此可见,当K≥2以后,误差经过两拍达到并保持为零 Y (z) = (1− Ge (z))R(z) = (2 z −1 − z −2 ) (1 Tz −1 − z−1)2 = 2Tz −2 + 3Tz −3 + 4Tz −4 + L 上式中各项系数,即为y(t)在各个采样时刻的数值 输出响应曲线如图所示,当系统为单位速度输入时, 经过两拍以后,输出量完全等于输入采样值,即 y(kT) = r(kT) 单位速度输入 ¾ 输入为单位阶跃函数时,系统输出序列的z变换 Y (z) = Gc (z)R(z) = (2 z −1 − z −2 ) 1 1 −z −1 输出序列为 = 2z−1 + z−2 + z−3 + z−4 +L y(0) = 0, y(T ) = 2, y(2T ) = 1, y(3T ) = 1, y(4T ) = 1,L ¾ 若输入为单位加速度,输出量的Z变换为 Y (z) = Gc (z)R(z) = (2 z −1 − z −2 ) T 2 z−1(1+ z−1 2(1− z−1)3 ) 输出序列为 = T 2 z−2 + 3.5T 2 z−3 + 7T 2 z−4 + 11.5T 2 z−5 + L y(0) = 0, y(T ) = 0, y(2T ) = T 2, y(3T ) = 3.5T 2, y(4T ) = 7T 2,L 2 6 14 5 12 1.5 10 4 8 1 3 6 2 0.5 4 1 2 0 0 0 0123456 0 2 4 6 0 2 4 6 (a) 单位阶跃输入 (b) 单位速度输入 (c) 单位加速度输入 按单位速度输入设计的最小拍系统,当为单位阶跃输入时, 有100%的超调量,加速度输入时有静差 ¾由上述分析可知,按照某种典型输入设计的最小拍系统,当 输入函数改变时,输出响应不理想,说明最小拍系统对输入 信号的变化适应性较差 3. 最少拍控制器设计的限制条件 必须考虑如下几个问题: ¾稳定性 ¾准确性 ¾快速性 ¾物理可实现性 考虑可实现性及稳定性,必须考虑以下几个条件: z ⑴为实现无静差调节,选择Ge(z)时,必须针对不同的输入 选择不同的形式,通式为 Ge ( z) = (1 − z −1)m F ( z) z ⑵为保证系统的稳定性, Ge(z)的零点应包含HG(z)的所有 不稳定极点; z ⑶为保证控制器D(z)物理上的可实现性, HG(z)的所有不稳 定零点和滞后因子均应包含在闭环脉冲传递函数Gc(z)中; z ⑷为实现最小拍控制,F(z)应尽可能简单, F(z)的选择要满 足恒等式 Ge (z) + Gc (z) = 1 z 例5.4 G(s) = 10 s(s +1) 采样周期T=1s,试针对单位速度输入函数设计有限 拍有纹波系统,并画处数字控制器和系统输出波形 a.控制器输出 b.系统输出 5.2.3 最少拍无波纹控制器设计 z 有限拍无纹波设计的要求是系统在典型的输入作用 下,经过尽可能少的采样周期后,系统达到稳定, 并且在采样点之间没有纹波。 z ⒈纹波产生的原因 „ 控制量在一拍后并未进入稳态,而是在不停地波 动,从而使连续部分的输出在采样点之间存在纹波 „ Æ U(z)含有左半单位圆的极点: 由HG(z)的相应零点引起 ¾ 根据z平面上的极点分布与瞬态响应的关系,左半单位圆 内极点虽然是稳定的,但对应的时域响应是振荡的 5.2.3 最少拍无波纹控制器设计 z ⒉消除纹波的附加条件 „ 使Gc(z)包含HG(z)圆内的零点,就是消除消除纹波 的附加条件,也是有纹波和无纹波设计的唯一区别 z 确定最少拍(有限拍)无纹波Gc(z)的方法如下: ‹ 1)先按有纹波设计方法确定Gc(z) ‹ 2)再按无纹波附加条件确定Gc(z) z 例5.5 G(s) = 10 s(s +1) 试设计无纹波D(z)并检查U(z). 5.3 大林算法 针对工业过程中含有纯滞后的对象的控制算法 z 5.3.1 大林算法的基本形式 T R(s) — Gc(z) HG(z) T E(z) D(z) T U(z) H0(s) G(s) Y(z) T y(s) 一阶惯性环节:G(s) = Ke−τs T1s + 1 二阶惯性环节:G(s) = Ke − τs (T1s + 1)(T2 s + 1) ⒈ 大林算法设计目标 z 大林算法的设计目标: ¾ 设计合适的数字控制器D(z),使整个计算机控制系 统等效的闭环传递函数期望为一个纯滞后环节和一 阶惯性环节相串联,并期望闭环系统的纯滞后时间 等于被控对象的纯滞后时间,即闭环传递函数为 Gc (s) = Ke − τs Tτ s + 1 ⒉ 带纯滞后一阶惯性对象的大林算法 设对象特性为 G(s) = Ke−τs T1s + 1 将 τ = nT (n = 1,2,3,L) 代入上式并进行z变换得 HG ( z ) = Z ⎡1 ⎢ − e −Ts ⎢⎣ s Ke−τs ⎤ T1 s + ⎥ 1⎥⎦ = −T Kz −N −1 1 − e T1 −T 1 − e z T1 −1 ¾ 得出数字控制器的算式 −T −T D(z) = 1 Gc (z) = (1 − e Tτ )(1 − e T1 z −1 ) HG(z) 1 − Gc (z) −T ⎡ −T −T ⎤ K (1 − e T1 )⎢1 − e Tτ z −1 − (1 − e Tτ )z −N −1 ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ ⒊带纯滞后二阶惯性对象的大林算法 对象特性 G(s) = Ke − τs (T1s + 1)(T2 s + 1) 数字控制器的算式 −T −T −T D(z) = 1 Gc (z) = (1 − e Tτ )(1 − e T1 z −1 )(1 − e T2 z −1 ) HG(z) 1 − Gc (z) ⎡ −T −T ⎤ K (c1 + c2 z −1 )⎢1 ⎢⎣ − e Tτ z −1 − (1 − e Tτ )z −N −1 ⎥ ⎥⎦ 5.3.2 振铃现象及其消除方法 z 所谓振铃(Ringing)现象,是指数字控制器的输 出u(kT)以1/2采样频率的大幅度衰减的振荡 3 2 .5 2 1 .5 1 0 .5 0 1 2 3 4 5 ⑴ 振铃幅度RA(Ringing Amplitude) ¾ 振铃幅度RA是用来衡量振铃强烈的程度,RA定义 为:数字控制器在单位阶跃输入作用下,第0拍输 出与第1拍输出之差,即 RA = u(0) − u(T ) ¾ 式中 RA≤0,则无振铃现象;RA>0,则存在振铃 现象,且RA值越大,振铃现象越严重 ⑵ 振铃现象的分析 z 大林算法的数字控制器的D(z)写成一般形式 D(z) = Az −L 1 + b1 z −1 1 + a1 z −1 + + b2 z −2 a2 z −2 +L +L = Az −LQ(z) Q(z) = (1 + b1z −1 + b2 z −2 + L) /(1 + a1z −1 + a2 z −2 + L) A为常数,z-L表示延迟 z 数字控制器的单位阶跃响应输出序列幅度的变化仅 与Q(z)有关,因为Az –L只是将输出序列延时和比例 放大或缩小。因此,只需分析单位阶跃作用下Q(z) 的输出序列即可 u(z) = Q(z)R(z) = 1+ 1+ b1 z a1 z −1 −1 + + b2 a2 z z −2 −2 +L 1 + L 1 − z −1 = 1 + (b1 − a1 + 1)z −1 +L z 根据RA定义,可得 RA = u(0) − u(T ) = 1 − (b1 − a1 +1) = a1 − b1 3. 消除振铃的方法 z 消除振铃的方法是消除D(z)中的左半平面的极点 ¾ 具体方法是先找出引起振铃现象的极点,然后令这 些极点z=1,于是消除了产生振铃的极点 ¾ 根据终值定理,这样处理不会影响数字控制器的稳 态输出。另外从保证闭环系统的特性出发,选择合 适的采样周期T及系统闭环时间常数Tτ,使得数字 控制器的输出避免产生强烈的振铃现象 4. 大林算法的设计步骤 ‹ 用直接设计法设计具有纯滞后系统的数字控制器, 主要考虑的性能指标是控制系统无超调或超调很小 ‹ 为了保证系统稳定,允许有较长的调节时间 ‹ 设计中应注意的问题是振铃现象 4. 大林算法的设计步骤 ‹ 考虑振铃现象影响时设计数字控制器的一般步骤: z 根据系统性能,确定闭环系统的参数Tτ,给出振 铃幅度RA的指标; z 由RA与采样周期的关系,解出给定振铃幅度下对 应的采样周期,如果T有多解,则选择较大的采样 周期 z 确定纯滞后时间τ与采样周期T之比的最大整数N z 求广义对象的脉冲传递函数HG(z)及闭环系统的脉 冲传递函数Gc(z) z 求数字控制器的脉冲传递函数D(z) 例5.10 设工业对象 G(s) = e−s 3.34s +1 采样周期T=1s,期望闭环系统时间常数Tτ=2s Æ试比较消除振铃前后的数字控制器及单位阶跃输入 下的系统响应输出序列 5.4 数字控制器的计算机实现 z 实现数字控制器D(z)算法的方法有硬件电路实现和 软件实现二种 ¾ ⑴ 硬件实现 利用数字电路(例如加法器、乘法器、延时电路等)实现 D(z),一般用于某些特定系统 ¾ ⑵ 软件实现 通过编制计算机程序来实现D(z)的方法,称为计算机实现 ¾ 由计算机的特点以及从D(z)算式的复杂性和设计控制系统的 灵活性出发,采用计算机软件的方法实现更具有优势。因 而在许多工业控制系统中都采用软件实现方法 5.4.1 直接程序法 E(z) b0 + z-1 b2 z-1 b1 z-1 bm U(Z) + -a1 z-1 -a2 z-1 -an z-1 5.4.2 串联程序法 ∏ ∏ D(z) = D1 (z)D2 (z)L D j = d0 l 1 + bi z −1 j 1 + ci z −1 i=1 1 + ai z −1 i=l+11 + ei z −1 + di z −2 + fi z−2 E(z) d0 U1(z) U2(z) D1(z) D2(z) U(z) Dj(z) 例5.11 设数字控制器 D(z) = 3z 2 + 3.6z + 0.6 z 2 + 0.1z − 0.02 试用串联程序法实现D(z)表达式,画出串联程序法的框图 解:将D(z)变为 D(z) = 3z 2 + 3.6z + 0.6 z 2 + 0.1z − 0.02 = (3z + 0.6) (z − 0.1) (z + 1) (z + 0.2) = 3+ 1− 0.6z −1 0.1z −1 1 + z −1 1 + 0.2z −1 可以写出子脉冲传递函数D1(z)、D2(z),分别为 D1 (z) = 3+ 1− 0.6z −1 0.1z −1 D2 (z) = 1 1 + z −1 + 0.2z −1 ⎧U ⎪ 1 ( z) = 3E ( z ) + 0.6 E ( z) z −1 + 0.1U1 ( z ) z −1 ⎨ ⎪ ⎩ U (z) = U1(z) + U1 (z)z −1 − 0.2U ( z)z −1 差分方程组为 ⎧ ⎪ u1 (k ) = 3e(k ) + 0.6e(k − 1) + 0.1u1 (k ) ⎨ ⎪⎩u(k ) = u1(k ) + u1(k −1) − 0.2u(k −1) 串联程序法的原理框图 E(z) 3+0.6 z−1 U1(z) 1+z−1 U(z) 1−0.1 z−1 1+0.2 z−1 5.4.3 并联程序法 ¾ 对于数字控制器D(z),若能写成部分分式形式, 可以将其化简为多个一阶或二阶脉冲传递函数相加的 形式 j ∑ D(z) = d0 + Di (z) i=1 式中 Di (z)通常可以表示为 ∑ ∑ D(z) = D1 (z) + D2 (z) + L + D j = d0 + l 1 + bi z −1 i=1 1 + ai z −1 + j i =l +11 + 1 + ci di z −1 z −1 + ei z −2 ¾ 数字控制器D(z)就可以看成由D1(z),D2(z),Dj (z)并联而成 先求出 u1(k),u2(k),…后,通过求和运算即可算出u(k) E(z) d0 + U(z) D1(z) + + Dj(z) 例5.12 设数字控制器 D(z) = z2 + 2z +1 z2 + 5z + 6 试用串联程序法实现D(z)表达式,画出串联程序法的框图 解:对D(z)进行因式分解,以部分分式形式表示 D(z) = U (z) = z2 + 2z +1 = 1+ 1 − 4 E(z) z2 + 5z + 6 z+2 z+3 得差分方程组如下: ⎪⎨⎧uu21 (k (k ) ) = = e(k e(k ) −         1) − 2u 2 (k − 1)   ⎪⎩ u3 (k ) = −4e(k − 1) − 3u3 (k − 1) U1(z) 1 E(z) 1 + U2(z) U(z) z+2 + + −4 z+3 U3(z) 5.4.4 数字控制器设计 通过前面几节的分析,可以把数字控制器的设计步骤 综合归纳如下: z 1)根据被控对象的传递函数,求出系统(包括零 阶保持器在内)的广义对象的传递函数HG(s) z 2)求广义对象的脉冲传递函数HG(z) z 3)根据控制系统的性能指标及其输入条件,确定 出整个闭环系统的脉冲传递函数Gc(z) z 4)确定数字控制器的脉冲传递函数D(z) z 5)对于最少拍无纹波系统,需要验证是否有纹波 存在;对于大林算法需要检查是否有振铃现象 z 6)D(z)的计算机实现 z 7)根据计算机控制系统的的采样周期、时间常数 及其它条件求出相应的系数,并将其转换成计算机 能够接受的数据形式 z 8)由差分方程编写程序 第6章 控制系统的数据处理技术 南京邮电大学 电气工程系 OUTLINE ¾ 6.1 程序设计技术 ¾ 6.2 测量数据的预处理技术 ¾ 6.3 查表与数据排序技术 ¾ 6.4 软件抗干扰技术 ¾ 6.5 本章小结 习题 z 软件分为系统软件、应用软件 应用软件的设计主要包括以下几个模块: ¾ 系统界面模块、 ¾ 采集模块、 ¾ 控制模块、 ¾ 数据处理模块、 ¾ 打印显示模块、 ¾ 数据存储模块、 ¾ 数据传输模块等 6.1 程序设计技术 6.1.1程序设计的步骤与方法 „ 程序设计步骤 一个完整的程序设计过程由几部分组成。 ¾ (1)拟定设计任务书 ¾ (2)建立数学模型并确定算法 ¾ (3)程序的总体设计及其流程图 ¾ (4)编写源程序 ¾ (5)源程序的编译与调试 ¾ (6)系统软件的整体运行与测试 ¾ (7)总结归纳进一步编写程序说明文件 z 程序设计方法 一般遵循模块化与结构化的程序设计思想 ¾模块化程序设计 ¾结构化程序设计方法 模块化程序设计 z 模块化程序设计是把一个较长的复杂的程序 分成若干个功能模块或子程序,每个功能模 块执行单一的功能。 z 模块化程序设计的两种设计思路 ¾自底向上 ¾自顶向下 结构化程序设计方法 z 结构化程序设计的概念最早由Dijkstra E W 提出。1965年他在一次会议上指出:“可以 从高级语言中取消GOTO 语句”,“程序的 质量与程序中所包含的GOTO语句的数量成 反比。”1966年的Bohm C 和Jacopini G证明 了只用三种基本的结构就能实现任何单入口 单出口的程序。这三种基本的控制结构是 “顺序”、“选择”、“循环”。 z 结构化程序设计是一种程序设计技术,它采用自顶 向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结 构。在总体设计阶段采用自顶向下逐步求精的方 法,可以把一个复杂问题的解法分解和细化成一个 由许多模块组成的层次结构的软件系统。 特点: 程序设计方法简单,设计出来的程序可读性强,容易 理解,便于维护,是面向对象程序设计的基础,结构 化程序设计可以表示成如下的公式: 数据+操作+流程控制+结构化程序设计方法 6.1.2 工业控制组态软件 “ 组态” 的概念最早来自英文“Configuration” ,其含 义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配 置 (包括进行对象的定义、制作和编辑,并设定其状 态特征属性参数),达到使计算机或软件按照预先设 置,自动执行特定任务,满足使用者要求的目的。 ¾ 美国商业组态软件公司Wonderware公司的Intouch ¾ RockWell公司的Rsview32 ¾ 德国西门子公司的WinCC等 ¾ 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS ¾ 北京三维力控科技有限公司的力控 ¾ 北京亚控科技发展有限公司的组态王 ¾ 台湾研华的GENIE等 MCGS系列组态软件 ¾ MCGS嵌入版组态软件 ¾ MCGS通用版组态软件 ¾ MCGS网络版组态软件 力控系列组态软件 ¾ pLerine通用组态软件 ¾ pSolidLerine嵌入式HMI/SCADA组态软件 ¾ 三维力控pNetPower-电力版自动化软件 1.嵌入式组态软件 基于嵌入式系统的组态软件 ‹ 嵌入式系统分为四部分 ¾ 嵌入式微处理器 ¾ 外围硬件设备 ¾ 嵌入式操作系统 ¾ 以及应用软件系统 ‹ 运行于Windows CE、DeltaOS等嵌入式RTOS ‹ 时间精度在毫秒级 ‹ 通用计算机环境下组态、下载到嵌入式操作系统 中运行 嵌入式计算机:单板计算机(SBC)、PC104计算机和 饼干机(3.5英寸工业单板计算机 )。 与标准计算机相比,嵌入式机具有以下优点: z 功耗低、可靠性高。 z 功能强大,具有很高的性能价格比。 z 实时性强,支持多任务。 z 占用空间小,效率高 嵌入式PC/104工业计算机主板 主要特性: 处理器 :AMD Geode GX1 工作频率:默认值为300MHz。 系统内存:在板32M/64M/128MBytes SDRAM,默认为64MBytes。 BIOS :AWARD SYSTEM BIOS Flash写保护控制。 显示接口:支持CRT﹑18bit TFT真彩LCD屏﹑4M共享内存。 VGA分辨率最大支持1024×768×24bpp、1280×1024×8bpp LCD TFT最大支持1024×768×18bpp; LCD 黑白屏最大支持1024×768×18bpp IDE接口 :支持标准硬盘和CD-ROM,可接DOM(DISK ON MODULE),CF卡 2. 通用版组态软件 ‹ 主要应用于实时性要求不高的监测系统中 ‹ 作用主要是做监测和数据后处理 ‹ 运行于Windows 98/NT/2000/XP等环境 ‹ 时间通常在秒级 3. 组态软件主要解决的问题: (1) 如何与采集、控制设备间进行交换数据; (2) 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各个元素关 联起来 (3) 处理数据报警和系统报警 (4) 存储历史数据并支持历史数据查询 (5) 各类报表的生成和打印输出 (6) 提供灵活多变的组态工具, 适应不同领域的需求 (7) 最终生成的应用系统运行稳定可靠 (8) 具有第三方程序的接口, 方便数据共享 4. 组态软件的功能 1)强大的画面显示组态功能 2)良好的开放性 3)丰富的功能模块 4)强大的数据库 5)可编程的命令语言 6)周密的系统安全防范 7)仿真功能 6.2 测量数据预处理技术 6.2.1系统误差的自动校准 1.全自动校准 基准电压uR 1 测量电压uy 2 Ku N 3 图6.1 全自动校准结构图 校准步骤如下: (1) 微 机 控 制 多 路 开 关 使 S 与 3 接 通 , 则 输 入 电 压 u=0,测出此时的A/D值N0 (2) 微 机 控 制 多 路 开 关 使 S 与 1 接 通 , 则 输 入 电 压 u=uR,测出此时的A/D值NR 设测量电压u与N之间为线性关系,表达式 为: u = aN + b ,则上述测量结果满足: ⎧⎨⎩u0R==aaNN0 R + + b b ⎧⎪⎪a ⎨ ⎪⎪⎩b = = uR NR − N0 uR N0 N0 − NR z 校正后的公式 u = uR NR − N0 N + uR N0 N0 − NR = uR NR − N0 (N − N0) = k(N − N0) z 如果只校准零点时,实际的测量值则为 u = a(N − N0) + b 2. 人工自动校准 z 全自动校准只适合于基准参数是电信号的场合,且 不能校正由传感器引入的误差,为此,可采用人工 校准的方法 z 人工自动校准不是自动定时校准,而是由人工在需 要时接入标准的参数进行校准测量,并将测量的参 数存储起来以备以后使用。人工校准一般只测一个 标准输入信号yR,零信号的补偿由数字调零来完成 6.2.2 线性化处理 ¾ 许多常见的测温元件,其输出与被测量之间呈现非 线性关系,因而需要线性化处理和非线性补偿 1.铂热电阻的阻值与温度的关系 ‹ Pt100铂热电阻适于测量-200℃~850℃全部或部分范围测温 ‹ 主要特性是测温精度高,稳定性好 ‹ Pt100阻值与温度的关系分为两段:-200~0℃和0~800℃ 其对应关系为: ¾ -200~0℃范围内 RT = R0 ⎡⎣1+ AT + BT2 +C(T −100)T3⎤⎦ ¾ 0~800℃范围内 RT = R0 ⎡⎣1+ AT +BT2⎤⎦ ¾查表法:根据公式,离线计算出所测量温度范围内 温度与铂热电阻的对应关系表即分度表,然后将分度 表输入计算机中,利用查表的方法实现 ¾或者根据式(6.6)和(6.7) 画出对应的曲线,然后分段 进行线性化,即用多段折线代替曲线 线性化过程见插值算法 2. 热电偶热电势与温度的关系 z 铜—康铜热电偶 T = a8E8 +a7E7 +a6E6 +a5E5 +a4E4 +a3E3 +a2E2 +a1E T = b4 E 4 + b3E3 + b2 E 2 + b1E z 铁—康铜热电偶 T = b4E 4 + b3E3 + b2E 2 + b1E z 镍铬—镍铝热电偶 T = b4 E 4 + b3E3 + b2 E 2 + b1E + b0 T = c4 E 4 + c3E3 + c2 E 2 + c1E + c0 T = (((c4E + c3 )E + c2 )E + c1)E + c0 6.2.3 标度变换 将A/D转换后的数字量转换成与实际被测量相同量纲 的过程称为标度变换,也称为工程量转换 热电偶 u1 传感 器 u2 D1 放大 电路 A/D转换 显示 D2 微 型机 热电偶测温中的标度变换 ¾标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参数的 二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值 ¾一个温度测控系统示例: 某种热电偶传感器把现场中的温度 0 ~1200℃转变为 0.48mV信号,经输入通道中的运算放大器放大到 0.5V,再由8位A/D转换成00~FFH的数字量,这一系 列的转换过程是由输入通道的硬件电路完成的 ¾ CPU 读入该数字信号,在送到显示器进行显示 前,必须把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原 量纲为℃的温度信号 ¾ 比如,最小值00H应变换对应为0℃、最大值FFH 应变换对应为1200℃ 。 0~1200 C 0~48mV 放大 0~5V 00~FFH 0~1200。C A/D CPU 显示 标度变换原理图 ¾ 这个标度变换的过程是由算法软件程序来完成的, 标度变换有各种不同的算法,它取决于被测参数的工 程量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系 ¾这个函数关系的不同表达形式,也就决定了不同的 标度变换方法,主要有: 线性参数标度变换、非线性参数标度变换、多项式变 换以及查表法 1. 线性参数标度变换 ¾ 线性参数标度变换是最常用的标度变换,其前提条 件是被测参数值与A/D转换结果为线性关系 A Amax Ax = Amax N max − − Amin N min (Nx − Nmin ) + Amin Ax Amin 当Nmin=0时 Ax = Amax − Amin N max Nx + Amin Nmin Nx Nmax N 图6.3 输入、输出线性关系图 当Amin=0,对应Nmin=0 时 Ax = Amax N max Nx 例:某加热炉温度测量仪表的量程为200 ~ 800℃,在某一时 刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH,求此时 的温度值是多少?(设该仪表的量程是线性的)。 解:根据式(6-15)已知 Amin = 200℃, Amax = 800℃ Nx = CDH = (205)D,Nmax= FFH = (255)D 所以此时的温度为 Ax = ( Amax − Amin ) Nx N max + Amin = (800 − 200 ) 205 255 + 200 = 682℃ 2. 非线性参数标度变换 (1) 公式变换法 Q = K ΔP Qx = Qmax − Qmin ( Nmax − Nmin Nx − Nmin ) + Qmin Qx = Qmax ( Nmax − Nmin Nx − Nmin ) Qx = Qmax N x = Qmax N max N max Nx (2) 其他标度变换法 ¾ 多项式插值法 ¾ 线性插值法 ¾ 查表法 6.2.4 插值算法 1. 线性插值算法 f(x) 图6.4 线性插值法示意图 z 用直线AB代替弧线 AB z 插值点x0与x1之间的间距越小,则在这一区间内f(x) 与g(x)之间的误差越小 2. 分段插值算法 z 基本思想是将被逼近的函数(或测量结果)根据其变 化情况分成几段,为了提高精度及缩短运算时间, 各段可根据精度要求采用不同的逼近公式 z 最常用的是线性插值和抛物线插值 分段插值算法程序设计步骤 (1) 用实验法测量出传感器的输出变化曲线y=g(x) (2) 将上述曲线进行分段,选取各插值基点 曲线分段的方法:等距分段法和非等距分段法 (3) 根据各插值基点的 (xi,yi)值,使用相应的插值公 式,求出实际曲线g(x)每一段的近似表达式fn(x) (4) 根据fn(x)编写出应用程序 6.2.5 越限报警处理 ‹ 越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报 警形式,它分为上限报警、下限报警、上下限报 警。如果需要判断的报警参数是xn,该参数的上 下限约束值分别为xmax和xmin,则上下限报警的物 理意义如下: ¾ 上限报警:若xn>xmax,则上限报警,否则执行原 定操作 ¾ 下限报警:若xn10wc的前提下 选择T′=T〞 ¾ 若G1(s)的时间常数远大于G2(s)的时间常数,为了避免主 控回路和副控回路之间发生相对干扰或共振,应选择 T′≥3T〞 ¾ 注意: T′和T〞是否相同,将影响计算机算法的实现方式 ‹ 一般地,在T′=T〞情况下的算法步骤如下: ¾ 对主控被调量采样并计算主控回路的偏差 e1(k)=r(k)-y1(k) ¾ 计算主控调节器D1(z)的位置量输出u1(k) ¾ 对副控制被调量采样并计算副控回路的偏差 e2(k)=u1(k)-y2(k) ¾ 计算并输出副控调节器D2(z)的位置量输出 7.1.3 动态矩阵-PID串级控制 ¾ 预测控制 ¾ 动态矩阵控制算法(5.4) ¾ 动态矩阵-PID串级控制 预测控制 z 预测控制由来 9 工业过程的特点 多变量、非线性、强耦合 、不确定性、约束 9 现代控制理论与方法 精确的数学模型、最优的性能指标 、系统而精确 的设计方法 9 工业过程对控制的要求 高质量的控制性能 、对模型要求不高、实现方便 、 强鲁棒性 预测控制 z 预测控制特点 9 一类用计算机实现的最优控制算法 9 建模方便,不需要深入了解过程内部机理 9 非最小化描述的离散卷积模型,有利于提高 系统的鲁棒性 9 滚动优化策略,较好的动态控制效果 9 简单实用的模型校正方法,较强的鲁棒性 9 可推广应用于带约束、大纯滞后、非最小相 位、多输入多输出、非线性等过程 预测控制 z 预测控制基本原理 9 预测模型 9 滚动优化 9 反馈校正 r(k) +_ d(k) 在线优化 控制器 u(k) y(k) 受控过程 + y(k+j| k) + 模型输出 反馈校正 动态 预测模型 y(k|k) _ + 预测控制 ¾ 模型输出预测 预测控制 ¾ 滚动优化 9 优化目的 通过使某一性能指标J 极小化,以确定未来的控制作用 u(k+j|k)。指标J 希望模型预测输出尽可能趋近于参考轨迹 9 优化过程 滚动优化在线反复进行。优化目标只关心预测时域内系统的 动态性能,而且只将u(k|k)施加于被控过程 预测控制 ¾ 滚动优化 过去 当前 设定值 轨迹 y(k-j) 未来 y (k+j| k) 预测时域 u (k+j| k) u(k-j) 控制时域 k-j k k+m k+p 预测控制 ¾ 反馈校正 9 每到一个新的采样时刻,都要通过实际测到的输出信息对 基于模型的预测输出进行修正,然后再进行新的优化 9 不断根据系统的实际输出对预测输出值作出修正使滚动优 化不但基于模型,而且利用了反馈信息,构成闭环优化 预测控制 ¾ 反馈校正 y(k-j) u(k-j) y(k) d(k) ym (k+j| k) yp(k|k-1) yp (k+j| k-1) u (k+j ) k-j k k+p 预测控制 z 常见预测控制方案 z 动态矩阵控制 (Cutler et al, 1980) (Dynamic Matrix Control, DMC) z 模型算法控制(Richalet et al, 1978) (Model Algorithm Control, MAC) z 广义预测控制(Clarke et al, 1987) (Generalized Predictive Control, GPC) z 预测函数控制(Adersa et al, 1987) (Predictive Functional Control, PFC) 预测控制 z 预测控制发展 z 单输入单输出(SISO) 多输入多输出(MIMO) z 无约束 有约束 z 输入输出方系统 非方系统 z 线性 非线性 z 常规预测控制 鲁棒预测控制 预测控制 z 商品化预测控制软件 公司 Adersa DMC Honeywell Profimatics 产品名 HieCon PFC DMC DMI RMPCA PCT Setpoint SMCA 产品功能 递阶约束控制 预测函数控制 动态矩阵控制 动态矩阵辨识 鲁棒模型预测控制技术 预测控制技术 多变量控制软件包 动态矩阵控制算法 ¾ 通过实验方法采集对象的阶跃响应或脉冲响应,分 别以 aˆ(t) 和 hˆ(t) 表示,如下图所示: ¾ 内部模型:被控对象的阶跃响应或脉冲响 ¾ 根据内部模型的信息,预测未来的控制量 及响应,即构成预测模型 9 基于阶跃响应的开环预测模型 9 基于脉冲响应的开环预测模型 9 闭环预测模型 动态矩阵控制算法 ¾ DMC:一种基于对象阶跃响应的预测控制算法 ¾ 被控对象的非参数数学模型 动态矩阵控制算法 动态矩阵控制算法 7.1.3 动态矩阵-PID串级控制 ¾ 在计算机控制系统中,存在着各种不同形式的干扰。 可以采用动态矩阵控制算法,利用反馈校正环节作 被动的补偿,即在干扰引起误差后,用误差预测的 方法予以修正 ¾ 这在算法上是通过选择合适的误差校正系数hi来实 现的 9 鲁棒性--抗干扰性 9 DMC的T一般较大,抗干扰性不如T可充分小的PID 7.1.3 动态矩阵-PID串级控制 ¾ 在获得理想的抗干扰性时,DMC存在两个困难: 9 对期望值的跟踪和对干扰的调节采用了同样的T,为顾 及控制算法的需要,不得不采用较大的TÆ抗干扰性差 9 对模型失配造成的误差和对干扰造成的误差采用同一 hi,为增强模型失配时的鲁棒性Æ降低对干扰的灵敏度 ¾ 借鉴串级控制的思想,把动态矩阵控制结合到串级 控制结构中,形成动态矩阵-PID 串级控制算法 7.1.3 动态矩阵-PID串级控制 7.1.3 动态矩阵-PID串级控制 ¾ 副回路设计: 9 应使副对象G2(s)包含系统的主要干扰,并有较小的纯滞 后或惯性时间常数 9 选用频率较高的数字PID控制,抑制二次干扰 ¾ 主回路设计: 9 控制对象为广义对象(副回路+ G1(s) ) 9 DMC的目的在于实现良好的跟踪,并在模型失配时有 较好的鲁棒性 7.2 前馈-反馈控制算法 ¾ 思路:建立按扰动量进行补偿的开环控制,即当影 响系统的扰动出现时,按照扰动量的大小直接产生 相应的校正,抵消扰动的影响 ¾ 7.2.1 前馈-反馈控制结构 ¾ 7.2.2 数字前馈-反馈控制算法 7.2.1 前馈-反馈控制结构 ¾ 扰动量N(s)和被控量Y(s)之间的传递函数为 Y (s) = Gn (s)N (s) + GF (s)G0 (s)N (s) Y (s) N (s) = Gn (s) + GF (s)G0 (s) ¾ 根据前馈控制的不变性原理,应使上式等于零,即 Gn (s) = −GF (s)G0 (s) ¾ 则前馈补偿器GF(s)的传递函数为 GF (s) = −Gn (s) G0 (s) 7.2.2 数字前馈-反馈控制算法 z 受控对象和扰动通道一般可描述为 G0 (s) = K2 1+ T2s e −τ 2s Gn (s) = 1 K1 + T1s e −τ 1s z 因此,前馈调节器GF(s)具有如下形式: GF (s) = Un (s) N (s) = − Gn (s) G0 (s) = − K1 K2 ⋅ 1+ T2s 1+ T1s e−(τ1 −τ 2 )s = KF ⋅ 1+ T2s 1+ T1s e−τ ⋅s z 可得前馈调节器的微分方程 dun (t) dt + 1 T1 un (t) = T2 T1 K F [ dn(t − dt τ ) 1 T2 n(t −τ )] dun (t) dt + 1 T1 un (t) = T2 T1 K F [ dn(t − dt τ ) 1 T2 n(t −τ )] z 若采样频率fs足够高,即T=1/ fs足够短,可对微分离散化, 得到差分方程,设τ =LT,令 un (t) ≈ un (k) n(t −τ ) ≈ n(k − L) dun (t) ≈ un (k) − un (k −1) dt T dn(t −τ ) ≈ n(k − L) − n(k − L −1) dt T dt ≈ T un (k) = a ⋅ un (k −1) + b1 ⋅ n(k − L) + b2 ⋅ n(k − L −1) z 计算机前馈-反馈控制算法步骤如下: (1) 计算反馈控制的偏差e(k) e(k)=r(k)-y(k) (2) 计算反馈控制器(PID)的输出u1(k) u1(k) = u1(k −1) + Δu1(k) = u1(k −1) + K pΔe(k) + K I e(k) + K D[Δe(k) − Δe(k −1)] (3) 计算前馈控制器GF(s)的输出un(k) Δun (k) = a ⋅ Δun (k −1) + b1 ⋅ Δn(k − L) + b2 ⋅ Δn(k − L −1) un (k) = un (k −1) + Δun (k) (4) 计算前馈-反馈控制器的输出u(k) u(k) = u1(k) + un (k) 7.3 Smith预估控制 ¾ 许多被控对象有严重的纯滞后时间,其一阶近似的 传递函数为 Gp (s) = K p e −τs T1s +1 ¾ 通常用τ / T1值来度量纯滞后对系统的影响程度 ¾ 大纯滞后对象,常规PID控制很难获得良好的控制 品质 ¾ Smith提出了一种纯滞后补偿模型 模拟仪表无法实现,只能用计算机实现 7.3.1 Smith预估控制原理 ¾ 具有大纯滞后被控对象的传递函数为 GPc (s) = GP (s)e−τ ⋅s GP为不包括纯滞后项的部分 Smith预估控制原理 ¾ 在控制回路内部附加一个时间补偿器 Gτ ,用于补 偿被控对象的纯滞后部分 由图中可知 Y ′(s) U (s) = GP (s)e−τ ⋅s + Gτ (s) 为了补偿对象的纯滞后,要求 Y ′(s) U (s) = GP (s)e−τ ⋅s + Gτ (s) = GP (s) Gτ (s) = GP (s)(1− e−τ ⋅s ) 系统在给定值R作用下的闭环传递函数为 Gc (s)GP (s)e−τ ⋅s Y (s) R(s) = 1 1 + + 1 Gc (s)GP (s)(1− e−τ ⋅s Gc (s)GP (s)e−τ ⋅s + Gc (s)GP (s)(1− e−τ ) ⋅s ) = Gc (s)GP (s) e−τ ⋅s 1+ Gc (s)GP (s) 经过上述补偿后,已消除了纯滞后项对控制系统的影响 7.3.2 具有纯滞后补偿的数字控制器的实现 ¾ 设被控对象的传递的传递函数为 GPc (s) = GP (s)e−τ ⋅s = K P e−τ ⋅s T1s +1 控制器Gc(s)采用PID控制,取 L = τ / T (整数) z Smith算法计算机实现步骤如下: (1) 计算反馈回路的偏差e(k):e1(k)=r(k)-y(k) (2) 计算纯滞后补偿器的输出y1(k) G1(s) = K P (1− e−τ ⋅s ) = T1s +1 y1 ( s) u(s) y1(k) = ay1(k −1) + b[u(k) − u(k − L)] (3) 计算偏差e2(k):e2(k)=e1(k)-y1(k) (4) 计算控制器的输出u(k) u(k) = u(k −1) + Δu(k) = u(k −1) + K PΔe2 (k) + K I e2 (k) + K D[Δe2 (k) − Δe2 (k −1)] 7.4 本章小结 习题 ¾ 串级控制系统的构成、工作原理 ¾ 简述前馈控制的原理、前馈调节器的控制规律 ¾ 前馈控制的类型有哪些? ¾ 简述Smith预估控制补偿的原理 ¾ 掌握上述控制算法的计算机实现步骤 END 第8章 计算机控制系统设计与实现 南京邮电大学 电气工程系 OUTLINE ¾ 8.1 系统设计的原则与步骤 ¾ 8.2 系统的工程设计与实现 ¾ 8.3 电热油炉温度单片机控制系统设计 ¾ 8.4 角位置伺服系统IPC控制设计 8.1 系统设计的原则与步骤 8.1.1 系统设计的原则 ¾⒈安全可靠 ¾⒉操作维护方便 ¾⒊实时性强 ¾⒋通用性好 ¾⒌经济效益高 ‹ 安全可靠 ¾ 设计过程中的安全措施 9 选用高性能的工业控制计算机 9 设计可靠的控制方案,并具有各种安全保护措施 9 为了预防计算机故障,常设计后备装置,如双机系统 ‹ 双机系统的工作方式 备份工作方式和双工工作方式 ‹ 操作维护方便 ¾ 操作方便: 9 操作简单、直观形象、便于掌握 9 不强求操作人员要掌握计算机知识才能操作 Æ既要体现操作的先进性,又要兼顾原有的操作习惯 ¾ 维修方便: 9 易于查找、排除故障 9 采用标准的功能模块式结构,便于更换故障模块 9 安装工作状态指示灯和监测点,便于检查 9 配置诊断程序 ‹ 实时性强 ¾ 实时性: 9 对内部和外部事件能及时地响应,并作出相应的处理, 不丢失信息,不延误操作 ¾ 计算机处理的事件: 9 定时事件:如数据的定时采集、运算控制等,采用时钟 9 随机事件:如事故、报警等,采用中断 ‹ 通用性好 ¾ 工业控制机的通用灵活性: 9 硬件模块设计采用标准总线结构,配置各种通用的功能 模块,以便在扩充功能时,只需增加功能模块就可实现 9 软件模块或控制算法采用标准模块结构,用户使用时不 需要二次开发,只需按要求选择各种功能模块,灵活地 进行控制系统组态 ‹ 经济效益高 ¾ 系统设计时要考虑性能价格比: 9 系统的性能价格比要尽可能高 9 投入产出比要尽可能低 8.1.2 系统设计的步骤 ⒈工程项目与控制任务的确定阶段 ⑴ 甲方提出任务委托书 ⑵ 乙方研究任务委托书 ⑶ 双方对委托书进行确认性修改 ⑷ 乙方初步进行系统总体方案设计 ⑸ 乙方进行方案可行性论证 ⑹ 签订合同书 ⒉工程项目的设计阶段 ¾组建项目研制小组 ¾系统总体方案的设计 ¾方案论证与评审 ¾硬件和软件的细化设计 ¾硬件和软件的调试 ¾系统的组装 ⒊ 离线仿真和调试阶段 离线硬件联调 离线软件联调 现场安装调试 试运行 离线硬件软件统调 验收 考机 结束 图8.1离线仿真和调试阶段流程如图 ⒋在线调试和运行阶段 z 在线调试和运行:将系统和生产过程联接在一起,进行现 场调试和运行 z 尽管离线仿真和调试工作非常认真、仔细,现场调试和运 行仍可能出现问题,因此必须认真分析加以解决 z 系统运行正常后,可以再试运行一段时间,即可组织验收。 验收是系统项目最终完成的标志,应由甲方主持乙方参 加,双方协同办理。验收完毕应形成验收文件存档 8.2 系统的工程设计与实现 8.2.1 系统总体方案设计 ¾⒈确定系统的性质和结构 ¾⒉确定系统的构成方式 ¾⒊现场设备选择 ¾⒋确定控制策略和控制算法 ¾⒌硬件、软件功能的划分 ¾⒍其它方面的考虑 ¾⒎系统总体方案 系统总体方案 ¾ 总体设计后将形成系统的总体方案,建立文档 ¾ 系统总体文件的内容包括: ⑴ 系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明 ⑵ 控制策略和控制算法,例如PID控制、达林算法、 Smith补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模 糊控制、最优控制等 ⑶ 系统的硬件结构及配置,主要的软件功能、结构及框图 ⑷ 方案比较和选择 ⑸ 保证性能指标要求的技术措施 ⑹ 抗干扰和可靠性设计 ⑺ 机柜或机箱的结构设计 ⑻ 经费和进度计划的安排 8.2.2 硬件的工程设计与实现 1、选择系统的总线和主机机型 ⑴ 选择系统的总线 ① 内总线选择 z 常用的工业控制机内总线有两种:PC总线和STD总线。 一般常选用PC总线工业控制机。 ② 外总线选择 z 根据计算机控制系统的基本类型,如果采用分级控制系 统DCS等,必然有通信的问题 z 外总线是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智 能外设之间进行通信的总线,包括并行通信总线(IEEE488)和串行通信总线(RS-232C)。另外还有可用来进行远 距离通信、多站点互联的通信总线RS-422和RS-485 ⑵ 选择主机机型 ¾ 在总线式工业控制机中,有许多机型,都因采用的CPU 不同而不同 ¾ 以PC总线工业控制机为例,其CPU有8088、80286、 80386、80486、Pentium(586)等多种型号 ¾ 内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格 2、选择输入输出通道模板 ⑴ 数字量(开关量)输入输出(DI/DO)模板 Æ PC总线的并行I/O接口模板多种多样,通常可分为TTL电 平的DI/DO和带光电隔离的DI/DO 9 通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电平, 而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离 9 对于大容量的DI/DO系统,往往选用大容量的TTL电 平的DI/DO板,而将光电隔离及驱动功能安排在工业 控制机总线之外的非总线模板上,如继电器板(包括固 体继电器板)等 ⑵ 模拟量输入输出(AI/AO)模板 ¾ AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等 ¾ AI模板输入可能是0~±5V、1~10V、0~10mA、4~20mA 以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号 ¾ AO模板输出可能是0~5V、1~10V、0~10mA、4~20mA 等信号 ¾ 选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范 围等技术指标 3、选择变送器和执行机构 ⑴ 选择变送器 ¾ 变送器:一种仪表,能将被测变量(如温度、压力、物 位、流量、电压、电流等)转换为可远传的统一标准信 号(0~10mA、4~20mA等),且输出信号与被测变量有一 定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控 制机进行处理、实现数据采集 ¾ DDZ-Ⅱ型变送器:二线制,输出4~20mA信号,供电电 源24V(DC),DDZ-Ⅲ型比Ⅱ型性能好,使用方便 ¾ DDZ-S系列是在总结DDZ型的基础上,吸取了国外同类 变送器的先进技术,采用模拟技术与数字技术相结合, 从而开发出的新一代变送器 ¾ 常用的变送器: 9 温度变送器 9 压力变送器 9 液位变送器 9 差压变送器 9 流量变送器 9 各种电量变送器等 ¾ 系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象 的介质类型和环境来选择变送器的具体型号 ⑵ 选择执行机构 ¾ 执行机构是控制系统中必不可少的组成部分,它的作用 是接受计算机发出的控制信号,并把它转换成调整机构 的动作,使生产过程按预先规定的要求正常运行 ¾ 执行机构分为气动、电动、液压三种类型 9气动执行机构的持点是结构简单、价格低、防火防爆 9电动执行机构的持点是体积小、种类多、使用方便 9液压执行机构的特点是推力大、精度高 Æ 常用的执行机构为气动和电动两种 ¾ 另外,还有各种有触点和无触点开关,也是执行机构, 实现开关动作 ¾ 电磁阀作为一种开关阀在工业中也得到了广泛的应用 ) 在系统中,选择气动调节阀、电动调节阀、电磁阀、有触 点和无触点开关之中的哪种,要跟据系统的要求来确定 ) 但要实现连续的精确的控制目的,必须选用气动或电动调 节阀,对要求不高的控制系统可选用电磁阀 8.2.3 软件的工程设计与实现 1、编程语言选择 ⑴ 汇编语言 ¾ 汇编语言是面向具体微处理器的,使用它能够具体描述控制运算和 处理的过程、紧凑地使用内存,对内存和[八)空间的分配比较清 楚,能够充分发挥硬件的性能,所编软件运算速度快、实时性好, 所以主要用于过程信号的检测、控制计算和控制输出的处理 ⑵ 高级语言 ¾ 采用高级语言编程的优点是编程效率高,不必了解计算机的指令系 统和内存分配等问题,其计算公式与数学公式相近等。其缺点是, 编制的源程序经过编译后、可执行的目标代码比完成同样功能的汇 编语言的目标代码长得多,一方面占用内存量增多,另一方面使得 执行时间增加很多,往往难于满足实时性的要求 ⑶ 组态软件 ¾ 组态软件是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言,它为 用户提供了众多的功能模块 2、数据类型和数据结构规划 ¾ 从数据类型:逻辑型和数值型,但通常将逻辑型数据归 到软件标志中去考虑。 ¾ 数值型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简 单、运算速度快的优点,其缺点是表示的数值动态范围 小,容易溢出。浮点数则相反,数值动态范围大、相对 精度稳定、不易溢出,但编程复杂,运算速度低。 ¾ 如果某参数是—系列有序数据的集合,如采样信号序 列,则不只有数据类型问题,还有一个数据存放格式问 题,即数据结构问题。 3、资源分配 ¾ 系统资源包括ROM、RAM、定时器/计数器、个断源、 I/O地址等。 ¾ ROM资源用来存放程序和表格,I/O地址、定时器/计数 器、中断源在任务分析时已分配 ¾ 因此,资源分配的主要工作是RAM资源的分配,RAM 资源规划好后,应列出一张RAM资源的详细分配清单, 作为编程依据 4、实时控制软件设计 ⑴ 数据采集及数据处理程序 ¾ 数据采集程序主要包括模拟量和数字量多路信号的采样、 输入变换、存储等 ¾ 数据处理程序主要包括数字滤波程序、线性化处理和非 线件补偿、标度变换程序、超限报警程序等 (2) 控制算法程序 ¾ 主要实现控制规律的计算,产生控制量。包括: 9数字PID控制算法 9大林算法 9Smith补偿控制算法 9最少拍控制算法 9串级控制算法 9前馈控制算法 9解耦控制算法 9模糊控制算法 9最优控制算法等 ¾ 实际实现时,可选择合适的一种或几种控制算法 (3) 控制量输出程序 ¾ 实现对控制量的处理(上下限和变化率处理)、控制量的 变换及输出,驱动执行机构或各种电气开关 ¾ 控制量也包括模拟量和开关量输出两种 9 模拟控制量由D/A转换模板输出,一般为标准的 0~10mA(DC)或4~20mA(DC)信号,该信号驱动执行 机构如各种调节阀 9 开关量控制信号驱动各种电气开关 (4) 实时时钟和中断处理程序 实时时钟:一切与时间有关过程的运行基础 ¾ 实时任务有两类:第一类是周期性的,如每天固定时间 启动,固定时间撤消的任务,它的重复周期是一天。第 二类是临时性任务,操作者预定好启动和撤消时间后由 系统时钟来执行,但仅一次有效 ¾ 许多实时任务如采样用期、定时显示打印、定时数据处 理等都必须利用实时时钟来实现。并由实时中断服务程 序去执行相应的动作或处理动作状态标志等 ¾ 另外,事故报警、掉电检测及处理、重要的事件处理等 功能的实现也常常使用中断技术,以便计算机能对事件 做出及时处理。事件处理用中断服务程序和相应的硬件 电路来完成 (5) 数据管理程序 ¾ 用于生产管理,主要包括画面显示、变化趋势分析、报 警记录、统计报表打印输出等 (6) 数据通信程序 ¾ 主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间 的信息传递和交换 ¾ 这个功能主要在分散型控制系统、分级计算机控制系统、 工业网络等系统中实现 8.2.4 系统的调试与运行 z 系统的调试与运行分为离线仿真与调试阶段和在线调试与 运行阶段 ¾ 离线仿真与调试阶段一般在实验室或非工业现场进行, 在线调试与运行阶段是在生产过程工业现场进行 ¾ 离线仿真与调试阶段是基础,是检查硬件和软件的整体 性能,为现场投运做准备,现场投运是对全系统的实际 考验与检查 ) 系统调试的内容很丰富,碰到的问题是干变万化的,解决 的方法也是多种多样的,并没有统一的模式 离线仿真和调试 ⑴ 硬件调试 ¾ 对于各种标准功能模板,按照说明书检查主要功能 ¾ 在调试A/D和D/A模板之前,必须准备好信号源、数字电压 表、电流表等 ¾ 利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量 输出(DO)模板 ¾ 硬件调试还包括现场仪表和执行机构 ¾ 如是分级计算机控制系统和分散型控制系统,还要调试通 信功能,验证数据传输的正确性 ⑵ 软件调试 软件调试的顺序:子程序、功能模块和主程序 ¾ 一般与过程输入输出通道无关的程序,都可用开发机(仿 真器)的调试程序进行调试 ¾ 系统控制模块的调试可分为开环和闭环两种情况进行。 开环调试是检查它的阶跃响应特性,闭环调试是检查它 的反馈控制功能 ) 整体调试的方法是自底向上逐步扩大 ⑶ 系统仿真 ¾ 在硬件和软件分别联调后,必须再进行全系统的硬件、软 件统调。这次的统调试验,就是通常所说的“系统仿真”(也 称为模拟调试) ¾ 所谓系统仿真,就是应用相似原理和类比关系来研究事 物,也就是用模型来代替实际生产过程(即被控对象)进 行实验和研究 ¾ 系统仿真有以下三种类型: ¾ 全物理仿真(或称在模拟环境条件下的全实物仿真) ¾ 半物理仿真(或称硬件闭路动态试验) ¾ 数字仿真(或称计算机仿真) 在线调试和运行 现场安装及在线调试前先要进行下列检查: z ⑴ 检测元件、变送器、显示仪表、调节阀等必须经过校 验,保证精确度要求。作为检查,可进行一些现场校验 z ⑵ 各种接线和导管必须经过检查,保证连接正确。 ¾ 例如,孔板的上下引压导管要与差压变送器的正负压输 入端极性一致;热电偶的正负端与相应的补偿导线相连 接,并与温度变送器的正负输入端极性一致等 ¾ 除了极性不得接反以外,对号位置都不应接措 z ⑶ 对在流量中采用隔离液的系统,要在清洗好引压导管以 后,灌入隔离液(封液) 在线调试和运行 z ⑷ 检查调节阀能否正确工件。旁路阀及上下游截断阀关闭 或打开,要搞正确 z ⑸ 检查系统的干扰情况和接地情况,如果不符合要求,应 采取措施 z ⑹ 对安全防护措施也要检查 % 经过检查并已安装正确后,即可进行系统的投运和参数的 整定 % 投运时应先切入手动,等系统运行接近于给定位时再切入 自动,并进行参数的整定 8.3 电热油炉温度单片机控制系统设计 8.3.1 控制任务与工艺要求 1、系统概述 2 3 Y T2 5 7 4 T1 T4 T3 T5 P 1 6 反应釜 Y T1:出口温度 T2:入口温度 2 T2 T1 5 7 3 4 T4 T3 T5 P 1 6 反应釜 序号 1 2 3 4 5 6 7 名称 注油泵 膨胀槽 电控柜 过滤器 油气分离器 循环泵 加热炉 图8.3 电热油炉主电路原理图 2、系统的技术指标 ⑴ 设定出口温度、实际测量的出口温度、入口温度 数码管显示 ⑵ 控制循环泵的运行 ⑶ 控制二路交流接触器、一路固态继电器 ⑷ 九段温度曲线给定设置 ⑸ 温度范围:0~300℃ ⑹ 供电电压:三相交流380V ⑺ 功率:5.6KW 3、工艺要求 z 电热油炉温度的控制,根据工艺要求不同而有所变化,但 大体上可以归纳为以下几个过程: ① 自由升温段:根据电阻炉自身的条件,不对升温速度进行 控制的升温过程。 ② 恒速升温段:要求炉温上升的速度按某一斜率△1进行。 ③ 保温段:要求在某一过程中 炉温基本保持不变 ④ 恒速降温段:要求炉温下 降的速度按某一斜率△2进行 ⑤ 自由降温段:根据电阻炉 自身的条件,不对降温速度 进行控制的降温过程 炉温变化曲线要求参数如下: z 过渡过程时间ta:即从升温开始到进入保温段的时间, ta≤100min z 超调量σP:即升温过程的温度最大值TM与保温值TO之差 与保温值之比, σP= TM − TO TO ≤ 10% z 静态误差ev:即当温度进入保温段后的实际温度值T与保 温值TO之差的绝对值 eV = T − TO ≤ 2 z 温度的变化范围:20℃~220℃,保温值为200℃。 8.3.2 硬件系统设计 1、系统的基本工作原理 入口温度 出口温度 信号处 理电路 A/D 转换 EEPROM 显示、键盘 固态继电器 油泵 AT89 S52 晶闸管三相调 功模块 报警电路 加热炉 图8.5 电热油炉温度控制系统框图 z 电热油炉温度自动控制系统采用: 9 51系列单片机作为控制器 9 铂电阻温度计作为温度检测元件 9 控制固态继电器的导通和断开时间的长短来控制电热元 件的通电时间,实现导热油温度控制 z 另外,扩展了数码管显示、键盘、报警电路 z 通过控制过零触发型固态继电器的通断比,来控制 输入到加热炉的功率,从而达到控制温度的目的 ¾ 固态继电器有两个输入控制端,另外两端为输出控制端, 中间利用光电耦合器实现电气隔离,输入端只要很小的输 入电流便能控制它的导通,没有输入电流则截止 ¾ 与有触点的继电器相比,固态继电器控制电路简单、开关速 度快、使用寿命长、没有噪音等一系列优点 2、单片机的选择 ¾ 选择AT89S52单片机作为控制系统的核心,AT89S52内 部有8K的程序储存器,256字节的数据储存器,因而无 需再扩展储存器,使系统大大简化 ¾ 主要完成温度的采集、控制、显示和报警等功能 3、数据储存器扩展 ¾ 设定的温度曲线需要长期保存,扩展一片串行EEPROM AT24C256来保存设定的温度曲线 4、传感器的选择 ¾ 目前在温度测量领域内,除了广泛使用热电偶以外,电 阻温度计也得到了广泛的应用 ¾ 尤其工业生产中-120℃~﹢500℃范围内的温度测量常常 使用电阻温度计 )本例中采用铂电阻来测量温度,电阻的初值100 欧,温度每升高一度,铂电阻的阻值约增加0.39欧 图8.6 铂电阻及其信号放大电路图 z 测量部分是一个不平衡电桥,铂电阻与固定电阻组 成不平衡电桥的四个桥臂 z 为了保证测温的精度,采用两次稳压 ¾ 在温度为0℃时,铂电阻的阻值,电桥平衡,对角线A、 B两点没有电压差 ¾ 当温度变化时,铂电阻的阻值变化,其变化值与温度成 正比,电桥不平衡,使对角线A、B两点有电压差,此电 压差送到运算放大器的输入端,经过放大后送到A/D转 换芯片 z 改变R2*,RL的数值,可以得到不同的放大系数 5、A/D转换器的选择与接口设计 OUT U2 1 2 3 NCVCC NC NCTEST 4 SCL GNSDDA VCC 8 7 6 5 AT24C256 VCC R3 R4 U3 VCC U1 1 2 3 4 5 6 7 NC Vcc CS DI CHC0LK CSHA1RT CH2DO CHR3 EF DAGGNNDD 14 13 12 11 10 9 8 VCC TLC0834 1 2 3 4 5 6 7 8 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 13 KEYIN1T2 INT1 INT0 89S52 P20 P21 15 14 T1 T0 P22 P23 P24 C2 VCC 31 EA/VP P25 P26 30pF C1 Y1 19 18 X1 X2 P27 30pF 9 RESET 17 16 RD WR RXD TXD ALE/P PSEN U7 R1 VCC + U4A 1 2 VCC - 39 38 37 36 35 CS1 CS2 CLKZ DIOZ 7404 R2 34 33 U8 32 U4B 1 4 21 22 3 42 3 23 SSR 24 25 26 27 L1 74F04 R5 L2 R6 VCC 28 R7 10 VCC 11 30 29 ~ ~ ~ ~220V J1 6、显示器、键盘接口设计 z 温度的设定与测量结果通过键盘和数码管显示电路完成。 键盘显示电路由ZLG7289A芯片完成 ¾ ZLG7289A:可同时驱动8位共阴极数码管或64只独立 LED的智能显示驱动芯片,还可连接多达64键的键盘矩 阵,单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能 ¾ ZLG7289A 内部含有译码器,可直接接受BCD码或16进 制码,并同时具有2 种译码方式 z 系统中扩展了二片ZLG7289A驱动12位数码管,用来显示 导热油出口温度的给定值、出口温度和入口温度的测量值。 键盘由16个键组成,其中0~9数字键用于各种参数的设 定;6个功能键分别是油泵启动键、油泵停止键、加热启动 键、加热停止键、设置键、修改键。 D1 D2 D8 RESZLG R8 VCCC5 VCC U5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 RTCC VCC NC GND NC CS CLK DIO KEY SG SF SE SD SC RST RC CLK0 DIG7 DIG6 DIG5 DIG4 DIG3 DIG2 DIG1 DIG0 DP SA SB ZLG7289A 28 27 RC 26 CLK0 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 30pF Y2 C6 30pF 270 R17 R16 R15 R14 R13 R12 R11 R10 D9 D10 D11 D12 CS1 CS2 CLKZ DIOZ KEYINT CS1 CS2 CLKZ DIOZ KEYINT VCC R26 100K R27 100K R28 100K R29 100K R30 100K R31 100K R32 100K R33 100K U6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 RTCC VCC NC GND NC CS CLK DIO KEY SG SF SE SD SC RST RC CLK0 DIG7 DIG6 DIG5 DIG4 DIG3 DIG2 DIG1 DIG0 DP SA SB ZLG7289A 28 RESZLG 27 RC 26 CLK0 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 270 R25 R24 R23 R22 R21 R20 R19 R18 R26 R27 S1 S9 S2 S10 S3 S11 S4 S12 S5 S13 S6 S14 S7 S15 S8 S16 7、执行器的选择 z 选择交流接触器交流接触器控制循环泵,晶闸管三相调功模块控制加 热元件 ¾ 三相调功模块内部含:晶闸管主电路、过零触发及控制电路和强弱电 隔离电路, 并有1 个5 引脚的控制插口 ¾ 由单片机控制其导通和关断的时间完成对电热元件的加热,达到温度 控制的目的 8、报警电路与状态显示电路 z 报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成,当系统中温 度超限时,灯光及声音报警 8.3.3 数学模型与控制算法 1、数学模型建立:系统是带纯滞后的一阶对象 W ( S ) = Ke−τS TS +1 通过测量飞升曲线求得的参数: T = 72 min τ = 8 min K = 330 2、控制规律的选择和参数计算 z 根据温度变化曲线的要求,可将其分为三段来进行控制: 自由升温段、保温段和自然降温段 z 而真正需要电气控制的是前面两个阶段,即自由升温段和 保温段。为避免过冲,从室温到80%额定温度为自由升温 段,在±20%额定温度时为保温段 z 输入的电功率为0时最小,为1时为全功率 z 自由升温段中,希望升温越快越好,总是将加热功率全开 z 当温度已接近需要保温的值,采用保温段控制方程 ¾ 保温控制方法有多种,如果采用比例控制,由于电热元件 所加功率的变化和油温变化之间存在一段时间延迟,因此 当以温差来控制输出时,系统只有在温度与给定值相等时 才停止输出 z 考虑到滞后的影响,调节规律必须加入微分因数,即PD调 节。有了PD调节,系统输出不仅取决于温差,还取决于温 差的变化速率 ¾ 当油温从自由升温段进入保温段时,油温还小于给定值, 但温度变化较大,因而系统可以提前减少或停止输出,使 油温不至于出现过大的超调。同样,在降温过程中也是如 此。这样就改善了油温调节的动态品质 z 积分作用可以提高温度控制的静态精度,适当选择积分作 用,则可以在不影响动态性能情况下提高温度控制的精度。 所以保温段控制最好采用PID控制方法 ⑴ PID算法和参数选定 z 连续系统PID校正的控制量P可以表示为 ∫ P = KP ⎛ ⎜ ⎝ E + TD dE dt + 1 TI t⎞ Edt ⎟ 0⎠ z 采用离散算法可以表示为(增量式): ( ) ( ) ⎡ Pk = Pk−1 + kP ⎢ Ek − Ek−1 ⎣ +T TI Ek + TD T ⎤ Ek − 2Ek−1 + Ek−2 ⎥ ⎦ P(k) = P(k −1) + Ae(k) + Be(k −1) + Ce(k − 2) ⑵ 数字控制器的实现 z 根据上述连续系统原理设计出来的模拟调节器,经离散化 后变成适合于计算机计算的差分方程 z 根据差分方程就可以设计程序流程图,进行程序设计 8.3.4 软件设计 z 软件设计采用C51语言,模块化结构设计包括: ¾ 初始化程序 ¾ 主程序 ¾ A/D转换和数据采集程序 ¾ 中值滤波程序 ¾ PID控制算法程序 ¾ 键盘显示程序 等 开始 上电复位 初始化 系统自检 正常? N 报警 调LED显示子程序 调键盘输入子程序 N 有键按下? 设定键? N 油泵启动键? N 加热启动键? N 加热停止键? N 油泵停止键? N 设置参数 启动油泵 停止加热 停止油泵 油泵启动? 晶闸管三相调功模块导通 启动A/D转换 数据采样 数字滤波 标度变换 温度显示 温度超限? N 温差≤10℃? N 全功率输出 PID控制 调键盘输入子程序 N 加热停止键? 8.4 角位置伺服系统IPC控制设计 8.4.1. 系统概述 z 本系统是三自由度的角位置伺服系统, z 要求三个方位均具有精确定位、速率控制、正弦摆 动等功能, z 可通过串行通讯口接收上位机的控制命令,并实时 显示三方位的角度值。 z 根据系统要求,由伺服控制、驱动电机、被控对象、 测角电路构成闭环控制系统。系统性能指标的要求: 相角裕度大于50,超调量小于25%,系统带宽大于 10Hz。 上位机 输入 处理 控制运算 输出 处理 功放 电机 被控对象 工控机部分 测角电路 图8.11 伺服系统组成框图 8.4.2 硬件设计 z 系统的硬件由伺服控制、驱动执行机构和反馈环节等组成 z 驱动执行机构采用无刷直流力矩电机,反馈环节测角部分 选用感应同步器 z 伺服控制部分采用抗干扰性强的IPC610工控机,全数字控 制,控制算法由软件实现 z 数字量的输入输出部分(DIDO):采用PCL-722并行DIO卡 z 模拟量的输出部分(AO):选用光电隔离型HY-6050板卡 z 使用工控机本身的硬件资源COM1或者COM2来实现同上 位机的通讯,命令的传输通过串行通讯进行。上位机控制 到工控机的命令使用串行中断的方式,在中断服务程序中 进行数据的处理;工控机到上位机的数据使用查询的方式 上位机 串口 通信 模拟量 输出板 HY-6050 伺服 放大 工 控 机 主 板 ISA、 PCI 总 线 模入信号 键 调理板 盘 显 打 数字量 示 印 输入输出板 器 机 PCI-722 图8.12 IPC硬件组成框图 8.4.3 软件设计 z 控制软件分为主程序和中断服务子程序两大部分 z 主程序主要包括: ¾ 初始化程序 ¾ 界面操作程序 包括初始化 PCL722板卡 创建保存采集 数据的文件 开始 初始化 设定工作方式 初始化定时器 初始化串口 开中断 显示采集的数据 串口数据标志=1 Y 报文数据处 理子程序 串口数据 标志=0 保存数据子程序 Y 数据保存标志=1 数据保存标志=0 计数器=0 按键处理 Y 子程序(ESC退出) 有按键按下 图 8.13 主 程 序 流 程 图 1、初始化程序:主要完成各基本功能模块的设置 z 设置定时中断:包括设置定时中断的时间常数、修改中断 向量指向 z 设置串行中断:串行通讯的数据格式,通讯端口,中断方 式时的中断向量 z 创建保存数据的文件:在初始化时设定保存实时采集的角 度数据的文件,原来存在的进行覆盖,如果不存在则创建 文件 z 初始化PCL-722板卡:设定板卡的基地址,各个通道的工 作方式,初始化各个通道的端口 z 初始化HY-6050板卡:设定板卡的基地址,初始化各个通 道 2、界面操作程序 z 界面操作程序主要是进行人-机对话的途径,使操作者可对 被控对象进行本控调试 z 可以通过选择界面上相应的功能选项,执行相应的功能, 包括指定三个轴相应的运动方式,设定运动的初始参数, 数据的处理,中断的退出等 3、中断服务子程序 定时中断、键盘中断、串行通讯中断等 ⑴ 定时中断处理子程序 z 定时中断用于实时控制及数据采集模块。通过改写系统板 上的定时器通道0来实现定时中断。实现方法是:(1)保存原 中断向量;(2)重新对定时器通道0进行编程,并设置新的中 断向量为中断服务程序入口地址;(3)在程序退出前恢复原 中断向量。 z ⑵键盘中断处理子程序:接收键盘按键操作产生的中断, 使用ROM-BIOS软中断,利用函数BIOSKEY获得按键的键 值,然后进行相应的处理 定时中断服 务子程序 采集角度数据 选择控制算法,计算控制量 输出控制量 EOI 定时中断服务子程序流程图 ⑶ 串行通讯中断处理子程序 z 串行通讯中断主要是实现计算机和外部的串行通讯,使用 计算机内部的硬件资源COM1(COM2)和中断资源 0x0c(0x0b) z 串行通讯中断处理子程序主要用来接收上位机的控制命 令,进行命令格式的转换,实现远控的功能,并可以按照 协议的要求返回指定的数据 串行中断服务子 程序 判断中断类型 读入RDR数据 进行报文处理,解析报文命令 传递控制参数到主程序 EOI 串行通讯中断服务子程序流程图 4. 控制算法与实现 z 为了提高系统的动态特性,可采用PD控制,同时 为进一步提高系统的稳态精度,在数字控制器中引 入积分环节,消除静差 z 在位置控制时,使用(PD+III)型系统控制 ¾ 大偏差时使用PD控制:使系统快速无超调的归零 ¾ 小偏差时使用III型系统控制:无静差 z 设置切换条件进行切换控制,并设置滞环开关 % 这样既保持了积分的作用,又减少了超调量,使得 系统性能有较大的改善 4. 控制算法与实现 z 具体实现如下: 9 根据实际情况,人为设定一个阈值ε>0 ¾ 当偏差∣e(k)∣>ε时,即偏差值比较大时,采 用PD控制 ¾ 当∣e(k)∣≤ε时,即偏差比较小时,采用III 型系统控制 开始 取给定值r(k)和测量值c(k) e(k)=r(k)-c(k) III型系统 控制 Y |e(k)|<ε N PD控制 调用III型系 统控制算法 调用PD控制 算法 输出u(k) U(k-1)=u(k) e(k-1)=e(k) 退出 (PD+III)型系统控制程序流程图 定时中断服务 子程序 采集角度数据 判断工作方式 转入相应的控 制子程序 计算偏差 调用相应的控 制算法 转化控制量为输出要 求的格式 输出控制量到相应的 端口 EOI 控制量计算程序流程图 5.仿真与结论 z 系统的位置控制仿真曲线 单位:度 单位:0.002秒 z 仿真结果表明系统超调量小,反应速度快,稳定 啤酒发酵过程计算机控制系统 ¾ 啤酒发酵工艺及控制要求 ¾ 系统总体方案的设计 ¾ 系统硬件和软件的设计 ¾ 系统的安装调试运行及控制效果 啤酒发酵工艺及控制要求 ‹ 啤酒发酵工艺简介 ¾ 啤酒发酵是一个复杂的生物化学过程,通常在锥型发酵 罐中进行 ¾ 在二十多天的发酵期间,根据酵母的活动能力,生长繁 殖快慢,确定发酵给定温度曲线 ¾ 要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等 杂质含量达到最佳状态,必须严格控制发酵各阶段的温 度,使其在给定温度的±0.5℃范围内 啤酒发酵工艺及控制要求 ‹ 系统的控制要求 (1)系统共有10个发酵罐,每个罐测量5个参数,即发酵罐的上 中下三段温度、罐内上部气体的压力和罐内发酵液(麦汁)的 高度,共有三十个温度测量点、10个压力测量点、10个液 位测量点。因此共需检测50个参数  (2)自动控制各个发酵罐中的上中下三段温度使其按要求工艺 曲线运行,温度控制误差不大于±0.5℃。共有30个控制点 (3)系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控三种工作 方式  (4)系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置 功能  (5)系统具有表格、图型、曲线等显示和打印功能 系统总体方案的设计 1.发酵罐测控点的分布 及管线结构 2.检测装置和执行机构 3.控制规律 4.控制系统主机及过程 通道模板 5.控制系统的软件 系统硬件和软件的设计 控制系统的组成框图 ¾模拟量输入通道设计 ¾模拟量输出通道设计 系统软件的设计 (1) 数据采集程序 (2) 数字滤波程序 (3) 标度变换程序 ① 温度的标度变换 ② 压力的标度变换 ③ 液位的标度变换 (4) 给定工艺曲线的实时插补计算 (5) 控制算法 ① PID算式加特殊处理 ② 施密斯(Smith)预估控制算式 (6) 其它应用程序 系统的安装调试运行及控制效果 ¾ 现场进行安装时,首先在现场安装温度、压力变送器、液 位变送器、调节阀等,然后从现场敷设屏蔽信号电缆到控制 室,最后将这些线缆接到工业控制计算机的接线端子板上 ¾ 调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准,A/D板和 D/A板满度和零点校准;另外就是利用试凑法确定PID控制器 的控制参数。系统经过安装调试后,投入运行,并满足系统 的控制要求 ¾ 该系统操作简单,使用维护方便,性能可靠;采用微机控 制,提高了啤酒质量;改善了劳动条件,不用人工手动操 作,消除了人为因素;易于现代化管理和产品质量分析;采 用表格、图形、曲线显示直观,并有打印输出功能 END 第9章 智能控制基础 南京邮电大学 电气工程系 OUTLINE 9.1 绪论 9.2 基于模糊推理的智能控制 9.3 人工神经网络控制 9.4 本章小结 习题 9.1 绪 论 智能控制是人工智能与控制理论交叉的产物,是传 统控制理论发展的高级阶段 智能控制理论的创立和发展是对计算机科学、人工 智能、知识工程、模式识别、系统论、信息论、控 制论、模糊集合论、人工神经网络、进化论等多种 前沿学科、先进技术和科学方法的高度综合集成 9.1.1 智能控制的基本概念 1.智能控制概述 术语“智能控制”由Leondes等人在1967年提出 1971年,傅京生(King-Sun Fu)通过对含有拟人控 制器的控制系统和自主机器人诸方面的研究,以 “智能控制”这个词概念性地强调系统的问题求解和 决策能力,提出二元交集模型 智能控制(IC)=为自动控制(AC)和人工智能(A1)的交集 G.N.Saridis等人从机器智能的角度出发,提出三元 交集模型 图9.1 智能控制的二元交集论示意图 图9.2 智能控制的三元交集论示意图 ⒉智能控制的应用对象 智能控制是控制理论发展的高级阶段,主要用来解 决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题 例如 智能机器人系统 计算机集成制造系统 复杂的工业过程控制系统 航天航空控制系统 社会经济管理系统 交通运输系统 环保及能源系统等 智能控制的应用对象具备以下一些特点 ⑴不确定性的模型 : 模型不确定性包含两层意思:一是模型未知或知之甚 少;二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化 ⑵高度的非线性 : 对于具有高度非线性的控制对象,非线性控制理论还很 不成熟,而且方法比较复杂 ⑶复杂的任务要求 9.1.2 智能控制系统 所谓智能系统是指具备一定智能行为的系统 具体地说,若对于一个问题的激励输入,系统具备一定 的智能行为,它能够产生合适的求解问题的响应,这样 的系统便称为智能系统 智能控制系统是实现某种控制任务的一种智能系统 智能行为也是一种从输入到输出的映射关系 这种映射关系并不能用数学的方法精确地加以描述,因 此它可看成是一种不依赖于模型的自适应估计 1、智能控制系统的结构 图9.3 智能控制系统的结构图 广义对象:包括通常意义下的控制对象和所处的外部环境 传感器:包括关节位置的传感器、力传感器,还可能包括 触觉传感器、视觉传感器等 感知信息处理:将传感器得到的原始信息加以处理 认知部分:主要接收和储存知识、经验和数据,并对它们 进行分析、推理,作出行动的决策,送至规划和控制部分 通讯接口:除建立人机之间的联系外,也建立系统中各模 块之间的联系 规划和控制:整个系统的核心,根据给定的任务要求、反 馈信息及经验知识,进行自动搜索、推理决策、动作规划 2、智能控制系统的主要功能与特点 智能控制与传统控制的比较 研究的主要目标 传统控制:被控对象 智能控制:控制器本身 控制器模型 传统控制:解析型数学模型 智能控制:数学模型和知识系统相结合的广义模型 智能控制常具有以下一种或几种基本特点 ⑴ 分层递阶的组织结构 智能控制系统的组织结构体现了“智能递增、精度递减” 的原理。其协调层次越高,所体现的智能也越高 ⑵多模态控制 常采用具有开环、闭环控制结合,定性决策与定量控制结 合,数学模型和非数学广义模型结合的多模态控制 ⑶自学习能力 一个系统,如果能对一个过程或其环境的未知特征所固有 的信息进行学习,并将得到的经验用于进一步的估计、分 类、决策或控制,从而使系统的性能得到改善,那么就称 该系统为学习控制系统 学习控制系统是智能控制系统的一种,智能控制系统的学 习功能可能有低有高 低层次的学习功能主要包括对控制对象参数的学习,高 层次的学习功能则包括知识的更新和遗忘 ⑷自适应能力 智能行为实质上是一种从输入到输出之间的映射关系,可 看成是不依赖模型的自适应估计,因此有很好的适应性能 系统具有插补功能,对于未建模实例,可给出合适的输 出,甚至某些部分出现故障时,系统也能够正常的工作 如果系统具有更高程度的智能,还能自动找出故障甚至具 备自修复的功能,从而体现了更强的适应性 ⑸自组织能力 具有自组织能力的智能控制系统对于复杂的任务和分散的 传感信息具有自行组织和协调的功能 该组织功能也表现为系统具有相应的主动性和灵活性,即 智能控制器可以在任务要求的范围内自行决策,主动地采 取行动。而当出现多目标冲突时,在一定的限制下,控制 器可自行裁决 9.2 基于模糊推理的智能控制 模糊控制:一种基于规则的智能控制,是以模糊集 合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种 计算机智能控制 1956年美国著名控制论学者L . A . Zadeh首次提出一种完全 不同于传统数学与控制理论的模糊集合理论 1974年英国马丹尼首先设计了模糊控制器,并用于锅炉和 蒸汽机的控制,取得了成功 1986年世界上第一块基于模糊逻辑的人工智能芯片在贝尔 实验室研制成功 日本研制第一台模糊控制洗衣机并投入使用 9.2.1 模糊数学基础 Classical sets – either an element belongs to the set or it does not. For example, for the set of integers, either an integer is even or it is not. However, either you are in the USA or you are not. What about flying into USA, what happens as you are crossing? Another example is for black and white photographs, one cannot say either a pixel is white or it is black. However, when you digitize a b/w figure, you turn all the b/w and gray scales into 256 discrete tones. 1、模糊集合 在人类的思维中,有的概念具有清晰的内涵和外延(经典集 合) ,如男、女等;有许多概念是模糊的,如大、小、冷、 热等,都没有明确的内涵和外延,只能用模糊集合来描述 一般而言,在不同程度上具有某种特定属性的所有元素的 总和叫做模糊集合 人们把元素对模糊集合的归属程度用隶属度函数来表示, 它是模糊数学中最基本和最重要的概念 其定义为:用于描述模糊集合,并在[0,1]闭区间连续取值 的特征函数叫隶属函数,隶属函数用μA(x) 表示,其中A表 示模糊集合,而x是A的元素,隶属函数满足条件: 0≤μA(x) ≤1 例如青年是一个集合,如果用模糊集合A表示,并且有: −( x−20 )2 μ A(x) = e 7 则这时的隶属度函数如图 图9.5 青年的隶属函数 Zadeh于1965年曾给出下列定义: 设给定论域U,μA(x)为U到[0、1]闭区间的任一映 射,μA(x):U→[0,1] x→μA(x)都可确定U的一个模糊集合A,μA称为模 糊集合A的隶属函数 ∀ x∈U ,μA(x)称为元素x对A的隶属度,即x隶 属于A的程度 模糊集合的两种表示方法 ⑴ 有限论域 若给定论域U,且论域U = {x1,x2,…,xn},则U上的模糊 集合A可表示为: ∑ A = n i =1 μ A (xi ) xi = μ A (x1 ) x1 + μA(x2 ) x2 +K+ μA(xn ) xn 其中,μA (xi) ( i=1, 2, …, n )为隶属度,xi为论域中的元 素,当隶属度为0时,该项可以略去不写 例:论域U = {a,b,c,d},则U上的模糊集合A可表示为: A = 1/a + 0.9/b + 0.4/c +0.2/d 注意,与普通集合一样,上式不是分式求和,仅是一种表 示法的符号,其分母表示论域U中的元素,分子表示相应元 素的隶属度,隶属度为0的那一项可以省略 ⑵无限论域 在论域是无限的情况下,取一连续实数区间,这时U的模糊 集合A可以用实函数来表示: ∫ A = μA (x) x→U x 其中:积分号不是高等数学中的积分意义,也不是求和 号,而是表示各个元素与隶属度对应的一个总括形式 模糊集合的运算 模糊集合的运算是由其隶属函数的运算来刻划的,包括空 集、子集、并集等 ⑴并集 模糊集A和B的并集C,其隶属函数可表示为 μC(x)=max [μA(x), μB(x)], ∀ x∈U 即C=A∪B ⇔μC(x) =max [μA(x), μB(x)] =μA(x)∨μB(x) ⑵交集 模糊集A和B的交集C,其隶属函数可表示为 μC(x) = min [μA(x), μB(x)], ∀ x∈U 即C=A∩B ⇔μC (x) =min [μA(x), μB(x)] =μA(x)∧μB(x) 2、模糊关系 精确的关系表示二个或二个以上集合元素之间关联、交互 或互联是否存在 模糊关系表示二个或二个以上集合元素之间关联、交互或 互联存在或不存在的程度 令X和Y是两个论域,则模糊关系R(X,Y)是X×Y空间中的 模糊集和,可表示为 R(X,Y) = {((x, y), μR(x, y)) | (x, y)∈X×Y} 这就称作X×Y中的模糊关系 关系矩阵R又称为模糊矩阵,其元素rij=μR (xi, yj) Crisp Relations Ordered pairs showing connection between two sets: (a,b): a is related to b (2,3) are related with the relation “<“ Relations are set themselves < = {(1,2), (2, 3), (2, 4), ….} <1 2 1 ×☺ 2 ×× Relations can be expressed as matrices Fuzzy Relations Triples showing connection between two sets: (a,b,#): a is related to b with degree # Fuzzy relations are set themselves Fuzzy relations can be expressed as matrices Example: Color-Ripeness relation for tomatoes R1(x, y) unripe semi ripe ripe green 1 0.5 0 yellow 0.3 1 0.4 Red 0 0.2 1 模糊矩阵的运算 两个模糊矩阵的运算包括并、交、补以及合成运算等,设 m×n阶模糊矩阵R和Q,则 模糊矩阵交 模糊矩阵并 R∩Q=[rij ∧qij] m×n 模糊矩阵补 R∪Q=[rij ∨qij] m×n 模糊矩阵合成 Rc=[1-rij ] m×n P=[pij ] m×n Q=[qjk ] n×l n R=P。Q=[rik] m×l rik = ∨( j =1 pij ∧ q jk ) 9.2.2 模糊控制系统的基本原理 图9.4 模糊控制原理框图 模糊控制器有三个主要的功能模块。 (1) 模糊化(Fuzzification) 模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊 语言变量值的过程,此变量值均由对应的隶属度来定义 (2) 模糊推理(Fuzzy Inference) 模糊推理包括三个组成部分:大前提、小前提和结论。 大前提是多个多维模糊条件语句,构成规则库;小前提 是一个模糊判断句,又称事实 以已知的规则库和输入变量为依据,基于模糊变换推出 新的模糊命题作为结论的过程叫做模糊推理 (3) 清晰化(Defuzzification) 清晰化是将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的 数字值的过程 9.2.3 模糊控制器的设计 模糊控制器的设计包括以下几项内容: (1) 根据本次采样得到的系统的输出值,计算所选择的系 统的输入变量 (2) 将输入变量的精确值变为模糊量 (3) 根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则,按模糊推理合 成规则计算控制量(模糊量) (4) 由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量 模糊控制器的设计包括以下几个主要部分 1、精确量的模糊化 2、模糊控制算法设计 3、模糊量到精确量的转换 1、精确量的模糊化 (1) 基于推理合成规则进行模糊推理 (2) 量化因子与比例因子 (3) 语言变量值的选取 (4) 语言变量论域上的模糊子集 (5) 语言变量的赋值表 (6) 一个确定数的Fuzzy化 2、模糊控制算法设计 ⑴ 常见的模糊控制规则 ① 单输入单输出模糊控制器控制规则形式为: if A then B if A then B else C ② 双输入单输出模糊控制器控制规则形式为: if E and C then U ③ 多输入单输出模糊控制器控制规则形式为: If A and B and …and N then U ④ 双输入多输出模糊控制器控制规则形式为: If E and EC then U And if E and EC then V … And if E and EC then W ⑵ 模糊关系的确定 模糊控制器的控制规则是由一组彼此间通过“或”的关系 连结起来的模糊条件语句来描述的 其中每一条模糊条件语句,当输入、输出语言变量在 各自论域上反映各语言值的模糊子集为已知时,都可 以表达为论域积集上的模糊关系 在计算每一条模糊条件语句决定的模糊关系Ri 之后,考 虑到此等模糊条件语句间的“或”关系,可得描述整个系 统的控制规则的总模糊关系R为 m R = R1 U R2 UL U Rm = U Ri i =1 3、模糊量到精确量的转换 ⑴ 基于推理合成规则进行模糊推理 ⑵ 输出信息的去模糊判决 ① 最大隶属度法 ② 取中位数法 ③ 加权平均法 9.3 神经网络控制 人脑大约包含1012个神经元,分成约1000种类型, 每个神经元大约与102~104个其它神经元相连接, 形成极为错综复杂而又灵活多变的神经网络 每个神经元虽然都十分简单,但是如此大量的神经 元之间、如此复杂的连接却可以演化出丰富多彩的 行为方式 同时,如此大量的神经元与外部感受器之间的多种 多样的连接方式也蕴含了变化莫测的反应方式 人工神经网络简称神经网络,指利用工程技术手段 模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术 是由大量简单的处理单元广泛连接所组成的复杂网 络 是在现代生物学研究人脑组织所取得的成果基础上 提出的,用以模拟人类大脑神经网络的结构和行为 因此,人工神经网络具有人脑功能的基本特征:学 习、记忆和归纳,从而解决了智能控制中的某些局 限性,为控制领域的研究开辟了新的途径 9.3.1 神经网络的基本原理和结构 1、神经细胞的结构与功能 神经元是由细胞体、树突和轴突组成 图9.7 生物神经元模型 2、人工神经元模型 图9.8 人工神经元模型 其输入、输出关系可描述为 n n +1 ∑ ∑ Ii = wij x j + si − θi = wij x j j =1 j =1 yi = f (Ii) 其中, wij 表示从神经元j到神经元i的连接权 值;θi 为阈值;f (•) 称为激发函数或作用函数 神经元输出特性函数常选用的类型 阶跃函数 线性函数 S型函数 图9.9 人工神经元的输出特性函数 3、人工神经网络的基本结构类型 前向网络 、有反馈的前向网络 、层内有互 联的前向网络、互联网络 9.3.2 感知器和反传(BP)网络 1957年,美国学者Rosenblatt提出了一种用于模式 分类的神经网络模型,称为感知器 由阈值元件组成且具有单层计算单元的神经网络, 具有学习功能 是最简单的前馈网络,它主要用于模式分类。也可 用在基于模式分类的学习控制和多模态控制中,其 基本思想是将一些类似于生物神经元的处理元件构 成一个单层的计算网络 1、单层感知器网络 图9.11 单层感知器网络 图9.12 单个神经元的感知器 Linear Separability in Perceptrons Presented by Martin Ho, Eddy Li, Eric Wong and Kitty Wong - Copyright© 2000 2、前向多层网络的BP学习算法 对于线性不可分的输入模式,只用单层感知器无法 将其正确分类,这时可采用多层感知器 多层感知器网络可以解决异或问题 多层感知器包含输入层、隐层及输出层。隐层可以 为一层或多层。每层上的神经元称为节点或单元 输入单元的活性(状态)代表输入此网络中的原始信 息。每个隐单元的活性取决于输入单元的活性及该 输入单元与隐单元之间联接权值 同样输出单元的行为取决于隐单元的活性及隐单元 和输出单元之间的权值 2、前向多层网络的BP学习算法 信息是由输入单元传播到隐层单元,最后传到输出 单元 这种含有隐层的前向网络有一个重要特征,即隐单 元可以任意构成它们自身的输入表示 输入单元和隐单元间的权值决定每个隐单元何时是 活性的,因此,通过修改这些权值,一个隐单元可 以选择它代表什么 Rumelhart,McClelland于1985年提出了BP网络的误差反 向后传BP(Back Propagation)学习算法 David Rumelhart J. McClelland BP算法基本原理 利用输出后的误差来估计输出层的直接前导层的误差, 再用这个误差估计更前一层的误差,如此一层一层的反 传下去,就获得了所有其它各层的误差估计 图9.13 BP网络结构 BP神经网络模型 激活函数 必须处处可导 一般都使用S型函数 使用S型激活函数时BP网络输入与输出关系 输入 net = x1w1 + x2w2 + ... + xnwn 输出 y = f (net) = 1 + 1 e − net 输出的导数 f '(net) = 1 1 + e-net − 1 (1 + e−net )2 = y(1 − y) BP网络的标准学习算法 学习的过程: 神经网络在外界输入样本的刺激下不断改变网络的 连接权值,以使网络的输出不断地接近期望的输出 学习的本质: 对各连接权值的动态调整 学习规则: 权值调整规则,即在学习过程中网络中各神经元的 连接权变化所依据的一定的调整规则 算法思想 学习的类型:有导师学习 核心思想: 将输出误差以某种形式通过隐层向输入层逐层反传 将误差分摊给各层的所有单元 ---各层单元的误差信号 学习的过程: 信号的正向传播 修正各单元权值 误差的反向传播 学习过程 正向传播: 输入样本---输入层---各隐层---输出层 判断是否转入反向传播阶段: 若输出层的实际输出与期望的输出(教师信号)不符 误差反传 误差以某种形式在各层表示--修正各层单元权值 网络输出的误差减少到可接受的程度 进行到预先设定的学习次数为止 BP算法直观解释 情况一 当误差对权值的偏 导数大于零时,权值 调整量为负,实际输 出大于期望输出, 权值向减少方向调整, 使得实际输出与期望 输出的差减少 e who ∂e ∂who >0,此时Δwho<0 BP算法直解释 情况二 当误差对权值的偏导数 小于零时,权值调整量 为正,实际输出少于期 望输出,权值向增大方向 调整,使得实际输出与期 望输出的差减少 e ∂e ∂who who <0, 此时Δwho>0 BP算法的计算机实现步骤 ⑴ 初始化,对所有权值赋以随机任意小值,并初始化阈值 ⑵ 给定训练数据集,即提供输入向量X和期望输出 ⑶ 计算实际输出y: ∑ y j = f ( Wij xi ) ⑷ 调整权值,按误差反向传播方向,从输出节点开始返回到 隐层按下式修正权值 Wij (t + 1) = Wij (t) + ηδ j y j ⑸ 返回第⑵步重复,直至误差满足要求为止 3、BP算法的改进算法 BP算法的缺点 ① 由于采用非线性梯度优化算法,易形成局部极 小而得不到整体最优 ② 优化算法次数甚多使得学习效率低,收敛速度 很慢 ③ BP网络是前向网络,无反馈连接,影响信息交 换速度和效率 ④ 网络输入节点、输出节点由问题而定,但隐节 点的选取根据经验,缺乏理论指导 ⑤ 在训练中学习新样本有遗忘旧样本的趋势,且 要求每个样本的特征数目要相同 三种改进算法 ⑴ 引入动量项 ⑵ 变尺度法 ⑶ 变步长法 9.3.3 神经网络控制 神经网络在控制中的作用 ⑴ 在传统的控制系统中用以动态系统建模,充当 对象模型 ⑵ 在反馈控制系统中直接充当控制器的作用 ⑶ 在传统控制系统中起优化计算作用 ⑷ 与其他智能控制方法如模糊逻辑、遗传算法、 专家控制等相融合 神经网络控制的多种结构 神经直接自校正控制 神经控制器 NNC 与对象串联,实现 P 的逆模型 P$ −1 ,且 能在线调整 输出 y 跟踪输入 r 的精度,取决于逆模型的精度 不足:开环控制结构,不能有效的抑制扰动 r u y NNC(Pˆ −1) 对象 - NNiI ( Pˆ −1 ) 神经直接自校正控制 神经间接自校正控制 由神经辨识器NNI在线估计对象参数,用于调节器 (或控制器)参数的自动整定,实现自适应控制 控制器设计 NNI r u y 自校正控制器 对象 神经自校正控制框图 神经PID控制 由辨识器NNI在线辨识对象,对控制器NNC的权系 进行实时调整,使系统具有自适应性,从而达到控 制目的 - PID 控制器 r u 对象 y e NNC 学习算法 e2 - NNI yˆ 学习算法 - e1 神经 PID 控制框图 神经直接模型参考自适应控制 构造一个参考模型,使其输出为期望输出,控制的 目的是使y跟踪yM 参考模型 yM r ur -y 对象 NNC - 神经直接模型参考自适应控制 神经间接模型参考自适应控制 构造一个参考模型,使其输出为期望输出,控制 的目的,是使y跟踪yM 适用于具有非线性、不确定、不确知特性的对象 参考模型 yM e2 r u -y NNC 对象 - e1 - NNI yˆ 神经间接模型参考自适应控制 神经内模控制 具有结构简单、性能良好的优点 滤波器 re g _ F(z) 内模 ν 控制器 u 对象 + D(z) P(z) y 内部模型 yˆ e1 Pˆ ( z) − 神经内模控制 PID神经网络单变量控制 PID神经网络控制器NNC与单变量对象一起作为广 义网络 ,不需辨识复杂的非线性被控对象,可对 其实现有效的控制 1W 2W r P v + u I P y R D x' x q NNC PID神经网络单变量控制结构 PID神经网络多变量控制 PID神经网络控制器NNC与多变量对象一起作为广义 网络 ,不需辨识复杂的非线性被控对象,可对其 实现有效的控制 r1 w 1 1 2w P u1 v1 y1 + M M w 1 n rn un M M vn + yn x' R xq NNC PID 神经网络多变量控制结构 神经预测控制 预测控制是一种基于模型的控制 特点:预测模型、滚动优化和反馈校正 神经预测控制由神经网络实现预测模型NNP r u 非线性优化器 对象 y - - NNP 滤波器 神经预测控制 9.4 本章小结 习题 什么是智能控制 简述智能控制系统的主要功能与特点 模糊控制器的设计包括哪些内容? 人工神经网络有哪些基本结构和类型? 简述BP网络的基本原理 了解神经网络控制的基本结构 Movie 1: Coordination Movie 2: Cooperation Flocking Algorithm: DEMO END
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