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哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）控制科学与工程系控制科学与工程系Computer Control System 7.1 硬件组成与输入输出接口硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析量化效应分析 7.4 采样频率的选取采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术抗干扰与可靠性技术 7.1 硬件组成与输入输出接口硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析量化效应分析 7.4 采样频率的选取采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术抗干扰与可靠性技术一、一、量化特性量化特性有限位有限位(n)二进制所表二进制所表示的数据：示的数据： 2n个等间隔数个等间隔数用用q q表示表示q称为量化单位称为量化单位字长为字长为N1位作符号位位作符号位 1121/2NNq一个任意值的真实数一个任意值的真实数x，只可以用，只可以用q的整倍数的整倍数xq来表示来表示qxL q即有即有qxx量化误差量化误差一、一、量化特性量化特性常用的量化方法常用的量化方法(1) 舍入量化舍入量化将小于量化单位的尾数进行四舍五入整量化。 (2) 截尾量化截尾量化将小于量化单位的尾数全部截掉。 舍入量化误差舍入量化误差 R/2/2Rqq截尾量化误差截尾量化误差 T0,00,0 TTqxqx0Tq对于原码及反码对于原码及反码 对于补码对于补码 二、二、计算机控制中的量化计算机控制中的量化(1) A/D的量化效应的量化效应A/D字长的有限引起字长的有限引起(2) 控制器参数的量化效应控制器参数的量化效应计算机字长有限引起计算机字长有限引起(3) 控制规律计算中的量化效应控制规律计算中的量化效应乘法除法运算、右移运算等乘法除法运算、右移运算等(4) D/A转换的量化效应转换的量化效应 D/A字长字长CPU字长字长三、参数的三、参数的量化误差分析量化误差分析灵敏度分析法灵敏度分析法1010121112()()()( )( )( )()()()mmmmnnnnb zb zbb zzzzzzN zD zP zza zazpzpzp(1, ) kakn( )D z研究研究的变化对的变化对极点的影响极点的影响 1112( )()()()nnnnP zza zazpzpzp极点多项式极点多项式 kakkaajpjjpp(,)0jkP p a(,)0jjkkP pp aa 泰勒级数展开泰勒级数展开 (,)(,)jjjjkkjkzpjzpkkPPP pp aaP p apaza高次项高次项=0 00( , ) 0jkP p a(,) 0jjkkP pp aa1() n kjjnkjiiijppapp灵敏度公式灵敏度公式 (1)与 成正比(2)与各极点之间距离各极点之间距离成反比(3)与 T 有关knjp( )()njP zzP() nn kjjkppa若控制器有重极点，设若控制器有重极点，设灵敏度随重极点阶数的灵敏度随重极点阶数的增高而增高增高而增高 例例 直接型结构实现时，试求系数直接型结构实现时，试求系数a3变化多大，将使变化多大，将使D(z)有一极点处于单位圆上？用串联和并联结构实现又如何？有一极点处于单位圆上？用串联和并联结构实现又如何？332( )( )( )(0.99)2.972.94030.970299N zN zD zzzzz解：若有一极点处于单位圆上，则解：若有一极点处于单位圆上，则1 0.990.01 jp333()0.010.000001 jap3 3(0.99)1n kjp即即a3减少减少0.000001时，会有一极点位于单位圆上时，会有一极点位于单位圆上() nn kjjkppaa3必须小于必须小于0.000001用定点数表示时，至少用定点数表示时，至少需要需要20位字长位字长1/2-19=0.00000191/2-20=0.00000095例例 直接型结构实现时，试求系数直接型结构实现时，试求系数a3变化多大，将使变化多大，将使D(z)有一极点处于单位圆上？用串联和并联结构实现又如何？有一极点处于单位圆上？用串联和并联结构实现又如何？332( )( )( )(0.99)2.972.94030.970299N zN zD zzzzz解：解：采用串联和并联结构实现时，环节系数为环节的极点采用串联和并联结构实现时，环节系数为环节的极点故故 系数误差系数误差就可以避免极点跑到单位圆上就可以避免极点跑到单位圆上. 用定点数表示时，只需用定点数表示时，只需7位字长即可。位字长即可。1 0.990.01 jp在实现高阶控制器时，最好避免采用直接型结构在实现高阶控制器时，最好避免采用直接型结构 四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述1.变换定义变换定义1zT 1zT或或1( )( )zTGG z 2()12sTsTzesT ！212zs TsT！0T s与与z的关系：的关系：平移放大平移放大 四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述1.变换定义变换定义 Z平面到平面到平面的映射是线性映射。平面的映射是线性映射。 变换与变换与Z变换形式相同，且变换形式相同，且变换的幅值是变换的幅值是Z变换的变换的T倍。倍。 当当T0时，时， 变换变换拉氏变换，即拉氏变换，即 变换是随着采样周期变换是随着采样周期T0而收敛于拉氏变换的离散时间变换。而收敛于拉氏变换的离散时间变换。1( )( )zTGG z 拉普拉氏变换、拉普拉氏变换、Z变换与变换与 变换表变换表 )(t 1 1 1 1 F()F(z)F(k)F(t)F(s)0)( TF )(k s1)( 1 t)( 1 k1 zz 1 T 1 1 1sesT )( 1Tt )1( 1 k11 zas 1ate akTe aTezz TeTaT 11 a 11)1( kaT)1(1aTz a 1a 121stkT2)1( zTz21 T21 )(t四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述2.变换的映射与稳定域变换的映射与稳定域 Z到到 平面的映射由平面的映射由 确定。确定。Z平面的单位圆映平面的单位圆映射到射到 平面为圆，圆心在（平面为圆，圆心在（-1/T,0)，半径半径R=1/T。可见，可见， 变量是变量是z的平移与放大（圆的半径的平移与放大（圆的半径R由由1至至1/T）。）。 当当T0时，该圆扩大为左半平面。时，该圆扩大为左半平面。 Tz1 四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述2.变换的映射与稳定域变换的映射与稳定域 S平面的稳定域：平面的稳定域：S左半平面。左半平面。Z平面的稳定域：单位圆内。平面的稳定域：单位圆内。 平面的稳定域：平面的稳定域： 圆心为圆心为(-1/T,0) ，半径为半径为1/T的圆内，称为的圆内，称为 平面稳定圆。平面稳定圆。随着随着T0，它趋于它趋于 左半平面，与连续域相同，稳定边左半平面，与连续域相同，稳定边界为界为： TTjTT sin1cos 。时，上式可见，当jT 0四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述2.变换的映射与稳定域变换的映射与稳定域 稳定性判据稳定性判据系统稳定的充分必要条件：特征方程的全部根在系统稳定的充分必要条件：特征方程的全部根在 平面平面稳定圆内或称系统的全部极点在稳定圆内或称系统的全部极点在 平面稳定圆内。平面稳定圆内。四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述3.域的控制系统设计域的控制系统设计 用用 变换进行系统设计，其设计步骤与模拟设计法相变换进行系统设计，其设计步骤与模拟设计法相同，不同的是，带零阶保持器的被控对象的离散化模同，不同的是，带零阶保持器的被控对象的离散化模型用的是型用的是 传递函数传递函数 G( )。 D( )与与D(s)具有相同的形式，可以用连续系统的设计具有相同的形式，可以用连续系统的设计方法，在方法，在 域设计系统。域设计系统。 闭环传递函数，闭环传递函数， H( )与与H(s)的极点在的极点在 与与S平面上的平面上的位置、数值是相当接近的。位置、数值是相当接近的。D( )与与D(s)的分子、分母具的分子、分母具有相同的阶次。有相同的阶次。 四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述4. 变换的差分方程描述变换的差分方程描述已知变量已知变量x(k)的的变换，只需要将变换，只需要将变换定义代入即可变换定义代入即可写出相应的差分方程写出相应的差分方程( )( )( )C saG sU ssa1 e1 e( )esTaTaTaG zZssaz) 1()1 () 1()(kuekcekcaTaT)(1)()1 ()()(1)(1/ )1 (/ )1 ()(UTeCTeYUTeCTeTeTeGaTaTaTaTaTaT) 1()1 () 1() 1(1) 1(1) 1()(kuekcekuTekyTeTkckcaTaTaTaT四、四、控制算法控制算法变换描述变换描述5. 变换的变换的优点优点快速采样时，连续系统的快速采样时，连续系统的变换离散化模型趋近于原连变换离散化模型趋近于原连续模型，使之用于连续系统设计的各类方法可直接用于续模型，使之用于连续系统设计的各类方法可直接用于离散化设计。离散化设计。用用变换的数字控制器模型，实现时具有较好的数值特变换的数字控制器模型，实现时具有较好的数值特性，如，在有限字长特性、灵敏度等方面，均优于性，如，在有限字长特性、灵敏度等方面，均优于Z变变换的模型。换的模型。 7.1 硬件组成与输入输出接口硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析量化效应分析 7.4 采样频率的选取采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术抗干扰与可靠性技术一、采样频率对系统性能的影响一、采样频率对系统性能的影响1. 对系统稳定性能的影响对系统稳定性能的影响采样周期采样周期T是系统的一个重要的参数，对闭环系统的稳是系统的一个重要的参数，对闭环系统的稳定性和性能有很大的影响。定性和性能有很大的影响。2. 采样信息的影响采样信息的影响max2s采样定理采样定理 max(4 10)sR实际应用时：实际应用时： (4 10)sb被控对象全部特征被控对象全部特征根中的最高频率根中的最高频率系统闭环系统闭环频带频带 一、采样频率对系统性能的影响一、采样频率对系统性能的影响3. 采样周期与系统抑制干扰能力的关系采样周期与系统抑制干扰能力的关系 4. 计算机字长与与采样周期计算机字长与与采样周期l由于字长有限，当减小，所产生的量化误差会增大。由于字长有限，当减小，所产生的量化误差会增大。l当采样周期过小时，将会增大控制算法对参数变化的灵当采样周期过小时，将会增大控制算法对参数变化的灵敏度，使控制算法参数不能准确表示，从而使控制算法敏度，使控制算法参数不能准确表示，从而使控制算法的特性变化较大。的特性变化较大。 5. 计算机的工作负荷与采样周期计算机的工作负荷与采样周期l当计算机的速度及计算任务确定后，采样间隔就受到一当计算机的速度及计算任务确定后，采样间隔就受到一定限制定限制max2sf干扰信号最干扰信号最高频率高频率 二、二、选择采样频率的经验规则选择采样频率的经验规则l对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极点的时间对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极点的时间常数为常数为T Td d，那么采样周期应取，那么采样周期应取l被控过程具有纯延滞时间被控过程具有纯延滞时间 l闭环系统的稳态调节时间有要求闭环系统的稳态调节时间有要求 l闭环系统的闭环自然频率有要求闭环系统的闭环自然频率有要求/10dTT(1/4 1/10)T/10sTt10sn二、二、选择采样频率的经验规则选择采样频率的经验规则l在能满足系统性能要求的前提下，应尽量选取较大的采在能满足系统性能要求的前提下，应尽量选取较大的采样周期（即较低的采样频率），以降低系统成本。样周期（即较低的采样频率），以降低系统成本。 控制变量 流量 压力 液面 温度 采样周期 s工业过程控制典型变量的采样周期工业过程控制典型变量的采样周期 三、多三、多采样频率配置采样频率配置(1)可以有效地减少计算机的运算量，从而降低对计算可以有效地减少计算机的运算量，从而降低对计算机的运算速度的要求；机的运算速度的要求；(2)对宽频带回路的快变信号选择相应高的采样速率，对宽频带回路的快变信号选择相应高的采样速率，可以减少高频控制器数字化带来的动态误差；根据可以减少高频控制器数字化带来的动态误差；根据低频带回路的慢变信号选择相应低的采样速率，可低频带回路的慢变信号选择相应低的采样速率，可以减少低频控制器数字化带来的量化误差。以减少低频控制器数字化带来的量化误差。三、多三、多采样频率配置采样频率配置多采样速率配置的原则多采样速率配置的原则根据每个回路或变量特性，按前述原则进行配置。就根据每个回路或变量特性，按前述原则进行配置。就单个回路而言，采样频率的选择与单速率系统是相同的。单个回路而言，采样频率的选择与单速率系统是相同的。为使多采样速率在计算机中实现简单，除保证同步采为使多采样速率在计算机中实现简单，除保证同步采样的要求外，采样速率之比通常取整数倍，如采样速率样的要求外，采样速率之比通常取整数倍，如采样速率比比n =2，4等。等。 7.1 硬件组成与输入输出接口硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析量化效应分析 7.4 采样频率的选取采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术抗干扰与可靠性技术l很多场合，计算机控制系统不解决抗干扰的问题，很多场合，计算机控制系统不解决抗干扰的问题，不提高其可靠性，就无法工作不提高其可靠性，就无法工作l解决计算机控制系统的抗干扰问题的两种途径：解决计算机控制系统的抗干扰问题的两种途径：找到干扰源，寻找相应的办法抑制或消除干扰，尽可找到干扰源，寻找相应的办法抑制或消除干扰，尽可能避免干扰串入系统，从外因解决问题；能避免干扰串入系统，从外因解决问题；提高计算机控制系统自身抵抗干扰的能力，从内因解提高计算机控制系统自身抵抗干扰的能力，从内因解决问题。决问题。一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施1. 干扰源干扰源(1)电网噪声电网噪声电网中大功率设备的启停、电网切换或各种故障的产生，都会使电网发生瞬变，产生脉冲型噪声。(2)内部干扰内部干扰由于接地不完善，信号被电磁感应和电容耦合(3)外部干扰外部干扰太阳及其它天体辐射的电磁波、电台发出的电磁波、周围的电器设备的电磁干扰，气象条件、空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施2. 克服空间感应的抗干扰措施克服空间感应的抗干扰措施空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播，一般采用适当的屏蔽及正确的接地方法解决一般采用适当的屏蔽及正确的接地方法解决。l电场屏蔽解决分布电容问题，一般接大地电场屏蔽解决分布电容问题，一般接大地l电磁场屏蔽主要避免雷达、短波电台等高频电磁场电磁场屏蔽主要避免雷达、短波电台等高频电磁场辐射干扰，屏蔽层可以用低阻金属材料做成，而且辐射干扰，屏蔽层可以用低阻金属材料做成，而且连接大地连接大地l磁屏蔽用以防止磁铁、电机、变压器、线圈等磁感磁屏蔽用以防止磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应、磁耦合，屏蔽层用高导磁材料做成，一般也接应、磁耦合，屏蔽层用高导磁材料做成，一般也接大地大地一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施3. 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施(1)串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制串模干扰串模干扰叠加在被测信号上的干扰信号。叠加在被测信号上的干扰信号。串模干扰信号的主要成份是串模干扰信号的主要成份是50Hz的工频和特殊的高次的工频和特殊的高次谐波，且通过电磁耦合和漏电等传输形式，叠加到信号谐波，且通过电磁耦合和漏电等传输形式，叠加到信号或引线上形成干扰。或引线上形成干扰。 模拟滤波模拟滤波可使可使50Hz的干扰衰减到的干扰衰减到1/600左右左右一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施3. 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施(1)串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 进行电磁屏蔽和良好的接地进行电磁屏蔽和良好的接地l从根本上切断引起干扰的干扰源从根本上切断引起干扰的干扰源l如选择带屏蔽层的双绞线或同轴电缆连接一次仪表如选择带屏蔽层的双绞线或同轴电缆连接一次仪表（如压力变送器、热电偶）和转换设备（如压力变送器、热电偶）和转换设备l配以良好的接地措施来解决。配以良好的接地措施来解决。一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施3. 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施(1)共模干扰及其抑制共模干扰及其抑制共模干扰产生的主要原因是不同共模干扰产生的主要原因是不同“地地”之间存在共模电之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。 一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施3. 过程通道的抗干扰措施过程通道的抗干扰措施(1)共模干扰及其抑制共模干扰及其抑制 采用差分放大器做信号前置放大采用差分放大器做信号前置放大 采用隔离技术将地电位隔开采用隔离技术将地电位隔开使用变压耦合或光电耦合的隔离方法。使用变压耦合或光电耦合的隔离方法。若将光电耦合器与压频（若将光电耦合器与压频（V/F）变换器、频压（）变换器、频压（F/V）变换器组合起来，形成组合式模拟隔离器，不仅隔离方变换器组合起来，形成组合式模拟隔离器，不仅隔离方便，信号抗干扰性强，而且对模拟信号的远距离传送很便，信号抗干扰性强，而且对模拟信号的远距离传送很有效有效 一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施4. 电源系统的抗干扰措施电源系统的抗干扰措施 (1) 合理配置和使用低通滤波器和交流稳压装置合理配置和使用低通滤波器和交流稳压装置(2) 采用抗干扰能力强的开关电源采用抗干扰能力强的开关电源(3) 采用分布式独立供电采用分布式独立供电(4) 采用备用电源或不间断电源（采用备用电源或不间断电源（UPS）一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施5. 地线配置的抗干扰措施地线配置的抗干扰措施 接地是抑制干扰的主要方法，其目的：接地是抑制干扰的主要方法，其目的：清除各电路电流流经公共地线阻抗时产生的噪声电压清除各电路电流流经公共地线阻抗时产生的噪声电压避免磁场及地电位差的影响，不使其形成地回路。避免磁场及地电位差的影响，不使其形成地回路。一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施5. 地线配置的抗干扰措施地线配置的抗干扰措施 针对几种地线的处理措施：针对几种地线的处理措施：高频电路就近多点接地的多点接地原则和低频电路一高频电路就近多点接地的多点接地原则和低频电路一点接地的一点接地原则；点接地的一点接地原则；交流地与信号地分开；交流地与信号地分开；数字地与模拟地分开走线，只在一点汇在一起；数字地与模拟地分开走线，只在一点汇在一起；功率地的地线应粗，且与小信号地线分开，而与直流功率地的地线应粗，且与小信号地线分开，而与直流地相连；地相连；一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施6. 看门狗电路（看门狗电路（Watchdog） Watchdog的每一次溢出输出将引起系统复位，使系的每一次溢出输出将引起系统复位，使系统重新初始化或产生中断使系统进入故障处理程序，进统重新初始化或产生中断使系统进入故障处理程序，进行必要的处理，自动恢复正常的运行程序。行必要的处理，自动恢复正常的运行程序。 程序正常运行时，程序正常运行时，CPU每隔每隔TS Tmax，设置定时器，设置定时器，使定时器不能达到使定时器不能达到Tmax，故不会发出故障中断或故障，故不会发出故障中断或故障复位的信号。复位的信号。一、一、干扰源及抗干扰措施干扰源及抗干扰措施6. 看门狗电路（看门狗电路（Watchdog） 应用场合应用场合(1) 对系统对系统“飞程序飞程序”自动恢复自动恢复可用于检测由于干扰引起的系统出错并自动恢复运行，可用于检测由于干扰引起的系统出错并自动恢复运行，提高控制系统的可靠性。提高控制系统的可靠性。只能实现任务的恢复，不可能实现断点的恢复。只能实现任务的恢复，不可能实现断点的恢复。 (2) 对硬件的故障进行检测对硬件的故障进行检测表现在表现在Watchdog可能连续产生溢出脉冲，频繁进入可能连续产生溢出脉冲，频繁进入中断处理程序。中断处理程序。 二二、提高可靠性的措施措施采用可靠性高的元部件进行完善的设计，获得一个高采用可靠性高的元部件进行完善的设计，获得一个高可靠性的单机系统可靠性的单机系统； 采用容错技术，获得一个高可靠的系统采用容错技术，获得一个高可靠的系统。二二、提高可靠性的措施提高可靠性的措施1. 提高单机系统可靠性的方法提高单机系统可靠性的方法 (1) 使用经使用经严格筛选严格筛选的的可靠元部件，并进行多道老化和严可靠元部件，并进行多道老化和严格检验；格检验；(2) 重视元部件安装的机械强度重视元部件安装的机械强度必要的元部件机械加固，如涂漆和浇注处理(4) 插座是发生故障的最常见因素插座是发生故障的最常见因素(5) 抗温升保护抗温升保护多数电子器件对温度变化比较敏感设计足够的通风系统，采用温度补偿措施。 二二、提高可靠性的措施提高可靠性的措施2、容错技术容错技术 容错技术：在容忍和承认错误的前提下，考虑如何容错技术：在容忍和承认错误的前提下，考虑如何消除、抑制和减少错误影响的技术消除、抑制和减少错误影响的技术。 常用的方法是利用各种冗余技术将可靠性较低的元件常用的方法是利用各种冗余技术将可靠性较低的元件组成一个可靠性较高的系统，其实质是利用资源来换取组成一个可靠性较高的系统，其实质是利用资源来换取高的可靠性高的可靠性。 二二、提高可靠性的措施提高可靠性的措施2、容错技术容错技术 (1) 硬件冗余硬件冗余硬件堆积冗余（静态冗余）硬件堆积冗余（静态冗余）待命贮备冗余（动态冗余）待命贮备冗余（动态冗余）混合冗余（动静冗余结合）混合冗余（动静冗余结合） (2) 软件容错软件容错故障检测故障检测损坏估计损坏估计故障恢复故障恢复缺陷处理缺陷处理二二、提高可靠性的措施提高可靠性的措施2、容错技术容错技术 (3) 指令冗余指令冗余利用消耗时间资源来达到对系统的容错目的利用消耗时间资源来达到对系统的容错目的。多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入单字节指令单字节指令。 (4) 信息冗余信息冗余利用增加信息的多余度来提高可靠性利用增加信息的多余度来提高可靠性在数据中附加检错码或纠错码，以检查数据是否在数据中附加检错码或纠错码，以检查数据是否发生偏差，并在有偏差时纠正偏差发生偏差，并在有偏差时纠正偏差
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