计算机控制系统第8章

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1、1,计算机控制系统 第8章 计算机控制系统工程设计的某些问题,第8章主要内容,8.1 量化效应分析 8.2 采样周期的选用 8.3 计算机控制系统的抗干扰技术 8.4 计算机控制系统可靠性技术 8.5 计算机控制系统设计 本章小结,2,北京航空航天大学,8.1 量化效应分析,8.1.1有限字长二进制特性 1. 量化特性 有限位(n)二进制所能表现的数据为2n个等间隔数，这个等间隔数q称为量化单位，也称为量化因子。字长为N，取1位作符号位，则有,一个任意值的真实数x，只可以用q 的整倍数xq来表示,即有,量化误差,常用的量化方法： (1) 舍入量化将小于量化单位的尾数四舍五入整量化。 (2) 截

2、尾量化将小于量化单位的尾数全部截掉。,3,北京航空航天大学,8.1.1有限字长二进制特性,(1) 舍入量化(2) 截尾量化,舍入量化误差,对于原码及反码,对补码,截尾量化误差,量化特性及量化误差,4,北京航空航天大学,8.1.1有限字长二进制特性,2. 统计特性 (1)舍入情况 均值方差 (2)截尾情况 均值方差,量化误差的概率分布密度函数,两种情况下的量化误差的方差相同，均值却不一样。,5,北京航空航天大学,8.1.1有限字长二进制特性,3. 溢出特性对一定码制的二进制，数值在该处发生大的改变，二进制的这种特性称为溢出特性，而且不同码制的二进制数，其溢出特性也不同。 二进制数码及其溢出特性图

3、 溢出特性是非线性的。运算一旦溢出，输出将从大的正数跃变为零或大的负数，从而造成控制系统的失控。,溢出保护措施后的数据范围,6,北京航空航天大学,8.1.2 计算机控制系统中的量化,1. A/D的量化效应 A/D字长的有限引起 2. 控制器参数的量化效应 计算机字长有限引起 3. 控制规律计算中的量化效应 乘法除法运算、右移运算等 4. D/A转换的量化效应 D/A字长CPU字长,图8-5 计算机控制系统的典型结构图,7,北京航空航天大学,8.1.3 量化效应分析,1 量化误差分析 1)参数的量化误差分析利用灵敏度分析法进行,首先研究,的变化对,极点的影响。设,有极点多项式,利用泰勒级数展开，

4、并忽略高次项，则有,灵敏度公式：,8,北京航空航天大学,8.1.3 量化效应分析,参数的量化误差分析结论： (1) 灵敏度与 成正比 k越大,ak对根的影响也越大；an对根的影响最大。 当极点越接近单位圆，则它受ak的影响就越大。 (2) 灵敏度与各极点之间距离成反比 (3) 灵敏度与采样周期T有关 采样周期减少，灵敏度将增高，参数量化影响将更严重 (4) 系数量化灵敏度与算法编排方式有关 经验表明，串联与并联编排时系数量化误差灵敏度比直接编排灵敏度小，因此，在实现高阶控制器时，应尽量避免采用直接型结构。,9,北京航空航天大学,8.1.3 量化效应分析,2) 变量的量化误差分析采用确定性分析法

5、 认为量化干扰是一确定常数，并取其最大值，分析量化造成的最大可能误差。 (1) 变量量化误差的确定性分析 变量量化误差可视为附加的确定性常值外加干扰e(k)作用到系统上，从而可以利用各种分析方法进行分析和估算 。 常做以下假设： 量化误差源为确定性的常数，且此常数取量化误差的最大值。 各支路量化误差源对输出的影响是线性叠加的； 各条支路量化误差源对输出的影响只考虑其稳态值。,10,北京航空航天大学,8.1.3 量化效应分析,(2) 量化误差的传播 确定性量化误差通过一个环节D(z)后，得到环节输出的最大量化误差值为,舍入量化误差,（终值定理）,求输出的量化误差(乘积按舍入处理),解：令,乘积舍

6、入,结论： (1) 环节的极点对量化误差起放大作用 (2)T 1，量化噪声,量化误差环节传播结构图,11,北京航空航天大学,8.1.3 量化效应分析,2量化效应的非线性分析 量化效应的本质是非线性特性，如死区等,已知,，输入为零。,1乘积采用舍入量化处理,当 时，环节输出,死区,2乘积采用截尾量化处理,当 时，环节输出,初值,极限环,当 时，环节输出,负死带,初值,初值,一阶环节 的结构图,当 时，环节输出,12,北京航空航天大学,8.1.3 量化效应分析,3 量化对闭环系统的影响 从概念上可以看到，控制器算法的参数量化误差将会改变控制算法的零极点分布，从而影响闭环系统的特性。 控制算法中乘法

7、量化误差，不管是作为随机干扰还是确定干扰，都相当于在控制算法中不同位置引入了量化误差干扰，从而影响系统的输出。 在闭环控制系统中，A/D及D/A转换器的有效字长量化特性对闭环系统影响更为明显，特别是，A/D或D/A转换器字长通常比计算机字长要短得多，量化非线性要严重得多，因此对系统的影响更为明显。,13,北京航空航天大学,8.1.4 减少量化效应的变换方法,变换的特点是，在小采样周期下，离散模型近似于原连续模型，克服了z变换的不足；在数字算法实现时有更好的数值特性。 1. 变换的定义,G()与G(s)形式相同，极点位置及各种特性与G(s)相似,14,北京航空航天大学,8.1.4 减少量化效应的

8、变换方法,2. 变换的差分方程描述 已知变量x(k)的变换，需要将变换定义带入即可写出相应的差分方程。,实现时有较好数值特性,实现时有较差数值特性,15,北京航空航天大学,8.2 采样周期的选用,8.2.1采样频率对系统性能的影响 1. 对系统稳定性能的影响 采样周期T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。 2. 丢失采样信息的影响,采样定理,实际应用时：,16,北京航空航天大学,8.2.1采样频率对系统性能的影响,3. 与系统抑制干扰能力的关系 4. 系统输出平滑性与采样周期,输出响应的不平滑性,经验规则：阶跃响应非周期 阶跃响应是振荡,17,北京航空航天大学,8.2

9、.1采样频率对系统性能的影响,5系统输出的时间延迟与采样周期 ZOH引入的相位延迟是系统产生相位延迟的重要组成部分 ZOH的相位迟后 为了保证系统有足够的相稳定裕度，希望在系统开环截止频率处，由零阶保持器引入的相位迟后不大于（510），对应有：,18,北京航空航天大学,8.2.1采样频率对系统性能的影响,6. 计算机字长与采样周期 由于字长有限，当减小，所产生的量化误差会增大。 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，从而使控制算法的特性变化较大。 7. 计算机的工作负荷与采样周期 计算机的运算是串行的，系统管理、输入输出、控制算法计算等各项任务都要占

10、用一定的时间，故当计算机的速度及计算任务确定后，采样间隔就要受到一定限制。 计算机速度提高 ，T可以取得更小。 控制算法复杂性增加 ，计算工作量增加 ，限制T的降低。,19,北京航空航天大学,8.2.2选择采样频率的经验规则,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Td，那么采样周期应取被控过程具有纯延滞时间 闭环系统的稳态调节时间有要求 闭环系统的闭环自然频率有要求,20,北京航空航天大学,8.2.2选择采样频率的经验规则,采样周期选取总原则： 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。,工业过程控制典型变量的采样周期,21,北

11、京航空航天大学,8.2.3多采样频率系统,主要好处： (1)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； (2)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。 多采样速率配置的原则 根据每个回路或变量特性，按前面讨论的原则进行配置。就单个回路而言，采样频率的选择与单速率系统是相同的。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，如采样速率比n=2，4等。,22,北京航空航天大学,8.3计算机控制系统的抗干扰技术,8

12、.3.1 干扰源 1 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 由于整个系统的接地系统不完善，信号被电磁感应和电容耦合，使系统内部存在干扰。 3 外部干扰 主要指来自空间的干扰，如太阳及其他天体辐射的电磁波、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。,23,北京航空航天大学,8.3计算机控制系统的抗干扰技术,8.3.2 抗干扰措施 1. 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，一般只需采用适当的屏蔽及正确的接地方法即可解决。 根据屏蔽目的的不同

13、，屏蔽及接地的方法也不一样： 电场屏蔽解决分布电容问题，所以一般接大地。 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，而且连接大地。 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，一般也以接大地为好。,24,北京航空航天大学,8.3.2 抗干扰措施,2. 过程通道的抗干扰措施 1) 串模干扰及其抑制 串模干扰叠加在被测信号上的干扰信号。 串模干扰信号的主要成分是50Hz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，叠加到信号或引线上形成干扰。 （1）模拟滤波,（2）进行电磁屏蔽和良好的接地 从根本上切断引起干扰

14、的干扰源。例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，并配以良好的接地措施来解决。,图8-18 二阶阻容滤波器网络,25,北京航空航天大学,8.3.2 抗干扰措施,2) 共模干扰及其抑制 共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。 （1）采用差分放大器作信号前置放大,图8-20 差分输入级示意图,（2）采用隔离技术将地电位隔开 使用变压耦合或光电耦合隔离方法 若将光电耦合器与压频（V/F）变换器、频压（F/V）变换器组合起来，形成组合式模拟隔离器，不仅隔离方便，信号抗干扰性强，而且对模拟信号的远距离传送尤为有效。,

15、26,北京航空航天大学,8.3.2 抗干扰措施,3. 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 (2) 采用抗干扰能力强的开关电源 (3) 采用分布式独立供电 (4) 采用备用电源或不间断电源（UPS）,27,北京航空航天大学,8.3.2 抗干扰措施,4. 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： 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。 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点接地的一点接地原则； 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；

16、 功率地的地线应粗，且与小信号地线分开，而与直流地相连； 信号地以5导体一点入地。,28,北京航空航天大学,8.3.2 抗干扰措施,5. 看门狗电路（Watchdog）,Watchdog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，进行必要的处理，自动恢复正常的运行程序。程序正常运行时，CPU每隔TS Tmax，设置定时器，使定时器不能达到Tmax，故不会发出故障中断或故障复位的信号。,图8-21 Watchdog的构成,29,北京航空航天大学,8.3.2 抗干扰措施,应用场合 1) 对系统“飞程序”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，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。 2) 对硬件的故障进行检测 表现在Watchdog可能连续产生溢出脉冲，频繁进入中断处理程序。,