计算机控制系统第9章课件.ppt

1、1第第9 9章章 计算机控制系统软件设计计算机控制系统软件设计 1.1.计算机控制系统的软件概念计算机控制系统的软件概念 2.2.控制算法的编排实现控制算法的编排实现3.3.数据处理技术数据处理技术兰州交通大学自动化学院4.4.采样频率的选择采样频率的选择2 计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，必须有相应的软件才能构成完整的控备基础，必须有相应的软件才能构成完整的控制系统。制系统。本章主要介绍计算机控制系统软件的概念及本章主要介绍计算机控制系统软件的概念及特点，介绍控制软件的体系结构，重点介绍控特点，介绍控制软件的体系结构，重点介绍控制算法的不同

2、编排结构和控制应用软件系统中制算法的不同编排结构和控制应用软件系统中各种数据处理方法。最后简要介绍计算机控制各种数据处理方法。最后简要介绍计算机控制系统实现时采样频率对系统的影响和采样频率系统实现时采样频率对系统的影响和采样频率选取的经验规则。选取的经验规则。兰州交通大学自动化学院3 计算机控制系统软件是指完成各种功能的计算机程计算机控制系统软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、管理、控制、计算和自诊断等，序的总和，如操作、管理、控制、计算和自诊断等，它是计算机系统的神经中枢。它是计算机系统的神经中枢。9 91 1 计算机控制系统的软件概念计算机控制系统的软件概念 兰州交通大学自动化

3、学院 若按功能分类，计算机控制系统中的软件分为系若按功能分类，计算机控制系统中的软件分为系统软件、应用软件。统软件、应用软件。41.1.控制软件的特点：控制软件的特点：模块化结构程序设计模块化结构程序设计 偶然故障的自动恢复偶然故障的自动恢复 对模拟量及不合理数据的处理对模拟量及不合理数据的处理 程序的实时性程序的实时性 兰州交通大学自动化学院52.2.控制应用软件体系结构控制应用软件体系结构 基本型结构基本型结构 两层式两层式(客户机服务器客户机服务器)结构结构 三层式结构三层式结构 图图9-1 9-1 三层式应用软件体系结构三层式应用软件体系结构 兰州交通大学自动化学院63.3.控制软件设

4、计语言的选用控制软件设计语言的选用 编写应用程序前首先面临的一个问题，是选用编写应用程序前首先面临的一个问题，是选用什么语言设计程序，一般来说，可以选用机器语言、什么语言设计程序，一般来说，可以选用机器语言、汇编语言或高级语言（如汇编语言或高级语言（如BASIC、PASICAL、PL/M、C等）来编写程序。等）来编写程序。兰州交通大学自动化学院（1）机器语言（即机器指令）机器语言（即机器指令）（2）汇编语言）汇编语言（3）高级语言高级语言（4）高级语言和汇编语言的混合使用高级语言和汇编语言的混合使用74.4.实时控制软件的设计实时控制软件的设计兰州交通大学自动化学院（1 1）实时管理软件）实时

5、管理软件 完成实时时钟管理，并向各分系统提供真实时间完成实时时钟管理，并向各分系统提供真实时间依据，使计算机系统以确定的时间周期重复进行采依据，使计算机系统以确定的时间周期重复进行采样、计算、输出；样、计算、输出；输入输入/输出信息管理，以完成数据的采集与输出；输出信息管理，以完成数据的采集与输出；比较完善的中断管理功能，以便分别处理不同的比较完善的中断管理功能，以便分别处理不同的中断请求；中断请求；完成对各分系统程序运行顺序的管理，即进行任完成对各分系统程序运行顺序的管理，即进行任务调度；务调度；完成人完成人-机联系；机联系；设置系统的初始值。设置系统的初始值。8兰州交通大学自动化学院（2

6、2）过程监视及控制算法计算软件）过程监视及控制算法计算软件 数据变换处理程序（如数字滤波、单位换算、数数据变换处理程序（如数字滤波、单位换算、数据合理性检查、数据误差校正等）；据合理性检查、数据误差校正等）；控制指令生产程序（如控制器算法计算、系统状控制指令生产程序（如控制器算法计算、系统状态控制、控制指令输出等）；态控制、控制指令输出等）；信息管理程序（如数据存储、输出、打印、显示信息管理程序（如数据存储、输出、打印、显示以及文件管理等）。以及文件管理等）。9兰州交通大学自动化学院9 92 2控制算法的编排实现控制算法的编排实现1.1.控制算法的编排结构控制算法的编排结构（1 1）直接型结构

7、）直接型结构nnmmzazazbzbbzEzUzD111101)()()(控制器由下述脉冲函数表示：控制器由下述脉冲函数表示：直接型结构是直接按高阶直接型结构是直接按高阶z传递函数的分子、分母传递函数的分子、分母多项式系数进行编排。多项式系数进行编排。根据生产工艺及控制性能要求设计相应的控制器算法，在设根据生产工艺及控制性能要求设计相应的控制器算法，在设计得到控制器算法计得到控制器算法D(zD(z)后，就需要将控制器算法进行编排，后，就需要将控制器算法进行编排，以便计算机编程实现。以便计算机编程实现。10兰州交通大学自动化学院 若按零点（分子）在前，极点（分母）在后若按零点（分子）在前，极点（

8、分母）在后 的的形式编排，则可得到如图形式编排，则可得到如图9-2(a)9-2(a)、图、图9-2(b)9-2(b)所示的所示的零极型编排结构。若按极点（分母）在前，零点零极型编排结构。若按极点（分母）在前，零点（分子）在后的形式编排，则可得到图（分子）在后的形式编排，则可得到图9-2(c)9-2(c)所示所示的极零型编排结构。的极零型编排结构。图图9-2 9-2 直接型结构直接型结构11兰州交通大学自动化学院（2）串联型结构）串联型结构将将D(z)的分子分母因式分解，得一阶或二阶的环节的分子分母因式分解，得一阶或二阶的环节乘积如下：乘积如下：lDDDbzEzUzD210)()()(其中的其中

9、的Di（i=1，2，l）可能为）可能为1111zzii或或2211221111zzzziiii12兰州交通大学自动化学院 D(z)可以用这些低阶环节的编排结构（采用直接可以用这些低阶环节的编排结构（采用直接型编排实现）进行串联而得。图型编排实现）进行串联而得。图9-3即为一个四阶即为一个四阶系统的串联编排结构图（图中每个小环节均采用零系统的串联编排结构图（图中每个小环节均采用零极型结构）。极型结构）。图图9-3 9-3 串联型编排实现结构图串联型编排实现结构图串联型结构有一定的优点：如果控制器中某一系串联型结构有一定的优点：如果控制器中某一系数产生误差，只能使其相应环节的零点或极点发数产生误差

10、，只能使其相应环节的零点或极点发生变化，对其它环节的零极点没有影响。生变化，对其它环节的零极点没有影响。13兰州交通大学自动化学院（3）并联型结构）并联型结构将将D(z)的分子分母因式分解，得一阶或二阶的环节的分子分母因式分解，得一阶或二阶的环节乘积如下：乘积如下：利用部分分式展开法，利用部分分式展开法，D(z)可以表示成一阶或二可以表示成一阶或二阶环节之和：阶环节之和：012()()()lU zD zDDDE z其中的其中的D Di i （i=1，2，l）可能为）可能为11zii或或22111101zzziiii14兰州交通大学自动化学院 D(z)可以用这些低阶可以用这些低阶环节的编排结构（

11、采用直环节的编排结构（采用直接型编排实现）进行并联接型编排实现）进行并联而得，图而得，图9-4为一个为一个3阶系阶系统的并联编排结构图（图统的并联编排结构图（图中每个小环节均采用零极中每个小环节均采用零极型结构）。型结构）。图图9-4 9-4 并联型编排实现结构图并联型编排实现结构图 并联型结构有较大的优点：各个通道彼此独立，并联型结构有较大的优点：各个通道彼此独立，一个环节的运算误差，只影响本环节的输出，对其它一个环节的运算误差，只影响本环节的输出，对其它环节的输出没有影响。环节的输出没有影响。152.2.比例因子的配置比例因子的配置绝大多数情况下，使各支路信号不上溢。在个绝大多数情况下，使

12、各支路信号不上溢。在个别最坏情况下，若有溢出，则采用溢出保护措施。别最坏情况下，若有溢出，则采用溢出保护措施。兰州交通大学自动化学院比例因子配置的一般原则如下：比例因子配置的一般原则如下：尽量减少动态信号的下溢值，减小不灵敏区，尽量减少动态信号的下溢值，减小不灵敏区，提高分辨率。提高分辨率。控制算法各支路的比例因子可以采用实际参数控制算法各支路的比例因子可以采用实际参数的最大值与计算机代码的最大值之比来确定。的最大值与计算机代码的最大值之比来确定。要保证配置比例因子前后，支路的增益与总的要保证配置比例因子前后，支路的增益与总的传递特性保持不变。传递特性保持不变。要特别注意对要特别注意对A/D和

13、和D/A比例因子的计算。比例因子的计算。16图图9-5(a)，计算机实现增益小于，计算机实现增益小于1的控制器的控制器，其余，其余增益移到系统模拟部分完成。增益移到系统模拟部分完成。兰州交通大学自动化学院图图9-5(b)，将大于，将大于1的增益放到最后，并在该增益的增益放到最后，并在该增益之前设置数字限幅保护，防止输入信号较大时发之前设置数字限幅保护，防止输入信号较大时发生上溢。生上溢。图图9-5 9-5 数字控制系统控制器增益的分配数字控制系统控制器增益的分配171.1.系统误差的校正系统误差的校正1 1）直流零位的校正）直流零位的校正 方法方法:先测量短路时的零位电压先测量短路时的零位电压

14、x x0 0，并将测得的数据，并将测得的数据存储起来。正常测量时，从每次测量结果存储起来。正常测量时，从每次测量结果x x中减去零中减去零位电压位电压x x0 0，即可得到零位校正后的测量结果。，即可得到零位校正后的测量结果。2 2）零点漂移的自动校正）零点漂移的自动校正 方法：方法：输入部分采用了一个多路开关，在开机时，输入部分采用了一个多路开关，在开机时，或每隔一定的时间，系统进行一次自动校正。或每隔一定的时间，系统进行一次自动校正。兰州交通大学自动化学院9.39.3 数据处理技术数据处理技术 18计算公式：计算公式：9-12 9-12 零点漂移自动校正电路零点漂移自动校正电路 兰州交通大

15、学自动化学院REFRVxxxxV0019算术平均值滤波算术平均值滤波 适用对象：适用对象：主要适用于对压力、流量等周期脉动的采样值进主要适用于对压力、流量等周期脉动的采样值进 行平滑加工，但对于脉冲性干扰信号的平滑效果行平滑加工，但对于脉冲性干扰信号的平滑效果 欠欠佳。佳。11NkkyxN2 2 数字滤波数字滤波几种常用的数字滤波方法几种常用的数字滤波方法 算术平均值滤波算术平均值滤波 加权平均值滤波加权平均值滤波 中位值滤波中位值滤波 限幅滤波限幅滤波 惯性滤波惯性滤波 兰州交通大学自动化学院20 式中式中c ck k（k k1 1，2 2，NN）是各次采样值的加权系）是各次采样值的加权系

16、数，为常数项，数，为常数项，00c ck k11，且满足，且满足 Nkkc11。加权平均值滤波加权平均值滤波1NkNkkycx适用对象：适用对象：加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控对象。加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控对象。兰州交通大学自动化学院21 中位值滤波中位值滤波 适用对象：适用对象：中位值滤波对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果。中位值滤波对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果。中值滤波的中值滤波的原理原理是对被测参数连续采样是对被测参数连续采样mm次（次（mm33，且，且m=m=3 3k k，一般，一般k k取奇数），并按大小顺序排列，然后剔除最大取奇数），并按大小顺序排列，然

17、后剔除最大最小值数据，保留中间值进行平均，作为本次采样的有效数最小值数据，保留中间值进行平均，作为本次采样的有效数据。据。滤波原理滤波原理 常取：常取：;)()(12niikxky11 iiixxx兰州交通大学自动化学院22 限幅滤波限幅滤波适用对象适用对象：对偶然脉冲干对偶然脉冲干扰信号有良好扰信号有良好的滤波效果。的滤波效果。限幅滤波限幅滤波滤波公式滤波公式HHLLLH ,kkkkkkkxx,yxxx,yxxxxyx取取取式中式中x xk k第第k k次采样值；次采样值；y yk k第第k k次滤波结果输出值；次滤波结果输出值；x xH H、x xL L采样值允许的上限值、下限值。采样值允

18、许的上限值、下限值。限速（限制变化率）滤波限速（限制变化率）滤波 111 ,kkkkkkkkxyXxxxyXxx取取取取式中式中x xk k、x xk k1 1第第k k、第、第k k1 1次采样值；次采样值；y yk k第第k k次滤波结果输出值；次滤波结果输出值；XX相邻两次采样值所允许的最大增量相邻两次采样值所允许的最大增量 兰州交通大学自动化学院23惯性滤波法适用于高频及低频干扰信号。惯性滤波法适用于高频及低频干扰信号。适用对象适用对象 惯性滤波惯性滤波（一阶低通滤波器）（一阶低通滤波器）说明说明 如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波

19、或限幅滤波，然后再用平均值滤波法。如果应用不恰或限幅滤波，然后再用平均值滤波法。如果应用不恰当，非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。当，非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。11)()()(ssRsYsG 兰州交通大学自动化学院 9-12 RC9-12 RC低通滤波器低通滤波器 24 查表法是一种较精确的非线性处理方法。设有非线性关系的查表法是一种较精确的非线性处理方法。设有非线性关系的两个参数两个参数A A和和B B，现要根据参数，现要根据参数A A取参数取参数B B的数值。的数值。3 3 非线性处理非线性处理1)1)查表法查表法 通常有查表法、拟合函数法、折线近似与插值法。通常有查表

20、法、拟合函数法、折线近似与插值法。),21(0n,iiNAAi 造表造表根据需要确定参数根据需要确定参数A A的起始值的起始值A A0 0和等差变化值和等差变化值NN，有，有 确定一块连续存储区，设其地址为确定一块连续存储区，设其地址为ADAD0 0、ADAD1 1、ADADn n，采，采用按顺序递增或递减的关系，即用按顺序递增或递减的关系，即ADADi i1 1ADADi iMM，MM是参数是参数B B在在计算机中存储值的字节数。计算机中存储值的字节数。兰州交通大学自动化学院25查表查表 设有待查参数设有待查参数A Amm，由，由i i（A AmmA A0 0）/NN，有，有 0iMATi

21、从存储地址从存储地址TiTi处连续取处连续取MM个字节数据，即为对应参数个字节数据，即为对应参数A Amm的的B Bmm值。值。查表法的优点是迅速准确，但如果参数变化范围较查表法的优点是迅速准确，但如果参数变化范围较大或变化剧烈时，要求参数大或变化剧烈时，要求参数AiAi的数量将会很大，表会变得的数量将会很大，表会变得很大，表的生成和维护将变得困难。很大，表的生成和维护将变得困难。兰州交通大学自动化学院262)2)拟合函数法拟合函数法 各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用高各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用高次多项式描述。次多项式描述。nnEaEaEaaT 2110式中式中 T T 温度

22、；温度；)(01234aEaEaEaEaT 实际应用时，方程所取项数和系数取决于热电偶的类型实际应用时，方程所取项数和系数取决于热电偶的类型和测量范围。以和测量范围。以n n4 4为例，对高次多项式可做如下处理：为例，对高次多项式可做如下处理：E E 热电偶的测量热电势；热电偶的测量热电势；a a0 0、a a1 1、a an n系数。系数。兰州交通大学自动化学院273)3)折线近似与线性插值法折线近似与线性插值法 图图9-14 9-14 热电偶热电偶T TE E关系曲线关系曲线 以温度以温度热电势函数热电势函数曲线为例。右图是某热电曲线为例。右图是某热电偶温度（偶温度（T T）与热电势（）与

23、热电势（E E）的关系曲线。的关系曲线。折线近似法的原理是，折线近似法的原理是，将该曲线按一定要求分成将该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻分段若干段，然后把相邻分段点用折线连接起来，用直点用折线连接起来，用直线方程来表示。线方程来表示。)(1111 nnnnnxnxEETTEETT兰州交通大学自动化学院284 4 标度变换方法标度变换方法 为了运算、显示或打印输出，把数字量转换成工为了运算、显示或打印输出，把数字量转换成工程量。这种转换称为工程量转换，也称为标度变换程量。这种转换称为工程量转换，也称为标度变换 。1)1)线性参数标度变换线性参数标度变换 线性标度变换的前提条件是被测参数值与

24、线性标度变换的前提条件是被测参数值与A/DA/D转换结果转换结果之间呈线性关系。线性标度变换公式如下之间呈线性关系。线性标度变换公式如下 )(0000NNNNAAAAmxmx 式中式中A A0 0、A Amm一次测量仪表的下限值、上限值；一次测量仪表的下限值、上限值；A Ax x实际测量值（工程量）；实际测量值（工程量）；NN0 0、NNmm仪表下限、上限所对应的数字量；仪表下限、上限所对应的数字量；NNx x测量值所对应的数字量。测量值所对应的数字量。兰州交通大学自动化学院292)2)非线性参数标度变换非线性参数标度变换 过程参数信号与该信号所代表的物理量不成线性关系，则标过程参数信号与该信

25、号所代表的物理量不成线性关系，则标度变换应根据具体情况具体分析。度变换应根据具体情况具体分析。差压变送器测量流量为例，由于差压与流量的平方成正比，差压变送器测量流量为例，由于差压与流量的平方成正比，故有故有PKQ 式中式中QQ流量；流量；得测量流量的标度变换公式为得测量流量的标度变换公式为:0000NKNKNKNKQQQQmxxx 式中式中QQ0 0、QQmm流量仪表的下限值、上限值；流量仪表的下限值、上限值；K K比例系数；比例系数；P P节流装置的压差。节流装置的压差。QxQx差压变送器所测得的差压值；差压变送器所测得的差压值；NN0 0、NNmm差压变送器上限值、下限值所对应的数字量；差

26、压变送器上限值、下限值所对应的数字量；NNx x差压变送器所测得的差压值对应的数字量。差压变送器所测得的差压值对应的数字量。兰州交通大学自动化学院303)3)其它标度变换法其它标度变换法 许多非线性传感器并不像上面讲的传感器那样可许多非线性传感器并不像上面讲的传感器那样可以直接写出解析式，或者虽然能够写出，但计算相以直接写出解析式，或者虽然能够写出，但计算相当困难，这时可采用多项式插值法，也可以用线性当困难，这时可采用多项式插值法，也可以用线性插值法或查表法进行标度变化。插值法或查表法进行标度变化。兰州交通大学自动化学院315.5.越限报警处理越限报警处理 如果需要判断的报警参数是如果需要判断

27、的报警参数是 ,该参数的上下限该参数的上下限约束分别是约束分别是 和和 ，则上下限报警的物理意义如，则上下限报警的物理意义如下：下：兰州交通大学自动化学院nxmaxxminxmaxnxx下限报警：若下限报警：若 ，则下限报警，否则继续执，则下限报警，否则继续执行原定操作。行原定操作。下限报警：若下限报警：若 ，则下限报警，否则继续执，则下限报警，否则继续执行原定操作。行原定操作。maxnxxmaxnxx上限报警：若上限报警：若 ，则上限报警，否则继续执，则上限报警，否则继续执行原定操作。行原定操作。321.1.采样频率对系统性能的影响采样频率对系统性能的影响1 1）对系统稳定性能的影响）对系统

28、稳定性能的影响在计算机控制系统里，采样周期在计算机控制系统里，采样周期T T是系统的一个重要参数，是系统的一个重要参数，对闭环系统的稳定性和性能有很大影响。对闭环系统的稳定性和性能有很大影响。2 2）丢失采样信息的影响）丢失采样信息的影响兰州交通大学自动化学院9.4 9.4 采样频率的选择采样频率的选择为使系统的输出能准确复现系统的输入信号，要求采样信号为使系统的输出能准确复现系统的输入信号，要求采样信号应能准确地包含原连续信号的信息，才可形成正确的偏差去应能准确地包含原连续信号的信息，才可形成正确的偏差去控制输出信号。假定输出及反馈信号的最大频率为控制输出信号。假定输出及反馈信号的最大频率为

29、maxmax，依，依采样定理，采样频率采样定理，采样频率ss应当满足应当满足ss22maxmax。然而对于一。然而对于一个实际控制系统，信号的最大频率个实际控制系统，信号的最大频率maxmax难于确定（特别像阶难于确定（特别像阶跃信号等许多信号所含的频率就很高）。跃信号等许多信号所含的频率就很高）。在计算机控制系统里，在计算机控制系统里，系统输出中所含的最高频率分量由系统输出中所含的最高频率分量由被控对象特征根中的最高频率决定的被控对象特征根中的最高频率决定的。考虑到被控对象建模时。考虑到被控对象建模时的不准确，为了减少频率混叠现象，常常要求采样频率满足：的不准确，为了减少频率混叠现象，常常要

30、求采样频率满足：另外，另外，采样频率可以依系统的闭环频带确定，即把闭环频采样频率可以依系统的闭环频带确定，即把闭环频带看作是信号的最高频率，故采样频率应高于闭环频带两倍以带看作是信号的最高频率，故采样频率应高于闭环频带两倍以上。上。工业应用时，考虑到高于闭环频带的信号分量对低频分量工业应用时，考虑到高于闭环频带的信号分量对低频分量的影响，为减少混叠现象，常应选用的影响，为减少混叠现象，常应选用:max)104(Rsbs)104(343 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若干扰是变化的，且具有一定的频率，并要求像连续系统那样若干扰是变化的，且具有一定的频率，并

31、要求像连续系统那样对干扰进行控制，那就必须依干扰信号中的最高频率对干扰进行控制，那就必须依干扰信号中的最高频率fmaxfmax来来选择采样频率选择采样频率s s：兰州交通大学自动化学院max2fs计算机控制系统抑制干扰的能力不如连续系统，主要的原因是，计算机控制系统抑制干扰的能力不如连续系统，主要的原因是，信号采样使系统丢失了采样间隔之间干扰变化的信息。信号采样使系统丢失了采样间隔之间干扰变化的信息。在极端情在极端情况下，若采样开关动作速度比干扰变化的速度慢得多，即采样间况下，若采样开关动作速度比干扰变化的速度慢得多，即采样间隔过长，那么系统对干扰就犹如完全没有控制作用一样（因为在隔过长，那么

32、系统对干扰就犹如完全没有控制作用一样（因为在采样间隔内控制作用不变）。采样间隔内控制作用不变）。所以，在选择系统的采样频率时，所以，在选择系统的采样频率时，还必须要考虑系统可能受到的干扰以及系统对抑制干扰的要求还必须要考虑系统可能受到的干扰以及系统对抑制干扰的要求 通常，作用于系统上的干扰的频率较高，依上式来确通常，作用于系统上的干扰的频率较高，依上式来确定定s s，势必使，势必使s s取得过高，以致工程实现较为困难。因取得过高，以致工程实现较为困难。因此，工程应用中比较常用的方法可类似于图示方法。此，工程应用中比较常用的方法可类似于图示方法。9-15 9-15 采样周期与输出方差关系图采样周

33、期与输出方差关系图 图为某系统受到随机干扰时，输出方差与采样周期图为某系统受到随机干扰时，输出方差与采样周期T T的关的关系曲线。当系曲线。当T T 增大时，输出方差增加。若给定系统输出方差的增大时，输出方差增加。若给定系统输出方差的最大允许值，依图即可确定最大采样周期最大允许值，依图即可确定最大采样周期T T允允。2x4 4）系统输出平滑性与采样周期）系统输出平滑性与采样周期为了获得较好的系统性能，希望将采样周期取得小些较好，但也并不是越小为了获得较好的系统性能，希望将采样周期取得小些较好，但也并不是越小越好，过小的采样周期也会带来一些欠缺和问题。越好，过小的采样周期也会带来一些欠缺和问题。

34、计算机产生的指令信号是通过零阶保持器输出的，为一组阶梯信号。在这组计算机产生的指令信号是通过零阶保持器输出的，为一组阶梯信号。在这组阶梯信号作用下，被控过程的输出是一组彼此相连的阶跃响应，如图所示。阶梯信号作用下，被控过程的输出是一组彼此相连的阶跃响应，如图所示。为了减小这种波动，采样周期应取得小些为好为了减小这种波动，采样周期应取得小些为好，以保证在响应过程中有足够多的采样点数。，以保证在响应过程中有足够多的采样点数。经验规则是：经验规则是：（1 1）若系统的阶跃响应是非周期形状，一般要求在）若系统的阶跃响应是非周期形状，一般要求在阶跃响应的升起时间阶跃响应的升起时间TrTr内的采样点数内的

35、采样点数NrNr为：为：)105(TTNrr（2 2）若系统的阶跃响应是振荡的形状，要求在一若系统的阶跃响应是振荡的形状，要求在一个振荡周期个振荡周期TdTd内的采样点数内的采样点数NrNr为：为：)2010(TTNdr图图9-16 9-16 输出响应的不平滑性输出响应的不平滑性375 5）计算机字长与采样周期）计算机字长与采样周期当采样周期趋于无限小时，由于计算机运算部件、当采样周期趋于无限小时，由于计算机运算部件、A/DA/D及及D/AD/A变换器的字长有限，计算机控制系统并不变换器的字长有限，计算机控制系统并不趋近连续系统，且由于字长有限所产生的量化误差趋近连续系统，且由于字长有限所产生

36、的量化误差反而会增大。反而会增大。6 6）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兰州交通大学自动化学院控制系统要求计算机在一个采样周期内应完成必控制系统要求计算机在一个采样周期内应完成必要的系统管理、输入、输出、控制算法计算等任要的系统管理、输入、输出、控制算法计算等任务。务。最后，还应指出，在计算机控制系统中是否最后，还应指出，在计算机控制系统中是否使用前置滤波器对采样周期的选取也有很大影响使用前置滤波器对采样周期的选取也有很大影响。如果在系统中使用前置滤波器，通常可以放宽。如果在系统中使用前置滤波器，通常可以放宽对采样周期的限制，即允许选用相对较大的采样对采样周期的限制，即

37、允许选用相对较大的采样周期。周期。392.2.选择采样频率的经验规则选择采样频率的经验规则(1)(1)对一个闭环控制系统，如果被控过程的主导极点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的时间常数为TdTd，那么采样周期，那么采样周期T T应取应取:(2)(2)如果被控过程具有纯延滞时间如果被控过程具有纯延滞时间，且占有一定的，且占有一定的重要地位，采样周期重要地位，采样周期T T应比延滞时间应比延滞时间小一定的倍小一定的倍数，通常要求：数，通常要求：兰州交通大学自动化学院(3)(3)如果闭环系统要求有下述特性：稳态调节时间如果闭环系统要求有下述特性：稳态调节时间为为 ，闭环自然频

38、率为，闭环自然频率为 ，那么采样周期或采样频，那么采样周期或采样频率可取为：率可取为：/10dTT(1/4 1/10)T10/stT ns10 计算机控制系统的采样周期对系统性能及效率计算机控制系统的采样周期对系统性能及效率影响很大，影响很大，设计者应综合考虑各种因素，精心地选设计者应综合考虑各种因素，精心地选取一个合理的采样周期。取一个合理的采样周期。总的原则是：在能满足系统性能要求的前提下总的原则是：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，应尽量选取较大的采样周期（即较低的采样频率）以降低系统的成本。以降低系统的成本。表表9-1 9-1 工业过程控制典型变

39、量的采样周期工业过程控制典型变量的采样周期控制变量控制变量流量流量压力压力液面液面温度温度采样周期采样周期/s/s1 15 510102020413.3.多采样频率配置多采样频率配置(1)(1)多采样速率系统的主要好处多采样速率系统的主要好处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。可以减少高频控制器数字化带来的动态误差。兰州交通大学自动化学院可以有效地减小计算机的运算量，从而降低可以有效地减小计算机的运算量，从而降低对计算机速度的要求；对计算机速度的要求；42(2)(2)在划分模块时应注意的几点在划分模块时

40、应注意的几点各子模块不应过分集中在某一循环周期内，应适各子模块不应过分集中在某一循环周期内，应适当分在不同的循环内。当分在不同的循环内。兰州交通大学自动化学院子模块不能划分过细和过粗，应当适中。子模块不能划分过细和过粗，应当适中。采用同一速率且有因果关系的子模块应分在同一采用同一速率且有因果关系的子模块应分在同一循环周期内，否则会产生延迟等待。循环周期内，否则会产生延迟等待。43 本章介绍了计算机控制系统的软件设计，简要介绍了控制本章介绍了计算机控制系统的软件设计，简要介绍了控制软件的特点、体系结构和控制软件设计语言的选用。重点软件的特点、体系结构和控制软件设计语言的选用。重点介绍了控制器算法

41、介绍了控制器算法D(z)在进行计算机编程实现时的编排结在进行计算机编程实现时的编排结构，主要介绍了直接型、串联型和并联型三种常用的传递构，主要介绍了直接型、串联型和并联型三种常用的传递函数算法编排结构形式和特点，为避免计算机出现溢出现函数算法编排结构形式和特点，为避免计算机出现溢出现象时进行比例因子配置和限幅保护。象时进行比例因子配置和限幅保护。本章小结本章小结 介绍了滤波处理、线性化处理、标度变化和系统误差的自介绍了滤波处理、线性化处理、标度变化和系统误差的自动校准等。动校准等。简要的讨论了采样周期对系统性能的影响和采样周期选择简要的讨论了采样周期对系统性能的影响和采样周期选择的原则以及经验规则。的原则以及经验规则。第九章结束第九章结束 谢谢！谢谢！