第二章微機(jī)控制系統(tǒng)2011

1、第二章第二章 微機(jī)控制系統(tǒng)原理與方法微機(jī)控制系統(tǒng)原理與方法2.1 控制系統(tǒng)組成與分類控制系統(tǒng)組成與分類 2.2 PID控制原理控制原理 2.3 PID參數(shù)整定方法參數(shù)整定方法 2.4 數(shù)值濾波數(shù)值濾波 2.5 微機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性及抗干擾措微機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性及抗干擾措施施 一一. .計算機(jī)控制系統(tǒng)組成計算機(jī)控制系統(tǒng)組成 通常由計算機(jī)、總線和接口、過程通道、通常由計算機(jī)、總線和接口、過程通道、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及外部設(shè)備等硬件設(shè)備，傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及外部設(shè)備等硬件設(shè)備，加上控制軟件組成。加上控制軟件組成。 示意圖如圖示意圖如圖1。2.1 2.1 控制系統(tǒng)組成與分控制系統(tǒng)組成與分類類被控對象系

2、統(tǒng)總線開關(guān)輸入通道模擬輸入通道傳感元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口計算機(jī)接口接口接口接口外部設(shè)備傳感元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬輸出通道開關(guān)輸出通道圖1 計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機(jī)是整個系統(tǒng)的核心計算機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，通過執(zhí)行存儲的軟件程，通過執(zhí)行存儲的軟件程序，對被控對象的各種參數(shù)進(jìn)行檢測，判斷和處理，序，對被控對象的各種參數(shù)進(jìn)行檢測，判斷和處理，并進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)中的計算機(jī)可采用小型機(jī)、并進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)中的計算機(jī)可采用小型機(jī)、微型機(jī)、單板機(jī)或單片機(jī)，應(yīng)具有以下特點：微型機(jī)、單板機(jī)或單片機(jī)，應(yīng)具有以下特點： 傳感器傳感器：將被控對象的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓：將被控對象的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓/ /電流，如溫度、壓力、位

3、移、速度，傳感電流，如溫度、壓力、位移、速度，傳感元件的精度直接影響系統(tǒng)的精度。元件的精度直接影響系統(tǒng)的精度。 輸入輸出通道輸入輸出通道（過程通道）是計算機(jī)與被控對象（過程通道）是計算機(jī)與被控對象之間傳遞信息的通道：完成電氣隔離、電平轉(zhuǎn)換之間傳遞信息的通道：完成電氣隔離、電平轉(zhuǎn)換（放大、衰減）、負(fù)載匹配等任務(wù)。（放大、衰減）、負(fù)載匹配等任務(wù)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外部設(shè)備：外部設(shè)備：總線和接口總線和接口：計算機(jī)與輸入輸出通道、：計算機(jī)與輸入輸出通道、外設(shè)之間傳遞信息的通道。外設(shè)之間傳遞信息的通道。 在實際系統(tǒng)中，有時只含有其中一些部分，在實際系統(tǒng)中，有時只含有其中一些部分，對單片機(jī)而言，計算機(jī)總線

4、和接口等包含在單對單片機(jī)而言，計算機(jī)總線和接口等包含在單片機(jī)內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。片機(jī)內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。 二. 控制系統(tǒng)的分類1. 巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖2所示。報警計算機(jī)顯示被控對象傳感元件多路開關(guān)接口磁盤A/D打印.圖2 巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2. 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDCDirect Digital Control） 計算機(jī)不僅檢測各項參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，還將檢測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再按控制規(guī)律（如PID規(guī)律）進(jìn)行運(yùn)算，通過模擬輸出通道輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。示意圖如圖3所示。 DDC計算機(jī)接口A/D多路開關(guān)傳感元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口被控對象D/A反多路開關(guān).3. 計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)

5、（SCCSupervisory Computer Control）SCC系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更高級SCC系統(tǒng)屬于兩級控制系統(tǒng)，上位機(jī)是SCC計算機(jī)，SCC不直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是給出設(shè)定值，SCC計算機(jī)的任務(wù)是建立生產(chǎn)過程的數(shù)字模型，并求解出控制策略（最優(yōu)設(shè)定值）。由下級系統(tǒng)（模擬調(diào)節(jié)器或DDC系統(tǒng)）進(jìn)行控制。SCC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有兩種：(1) SCC+模擬調(diào)節(jié)器 SCC+模擬調(diào)節(jié)器示意圖如圖4所示。 被 控 對 象 SCC計算機(jī) A/DD/A多路開關(guān)反多路開關(guān)傳感元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)T1Tn圖4 SCC+模擬調(diào)節(jié)器示意圖(2) SCC+DDC系統(tǒng)（兩級計算機(jī)控制系統(tǒng)）SCC：計算最佳給定值DDC

6、：將給定值與檢測值比較，對偏差進(jìn)行控制運(yùn)算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，突現(xiàn)最優(yōu)控制。 SCC+DDC系統(tǒng) 示意圖如圖5所示。 被 控 對 象 SCC計算機(jī) A/DD/A多路開關(guān)反多路開關(guān)檢測元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) DDC計算機(jī) 圖5 SCC+DDC系統(tǒng) 4. 分布式控制系統(tǒng)（DCS, distributed control system) 現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)，過程復(fù)雜，可靠性高 由三級組成：生產(chǎn)管理級（MIS）、監(jiān)督控制級（SCC）和直接數(shù)字控制級（DDC） 多級分布式控制系統(tǒng)示意圖如圖6所示。 裝置控制生產(chǎn)過程DDC級MIS級SCC級工廠、公司車間MISSCC對象ASCCDDCDDCDDCD

7、DC對象B對象C對象D圖6直接數(shù)字控制級：采樣生產(chǎn)過程的參數(shù)，接受SCC計算機(jī)給定值，按控制規(guī)律對被控對象進(jìn)行控制，不需顯示、打印、存儲。單片機(jī)，可編程控制器監(jiān)督控制級：建立生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)模型，求解確定各個DDC級的設(shè)定值，SCC計算機(jī)可直接采集生產(chǎn)過程參數(shù)，也可從DDC級讀數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、顯示、打印。SCC計算機(jī)不僅與DDC級通訊，相互之間也由通訊聯(lián)系，交流信息。選用16位微型機(jī)。生產(chǎn)管理級：實現(xiàn)計算機(jī)調(diào)度、行政管理、人力物力最佳調(diào)度，日產(chǎn)量、日產(chǎn)量的統(tǒng)計、報表，指揮各SCC級的工作。MIS級，如工廠管理層、公司管理層等。7. 嵌入式制造系統(tǒng)（嵌入式制造系統(tǒng)（Embedded System)

8、 以應(yīng)用為中心，整合了計算機(jī)軟以應(yīng)用為中心，整合了計算機(jī)軟/ /硬件技術(shù)、通信技術(shù)和硬件技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)，微電子技術(shù)， 以以“量體裁衣量體裁衣”的方式把所需的功能嵌入的方式把所需的功能嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備中，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、到應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備中，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 三. 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)3.1開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖如圖7所示。設(shè)定值計算機(jī)（控制器)驅(qū)動電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)負(fù)載圖7 開環(huán)控制系統(tǒng)計算機(jī)或控制器按預(yù)先設(shè)定的程序和輸入工藝要求控制執(zhí)行元件，改變負(fù)載狀

9、態(tài)。不需要反饋（測試）回路，結(jié)構(gòu)簡單，不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。系統(tǒng)的輸出不會反映到輸入量中，不能補(bǔ)償由于外界干擾、負(fù)載變動和元件參數(shù)變化而引起的誤差。開環(huán)控制系統(tǒng)常用于精度較高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，如步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角嚴(yán)格受輸入信號控制，無需反饋，降低成本。3.2閉環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸出值經(jīng)反饋回路送到輸入端（計算機(jī)或控制器）。閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖如圖8所示。設(shè)定值計算機(jī)（控制器)驅(qū)動電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)負(fù)載傳感器圖8 系統(tǒng)不斷檢測輸出值，并與輸入的設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差值及時調(diào)整系統(tǒng)的輸出，保證控制精度。 控制精度高，抗干擾。 成本高，選取合適控制規(guī)律，防止系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。2.2 PID控制原理

10、控制原理 4.2 變速積分 一一. 模擬控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)PID算法算法 模擬控制系統(tǒng)由模擬模擬控制系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對象組成?？刂茖ο蠼M成。 模擬系統(tǒng)示意圖如圖模擬系統(tǒng)示意圖如圖9所示。所示。積分積分比例比例微分微分執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象被控對象給定給定r（t)+_+輸出輸出 C（t）u（t）PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器。由給定值r（t）和實際輸出值c（t）求得控制偏差： e（t） r（t）c（t）然后，將偏差e（t）的比例（P）、積分（I）微分（D）進(jìn)行線性組合，形成控制量u（t）由調(diào)節(jié)器輸出，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制被控對象。PID調(diào)節(jié)器的控制算法表達(dá)

11、式為： PIDPID調(diào)節(jié)器由三個環(huán)節(jié)組成：調(diào)節(jié)器由三個環(huán)節(jié)組成： 1.1.比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)：按一定比例反映控制系統(tǒng)的誤差，一：按一定比例反映控制系統(tǒng)的誤差，一旦產(chǎn)生偏差，旦產(chǎn)生偏差，P P調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生控制作用見效偏差，但調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生控制作用見效偏差，但不能清除靜差。不能清除靜差。 2. 2.積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)：用于消除靜差，用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差提高系統(tǒng)的無差度。度。T TI I越小，積越小，積分作用越強(qiáng)。分作用越強(qiáng)。 3. 3.微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)： 加快系統(tǒng)的動作加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)速度，減小調(diào)節(jié)時間，反映偏差時間，反映偏差的變化趨勢。的變化趨勢。 P P、I I、D D綜合作用綜

12、合作用：二. PID控制規(guī)律的離散化 在DDC系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律由軟件去實現(xiàn)，計算機(jī)取代模擬調(diào)節(jié)器。 計算機(jī)進(jìn)行PID控制：對系統(tǒng)輸出量進(jìn)行采樣，與給定量進(jìn)行比較，得到本次采樣時刻的偏差。設(shè)第n次采樣時的偏差為e（n），并依次把過去的采樣偏差記為e(n-1)、e(n-2)e(1)、e(0)。利用數(shù)值計算的方法逼近，用分區(qū)求面積代替積分，用平均斜率代替微分，則計算機(jī)作為數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出為： U(n)為全量輸出，稱為全量輸出，稱位置式位置式PID算式算式，反映每次采，反映每次采樣時刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)達(dá)到的位置，如閥門，輸出值樣時刻執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)達(dá)到的位置，如閥門，輸出值u（n）與每次閥門的開度一一對應(yīng)。

13、）與每次閥門的開度一一對應(yīng)。 計算時需保存計算時需保存e(0)、e(1)e(n)，或需一直累積，或需一直累積e(i)。 用于以晶閘管或伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，控用于以晶閘管或伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，控制精度較高。制精度較高。由上式：由上式：TTD) 1( n u1 nTTD) 1( nu1n u(n)為u(n)相對于u(n-1)的增量，是第n次采樣相對于第n-1次采樣調(diào)節(jié)器輸出量的增量，稱為增量式PID算式，第n次采樣調(diào)節(jié)器只需輸出一個增量信號即可。 用于以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。 增量式與位置式比較，具有很多優(yōu)點： 1. 位置式算法是全量輸出，每次輸出都與過去狀態(tài)有關(guān)

14、，積分項易產(chǎn)生較大的積系誤差，而增量式不產(chǎn)生積分失控，容易獲得較好的調(diào)節(jié)效果。 2.只輸出增量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)變化量小，誤動作時影響小。 3.由于輸出增量，在手動/自動切換時，沖擊較小，易實現(xiàn)比較平滑的過渡（無擾動切換） 所以，增量式算法應(yīng)用更廣泛。 三. PID算法的編程位置式：) 1()()() 1()() 1()()()()()()()()()() 1()()()()(1000neneKnununeKneKneKneKnuneKnununununuTTKKTTKKneneKieKneKnuDDIIniIIniIIPPDIPDPDIPIDniIP由算式得：由算式得：其中：其中：寫成：寫成：其中：

15、其中：位置式程序設(shè)計框圖：計算參數(shù)計算參數(shù)Kp，Ki，Kd令令e(n-1) =ui(n-1)=0測輸出量測輸出量c(t),形成形成e(n)計算計算up(n); ui(n); ud(n)計算計算 u(n)e(n-1)e(n)ui(n-1)=ui(n)下次采樣時刻到否？下次采樣時刻到否？YN采樣采樣取代取代輸出輸出 u(n)增量式PID算式改寫成：）增量式程序設(shè)計框圖：調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)d0，d1，d2令令e(n-1)e（n-2）0測輸出量測輸出量c(t),形成形成e(n)計算計算d0e(n);d1e(n-1);d2e(n-2)計算計算 u(n)e(n-1)e(n)e(n-2)=e(n-1)下次采樣

16、時刻到否？下次采樣時刻到否？YN采樣采樣取代取代輸出輸出 u(n)四.標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)數(shù)字控制器與模擬調(diào)節(jié)器相比，控制質(zhì)量不如后者。（1） 模擬是連續(xù)控制，數(shù)字在一個采樣周期內(nèi)的輸出是不變的，不能連續(xù)跟蹤系統(tǒng)的輸出。（2） 計算機(jī)進(jìn)行計算和測試，輸出有一定時間滯后，控制作用延遲。（3） 由于受字長所限，A/D,D/A轉(zhuǎn)換精度不高會使控制有誤差。 應(yīng)充分發(fā)揮計算機(jī)邏輯判斷功能強(qiáng)、編程靈活的優(yōu)勢，在標(biāo)準(zhǔn)PID算式基礎(chǔ)上，針對不同的控制系統(tǒng)，建立相應(yīng)的特殊控制算法，以求綜合控制效果超過模擬調(diào)節(jié)器。 1 積分分離控制積分分離法：階躍信號輸入時，取消積分作用，直至偏差小于一個界限即被控制量接近給定值

17、時，投入積分作用。 2 變速積分積分項累加速度隨偏差大小不同而改變，設(shè)置一系數(shù)f(e(n),它與|e（n）|成反比。其積分項表達(dá)式改變?yōu)椋篺e(n)在01區(qū)間內(nèi)變化：當(dāng)偏差大于A+B時，f0，本次偏差不再累加到uI中；偏差小于B時，f=1,累積e（n），與一般PID積分項相同（全速）偏差在BA+B之間時，f在0e(n)之間變化，累加部分e(n)，且e(n)越大，積分項越小，積分動作為變速。優(yōu)點：（1）完全消除了積分飽和現(xiàn)象 （2）大大減小了超調(diào)量，使系統(tǒng)容易穩(wěn)定。 積分分離法對積分項采用“開關(guān)”控制，變速積分則是緩慢變化，調(diào)節(jié)品質(zhì)大為提高。 3 帶有死區(qū)的PID控制 為了避免控制動作過于頻繁，

18、防止由于頻繁動作所引起的振蕩，采用帶有死區(qū)的PID控制。 設(shè)置一個死區(qū)B（可調(diào)參數(shù)）: B值太大，系統(tǒng)產(chǎn)生很大滯后，控制精度低；B值太小，調(diào)節(jié)過于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定被控對象的效果。 2.3 PID參數(shù)整定方法一. 采樣周期T的確定二.擴(kuò)充臨界比例度三.擴(kuò)充相應(yīng)曲線四.簡化擴(kuò)充臨界比例度法一. 采樣周期T的確定根據(jù)采樣定理，采樣周期上限,T越小，信號失真越小，太小，e（n）過小，失去調(diào)節(jié)器作用；Tmin是計算機(jī)執(zhí)行一個循環(huán)的控制程序所需時間。 1. 給定值的變化頻率越高，T越小，采樣值能迅速反映給定值的改變；2. 被控對象的動態(tài)特性對象的純滯后時間及時常，、大，不宜頻繁控制，T大些，如熱工、化工；對象變化快，T小些，如流量。 3. 擾動頻率高，T小，使擾動迅速得到校正4. 控制算式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型積分：T太小，T/TI小，e(n)小，失去調(diào)節(jié)作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)：慣性大，T大，輸出u(t)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立期間，計算機(jī)輸出不要變化。5. 控制回路數(shù)流量 15s壓力 310s液位 68