第10章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第10章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則對(duì)于不同的控制對(duì)象，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體要求是不同的，但設(shè)計(jì)的基本要求是大體相同的。具體表現(xiàn)在：1．系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)良的操作性能操作性能好，包括兩個(gè)含義，即使用方便和維修容易。硬件和軟件設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮這個(gè)問題。在配置軟件時(shí)，就應(yīng)考慮配置什么樣的軟件才能降低對(duì)操作人員專業(yè)知識(shí)的要求。硬件方面，零部件的配置應(yīng)便于操作人員維修。2．通用性好、便于擴(kuò)充一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一般可以控制多個(gè)設(shè)備和不同的過程參數(shù)，但各個(gè)設(shè)備和控制對(duì)象的要求是不同的，而且控制設(shè)備還有更新，控制對(duì)象還有增減。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮能適應(yīng)各種不同設(shè)備和各種不同控制對(duì)象，使系統(tǒng)不必大改動(dòng)就能很快適應(yīng)新的情況。這就要求系統(tǒng)的通用性要好，能靈活地進(jìn)行擴(kuò)充。3．可靠性高可靠性高是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一個(gè)基本要求。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障將造成整個(gè)生產(chǎn)過程的混亂，引起嚴(yán)重后果。因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常應(yīng)考慮后援手段，如配備常規(guī)控制裝置或手動(dòng)控制裝置作后備。通常可直接采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成熱備份（備份機(jī)與控制機(jī)同時(shí)工作但不介入控制，一旦主控制機(jī)有故障就切換到備份機(jī)上）或冷備份（備份機(jī)處于待工作狀態(tài)，一旦主控機(jī)有故障就啟動(dòng)備份機(jī)投入工作）等工作方式來提高系統(tǒng)的可靠性。4．實(shí)時(shí)性好工業(yè)控制機(jī)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部的事件能及時(shí)地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理，不丟失信息、不延誤操作。5．設(shè)計(jì)周期要短，價(jià)格要便宜計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，在滿足精度、速度和其它性能要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計(jì)周期和盡可能采用價(jià)格低的元器件，以降低整個(gè)控制系統(tǒng)的費(fèi)用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1．研究被控對(duì)象、確定控制任務(wù)2．確定系統(tǒng)整體方案(1)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)(2)確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案(3)控制系統(tǒng)總體“黑箱”設(shè)計(jì)(4)控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分在總體方案設(shè)計(jì)完成后，形成了系統(tǒng)組成的粗線條框圖結(jié)構(gòu)、硬件與軟件劃分等文件，供詳細(xì)設(shè)計(jì)使用。以此作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。3．建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法4．硬件的設(shè)計(jì)(1)確定過程的輸入、輸出通道及其處理方式(2)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇(3)過程通道及接口設(shè)計(jì)(4)控制臺(tái)設(shè)計(jì)(5)可靠性設(shè)計(jì)(6)硬件調(diào)試5．軟件的設(shè)計(jì)(1)選擇編程語(yǔ)言①匯編語(yǔ)言②高級(jí)語(yǔ)言③混合語(yǔ)言(2)軟件設(shè)計(jì)步驟①問題定義②細(xì)化設(shè)計(jì)③編制源程序④形成可執(zhí)行代碼⑤調(diào)試6．系統(tǒng)仿真與調(diào)試(1)實(shí)驗(yàn)室硬件聯(lián)調(diào)(2)實(shí)驗(yàn)室軟件聯(lián)調(diào)(3)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仿真7．現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入／輸出通道設(shè)計(jì)

過程輸入輸出通道的組成與功能

根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳送方向，過程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。要對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)控制，就必須對(duì)它的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。模擬量輸入通道和數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道就是為此而設(shè)置的兩種檢測(cè)通道。生產(chǎn)過程的被調(diào)參數(shù)(一般包括壓力、流量、溫度、液面高度等等)一般都是隨時(shí)間變化的模擬量，通過檢測(cè)元件和傳感器，可以把它們轉(zhuǎn)換成模擬電流或電壓。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量，故模擬電信號(hào)必須通過模擬量輸入通道變換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，才能送入計(jì)算機(jī)；而生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的兩態(tài)開關(guān)、電平的高低、脈沖量等數(shù)字或開關(guān)信號(hào)，則須通過數(shù)字量輸入通道輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制通道也有兩種，即模擬量輸出通道及數(shù)字量輸出通道。計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)是以數(shù)字形式給出的，有的生產(chǎn)過程的執(zhí)行元件要求提供模擬電流或電壓，故應(yīng)采用模擬量輸出通道實(shí)現(xiàn)；有的執(zhí)行元件只要求提供數(shù)字量或開關(guān)量，故應(yīng)采用數(shù)字量輸出通道。可見，過程通道是計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程(控制對(duì)象)相互交換信息的橋梁。

過程輸入輸出通道的控制方式

1．過程輸入輸出通道與CPU交換就信息類型過程輸入輸出通道與CPU交換的信息類型有三種：·數(shù)據(jù)信息：反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)及狀態(tài)的信息，它包括數(shù)字量、開關(guān)量和模擬量?！顟B(tài)信息：又叫做應(yīng)答信息、握手信息，它反映過程通道的狀態(tài)，如準(zhǔn)備就緒信號(hào)等?！た刂菩畔ⅲ河脕砜刂七^程通道的啟動(dòng)和停止等信息，如三態(tài)門的打開和關(guān)閉、觸發(fā)器的啟動(dòng)等。2．過程通道的編址方式由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般都有多個(gè)過程輸入輸出通道，因此需對(duì)每一個(gè)過程輸入輸出通道安排地址。過程通道編址方式有兩種：·過程通道與存儲(chǔ)器獨(dú)立編址方式·過程通道與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式3．CPU對(duì)過程通道的控制方式計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備及過程通道種類繁多，它們的傳送速率又很不相同。因此輸入輸出產(chǎn)生復(fù)雜的定時(shí)問題，也就是CPU采用什么控制方式向過程通道輸入和輸出數(shù)據(jù)。常用的控制方式有三種：·程序查詢方式·中斷控制方式·直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式

輸入通道

1．模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行變換、采樣、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī)。

模擬量輸入通道一般由信號(hào)處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。2．?dāng)?shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道主要由兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路和接口電路組成。兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路的作用是將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，通過I/O接口電路傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的不同，有的兩態(tài)信息轉(zhuǎn)換電路應(yīng)能消除開關(guān)機(jī)械抖動(dòng)的影響，有的應(yīng)能與強(qiáng)電信號(hào)隔離，防止各種干擾。(1)開關(guān)量輸入通道(2)脈沖量輸入通道(3)中斷輸入通道(4)數(shù)字編碼輸入輸出通道設(shè)立輸入通道的作用在于將被控對(duì)象的各種信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的信息，以供計(jì)算機(jī)處理。而計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生的相應(yīng)的控制命令或控制量，也必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量才能對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制。這種由可將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令(或控制量)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并能傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置構(gòu)成的信號(hào)路徑，稱之為輸出通道。1．模擬量輸出通道模擬量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量變換成模擬量，這個(gè)任務(wù)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來完成，對(duì)于模擬量輸出通道，要求可靠性高，滿足一定的精度，還必須具有保持的功能。保持器一般有數(shù)字保持和模擬保持兩種方案，這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。(1)獨(dú)立數(shù)/模轉(zhuǎn)換器形式圖10.1獨(dú)立的多通道D/A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖I/O接口電路D/AD/A┇(2)共用數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的形式圖10.2多通道共享D/A的結(jié)構(gòu)框圖I/O接口電路D/A保持器┇多路開關(guān)保持器2．?dāng)?shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)去控制電接點(diǎn)的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡(jiǎn)稱DO(DigitalOutput)通道。根據(jù)被控對(duì)象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號(hào)的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。其中，最為常用的數(shù)字控制信號(hào)是開關(guān)且和脈沖量信號(hào)。數(shù)字量輸出通道中，由于許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往需要開關(guān)量的控制信號(hào)。這時(shí)，CPU可以通過I/O接口電路直接對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，也可以通過半導(dǎo)體開關(guān)或機(jī)械式繼電器接點(diǎn)的開閉去控制。數(shù)字量輸出通道的關(guān)鍵往往是要解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率驅(qū)動(dòng)問題。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大多用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，條件復(fù)雜惡劣，干擾頻繁。干擾嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。環(huán)境的特殊，要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須有極高的抗干擾能力。為此，必須分析干擾的來源，研究對(duì)于不同的干擾源采用哪些相應(yīng)的行之有效的抑制或消除干擾的措施，重視接地、布線和供電方面的抗干擾技術(shù)，重視CPU可靠運(yùn)行的抗干擾技術(shù)相應(yīng)用軟件中對(duì)數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

干擾的來源

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的各種干擾主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．惡劣的供電條件2．嚴(yán)重的噪聲環(huán)境此外，還有來自空間的干擾，如太陽(yáng)及其它天體輻射的電磁波，廣播電臺(tái)或通訊發(fā)射臺(tái)發(fā)出的電磁波，周圍電氣設(shè)備如電機(jī)、變壓器、中頻爐、可控硅逆變電源等發(fā)出的電干擾和磁干擾，氣象條件、空中雷電、甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì)引起干擾。這些空間輻射干擾有時(shí)會(huì)使計(jì)算機(jī)不能正常工作。干擾的抑制方法1．接地技術(shù)(1)接地方式“安全接地”一般均采用一點(diǎn)接地方式?！肮ぷ鹘拥亍币拦ぷ麟娏黝l率不同而有一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種。低頻時(shí)，因地線上的分布電感并不嚴(yán)重，故往往采用一點(diǎn)按地；高頻情況下，由于電感分量大，為減少引線電感，故采用多點(diǎn)接地。頻帶很寬時(shí)，常采用一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地相結(jié)合的混合接地方式。(2)浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng)(3)交流地與直流地分開(4)模擬地與數(shù)字地分開(5)印刷電路板的地線安排(6)屏蔽地2．屏蔽技術(shù)(1)電場(chǎng)屏蔽(2)電磁屏蔽(3)磁場(chǎng)屏蔽3．隔離技術(shù)隔離的實(shí)質(zhì)是切斷共地耦合通道，抑制因地環(huán)路引入的干擾。隔離是將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡?、磁、光及其它物理量作為中間量，使兩側(cè)的電流回路相對(duì)隔離又能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。如圖9.4所示。(a)變壓器隔離(b)繼電器隔離(c)光電耦合器隔離圖10.3隔離電路電路電路電路電路電路電路4．串模干擾的抑制串模干擾(又稱常態(tài)干擾、正相干擾)是干擾電壓和信號(hào)電壓串聯(lián)疊加于負(fù)載或放大電路的輸入端，它常常表現(xiàn)為通道一個(gè)輸入端對(duì)另一個(gè)輸入端電壓變化的干擾?？勾８蓴_的技術(shù)措施有：(1)合理選用信號(hào)線(2)在信號(hào)電路中加裝濾波器(3)選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器(4)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)(5)用光電耦合器隔離干擾(6)配備高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源5．共模干擾的抑制共模干擾(又稱共態(tài)干擾、同相干擾)表現(xiàn)為通道兩信號(hào)端相對(duì)于零電位參考點(diǎn)所共有的干擾電壓，包括交流和直流的兩種電壓。共模干擾只有轉(zhuǎn)換成串模干擾才會(huì)影響系統(tǒng)?？梢赃x擇隔離技術(shù)，使共模干擾不能構(gòu)成回路。對(duì)于由共模干擾轉(zhuǎn)換過來的，并且已疊加在有用信號(hào)上的串模干擾，可用前面?zhèn)€紹的抗串模干擾的方法來濾除。6．電源噪聲的抑制實(shí)踐說明，電源的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要干擾，抑制這種干擾的主要措施有以下幾個(gè)方面。(1)電源變壓器的屏蔽(2)交流穩(wěn)壓器(3)隔離變壓器(4)低通濾波器(5)采用分散獨(dú)立功能塊供電7．提高軟件可靠性軟件可靠性技術(shù)，主要有以下兩個(gè)方面的內(nèi)容。(1)通過軟件提高系統(tǒng)的可靠性(2)提高軟件自身的可靠性

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

電阻爐爐溫的控制，根據(jù)工藝的要求不同而有所變化，但大體上可歸納為以下幾個(gè)過程：(1)自由升溫段，即根據(jù)電阻爐自身約條件對(duì)升溫速度沒有控制的自然升溫過程。(2)恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進(jìn)行。(3)保溫段，即要求在這一過程中爐溫基本保持不變。(4)慢速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率進(jìn)行。(5)自由降溫段。1．工藝要求要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，應(yīng)按圖9.6所示的規(guī)律變化；從室溫t0開始到a點(diǎn)為自由升溫段，當(dāng)溫度一旦到達(dá)a點(diǎn)(即Ta點(diǎn))，就進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)節(jié)。從b點(diǎn)到c點(diǎn)為保溫段，要始終在系統(tǒng)控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精度。加工結(jié)束，即由c到d點(diǎn)為自然降溫段。保溫段的時(shí)間為50～100分鐘。爐溫變化曲線對(duì)各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)的要求如下：abcdTa圖10.4爐溫控制要求T0℃0t0

t1

t2

t3

t

過渡過程時(shí)間：即從升溫開始到進(jìn)入保溫段的時(shí)間t1≤100分鐘超調(diào)量：即升溫過程的溫度最大值(TM)與保溫值(T0)之差與保溫值之比；靜態(tài)誤差：即當(dāng)溫度進(jìn)入保溫段后的實(shí)際溫度值(T)與保溫值(T0)之差與保溫值之比。溫度保溫值的變化范圍：50～100℃。設(shè)保溫值為100℃。

2．系統(tǒng)的組成和基本工作原理本電阻爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖如圖10.5所示。計(jì)算機(jī)D/A變送器1可控硅電阻爐檢測(cè)元件A/D變送器2圖10.5電阻爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)控制過程：計(jì)算機(jī)定時(shí)(即采樣周期)對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)量和控制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉑電阻溫度計(jì)來進(jìn)行測(cè)量，其信號(hào)經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片換算成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行判別和運(yùn)算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)(增量值)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)，供給可控硅功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到爐溫變化曲線的要求。3．對(duì)象特性的測(cè)量和識(shí)別(1)對(duì)象模型的歸納根據(jù)描述對(duì)象特性需用微分方程的階數(shù)不同，對(duì)象可分一階或二階。至于階數(shù)高于二階的由于實(shí)際計(jì)算，分析參數(shù)有困難而用純滯后的一、二階方程來近似代替，因此實(shí)用上對(duì)象模型的基本形式常取如下幾種：·一階對(duì)象對(duì)象的微分方程為則它的傳遞函數(shù)為它的飛升曲線如圖10.6所示。一般幅值的階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值即為放大倍數(shù)K，輸出從起始值到達(dá)0.632穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間即為時(shí)間常數(shù)T。Typ0.632yp0y(t)t圖10.6飛升曲線一·純滯后的一階對(duì)象這種對(duì)象的微分方程為則它的傳遞函數(shù)為

它的飛升曲線如圖10.7所示。它與圖10.6的唯一區(qū)別在于起始有一段純滯后。τT+τyp0.632yp0y(t)t圖10.7飛升曲線二(2)飛升曲線的測(cè)量測(cè)量的方法：它在穩(wěn)定控制信號(hào)作用下系統(tǒng)有一個(gè)穩(wěn)定的輸出，然后突然在輸入端加一幅度適宜的階躍控制信號(hào)。輸出對(duì)應(yīng)也有一個(gè)變化部分，此即為輸出的飛升曲線，如圖10.8所示。y1y00y(t)t圖10.8飛升曲線三若將飛升曲線單獨(dú)畫出，即為圖10.6所示。利用上述同樣的方法測(cè)得的電阻爐爐溫的飛升曲線如圖10.9所示。τT+τyp0y(t)t圖10.9飛升曲線四將上述所測(cè)得的飛升曲線與典型傳遞函數(shù)的飛升曲線比較，可知圖10.8是一階對(duì)象的飛升曲線，而圖10.9是帶純滯后的一階對(duì)象。其傳遞函數(shù)是：式中：K——放大系數(shù)

T——對(duì)象時(shí)間常數(shù)

τ——對(duì)象滯后時(shí)間(3)一階對(duì)象參數(shù)的求取對(duì)于一階對(duì)象的放大倍數(shù)K可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號(hào)幅值的比值求得。輸出從起始值到達(dá)0.632倍穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間即為對(duì)象時(shí)間常數(shù)。而對(duì)象滯后時(shí)間τ可直接從圖中測(cè)量。但實(shí)測(cè)的飛升曲線起始部分有彎曲，不易找到確切的位置來定滯后時(shí)間，這時(shí)可用一階加純滯后的虛線曲線來迫近，使后面大部分重合，而起始部分則可定出一個(gè)等效的滯后時(shí)間τ，這時(shí)可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(即拐點(diǎn))處作一切線，如圖10.9所示。該切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)認(rèn)為是一階的起點(diǎn)，即純滯后時(shí)間τ，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)時(shí)間應(yīng)為T，加上純滯后時(shí)間則實(shí)測(cè)為τ+T。這樣就求出了一階對(duì)象的三個(gè)參數(shù)K、T、τ。設(shè)所得的飛升曲線求得本電阻爐的參數(shù)為T=72（分鐘）τ=8（分鐘）K=3304．控制規(guī)律的選擇和參數(shù)的計(jì)算計(jì)算機(jī)參與控制的形式是多種多樣的，它取決于控制規(guī)律的選擇以及受控對(duì)象的特性，現(xiàn)僅結(jié)合本電阻爐的要求，作如下的分析：根據(jù)爐溫變化曲線的要求，可將其分為三段來進(jìn)行控制；自由升溫段，保溫段和自然降溫段。而真正需要電氣控制的是前面二個(gè)階段，即自由升溫段和保溫段。為避免過沖，從室溫到80%額定溫度為自由升溫段，在±20％額定溫度時(shí)為保溫段。在自由升溫段中，希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開足，因此得自由升溫段控制規(guī)律為：當(dāng)T≤0.8T0時(shí)，選Pk=1；在T＞0.8T0后，已較接近需要保溫的值T0，為此采用保溫段控制方程。保溫控制方法有多種，如用比例控制，因爐絲所加功率P的變化和爐溫變化之間存在一段時(shí)間延遲，因此當(dāng)以溫差來控制輸出時(shí)，即比例控制，系統(tǒng)只有在爐溫與給定值(保溫溫度)相等時(shí)才停止輸出，這時(shí)由于爐溫變化的延遲性質(zhì)，爐溫并不因輸入停止而馬上停止上升，從而超過給定位。滯后時(shí)間越大，超過結(jié)定值也越大。爐溫上升到一定高度后，才開始下降并繼續(xù)下降到小于給定位時(shí)，系統(tǒng)才重新輸出。同樣由于爐溫變化滯后于輸出，它持繼續(xù)下降，從而造成溫度的上下波動(dòng)，即所渭振蕩?？紤]到滯后的影響，調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù)，即PD調(diào)節(jié)。·PD算法和參數(shù)的選定在連續(xù)系統(tǒng)PD校正的控制量可表示為式中：T——采樣周期

TD——微分時(shí)間

KP——比例系數(shù)

e=u0-ui——誤差值

u0——溫度給定值

ui——溫度反饋值根據(jù)給定的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式，可得：·PID算法和參數(shù)選定離散算法可表示為(用增量表示)式中：T——采樣周期

TI——微分時(shí)間

TD——積分時(shí)間

KP——比例系數(shù)實(shí)際中將用到算法為式中

初值可以取q(k-1)=0，e(k-1)=0。算法程序每一步要計(jì)算e(k)，y(k)，q(k)，其中q(k)用于下一步計(jì)算y(k)，M為常數(shù)項(xiàng)，為穩(wěn)定值時(shí)所需要的功率。程序中選用的實(shí)際參數(shù)為10.5數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

前面分別介紹了幾種數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法，但無(wú)論什么方法，所設(shè)計(jì)的D(z)均為關(guān)于z-1有理分式形式，要用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)其控制功能，必須變成差分方程的形式。具體有三種實(shí)現(xiàn)方法：直接實(shí)現(xiàn)法、串接實(shí)現(xiàn)法和并接實(shí)現(xiàn)法。10.5.1直接程序法設(shè)數(shù)字控制器的一般形式為：∴取Z反變換得顯然，上式是物理可實(shí)現(xiàn)的，直接實(shí)現(xiàn)法方塊圖如圖10.24所示。

e(k)E(z)u(k)U(z)z-1b2b1b0bm-a2-a1-anz-1z-1z-1z-1z-1圖10.24直接程序法方塊圖其中，z-1為延時(shí)環(huán)節(jié)，每計(jì)算一次u(k)需要以前n個(gè)輸出值以及當(dāng)前誤差值e(k)和以前m個(gè)誤差值，所以必須將這些值存儲(chǔ)起來以備使用。這樣，每計(jì)算一次u(k)需要做n+m+1次乘法，n+m次加法，并做n+m次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。為了產(chǎn)生純滯后信號(hào),需要n+m+2存儲(chǔ)單元?？梢愿倪M(jìn)其算法，以便減少延時(shí)器，即減少運(yùn)算次數(shù)。10.5.2

直接實(shí)現(xiàn)的正則形式I由并設(shè)a0=1

∴

定義：

∴

每計(jì)算一次u(k)需要做n+m+1次乘法，n+m次加法，但是移位操作次數(shù)減少到n次,因此,產(chǎn)生純滯后信號(hào)的存儲(chǔ)單元也只需要n+1個(gè)了。直接實(shí)現(xiàn)的正則形式I的方塊圖如圖10.25所示。e(k)E(z)q(k)Q(z)u(k)U(z)z-1b2b1b0bm-a2-a1-anz-1z-1z-1圖10.25直接實(shí)現(xiàn)的正則形式I

10.5.3

直接實(shí)現(xiàn)的正則形式II為了減少因計(jì)算造成的滯后，可以采用直接實(shí)現(xiàn)的正則形式II。

令則d可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)預(yù)先計(jì)算好，而在本次采樣后，只要計(jì)算便可輸出控制量u(k),因此縮短了由計(jì)算造成的滯后。直接實(shí)現(xiàn)的正則形式II對(duì)于減少高階次D(z)的計(jì)算滯后是很有價(jià)值的。正則形式II的移位操作次數(shù)也減到了n次，產(chǎn)生純滯后信號(hào)的存儲(chǔ)單元也減為n+1個(gè)。10.5.4串接實(shí)現(xiàn)法

設(shè)數(shù)字控制器的零點(diǎn)、極點(diǎn)分別為zi，pj，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；n≥m，則其中：

則得到串接實(shí)現(xiàn)法方塊圖如圖10.27所示。這樣，每計(jì)算一次u(k)需要做n+m+1次乘法，n+m次加法，并做n次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。um-1(k)Um-1(z)圖10.27串接實(shí)現(xiàn)法方塊圖e(k)E(z)u1(k)U1(z)z-1-z1z-1p1u2(k)U2(z)z-1-z2z-1p2um(k)Um(z)z-1-zmz-1pmum+1(k)Um+1(z)z-1z-1pm+1un-2(k)Un-2(z)un-1(k)Un-1(z)z-1kz-1pmu(k)U(z)z-1z-1pm10.5.5并接實(shí)現(xiàn)法

設(shè)D(z)的極點(diǎn)為pi，則可將D(z)表示成部分分式其中：