第三章计算机控制技术

第二章机电一体化的单元技术12.5自动控制技术自动控制控制形式基本要求计算机控制技术第二章机电一体化的单元技术2一、机电一体化系统的控制形式顺序控制反馈控制1.按输出量对控制作用的影响位置控制速度控制加速度控制力、力矩控制2.按系统输出量的形式3.按系统输出信号的变化规律定值控制系统过程控制系统随动系统第二章机电一体化的单元技术3连续控制系统离散控制系统4.按系统中所处理信号的形式5.按被控对象自身的特性线性系统与非线性系统确定系统与随机系统集中参数系统与分布参数系统时变系统与时不变系统自动控制第二章机电一体化的单元技术4二、自动控制技术的发展1、经典控制理论2、现代控制理论3、智能控制理论基本要求1．稳定性2．快速性3．精确性三、控制系统的基本要求自动控制第二章机电一体化的单元技术5四、计算机控制技术自动控制计算机控制系统组成和特点数字PID控制算法计算机控制系统常用类型及特点计算机控制系统的设计第二章机电一体化的单元技术61.计算机控制系统的组成和特点计算机控制系统是由硬件和软件组成:计算机控制复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控制、自适应和自学习控制等。自动控制第二章机电一体化的单元技术7硬件：由计算机主机、接口电路、输入/输出通道及外部设备等组成自动控制第二章机电一体化的单元技术8•计算机是整个控制系统的核心•接口与I/O通道是计算机与被控对象信息交换的桥梁；人机接口是最基本的外设软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的程序系统自动控制第二章机电一体化的单元技术9自动控制计算机控制系统完善的I/O通道实时控制功能可靠性高具有丰富、完善正确反映运动规律并有效控制的软件系统第二章机电一体化的单元技术102.数字PID控制算法自动控制（1）数字PID控制算法（2）PID控制器的参数选择（3）采样周期的选择第二章机电一体化的单元技术11模拟PID调节器：按偏差的比例、积分和微分进行控制。将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，简称P（比例）I（积分）D（微分）调节器。Proportional-Integral-Differential.（1）数字PID控制算法第二章机电一体化的单元技术12模拟PID调节的微分方程式为e(t)——调节器的输入，即给定量w与实际输出量y的误差e(t)=w-y；u(t)—调节器输出Kp—比例系数；Ti—积分时间常数；Td—微分时间常数])()(1)([)(0dttdeTdtteTteKtudtip自动控制第二章机电一体化的单元技术13其中比例调节起纠正偏差的作用，但不能消除稳态误差，增益越大，调节作用越强，系统快速响应性越好，但过大会引起系统不稳定；积分调节能消除静差，改善系统静态特性，但积分作用过大会使系统超调增大；微分调节有利于减少超调，克服震荡，加快系统的过渡过程，不能消除稳态误差，对具有较大容量滞后的系统具有显著控制效果。])()(1)([)(0dttdeTdtteTteKtudtip)11()(sTTsKsDdip第二章机电一体化的单元技术14PID控制器的离散化)(KekjkjtTjetjedtte000)()()(Tkeketkekedttde)1()()1()()(第二章机电一体化的单元技术15离散形式PID：PID位置控制算法PID增量式控制算法))]1()(()()([)(0kekeTTjeTTkeKkudkjip)2()1()()1()()(210kedkedkedkukuku)1(0TTTTKddip)21(1TTKddpTTKddp2自动控制第二章机电一体化的单元技术16•1.计算机只输出控制增量，误差动作影响小•2.在进行手动/自动切换时，控制量冲击小，平滑过渡•3.节约计算机的内存和计算时间•4.不易产生积分失控位置型与增量型的关系：)2()1()()(210kedkedkedku)()1()(kukuku第二章机电一体化的单元技术17开始设置各参数值采样w(k),y(k)e(k)=w(k)-y(k)AATjeKkji0)(计算AKeKp)(计算AAkekeKd))1()((计算)1()(keke输出u(k)=A采样时刻到吗？数字PID算法流程：第二章机电一体化的单元技术18①凑试法确定PID调节参数凑试法•通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线（例如阶跃响应）•然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应•最终确定PID调节参数（2）PID控制器的参数选择自动控制第二章机电一体化的单元技术19•增大比例系数Kp，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。•增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡；使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。•增大微分时间Td亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。各参数的作用：自动控制第二章机电一体化的单元技术20各参数的整定过程a.首先只整定比例部分，将比例系数由小变大，直至得到反应快、超调小的响应曲线。b.加入积分环节，缩小比例系数，将积分时间常数由大变小，消除静差。c.再加入微分环节，增大微分时间常数，同时相应的改变比例系数和积分时间常数，得到满意的动态效果。b.反复凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。第二章机电一体化的单元技术21常见被调量的PID参数经验选择范围被调量特点KpTi(min)Td(min)流量对象时间常数小,并有噪声,故Kp较Ti较短,不用微分1~2.50.1~1温度对象为多容系统,较大滞后,常用微分1.6~53~100.5~3压力对象为容量系统,滞后一般不大,不用微分1.4~3.50.4~3液位在允许有静差时,不必用积分,不用微分1.25~5自动控制第二章机电一体化的单元技术22②实验经验法确定PID调节参数a.扩充临界比例法Ⅰ考察纯比例环节的闭环系统输出自动控制Tr临界振荡周期Kr比例系数：使系统阶跃响应达到临界震荡的纯比例环节的系数。第二章机电一体化的单元技术23调节器类型KpTiTdP调节器PI调节器PID调节器0.5Kr0.45Kr0.6Kr0.85Tr0.5Tr0.12TrⅡ根据Ziegle-Nichols经验公式，确定模拟调节器的PID参数第二章机电一体化的单元技术24Ⅲ确定控制度，即数字控制效果与模拟控制效果之比，用其控制误差平方的积分来计算dtedte模拟控制数字控制控制度22第二章机电一体化的单元技术25Ⅳ根据控制度确定采样周期及数字调节器参数控制度调节器类型TKpTiTd1.05PIPID0.03Tr0.014Tr0.53Kr0.63Kr0.88Tr0.49Tr-0.14Tr1.2PIPID0.05Tr0.0430.49Kr0.47Kr0.91Tr0.47Tr-0.16Tr1.5PIPID0.14Tr0.09Tr0.42Kr0.34Kr0.99Tr0.43Tr-0.2Tr2.0PIPID0.22Tr0.16Tr0.36Kr0.27Kr1.05Tr0.4Tr-0.22Tr自动控制第二章机电一体化的单元技术26b.阶跃曲线法阶跃曲线法确定基准参数拐点y∞yt.TgTuOrguKTTy'0'uKKrr调节器类型KTiTdP调节器PI调节器PID调节器1/Kr0.8/Kr1.2/Kr3Tu2Tu0.42Tu自动控制开环系统的u0阶跃响应曲线第二章机电一体化的单元技术27（3）采样周期的选择根据香农采样定理，采样周期必须满足Ts=π/ωmax或fs=2fmaxωmax为采样信号的上限角频率自动控制第二章机电一体化的单元技术28确定采样周期1）根据调节品质的要求，采样周期小些；2）控制系统随动和抗干扰的性能要求，则要求采样周期短些；3）执行元件的要求，采样周期应具有相应宽度；4）计算机的工作量和每个调节回路的计算成本，要求采样周期大些；5）计算机的精度，采样周期不能过短：采样的数值之差、积分增益T/Ti第二章机电一体化的单元技术29被调量采样周期T/s流量1压力5液位10温度20常见被调量的经验采样周期第二章机电一体化的单元技术303.计算机控制系统的常用类型及特点机电系统多用计算机作为控制器，常用的有基于单片机、单板机、普通PC机、工业PC机和可编程控制器（PLC）等系统。自动控制第二章机电一体化的单元技术31嵌入式工控机单片机系统第二章机电一体化的单元技术32工业PC机PLC第二章机电一体化的单元技术33工业PC机与一般通用计算机工业控制计算机与一般通用计算机相比：①实时性：计算机在某一限定的时间内必须完成规定处理的动作，通常要求工业控制计算机具有硬实时（严格的实时处理）性。②丰富的输入输出功能：必须配有完善输入输出设备。③丰富的应用软件：包括实时操作系统和实时控制软件包，组态软件。④高可靠性：避免因计算机故障而引起质量事故或生产事故。第二章机电一体化的单元技术34工业PC机I/O板CPU板存储器板工业电源板……PC总线工业PC基本组成第二章机电一体化的单元技术35工控机的功能模板可分为系统模板、I／O接口类模板和通信类模板三大类。对于STD总线工控机来说。系统模板包括CPU模板、存储器模板、人机接口和系统支持模板。对于PCI总线工控机来说。系统模板就是一体化CPU板。I／O接口类模板包括开关量I／O模板、A／D转换模板、D／A转换模板、信号调理板、继电器输出板等。通信类模板包括如RS一232C接口板、USB接口板、GPIB接口板、工业局部网络接口板等。第二章机电一体化的单元技术36第二章机电一体化的单元技术37第二章机电一体化的单元技术38第二章机电一体化的单元技术39第二章机电一体化的单元技术40第二章机电一体化的单元技术41第二章机电一体化的单元技术42第二章机电一体化的单元技术43控制装置比较项目普通计算机系统工业控制机可编程序控制器单片(单板)系统PC扩展系统STD总线系统工业PC系统小型PLC（256点以内）大型PLC控制系统的组成自行研制(非标准化)需配备功能接口板选购标准STD模板整机成系统，外部另行配置按使用要求选购相应的产品系统功能简单逻辑控制或模拟量控制数据处理功能强，组成功能完整系统可组成从简单到复杂的各类测控系统本身具备完整的控制功能软件丰富执行速度快逻辑控制为主,可组成模拟量控制系统大型复杂的多点控制系统通信功能按需自行配置备串行口等，可另行配置选用通信模板产品已提供串行口选用RS-232C通信模块选取相应的模块硬件制作工作量多稍多少少很少很少程序语言汇编语言汇编和高级语言汇编和高级语言高级语言为主梯形图编程为主多种高级语言自动控制第二章机电一体化的单元技术44软件工作开发量很多多较多较多很少较多执行速度快很快快很快稍慢很快输出带负载能力差较差较强较强强强抗电干扰能力较差较差好好很好很好可靠性较差较差好好很好很好环境适应性较差差较好一般很好很好应用场合智能仪器，单机简单控制实验室环境的信号采集及控制一般工业现场控制较大规模的工业现场控制一般规模的工业现场控制大规模工业现场控制组成监控网络价格最低较高稍高高高很高自动控制第二章机电一体化的单元技术454.计算机控制系统的设计(1)计算机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡自动控制•专用与通用的选择•硬件与软件的选择与权衡第二章机电一体化的单元技术46(2)计算机控制系统的设计思路1）较完善的中断控制系统2）足够的存储容量3）完备的输入/输出通道和时钟控制4）字长5）速度6）指令7）其它a.确定系统的整体控制方案b.确定控制算法c.选择微型控制器d.系统总体设计e.软件设计f.系统调试1）接口设计2）通道设计3）操纵控制台设计1）系统软件2）应用软件自动控制第二章机电一体化的单元技术47小结机电一体化系统的计算机控制技术PLC控制技术数字PID控制算