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1、计算机控制系统,哈尔滨工业大学（威海）控制科学与工程系,Computer Control System,第七章 计算机控制系统的实现技术,7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术,第七章 计算机控制系统的实现技术,7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术,7.3 量化效应分析,一、量化特性 有限位(n)二进制所表示的数据： 2n个等间隔数,用q表示,q称为量化单位,字长为N 1位作符号位,一个任意值的
2、真实数x，只可以用q的整倍数xq来表示,即有,量化误差,7.3 量化效应分析,一、量化特性 常用的量化方法 (1) 舍入量化 将小于量化单位的尾数进行四舍五入整量化。 (2) 截尾量化 将小于量化单位的尾数全部截掉。,舍入量化误差,截尾量化误差,对于原码及反码,对于补码,7.3 量化效应分析,二、计算机控制中的量化 (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,7.3 量化效应分析,三、参数的量化误差分析 灵敏度分析法,研究,的变化
3、对,极点的影响,极点多项式,泰勒级数展开,高次项=0,0,0,灵敏度公式,与 成正比 与各极点之间距离成反比 与 T 有关,若控制器有重极点，设,灵敏度随重极点阶数的 增高而增高,例 直接型结构实现时，试求系数a3变化多大，将使D(z)有一极点处于单位圆上？用串联和并联结构实现又如何？,解：若有一极点处于单位圆上，则,即a3减少0.000001时，会有一极点位于单位圆上,a3必须小于0.000001,用定点数表示时，至少需要20位字长,1/2-19=0.0000019,1/2-20=0.00000095,例 直接型结构实现时，试求系数a3变化多大，将使D(z)有一极点处于单位圆上？用串联和并联
4、结构实现又如何？,解：采用串联和并联结构实现时，环节系数为环节的极点,故 系数误差,就可以避免极点跑到单位圆上.,用定点数表示时，只需7位字长即可。,在实现高阶控制器时，最好避免采用直接型结构,四、控制算法变换描述 1.变换定义,7.3 量化效应分析,或,与z的关系：平移放大,7.3 量化效应分析,四、控制算法变换描述 1.变换定义 Z平面到平面的映射是线性映射。 变换与Z变换形式相同，且变换的幅值是Z变换的T倍。 当T0时，变换拉氏变换，即变换是随着采样周期T0而收敛于拉氏变换的离散时间变换。,7.3 量化效应分析,四、控制算法变换描述 2.变换的映射与稳定域,Z到平面的映射由 确定。Z平面
5、的单位圆映射到平面为圆，圆心在（-1/T,0)，半径R=1/T。可见， 变量是z的平移与放大（圆的半径R由1至1/T）。 当T0时，该圆扩大为左半平面。,7.3 量化效应分析,四、控制算法变换描述 2.变换的映射与稳定域,S平面的稳定域：S左半平面。 Z平面的稳定域：单位圆内。 平面的稳定域： 圆心为(-1/T,0) ，半径为1/T的圆内，称为平面稳定圆。 随着T0，它趋于左半平面，与连续域相同，稳定边界为：,7.3 量化效应分析,四、控制算法变换描述 2.变换的映射与稳定域,稳定性判据 系统稳定的充分必要条件：特征方程的全部根在平面稳定圆内或称系统的全部极点在平面稳定圆内。,7.3 量化效应
6、分析,四、控制算法变换描述 3.域的控制系统设计,用变换进行系统设计，其设计步骤与模拟设计法相同，不同的是，带零阶保持器的被控对象的离散化模型用的是传递函数 G()。 D()与D(s)具有相同的形式，可以用连续系统的设计方法，在域设计系统。 闭环传递函数， H()与H(s)的极点在与S平面上的位置、数值是相当接近的。D()与D(s)的分子、分母具有相同的阶次。,7.3 量化效应分析,四、控制算法变换描述 4. 变换的差分方程描述 已知变量x(k)的变换，只需要将变换定义代入即可写出相应的差分方程,7.3 量化效应分析,四、控制算法变换描述 5. 变换的优点 快速采样时，连续系统的变换离散化模型
7、趋近于原连续模型，使之用于连续系统设计的各类方法可直接用于离散化设计。 用变换的数字控制器模型，实现时具有较好的数值特性，如，在有限字长特性、灵敏度等方面，均优于Z变换的模型。,第七章 计算机控制系统的实现技术,7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术,7.4 采样频率的选取,一、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. 采样信息的影响,采样定理,实际应用时：,被控对象全部特征根中的最高频率,系统闭环 频带
8、,7.4 采样频率的选取,一、采样频率对系统性能的影响 3. 采样周期与系统抑制干扰能力的关系 4. 计算机字长与与采样周期 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。 5. 计算机的工作负荷与采样周期 当计算机的速度及计算任务确定后，采样间隔就受到一定限制,干扰信号最高频率,7.4 采样频率的选取,二、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
9、率有要求,7.4 采样频率的选取,二、选择采样频率的经验规则,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,7.4 采样频率的选取,三、多采样频率配置,(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。,7.4 采样频率的选取,三、多采样频率配置,多采样速率配置的原则 根据每个回路或变量特性，按前述原则进行配置。就单个回
10、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。,第七章 计算机控制系统的实现技术,7.1 硬件组成与输入输出接口 7.2 计算机控制系统的软件设计 7.3 量化效应分析 7.4 采样频率的选取 7.5 抗干扰与可靠性技术,7.5 抗干扰与可靠性技术,很多场合，计算机控制系统不解决抗干扰的问题，不提高其可靠性，就无法工作 解决计算机控制系统的抗干扰问题的两种途径： 找到干扰源，寻找相应的办法抑制或消除干扰，尽可能避免干扰串入系统，从外因解决问题； 提高计算机控制系统自身抵抗干扰的能力，
11、从内因解决问题。,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 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 由于接地不完善，信号被电磁感应和电容耦合 (3)外部干扰 太阳及其它天体辐射的电磁波、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。,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 2. 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， 一般采用适当的屏蔽及正确的接地方法解决。 电场屏蔽解决分布电容问题，一般接大地 电磁
12、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，一般也接大地,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 3. 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份是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。 模拟滤波,可使50Hz的干扰衰减到1/600左右,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 3. 过程通道的抗干扰措施 (1)串模干扰及其抑制
13、 进行电磁屏蔽和良好的接地 从根本上切断引起干扰的干扰源 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 配以良好的接地措施来解决。,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 3. 过程通道的抗干扰措施 (1)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。,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 3. 过程通道的抗干扰措施 (1)共模干扰及其抑制 采用差分放大器做信号前置放大 采用隔离技术将地电位隔开 使用变压耦合或光电耦合的隔离方法。 若将光电耦合器与压频（V/F）变换器、频压（F/
14、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很有效,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 4. 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）,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 5. 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。,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措
15、施 5. 地线配置的抗干扰措施 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； 功率地的地线应粗，且与小信号地线分开，而与直流地相连；,7.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 6. 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。,7
16、.5 抗干扰与可靠性技术,一、干扰源及抗干扰措施 6. 看门狗电路（Watchdog） 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。,7.5 抗干扰与可靠性技术,二、提高可靠性的措施 采用可靠性高的元部件进行完善的设计，获得一个高可靠性的单机系统； 采用容错技术，获得一个高可靠的系统。,7.5 抗干扰与可靠性技术,二、提高可靠性的措施 1. 提高单机系统可靠性的方法 (1) 使用经严格
17、筛选的可靠元部件，并进行多道老化和严格检验； (2) 重视元部件安装的机械强度 必要的元部件机械加固，如涂漆和浇注处理 (4) 插座是发生故障的最常见因素 (5) 抗温升保护 多数电子器件对温度变化比较敏感 设计足够的通风系统，采用温度补偿措施。,7.5 抗干扰与可靠性技术,二、提高可靠性的措施 2、容错技术 容错技术：在容忍和承认错误的前提下，考虑如何消除、抑制和减少错误影响的技术。 常用的方法是利用各种冗余技术将可靠性较低的元件组成一个可靠性较高的系统，其实质是利用资源来换取高的可靠性。,7.5 抗干扰与可靠性技术,二、提高可靠性的措施 2、容错技术 (1) 硬件冗余 硬件堆积冗余（静态冗余） 待命贮备冗余（动态冗余） 混合冗余（动静冗余结合） (2) 软件容错 故障检测 损坏估计 故障恢复 缺陷处理,7.5 抗干扰与可靠性技术,二、提高可靠性的措施 2、容错技术 (3) 指令冗余 利用消耗时间资源来达到对系统的容错目的。 多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入单字节指令。 (4) 信息冗余 利用增加信息的多余度来提高可靠性 在数据中附加检错码或纠错码，以检查数据是否发生偏差，并在有偏差时纠正偏差,