第5章-控制器系统
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第5章控制器原理
• 缺点：浪费时间。
• 因为对比较简单的指令，将有很多节拍是 不用的，处于等待。所以，在实际应用中 都不采用这种典型的同步控制方式，而是 采用某些折衷的方案。
2021/12/20
28
（2）异步控制方式
• 异步控制方式：没有统一的同步信号，采用 问答方式进行时序协调，将前一操作的回答 信号作为下一操作的启动信号。
• ② 微操作 由微命令控制实现的最基本的 操作。
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39
• ③ 微指令 用以产生一组微命令，控制完成 一组微操作的二进制编码字称为微指令。
• ④ 微程序：一系列微指令的有序集合称为 微程序。
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40
程序、指令、微程序、微指令、微命令、微操 作的关系
微指（ 令 1 微命1、 令微命2令 、 微命令 n）
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控制方式可分为： （1）同步控制 （2）异步控制 （3）联合控制
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（1）同步控制方式
• 同步控制方式：任何指令的运行或指令中各 个微操作的执行，均由确定的具有统一基准 时标的时序信号所控制。
• 即所有的操作均由统一的时钟控制，在标准 的时间内完成。
• 在同步控制方式下，每个时序信号的结束就 意味着对应操作的完成，随即开始执行后续 的微操作或下条指令的运行。
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7
②指令寄存器 IR
指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。
③指令译码器 ID
指令译码器是指令分析部件，对指令寄存器 中的指令操作码进行译码分析，产生相应 操作的控制电位，提供给微操作控制信号 形成部件。
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④地址形成部件
• 因为对比较简单的指令，将有很多节拍是 不用的，处于等待。所以，在实际应用中 都不采用这种典型的同步控制方式，而是 采用某些折衷的方案。
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（2）异步控制方式
• 异步控制方式：没有统一的同步信号，采用 问答方式进行时序协调，将前一操作的回答 信号作为下一操作的启动信号。
• ② 微操作 由微命令控制实现的最基本的 操作。
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• ③ 微指令 用以产生一组微命令，控制完成 一组微操作的二进制编码字称为微指令。
• ④ 微程序：一系列微指令的有序集合称为 微程序。
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程序、指令、微程序、微指令、微命令、微操 作的关系
微指（ 令 1 微命1、 令微命2令 、 微命令 n）
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控制方式可分为： （1）同步控制 （2）异步控制 （3）联合控制
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（1）同步控制方式
• 同步控制方式：任何指令的运行或指令中各 个微操作的执行，均由确定的具有统一基准 时标的时序信号所控制。
• 即所有的操作均由统一的时钟控制，在标准 的时间内完成。
• 在同步控制方式下，每个时序信号的结束就 意味着对应操作的完成，随即开始执行后续 的微操作或下条指令的运行。
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②指令寄存器 IR
指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。
③指令译码器 ID
指令译码器是指令分析部件，对指令寄存器 中的指令操作码进行译码分析，产生相应 操作的控制电位，提供给微操作控制信号 形成部件。
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④地址形成部件
第五章5 分程控制控制系统
图1
分程控制系统方框图
分程控制系统中控制器输出信号的分段一般是由附设在控制阀上的阀门定
位器来实现的。阀门定位器相当于一台可变放大系数，且零点可以调整的放
大器。 阀门定位器可以将控制器的输出压力分成几段信号区间。不同段内的压力
有相应的阀门定位器转化为0.02~0.1MPa信号压力，使控制阀全程动作。
例如：A和B两个控制阀 要求：A阀在控制器输出信号压力为0.02~0.06MPa信号压力，使控制 阀全程动作。 A阀上的阀门定位器对应的输出压力为0.02MPa~0.1MPa，B阀上则在控制 器输出压力为0.06MPa~0.1MPa时通过附设在上面的阀门定位器使之也刚好走 完全程。 即，当控制其输出信号小于0.06MPa时，A阀动作，B阀不动作； 当信号大于0.06MPa时，A阀已动至极限，B阀开始动作。
一类是两个控制阀异向动作: 即随着控制器输出信号的增大成减小，一个控制阀开大，另 一个控制阀则关小，如图8—37所示，其中图(a)是A为气关阀、B 为气开阀的情况。图(b)是A为气开阀、B为气关阀的情况。
分程阀同向或异向动作的选择问题，要根据生产工艺的实际需要 来确定。
二、分程控制的应用场合
1．用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质
TCபைடு நூலகம்冷水
A B 蒸汽
FVA：气闭
FVB：气开
TC：反作用
1.反应开始前升温阶段→T测<给定值→TC↑→A阀↓ →（ A阀 全关时）B阀↑ →蒸汽加热， T↑→ 达到反应温度时，反应开 始； 2.反应开始后T↑ → T测.>给定值→TC↓ →B阀↓（B阀全关时） A阀↑→ T↓，冷却水把反应热带走，使反应釜温度恒定，反 应继续进行。
5.5
分程控制系统
第五章前馈控制系统ppt课件
第5章
前馈控制系统
5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制
实验：前馈控制系统实验
5.4 前馈控制系统的应用
什么情况下采用前馈控制：
（1）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干 扰进行前馈控制
G(s) K es Ts 1
T1s 1 T2s 1
1 T2s 1
e f s
1
1 2
f
s
1
1 2
f
s
-K
输入
+Σ
+K
1
+
1 2
f
s
1
+Σ
-
输出
5.3 前馈控制系统的实施
输入
K=T1/T2-1
Kf
K
1/(T2s+1)
+
输出 －Σ
+
图5-12 （T1s+1）/（T2s+1）实施框图
t
mf
mf (t) K f [1 ( 1)e ]T1 （输出）
实验：前馈控制系统实验
5.3 前馈控制系统的实施
前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的 传递函数
工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多， 不利于实施
工业应用希望控制规律能具有一定的通用性， 便于控制实施（特别是仪表）
5.3 前馈控制系统的实施
一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似,如：
同样对于上述换热器FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定， 无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥
现代控制理论-09(第5章状态反馈控制器设计)
期望的闭环特征多项式
(λ − λ1 )(λ − λ 2 )(λ − λ3 ) = λ3 + b2 λ2 + b1 λ + b0
要实现极点配置，须
λ3 + (a 2 + k 2 )λ2 + (a1 + k1 )λ + a 0 + k 0 = λ3 + b2 λ2 + b1λ + b0
a 0 + k 0 = b0 a1 + k1 = b1 a 2 + k 2 = b2
− 设计一个状态反馈控制器，使得闭环极点是-2， 1 ± j
解
确定能控标准型实现
1 0⎤ ⎡0 ⎡0 ⎤ x = ⎢0 0 1⎥ x + ⎢0⎥u ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢0 − 2 − 3⎥ ⎢1⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ y = [10 0 0]x
状态反馈控制器 u = − Kx ，K = [k1 k 2 k3 ] 闭环多项式：det[λI − ( A − BK )] = λ3 + (3 + k 3 )λ2 + (2 + k 2 )λ + k1 期望多项式： (λ + 2)(λ + 1 − j)(λ + 1 + j) = λ3 + 4λ2 + 6λ + 4
问题：对一般状态空间模型，如何解极点配置问题？ 思路：考虑能控状态空间模型 将能控状态空间模型等价地转化为能控标准型 如何从能控标准型模型的解导出一般模型的极 点配置控制器。
系统模型
x = Ax + Bu
~ TAT −1 = A, ~ TB = B
0 ⎤ 0 ⎥ ⎥ ⎥, ⎥ 1 ⎥ − an−1 ⎥ ⎦ ⎡0 ⎤ ⎢0 ⎥ ~ ⎢ ⎥ B=⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢0 ⎥ ⎢1⎥ ⎣ ⎦
第五章 串级控制系统
y
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计， 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择， •设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小， 道短，反应灵敏。 道短，反应灵敏。 •选择原则主要有： 选择原则主要有： (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 ＋ － 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3．干扰同时作用于副回路和主回路 ． 主副回路干扰的综合影响有两种情况： 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： ）主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 ＋ － 主控制器 ＋ － 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1．燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 ．燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度， 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制， 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。 为缩短。
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计， 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择， •设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小， 道短，反应灵敏。 道短，反应灵敏。 •选择原则主要有： 选择原则主要有： (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 ＋ － 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3．干扰同时作用于副回路和主回路 ． 主副回路干扰的综合影响有两种情况： 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： ）主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 ＋ － 主控制器 ＋ － 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1．燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 ．燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度， 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制， 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。 为缩短。
微型计算机控制系统课件第5章 数字控制器的直接设计技术
2）根据系统的性能指标要求以及实现的约束条件构造闭环z传递函数φ(z);
3）依据式（5-3）确定数字控制器的传递函数D(z)；
G(z)
Z H 0 ( s)GC
(s)
1 eTs
Z
s
GC
(s)
;
4）由D(z)确定控制算法并编制程序。
D(z) 1 Φ(z) G(z) 1 Φ(z)
数字控制器的直接设计 步骤
i0
i 1
数字控制器的直接设计步骤 最少拍无差系统的设计 达林控制算法
最少拍无差系统的设计
1、最少拍无差系统定义：
在典型的控制输入信号作用下能在最少几个采样周期内达到稳 态静无差的系统。
其闭环z传递函数具有如下形式：
(z) m1z1 m2 z2 m3 z3 mn zn
上式表明：闭环系统的脉冲响应在n个采样周期后变为零，即系统在 n拍后到达稳态。
要保证输出量在采样点上的稳定,G(Z)所有极点应在单位圆内 要保证控制量u 收敛， G(Z)所有零点应在单位圆内
稳定性要求
所谓稳定性要求，指闭环系统的连续物理过程真正稳定，而不仅仅是在采样点上稳定。前面的最少拍系统设 计，闭环Z传递函数φ(z)的全部节点都在z=0处，因此系统输出值在采样时刻的稳定性可以得到保证。但系统在采 样时刻的输出稳定并不能保证连续物理过程的稳定。如果控制器D(z)设计不当，控制量u就可能是发散的，系统 在采样时刻之间的输出值将以振荡形式发散，实际连续过程将是不稳定的。下面以一实例说明。
3.774 16.1z1 46.96z2 130.985z3
稳定性要求
从零时刻起的输出系列为0，1，1，…，表面上看来可一步到达稳态，但控制系列为3.774，16.1，49.96，-130.985，…，故是发散的。事实上，在采样点之间的输出值也是振荡发散的，所 以实际过程是不稳定的，如图所示。
第5章计算机控制系统间接设计法
s 平面的稳定域为 Re(s) 0，z 平面的稳定域为：
Re
z 1 T
0
令z
j
，则可写成：Re
j
T
1
0
j
s平面
Im z平面
0
0
0
Re
z 1
正向差分变换s平面与z平面的对应关系
双线性变换法
3、双线性变换法
双线性变换法又称突斯汀（Tustin）法，是一种基于梯 形积分规则的数字积分变换方法。
➢ G(s)所有的在 s 处的零点变换成在 z 1 处的零
点。
➢如需 D(z) 要的脉冲响应具有一单位延迟，则 D(z) 分子 的零点数应比分母的极点数少1。
➢要保证变换前后的增益不变，还需进行增益匹配。
零、极点匹配z变换
例5.2
求G(s) 1/(s a) 的零、极点匹配z变换。
零、极点匹配z变换
双线性变换法
例5.1
用双线性变换法将模拟积分控制器 D(s) U (s) 1 离散化
为数字积分控制器
E(s) s
脉冲响应不变法
4、脉冲响应不变法
所谓脉冲响应不变法就是将连续滤波器D(s) 离散得 到离散滤波器D(z) 后，它的脉冲响应gD (kT ) Z 1[D(z)]与 连续滤波器 g(t) L1[D(s)] 的脉冲响应在各采样时刻的值
数字PID算法
2、增量式PID控制算法
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量
u(k) 由递推原理可得
k 1
u(k 1) KPe(k 1) KI e( j) KD e(k 1) e(k 2) j0
用式u(k)减去u(k-1)，可得
u(k) KP e(k) e(k 1) KIe(k) KD e(k) 2e(k 1) e(k 2)
第5章继电器接触器控制系统设计
一、继电器-接触器控制系统设计的内容
5、明确有关操作方面的要求，在设计中实施。 如操纵台的设计、测量显示、故障诊断、 保护等措施的要求。
6、设计应考虑用户供电电网情况，如电网容 量、电流种类、电压及频率。
一、继电器-接触器控制系统设计的内容
继电器－接触器控制系统设计的内容可以分为两大部分，即 电气原理图设计和工艺设计。
例如，双速鼠笼式异步电动机，当定子绕组由三角形联接改接成双星形 联接时，转速增加1倍，功率却增加很少，因此，它适用于恒功率传动。对 于低速为星形联接的双速电动机改接成双星形后，转速和功率都增加1倍， 而电动机所输出的转矩却保持不变，它适用于恒转矩传动。他激直流电动机 的调磁调速属于恒功率调速，而调压调速则属于恒转矩调速。
• 分析调速性质和负载特性，找出电动机在整个调速范国内的转矩、功率与转 速的关系，以确定负载需要恒功率调速，还是恒转矩调速，为合理确定拖动 方案、控制方案，以及电机和电机容量的选择提供必要的依据。
一、继电器-接触器控制系统设计的内容
4、正确合理的选择电气控制方式是机床电气设计的主要内容。 ➢ 在一般普通机床中，其工作程序往往是固定的，使用中并不需
电气控制系统原理图的设计方法有2种，即经验设计法 (又称—般设计法)和逻辑设计法。
（一）分析设计法
1、分析设计法又称经验设计法
是根据生产工艺的要求去选择适当的基本控制环节（单元电路）或将比 较成熟的电路按各部分的联锁条件组合起来并加以补充和修改，综合成 满足控制要求的完整线路。
➢优点：
无固定的设计程序，设计方法简单，容易为初学者所掌握，对于具有 一定工作经验的电气人员来说，也能较快地完成设计任务，因此在电气 设计中被普遍采用。
1、根据选定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图， 拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。 2、根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电 路。对于每一部分电路的设计都是按照主电路→控制电路→联 锁与保护→总体检查，反复修改与完善的步骤来进行。
第5章-罗克韦尔PLC冗余控制系统-
如果一个冗余机架中有多于一个CNB模块，但是全部CNB模块在不同的网 络上，此时如果NUT值设置较大，控制器有可能在切换期间与模块通信中断，这 可能会改变输出状态，所以，每个网络的NUT值必须按照表5-1进行设置，以保 证PLC冗余控制系统正常运行。
3．冗余ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制系统的无扰切换
1 冗余控制系统的切换时间 罗克韦尔PLC冗余控制系统的切换时间取决于ControlNet网络的刷新时间（ NUT）。 2 冗余控制系统切换的数据完整性
4．冗余控制系统中ControlNet节点地址设置
在冗余机架中，CNB模块与对等方CNB模块共用一对ControlNet节点号， 如图5-9所示。
1．冗余控制系统的组成
1 冗余框架 2 控制器
3 CBN模块 4 ENBT模块 5 CNB和ENBT模块 6 SRM模块 • 2．冗余控制系统的网络刷新时间
（2）电源冗余 在使用冗余电源的PLC冗余控制系统中，需要使用两个冗余电源，1756PA75R和1756-PB75R可以任意组合。报警器接线可以连接电源模块和输入模块 ，如图5-7所示。
（3）系统框架冗余 在使用冗余系统框架的PLC控制系统中，冗余框架的尺寸大小必须相同，框架 的槽设置必须相同，如图5-8所示。
1. PLC冗余控制系统概述 2. 罗克韦尔PLC冗余控制系统架构 3. 罗克韦尔PLC冗余控制系统设计
如图5-1所示为冗余系统示意图。
1．冗余控制系统和热备用系统
所谓“冗余”系统，是指整个PLC控制系统由两套完全相同的系统组成，其 中一套在系统正常工作时并不需要，如图5-2所示。
在热备用（Hot）系统中，两台CPU用通信接口连接在一起，均处于通电状 态，如图5-3所示。
软件冗余系统中PLC内部的运行过程如图5-4所示。
3．冗余ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制系统的无扰切换
1 冗余控制系统的切换时间 罗克韦尔PLC冗余控制系统的切换时间取决于ControlNet网络的刷新时间（ NUT）。 2 冗余控制系统切换的数据完整性
4．冗余控制系统中ControlNet节点地址设置
在冗余机架中，CNB模块与对等方CNB模块共用一对ControlNet节点号， 如图5-9所示。
1．冗余控制系统的组成
1 冗余框架 2 控制器
3 CBN模块 4 ENBT模块 5 CNB和ENBT模块 6 SRM模块 • 2．冗余控制系统的网络刷新时间
（2）电源冗余 在使用冗余电源的PLC冗余控制系统中，需要使用两个冗余电源，1756PA75R和1756-PB75R可以任意组合。报警器接线可以连接电源模块和输入模块 ，如图5-7所示。
（3）系统框架冗余 在使用冗余系统框架的PLC控制系统中，冗余框架的尺寸大小必须相同，框架 的槽设置必须相同，如图5-8所示。
1. PLC冗余控制系统概述 2. 罗克韦尔PLC冗余控制系统架构 3. 罗克韦尔PLC冗余控制系统设计
如图5-1所示为冗余系统示意图。
1．冗余控制系统和热备用系统
所谓“冗余”系统，是指整个PLC控制系统由两套完全相同的系统组成，其 中一套在系统正常工作时并不需要，如图5-2所示。
在热备用（Hot）系统中，两台CPU用通信接口连接在一起，均处于通电状 态，如图5-3所示。
软件冗余系统中PLC内部的运行过程如图5-4所示。
第5章简单控制系统
G p ( s) Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
图5-6 由控制器和广义被控对象组成的简单控制系统
12
5.2 简单控制系统的设计
过程控制系统设计是过程工艺、仪表或计算 机和控制理论等多学科的综合。
13
在简单控制系统设计中的主要任务是： ——被控变量和操作（或控制）变量的选择 ——建立被控对象的数学模型 ——控制器的设计 ——测量变送装置的选型 ——执行器的选型
水位过低：则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生 事故； 水位过高：生产的蒸汽含水量高， 会影响蒸汽质量。 锅炉汽包液位是一个 重要的工艺参数。
4
为了保持液位为定值，手动控制时主要有三步： ① 观察被控变量的数值——汽包的液位； ② 把观察到的被控变量的值与设定值加以比较，根 据两者的偏差大小或随时间变化的情况，做出判断； ③ 操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Gd ( s ) Y ( s) R( s ) D( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s) Y (s) R( s) 1 Gc ( s)Gv ( s)G0 ( s)Gm ( s)
42
●控制器的正反作用的确定
（实际控制器）×（执行器）×（被控对象）× （测量变送单元）=（-）
简化为：
(实际控制器)×(执行器)×(被控对象)=（-）
43
逻辑推理法和判别式法
(1) 逻辑推理法
44
45
控制信号u↑→蒸汽调节阀的开度↑→介质出 口温度 y↑ 如果介质出口温度 y升高了， 自动控制器就应减小其输出信号u 才能正确地起负反馈控制作用。 控制器应置于反作用方式下。
第五章2前馈-反馈控制系统
东北大学
5.2.3 前馈控制规律
2.模拟仪表实施
• KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。
WFF (s) K F
•
KF
T1 s T2 s
1 1
型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。
不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为：
m
f
(t)
1
T2 T1 T2
T2s 1
-
+
输出
+
K
t
W
f
(s)
K
f
[
T2
K s 1
1
K
]
K T1 1 T2
令K T1 1时，有 T2
Wf
(s)
K
f
[(T1/T2 )-1 T2s 1
1
T1 T2
1]
Kf
T1s 1 T2s 1
东北大学
常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
(3)前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要 受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致扰动通道 的传递函数和控制通道的传递函数的变化。
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
3．前馈-反馈控制系统
反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值； 前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高 控制质量。 在过程控制中这是一种较理想的控制方案.
误差分析： 由于对象干扰通道和调节通道的动态特性
不同所引起的动态偏差，这种偏差是静 态前馈控制无法避免的。
5.2.3 前馈控制规律
2.模拟仪表实施
• KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。
WFF (s) K F
•
KF
T1 s T2 s
1 1
型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。
不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为：
m
f
(t)
1
T2 T1 T2
T2s 1
-
+
输出
+
K
t
W
f
(s)
K
f
[
T2
K s 1
1
K
]
K T1 1 T2
令K T1 1时，有 T2
Wf
(s)
K
f
[(T1/T2 )-1 T2s 1
1
T1 T2
1]
Kf
T1s 1 T2s 1
东北大学
常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
(3)前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要 受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致扰动通道 的传递函数和控制通道的传递函数的变化。
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
3．前馈-反馈控制系统
反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值； 前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高 控制质量。 在过程控制中这是一种较理想的控制方案.
误差分析： 由于对象干扰通道和调节通道的动态特性
不同所引起的动态偏差，这种偏差是静 态前馈控制无法避免的。
过程控制-第5章-前馈控制系统-xu
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
对象
④只对被测量的可测而不可控的扰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有校正作用， 而对系统中的其他扰动无校正作用。 即前馈控制具有指定性补偿的局限性。 ⑤前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性， 因此，有时控制规律比较复杂。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
FS N W ff
X
Y2
cp hS
( X Y2 ), X 设定温度
cp hS
Σ
Mff FS
-
× N
×
FC
Cp/hS
Y
静态前馈控制原理图
2、 前馈-反馈复合控制系统
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最 后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的 校正。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Wo(s)和Wf(s)的变化。
?前馈基于干扰控制反馈基于偏差控制?抑制干扰前馈控制比反馈控制及时有效?前馈控制属于开环控制系统反馈控制是闭环控制系统?前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器反馈控制采用通用pid控制器?一种前馈控制只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制的应用场合??系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰这些干扰对被控参数影响显著单用反馈控制达不到质量要求时
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
对象
④只对被测量的可测而不可控的扰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有校正作用， 而对系统中的其他扰动无校正作用。 即前馈控制具有指定性补偿的局限性。 ⑤前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性， 因此，有时控制规律比较复杂。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
FS N W ff
X
Y2
cp hS
( X Y2 ), X 设定温度
cp hS
Σ
Mff FS
-
× N
×
FC
Cp/hS
Y
静态前馈控制原理图
2、 前馈-反馈复合控制系统
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最 后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的 校正。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Wo(s)和Wf(s)的变化。
?前馈基于干扰控制反馈基于偏差控制?抑制干扰前馈控制比反馈控制及时有效?前馈控制属于开环控制系统反馈控制是闭环控制系统?前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器反馈控制采用通用pid控制器?一种前馈控制只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制的应用场合??系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰这些干扰对被控参数影响显著单用反馈控制达不到质量要求时
过程控制第5章简单控制系统设计
3、干扰通道动态特性的影响
干扰通道传函：
W f (s)
Kf Tf s 1
e
f s
干扰通道时间常数 Tf ？ Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越 有利于改善控制质量 干扰通道滞后时间τ
f
无纯滞后 有纯滞后
?
干扰通道的纯滞后τ f仅使干扰对被控变量的 影响推迟了时间τ f ，不会影响控制质量
5.1 简单控制系统的构成
PC 101
压力控制系统
压力控制系统流程图
被控变量：水泵出口压力。 控制变量：旁路流量。
5.1.2 控制系统的工程表示及方框图
工艺控制流程图： 管道、仪表流程图 在工艺设计 给出的流程 图上，按流 程顺序标注 出相应的测 量点、控制 点、控制系 统及自动信 号。
(1)图形符号
GP(S)
蒸 汽
fP
1 100S+1
1 100S+1
e-3S
e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
T1
乳化物干燥系统示意图
乳化物干燥系统被控对象对象方块图
fQ
fW 1 100S+1 e-3S e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) T1
控制方案：
fQ
fP
1 100S+1
Y(S) Km TmS+1 Z(S) U(S) (TdS+1)
测量、变送装置与微分器连接示意图
U ( s) 若Td Tm时 : Km Y ( s)
但是，微分环节会放大测量、变送回路的高频噪声，使得系统稳定 性变差，因此，要合理使用。
2. 测量信号的处理
第5章状态反馈控制器设计
第5章状态反馈控制器设计第5章是关于状态反馈控制器设计的，状态反馈控制器是一种常用的控制器设计方法。
它基于系统的状态变量来设计控制器的反馈信号，以达到控制系统的稳定性、性能和鲁棒性要求。
在状态反馈控制器设计中，首先需要确定系统的状态方程，也就是描述系统动态特性的微分方程。
然后，根据系统的状态方程，可以得到系统的状态变量的表达式。
状态变量是可以直接测量或估计的物理量，如位置、速度、加速度等。
接下来，需要设计控制器的反馈信号的表达式。
为了保证控制系统的稳定性，通常选择线性组合的形式，即反馈信号是状态变量的线性组合。
选择合适的线性组合方式可以使得控制系统的响应更快、稳态误差更小。
常用的状态反馈控制器设计方法有两种：全局状态反馈和局部状态反馈。
全局状态反馈是指控制器的反馈信号包含所有的状态变量，可以使得控制系统的稳定性得到保证。
局部状态反馈是指控制器的反馈信号只包含部分的状态变量，可以使得控制系统的性能得到提升。
在设计状态反馈控制器时，需要满足以下几个步骤：1.系统模型化：将系统的动态特性表达为状态空间模型。
状态空间模型可以用矩阵形式表示，包括状态方程、输出方程和初始条件。
2.系统可控性分析：通过计算系统的可控性矩阵来判断系统是否是可控的。
如果可控性矩阵的秩等于系统的状态变量的个数，则系统是可控的，可以设计状态反馈控制器。
3.控制器设计：选择合适的反馈信号的线性组合方式，设计控制器的反馈矩阵。
反馈矩阵的选择会影响到控制系统的稳定性、性能和鲁棒性。
通常，可以使用经验法则、优化算法或者现代控制理论来进行设计。
4.控制器实现：将控制器的反馈信号与系统的输出信号进行比较，计算出控制器的输出信号。
根据控制器的输出信号来调节系统的输入信号，以实现对系统状态的控制。
最后，需要对设计出的状态反馈控制器进行仿真验证和实验测试。
通过仿真和实验可以评估控制系统的性能，并对控制器进行进一步的改进和优化。
总结起来，状态反馈控制器是一种基于系统状态变量的控制器设计方法。
14第五章 顺序控制系统
顺序控制系统（sequence-顺序 control-控制 SYSTEM-系统）：一般简称SCS，它的功能是对大 型火电单元机组热力系统和辅机，包括电动机、阀
门、挡板的启、停和开、关进行自动控制。例如现 场的电动或汽动闸门等设备都在SCS控制下运行。 SCS举例：上海石洞口二厂600MW机组的SCS按 工艺特点设置了40个功能组，工控制机、炉辅机93 台、阀门139个、主要挡板20台（不包含次要控制 机构）。
11）吸风机A、B都停或者B 运行，且送风机A和B至少有 一台运行。（没有对应电路）
6）吸风机B入口档板关或 吸87风））机吸吸B风风在机机运AB行入出。口口动档叶板开关或 9）1板口空吸吸立4档0、开档）气风风，板5，板除预机机都关）或开尘热B的会吸在除和器器断导风运尘除AA路致机1和行器尘器该和入B。器B信OA口O1（连F2号、N、F入任通。不成B出口意2档成立口入档） 板开。
• 吸风机入口档板控制逻辑 1）打开入口档板逻辑：出现功能组开档板指令或系 统产生的自动开信号（一般自动开连锁信号，某些设 备运行需要吸风机A档板打开而不许关闭称为开连锁 信号） 2）关闭入口档板：在关闭条件成立后入口档板自动 关闭（条件：没有自动开连锁信号时，吸风机停止运 行） 自动关连锁信号产生的入口档板关闭过程： 在A吸风机停止后，而B还在运行，功能组会产生一 个入口档板自动关连锁信号，在关闭入口档板条件满 足的情况下（例如没有自动开连锁信号），产生如下 连锁动作：A）关闭A吸风机入口动叶；B）自动连锁 A吸风机出口档板关闭；C）关闭吸风机A入口档板
MODI COM9
84B
MOD-300通讯接口
逻辑I/O 逻辑I/O 逻辑I/O
逻辑I/O 逻辑I/O 逻辑I/O
MOD-300通讯接口
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中断判优逻辑(经典电路perfect!!!)
1. 硬件排队
有串行排队判优逻辑和并行排队判优逻辑两种。 串行排队判优逻辑如图5.38。并行排队判优逻辑 如下： INTP1 INTP INTP INTP
2 3 4
1
1
1
1
1
&
&
&
INTR1
优先级 高(先)
INTR2
INTR3
INTR4
低(后)
例如：INTR2和INTR3同时有效
CPU PC ⑤ 中断 系统 ② MAR ① CU MDR
② ③ ④ 存储器
地 址 总 线
数 据 总 线
控 制 总 线
指令流水
1. 提高计算机运行速度的途径 提高器件的性能 改进系统的体系结构，开发系统的并行性 2. 指令流水
取指令1 执行指令1 取指令2 执行指令2 取指令3 执行指令3 … 指令的串行执行(指令的一级流水)
空间 执行部件 执行指令1 执行指令2 执行指令3 取指令部件 取指令1 取指令2 取指令3 指令的二级流水 时间
影响流水线性能的因素
1. 资源相关 2. 数据相关 3. 控制相关
中断系统
当前的计算机系统中，除了输入/输出外，还有 很多事情都可以通过中断的方式来处理。为此， CPU中设有专门的中断处理机构，即中断系统，以 解决各种中断的共性问题。
本章作业
P371 2、4、24、25
1、2问题：中断请求标记和中断判优逻辑 1.中断请求标记 产生中断信号
在中断系统中，为每一个中断源设置一个中断 请求触发器（INTR），用以记录有无中断请求。
2.中断判优逻辑 判断中断的优先级
由于CUP一次只能执行一个程序，当多个中断 源同时向CPU提出中断请求时，CPU必须按中断源 的优先次序依次响应。中断判优逻辑就是通过硬 件或软件的方法实现优先级判别。 各种断源的优先级是根据中断源的类型事先 设计好的。
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第八章 CPU的结构和功能
（课时：4）
一、CPU功能、结构
二、指令周期 三、指令流水
四、CPU中的中断系统
CPU的功能
CPU是计算机中执行程序的部件。表现在四方 面的功能，由不同部件完成。
1.顺序控制：即对程序中指令的执行顺序加
以控制；
2.操作控制：按照一条指令要完成的功能，
向相应部件发出操作控制信号; 3.时间控制：对各种操作执行的时间进行定 时； 4.数据加工：对数据进行各种运算处理；
有间址吗？
N Y
间址周期
执行周期
有中断吗？
N Y
中断周期
CPU周期（或称机器周期）
取址周期、间址周期、执行周期和中断周期同称为CPU工作 周期 | CPU周期 | 机器周期(MC)。 在CPU内分别由四个标志触发器，标志指令周期的不同阶段。
取 指 周 期 FE 间 址 周 期 IND 执 行 周 期 EX 中 断 周 期 INT
CPU结构
采用系统总线的CPU结构框图
CPU
ALU
中断 系统
寄存器
控制 单元
控 制 总 线
数 据 总 线
地 址 总 线
系统总线
CPU中的主要寄存器(7种)
用户可见寄存器(3种) • 通用寄存器组(R0~~R3) • 累加寄存器（ACC） • 状态条件寄存器（PSW） 用户不可见寄存器(4种) • 存储器地址寄存器（MAR/AR） • 存储器数据寄存器（MDR/DR） • 指令寄存器（IR） • 程序计数器（PC）
3. 屏蔽技术(经典!!!!)
① 屏蔽触发器和屏蔽字 在中断系统中，为每个可屏蔽中断源设置一个屏 蔽触发器（MASKi）， 当MASKi=1时，对应中断源被 屏蔽，CPU不能得到此中断源的请求。
INTP1
1 1
INTP2
1 &
INTP3
1 &
INTP4
1 &
具有屏蔽功能 的排队器
MASK1 MASK2 MASK4 MASK3 INTR1 INTR2 INTR3 INTR4
中断服务程序内完成。 通常，现场保护和恢复在系统堆栈中实现。
中断屏蔽技术
1. 多重中断的概念
例行程序(取指+间指+执行+中断检测)
A服务程序 A中断源 请求 B中断源 请求(被拒绝)
B服务程序
单重中断过程示意
例行程序 A服务 B服务 C服务
程序
A中断源 请求
程序
程序
B中断源 请求
C中断源 请求
多重中断过程示意
CPU取出并执行完一条指令所需要的时间叫作指 令周期。指令周期又包含：取指令、分析指令和执 行指令三个阶段，其中分析指令时间很短，可以合 并至取指令阶段。 CPU指令周期=取值周期+(间址周期)+执行周期
取指阶段 执行阶段
取指周期 执行周期 指令周期
由于各种指令所完成的操作及寻址方式不同, 故各种指令的指令周期是不等长的。 例如：
1. 硬件向量法(两种实现方法)针对硬件排队 利用硬件产生向量地址，再由向量地址找到中断 服务程序入口地址。 实现时可以采取两种办法。一种如图5.40；另一 种是在主存中留出一段区域，用以存放中断向量表。
中断向量地址
…
主存 中断服务程序 入口地址 或称中断向量
…
1.向量地址 形成部件
…
向量地址
12H 13H 14H
2. 间址周期
以 ADD @X 指令为例
CPU MAR ②
③ CU
① MDR ④ 地 址 总 线
存储器
数 据 总 线
控 制 总 线
3. 执行周期
以 ADD @X 指令为例
ALU
② MAR CU ① MDR ③ ④ 存储器
⑥
⑤ ACC
⑤
CPU
地 址 总 线
数 据 总 线
控 制 总 线
4. 中断周期
JMP X
取指周期 指令周期 取指周期 执行周期
ADD X
指令周期 ADD @X 取指周期 间址周期 指令周期 MUL X 取指周期 执行周期 指令周期 执行周期
指令周期流程图(perfect!!!)
CPU在每条指令执行阶段结束前，都要发出中断查询信号， 以检查是否有中断请求。若有，则进入中断周期，进行中断 响应。否则，进入下一条指令周期。 取指周期
2. 中断的响应时间
中断请求是随机产生的，但CPU只有在指令执行周期 结束后，才能响应中断源的中断请求。 通常，CPU在指令的执行周期结束时刻向所有中断源 发出中断查询信号，获知是否有中断请求，继而进入中断 周期。
3. 中断隐指令
在中断周期内，CPU要自动完成：
① 保护程序断点 ② 获得中断服务程序入口地址 ③ 关中断 的操作， 对于程序设计者来说，这些操作可以认为由一条隐含指令 完成，称为中断隐指令。
200 300 400
…
INTP1 INTP2
INTPn
2. 软件查寻法—针对软件排队
对应于软件排队判优法。利用跳转指令直接转移 至中断服务程序入口处。
中断响应
1.中断的响应条件(总允许EINT和分项允许)
中断系统中设置了一个中断允许触发器 （EINT），它可通过开、关中断指令来置位和复 位。当EINT=1时，表示开中断，即CPU允许响应 中断请求；当EINT=0时，表示关中断，即CPU不 允许响应中断请求。所以，CPU响应中断请求的必 要条件是：EINT=1，且有中断请求（INTRi=1）。
D
CLK 1→ FE
D
D
D
1→ IND
1→ EX
1→ INT
通常，CPU周期取值与存储器的读写周期相同。
指令周期数据流
为了教学的目的，采用一个假想计算机模 型，说明各CPU周期中的数据流。 1. 取指令周期
CPU
PC ⑤ ① MAR ③ CU ⑤ IR MDR 存储器 ②
⑥
④
地 址 总 线 数 据 总 线 控 制 总 线
中断源及其分类
把能引起中断的事件或能够发生中断请求的来 源称为中断源。可分为以下几类：
中断源分类
内部中断：CPU执行程序引起的中断。 中断源
例如：软中断或称自愿中断 程序性事故
外部中断：系统中硬件引起的中断。
例如：I/O设备 硬件故障
中断系统须解决的7大问题:
1. 各中断源如何向CPU提出中断请求，CPU如何识别中 断源;如何发出中断信号? 2. 当多个中断源同时提出请求时，如何确定优先响应 顺序;中断优先级 3. CPU在什么条件、什么时候、以什么方式响应中断； 4. 响应中断后，如何保护现场及断点； 5. 如何停止现行程序，如何转到中断服务程序的入口 处； 6. 中断结束后，如何恢复程序现场及原程序的执行； 7. 在中断处理过程中，若又出现了新的中断请求， CPU如何处理。
优先级 高 低
将所有中断源的屏蔽触发器组合在一起，便 构成了一个屏蔽寄存器。 若有16个可屏蔽中断源，其优先级由高到底 依次为1~16，在屏蔽寄存器依次分别占15~0位， 按照一般嵌套规则，在各级中服务程序中，设置 屏蔽字内容如下表。其中，CPU可认为是由优先 级最低的，即在例行程序中设置的全“0”屏蔽字， 允许任何中断源中断。
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指令的执行过程
—取指令
指令地址送入主存地址寄存器 读内存，读出内容送入指令寄存器 形 成 下 一 条 指 令 地 址
—分析指令
指令操作码译码
—按指令规定内容执行指令
不同指令的操作步骤数， 和具体操作内容差异很大
—指令执行完后检查有无中断请求
若有，则转中断处理 若无，则转入下一条指令的执行过程
指令周期