第5章 计算机控制系统模拟化设计
第五章数字控制器的离散化设计方法
第五章数字控制器的离散化设计⽅法第五章数字控制器的离散化设计⽅法数字控制器的连续化设计是按照连续控制系统的理论在S 域内设计模拟调节器，然后再⽤计算机进⾏数字模拟，通过软件编程实现的。
这种⽅法要求采样周期⾜够⼩才能得到满意的设计结果，因此只能实现⽐较简单的控制算法。
当控制回路⽐较多或者控制规律⽐较复杂时，系统的采样周期不可能太⼩，数字控制器的连续化设计⽅法往往得不到满意的控制效果。
这时要考虑信号采样的影响，从被控对象的实际特性出发，直接根据采样控制理论进⾏分析和综合，在Z 平⾯设计数字控制器，最后通过软件编程实现，这种⽅法称为数字控制器的离散化设计⽅法，也称为数字控制器的直接设计法。
数字控制器的离散化设计完全根据采样系统的特点进⾏分析和设计，不论采样周期的⼤⼩，这种⽅法都适合，因此它更具有⼀般的意义，⽽且它可以实现⽐较复杂的控制规律。
5.1 数字控制器的离散化设计步骤数字控制器的连续化设计是把计算机控制系统近似看作连续系统，所⽤的数学⼯具是微分⽅程和拉⽒变换；⽽离散化设计是把计算机控制系统近似看作离散系统，所⽤的数学⼯具是差分⽅程和Z 变换，完全采⽤离散控制系统理论进⾏分析，直接设计数字控制器。
计算机采样控制系统基本结构如图5.1所⽰。
图中G 0(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器的传递函数，G(z)是⼴义被控对象的脉冲传递函数，D(z)是数字控制器的脉冲传递函数， R(z)是系统的给定输⼊，C(z)是闭环系统的输出，φ(z)是闭环系统的脉冲传递函数。
零阶保持器的传递函数为：se s H Ts--=1)( （5-1）⼴义被控对象的脉冲传递函数为：[])()()(0s G s H Z z G = （5-2）由图可以求出开环系统的脉冲传递函数为：图5.1 计算机采样控制系统基本结构图)()()()()(z G z D z E z C z W == （5-3）闭环系统的脉冲传递函数为：()()()()()1()()C zD z G z z R z D z G z Φ==+ （5-4）误差的脉冲传递函数为：()1()()1()()e E z z R z D z G z Φ==+ （5-5）显然 )(1)(z z e Φ-=Φ（5-6）由式（5-4）可以求出数字控制器的脉冲传递函数为：)](1)[()()(z z G z z D Φ-Φ= （5-7）如果已知被控对象的传递函数G 0(s)，并且可以根据控制系统的性能指标确定闭环系统的脉冲传递函数φ(z)，由上式可以得到离散化⽅法设计数字控制器的步骤：（1）根据式（5-2）求出⼴义被控对象的脉冲传递函数G(z)。
计算机控制数字控制器的连续设计方法
数字控制器旳连续设计措施
引言
自动化控制系统旳关键是控制器。控制器旳任务是按照一定旳控制规律，产生满足工艺要求旳控制信号，以输出驱动执行器，到达自动控制旳目旳。在老式旳模拟控制系统中，控制器旳控制规律或控制作用是由仪表或电子装置旳硬件电路完毕旳，而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要旳体目前软件算法上，即数字控制器旳设计上。
目旳：希望混合系统和等效连续系统旳特征尽量接近
量化单位
模拟量经A/D转换之后才干进入计算机，所以模拟量经过了整量化，假如整量化单位过大，相当于系统中引入了较大旳干扰。但是这个问题在工程上能够实现旳条件下，能够经过增长A/D转化旳位数来将干扰限制在很小旳程度。例如一种5V基准电源转换器，当位数n=8时，辨别率δ=20mV;当n=12时，辨别率 δ=1.25 mV，量化单位已很小，完全能够看成连续信号。
5.1.1 混合系统概念
图5-1 混合系统
5.1.2 等效连续系统
图5-2 等效连续系统
怎样确保离散化后信息不丢失？问题：按连续系统设计措施设计数字控制系统旳条件是什么？
量化单位：经过增长A/D转换旳位数实现。采样周期旳选择：采样频率旳高下会影响系统旳动态特征
5.1.3 等效连续系统旳两个条件
香农采样定理: 采样角频率ωs≥2ωmax,ωmax为连续信号旳最大频率分量，连续信号能够由它旳采样信号复现。 零阶保持器旳传递函数为
其频率特征是
采样周期旳选择
图5-3 零阶保持器旳幅频和相频特征
零保持器带来旳附加相移为：
当采样频率取为10倍信号主频率旳最高频率时，
结论：采用连续设计措施，用离散控制器去近似连续控制器，要求有相当短旳采样周期。
微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进展检测，并输入给计算机。
(2)实时控制决策：对采集到的表征被控参数的状态量进展分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制输出：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时〞，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进展处理，并在一定的时间内作出反响并进展控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线〞方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接及计算机连接，生产过程直承受计算机的控制，就叫做“联机〞方式或“在线〞方式。
(3)“离线〞方式：假设生产过程设备不直接及计算机相连接，其工作不直承受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进展联系并作相应操作的方式，那么叫做“脱机〞方式或“离线〞方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几局部组成？各局部的作用是什么？由四局部组成。
(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个局部发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进展实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进展各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进展监视，使之处于最优工作状态；对事故进展预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进展信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进展控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进展信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
《计算机控制及网络技术》-第5章 计算机控制系统间接设计法
1. 离散与连续等效设计的基本步骤
2.离散与连续等效设计方法 3.数字PID控制器设计 4.改进的数字PID控制算法 5.数字PID控制器的参数整定
1离散与连续等效设计的基本步骤
s
连续域－离散化设计是先在连续域（ 平面）上进 行控制系统的分析、设计，得到满足性能指标的连续控 制系统，然后再离散化，得到与连续系统指标相接近的 计算机控制系统。下面具体说明设计步骤：
D( s)
Y ( s)
这里的采样保持器是一个虚拟的数字模型，而不是实际 硬件。由于这种方法加入了零阶保持器，对变换所得的 离散滤波器会带来相移，当采样频率较低时，应进行补 偿。零阶保持器的加入，虽然保持了阶跃响应和稳态增 益不变的特性，但未从根本上改变Z变换的性质。
阶跃响应不变法
阶跃响应不变法的特点如下： 若 D( s )稳定，则相应的 D( z )也稳定； D( z ) 和 D( s ) 的阶跃响应序列相同；
零、极点匹配z变换
6、零、极点匹配z变换法 所谓零、极点匹配z变换法，就是按照一定的规则 把的 G ( s ) 零点映射到离散滤波器 D( z ) 的零点，把G ( s )的 极点映射到 D( z )的极点。极点的变换同z变换相同，零 点的变换添加了新的规则。 设连续传递函数
G ( s的分母和分子分别为n阶和m阶，称 )
sT
G ( s ) 所有的在 点。
s 处的零点变换成在
z 1 处的零
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
第5章(592)
第 5 章 计算机控制及接口技术
5.1 概 述
5.1.1 计算机控制系统的组成
将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实 现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图5-1所示。因 此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的
第 5 章 计算机控制及接口技术
图 5-1 计算机控制系统的基本框图
第 5 章 计算机控制及接口技术
4. 分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。 同时，设备一般分布在不同的区域，其中各工序、各设备同 时并行地工作，基本上是相互独立的，故全系统是比较复杂 的。这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不 同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。 图5-6是一个四级计算机控制系统。其中，过程控制级为最 底层，对生产设备进行直接数字控制； 车间管理级负责本车 间各设备间的协调管理； 工厂管理级负责全厂各车间的生产 协调， 包括安排生产计划、备品备件等； 企业(公司)管理级 负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向 的决策等。
第 5 章 计算机控制及接口技术
图 5-6 计算机分级控制系统
第 5 章 计算机控制及接口技术
5.1.3
1. 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数 进行测量与控制的系统称为计算机过程控制系统。图5-7介绍 了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气， 为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比 值恒定。图中描述了燃料和空气的比值控制过程，它可以防 止空气太多时，过剩空气带走大量热量； 也可防止当空气太 少时，由于燃料燃烧不完全而产生过多的一氧化碳或碳黑。 为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入计算机计算，进而 控制燃料和空气阀门的开度。
第五章 机电一体化控制系统及其模块电路设计
图5-1 专用微机控制系统的组成
第二节 机电一体化控制系统微控制器的选择
一、微型计算机的系统构成： 人们经常提到“微机”这个术语，该术语是三个概念的 统称，即微处理器、微型计算机与微型计算机系统。 微处理器简称μP或MPU或CPU，它是一个独立的芯片，内 部含有数据通道、多个寄存器、控制逻辑部件、运算逻辑部 件以及时钟电路等。 微型计算机简称μC或MC，它是以微处理器为核心，加上 ROM、RAM、I/O接口电路、系统总线以及其他支持逻辑电 路所组成的计算机。如果以上各部分均集成在一个芯片，那 么这个芯片就叫微控制器，简称MCU，也就是人们常说的 单片机。 微型计算机系统简称MCS，一般将配有系统软件、外围设 备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统。 本节主要针对机电一体化设备专用微机控制系统，来讨 论微处理器与微控制器的选择。
集成稳压器的功能是将非稳定的直流电压变换成稳 定的直流电压。集成稳压器按工作方式可分为串联型 稳压器、并联型稳压器和开关型稳压器三种。其中开 关型稳压器的效率最高，可达70%以上，但其输出电 压的纹波较大；并联型稳压器输出电流小，但是电压 的稳定度高，主要用来作电压基准；串联型稳压器的 效率虽较低，但其输出电流范围较宽，主要用于低电 压、小电流的场合，比如，给控制系统的主机电路供 电等。
1）三端固定正电压稳压器 常用型号为7800系列。图5-2是7800稳压器的 外观图和元件符号，图a为金属封装，输出 电流较大；图b为塑料封装，输出电流较小； 图c是7800稳压器的电路符号。7800系列正 稳压器常见的标称输出电压有+5V、+6V、 +8V、+9V、+12V、+15V、+18V、+20V、 +24V等。
《计算机控制技术》教学大纲
《计算机控制技术》课程标准（执笔人：韦庆审阅学院：机电工程与自动化学院）课程编号：0811305英文名称：Computer Control Techniques预修课程：计算机硬件技术基础B、自动控制原理B、现代控制理论学时安排：36学时，其中讲授32学时，实践4学时。
学分：2一、课程概述（一）课程性质地位本课程作为《自动控制理论》的后续课程，是控制科学与工程、机械工程及其自动化和仿真工程专业本科学员理解和掌握计算机控制系统设计的技术基础课。
（二）课程基本理念本课程作为一门理论与工程实践结合紧密的技术基础课，结合自动控制原理技术、微机接口技术，以学员掌握现代化武器装备为目的。
本课程既注重理论教学，也注重教学过程中的案例实践教学环节，使学员在掌握基本理论的基础上，通过了解相关实际系统组成，综合培养解决工程实际问题的能力。
（三）课程设计思路本课程主要包括计算机控制原理和计算机控制系统设计两大部分。
在学员理解掌握自动控制原理的基础上，计算机控制原理部分主要介绍了离散系统的数学分析基础、离散系统的稳定性分析、离散系统控制器的分析设计方法等内容；计算机控制系统设计部分结合实际的项目案例，重点介绍了计算机控制系统的组成、设计方法和步骤、计算机控制原理技术的应用等内容。
二、课程目标（一）知识与技能通过本课程的学习，学员应该了解计算机控制系统的组成，理解计算机控制系统所涉及的采样理论，掌握离散控制系统稳定性分析判断方法，掌握离散控制系统模拟化、数字化设计的理论及方法，掌握一定的解决工程实际问题的能力。
（二）过程与方法通过本课程的学习和实际系统的演示教学，学员应了解工程实际问题的解决方法、步骤和过程，增强积极参与我军高技术武器装备建设的信心。
（三）情感态度与价值观通过本课程的学习，学员应能够提高对计算机控制技术在高技术武器装备中应用的认同感，激发对自动化武器装备技术的求知欲，关注高技术武器装备技术的新发展，增强提高我军高技术武器水平的使命感和责任感。
于海生---微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
!(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么—由四部分组成。
图微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
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讲 数字控制器的设计
• 数字控制器概念 • 数字控制器的设计方法 • 模拟系统的离散化方法
计算机控制技术
3
第5讲 数字控制器的设计
一、数字控制器的概念
1.什么是控制器？ 按照给定的系统性能指标和系统的原始数学模型， 依据闭环控制结构，设计出的使原有系统满足控制 要求的功能模块。
设定值 + -
控制器
被控对象
（2）微分饱和： 1)当出现高频干扰时→微分项输出幅值大且持续时间短，由于
执行机构的动作范围有限和它的惯性→执行机构动作不到位，引起 系统振荡或长期波动（微分饱和）
2)偏差e(k) 突然变大时，控制器的输出在偏差产生的那一个 采样周期内，微分输出的数值很大，可能使执行机构发生饱和 抑制方法：不完全微分PID
模拟PID控制算法
u(
t
)
KP
[ e(
t
)
1 Ti
0t e(
t
)dt
Td
de( t dt
)
]
将上式离散化（积分用求和代替、微分用后向差分代替）后，得到
u(
k
)
K
P
[
e(
k
)
T Ti
k
e(
j0
j )Td
e( k )e( k 1 ) ] T
式（5-2）
计算机控制技术
19
第5讲 数字控制器的设计
特点：1）式（5-2）的控制算法提供了执行机构的位置与时间的
计算比例项输出 KP[e(k)-e(k-1)]
计算积分项 的累加和输出
计算积分项 输出KPKie(k)
计算微分项 输出
计算微分项输出 KPKd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
计算机控制系统(5)
第5章计算机控制系统特性分析计算机控制系统特性分析就是从给定的计算机控制系统数学模型出发，对计算机控制系统在稳定性、准确性、快速性三个方面的特性进行分析。
通过分析，一是了解计算机控制系统在稳定性、准确性、快速性三个方面的技术性能，用以定量评价相应控制系统性能的优劣；更重要的是，建立计算机控制系统特性或性能指标与计算机控制系统数学模型的结构及其参数之间的定性和定量关系，用以指导计算机控制系统的设计。
本章主要内容有：计算机控制系统稳定性分析，稳态误差与动态响应分析。
5.1计算机控制系统稳定性分析与模拟控制系统相同，计算机控制系统必须稳定，才有可能正常工作。
稳定是计算机控制系统正常工作的必要条件，因此，稳定性分析是计算机控制系统特性分析的一项最为重要的内容。
5.1.1连续系统稳定性及稳定条件离散系统稳定性和连续系统稳定性含义相同。
对于线性时不变系统而言，无论是连续系统还是离散系统，系统稳定是指该系统在平衡状态下（其输出量为某一不随时间变化的常值或零），受到外部扰动作用而偏离其平衡状态，当扰动消失后，经过一段时间，系统能够回到原来的平衡状态（这种意义下的稳定通常称为渐近稳定）。
如果系统不能回到原平衡状态，则该系统不稳定。
线性系统的稳定性是由系统本身固有的特性所决定的，而与系统外部输入信号的有无和强弱无关。
线性时不变连续系统稳定的充要条件是：系统的特征方程的所有特征根，亦即系统传递函数)(s W 的所有极点都分布在S 平面的左半平面，或者说，系统所有特征根具有负实部，设特征根ωσj s i i +=，则0<i σ。
S 平面的左半平面是系统特征根（或极点）分布的稳定域，S 平面虚轴是稳定边界。
若系统有一个或一个以上的特征根分布于S 平面的右半平面，则系统就不稳定；若有特征根位于虚轴上，则系统为临界稳定，工程上也视为不稳定。
5.1.2 S 平面与Z 平面的映射关系在第3章中定义Z 变换时，规定了z 和s 的关系为Tse z = （5.1）式中，z 和s 均为复变量，T 是采样周期。
第五章 思考题域习题
第五章 思考题域习题5.1 试叙述数字控制器的连续化设计步骤。
答：1．设计模拟控制器根据给定被控对象的特性及设计要求的性能指标，利用连续系统中的设计方法设计模拟控制器。
2．选择合适的采样周期采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率，理论上应根据采样定理选择采样周期。
但实际上，被控对象的物理过程和参数变化比较复杂，难以获得模拟信号的最高频率。
3．模拟控制器的离散化根据选定的采样周期，选择合理的离散化方法将模拟控制器离散化为数字控制器，以便计算机能够实现。
4．仿真校验是否达到设计要求利用计算机仿真软件，对所设计的数字控制器进行校验，若其闭环特性满足系统设计要求，则设计结束，进行下一个步骤；否则，修改控制器参数，直到达到满足要求为止。
5．数字控制器的计算机实现将数字控制器变成易于计算机编程的差分方程的形式。
5.2已知模拟调节器的传递函数为 ，试写出相应数字控制器的位置型控制算式，设采样周期 。
解：后向差分法采样周期则5.3 试说明比例、积分、微分控制作用的物理意义。
答：1、物理意义：比例调节的特点：比例调节器对于偏差是即时反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。
只有当偏差发生变化时，控制量才变化。
缺点：不能消除静差； 过大，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。
()12()()10.5U s s D s E s s +==+0.5s T =111111112()()110.5220.50.5z s T z T D z D s z T T z T z ----=---+==-++-=+-11() 2.52()()10.5U z z D z E z z ---==-11(10.5)()(2.52)()z U z z E z ---=-11()0.5() 2.5()2()U z z U z E z z E z --=+-()0.5(1) 2.5()2(1)u k u k e k e k =-+--P K积分调节的特点：调节器的输出与偏差存在的时间有关。
计算机控制系统课后习题第五章2014
计算机控制技术第五 章 数字PID控制算法自动化学院 黄国辉Email: hgh817@ Tel: 86919133 QQ: 51137273307:00第5章 数字PID控制算法模拟PID调节器一、模拟 PID 调解器 一、模拟 PID 调解器PID 控制表示比例（Proportional）－积分（Integral） －微分（Differential）控制。
设 PID调节器如图5-1所示，其 输入输出关系为Kp E(s) Kp /(Tis) e(t) KpTd s u(t)图5-1 PID调节器方框图U(s)⎡ 1 u (t ) = K p ⎢e(t ) + Ti ⎣07:00de(t ) ⎤ ∫0 e(t )dt + Td dt ⎥ ⎦t2第5章 数字PID控制算法模拟PID调节器各控制分量的作用如下： (1) 比例（P）控制成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产 生控制作用，以减少偏差。
(2) 积分（I）控制主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决积 分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。
系统无稳态误 差的条件是系统前向通道中至少含有积分环节 。
(3) 微分（D）控制能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得 太大之前，引入一个有效的早期修正量，从而加快系统的响应，减 少调节时间。
07:00 3第5章 数字PID控制算法基本数字PID调节器二、基本数字 PID 调解器 二、基本数字 PID 调解器在计算机控制系统中，控制器是每隔一个控制周期进行 一次控制量的计算，并输出到执行机构。
计算机承担了数字 控制器的作用。
因此，要实现式 (5-1) 的 PID 控制规律，就要 进行时间离散化处理。
设控制周期为 T，在控制器的采样时刻时 t=kT ，对偏差、 积分运算和微分运算作如下近似变换：e(t ) ≈ e( kT ) ≈ e( k )∫ e(τ )dτ ≈ T ∑ e( jT ) ≈ T ∑ e( j )t 0 j =0 j =0kkde(t ) e( kT ) − e[( k − 1)T ] e( k ) − e( k − 1) ≈ ≈ dt T T07:00 4第5章 数字PID控制算法基本数字PID调节器在上述近似变换中，控制周期T必须足够短，才 能保证有足够的精度。
计算机测控技术与系统第5章 计算机测控系统的软件技术
（2）避免使用容易混淆的字符，尤其是和助记符相近的字 符尽量避免使用。
（3）程序模块不宜过大，以方便于系统调试。尽量做到每 一功能对应一个功能模块，在系统调试时可分模块调试软件和 硬件。
（4）程序模块尽量通用，这样程序的可移植性强。 （5）重视程序的易读性，尽量多加注释语句，这样的程序 易读性好可维护性强，同时给后续程序编制带来方便。
（2）实时性。实时性是工业生产过程的主要特性之一。测 控系统要求软件应具有较强的实时性。
（3）多任务性。现代测控软件所面临的应用对象是较复杂 的多任务系统，有效地控制和管理测控系统是工控软件主要的 研究内容之一。
2020/2/21
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（4）功能多样性。测控软件具有很强的数据采集与控制功 能，不仅支持各种传统的模拟量、数字量的输入和输出，而且 支持各类现场总线协议的智能传感器和仪表以及各种虚拟仪器， 能够完成实时数据库、历史数据库、参数分析处理、数据挖掘、 测控过程仿真、配方设计、系统运行优化和故障诊断等内容。
（5）智能化。测控软件智能化既为测控软件提供了智能决 策，又为管理软件提供了有价值的数据。智能化是计算机工业 的发展趋势。
（6）人机界面更加友好化。人机界面包括设计和应用两个 方面，有丰富的画面和报表形式，操作指导信息丰富。友好的 人机界面方便操作使用。
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（7）网络化集成化。测控软件系统建立在实时数据库和关 系数据库之上，其基本内容是分布式数据库系统，网络技术的 引入增强系统的可靠性，实现系统管控一体化。
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1. 应用程序设计的步骤与方法
WX05_微型计算机控制技术_第五章
微型计算机控制技术
5.2.3 平均值滤波
• 1.算术平均值滤波 算术平均值滤波 • 2.加权平均值滤波 加权平均值滤波 • 3.滑动平均值滤波 滑动平均值滤波
微型计算机控制技术
5.2.3 平均值滤波
1.算术平均值滤波 算术平均值滤波
寻找一个Y它与各采样值 寻找一个 它与各采样值Xk之间误差的平 它与各采样值 方和E为最小。 方和 为最小。 为最小
微型计算机控制技术
连续取N个采样值进行算术平均运算。 连续取N个采样值进行算术平均运算。 N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低； 值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低； N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高； 值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高； N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4。 值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4。
微型计算机控制技术
• 程序与程序设计的概念 使用计算机求解某些问题或完成某一特定 功能， 就要先对问题或特定功能进行分析， 功能 ， 就要先对问题或特定功能进行分析 ， 确定形成的算法和步骤， 确定形成的算法和步骤 ， 然后选择相应的 指令， 按一定顺序排列起来， 指令 ， 按一定顺序排列起来 ， 这样就构成 了求解某一问题或实现特定功能的程序。 了求解某一问题或实现特定功能的程序 。 通常把这一编制程序的工作称为程序设计。 通常把这一编制程序的工作称为程序设计 。 • 常用程序设计语言有汇编语言、C语言等。 常用程序设计语言有汇编语言、 语言等。
微型计算机控制技术
限幅滤波的用途和使用注意事项： 限幅滤波的用途和使用注意事项：
限幅滤波主要用于变化比较缓慢的参数，如温 度。使用时，关键问题是最大允许误差Δy的选取， Δy太大，各种干扰信号将“乘机而入”，使系统误 差增大；Δy太小，又会使某些有用信号被“拒之门 外”，使计算机采样效率变低。因此，门限值Δy的 选取是非常重要的。
计算机控制技术期末复习试题附答案
第一章计算机控制系统概述1、计算机控制系统的概念是什么计算机控制系统是以计算机技术、控制理论及自动化技术相结合并应用于工业生产过程的结果，是以自动控制理论为基础，以计算机为手段的控制系统。
2、计算机系统由哪些部分组成并画出方框图。
计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。
3、计算机控制系统的主要性能指标有哪些稳定性/动态指标/稳态指标/能控性与能观性4、计算机控制系统的主要特点有哪些各项连续控制系统计算机控制系统信号形式都是模拟信号模拟信号、数字信号皆有控制规律实现由模拟电路实现由计算机通过程序实现控制形式整个过程始终连续控制整个过程始终离散控制控制器作用一个控制器控制一个回路一个控制器分时控制多个回路功能强度简单控制具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能自动化程度自动化程度低便于实现控制与管理的一体化5、计算机控制系统是怎样分类的按功能和控制规律可分为几类一、按控制系统的功能及结构特点分类①操作指导控制系统②直接数字控制系统DDC③监督控制系统SCC④计算机分级控制⑤集散控制系统DCS⑥现场总线控制系统FCS二、按控制规律分类 ①程序和顺序控制 ② PID 控制 ③最少拍控制 ④复杂规律的控制 ⑤智能控制第二章 离散控制系统及Z 变换分析法1、计算机控制系统的信号形式有哪些连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 r(t)、y(t)、u(t) 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t) 离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)2、香农(Shannon)采样定理是如何描述的一个连续时间信号f(t)，设其频带宽度是有限的，其最高频率为ωmax(或fmax)，如果在等间隔点上对该信号f(t)进行连续采样，为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信号f(t)的全部信息量。
则采样角频率只有满足下面的关系： ωs ≥2ωmax采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现f(t)。
05第五章 机电一体化系统设计 工业控制计算机及其接口技术
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 2. 拨盘输入接口
拨盘内部有一可转动圆盘， 具有“0～9”十个位置，可以通 过前面两个“+、-”按钮进行位 置选择，对应每个位置，前面 窗口有数字提示，拨盘后面有 五根引出线，分别定义为 A、 1、2、4、8。当拨盘在不同位 置时，1、2、4、8线的通断关 系如下表所示。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 软件消抖是在检测到开关状态后，延时一段时 间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同 则认为有效。延时时间应大于抖动时间。 • 硬件消抖常采用下图所示电路。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 2. 拨盘输入接口
(1).BCD 码拨盘结构 拨盘种类很多，作为人机 接口使用最方便的是十进制 输入、BCD码输出的BCD码 拨盘，其结构如右图所示。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
二、信息采集接口
1.常用数据采集的结构形式 2.常用的A/D转换器
第五章 工业控制计算机及其接口技术
二、信息采集接口
1.常用数据采集的结构形式
ห้องสมุดไป่ตู้
多路A/D通道。每个信号源检测的信号都有各自独立的 采集通道，该结构形式使用了较多数量的采样-保持器、 A/D转换器，成本高，但转换速度高。
输入接口 • 1. 开关输入接口 • 对于一些二值型控制命 令和参数，常采用简单的 开关作为输入设备。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 控制微机通过 I/O 口或扩展 I/O 口对开关点电位 进行检测，从而判断开关的状态。由于这类开关 都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭 合及断开瞬间产生抖动，造成开关点点电位产生 一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性 有关，一般为 5～10ms。按钮的稳定闭合期由 操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒 之间。所以，在进行接口设计时需要采取软件或 硬件措施进行消抖处理。
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其补偿的基本思想是：在D(s)未变成D(z)之前，将D(s)的断 点频率预先加以修正（预畸变），使得预修正后的 D(s) 变 换成D(z)时正好达到所要求的断点频率。 用预畸变双线性变换法设计的步骤如下： 1．将D(s)的零点或极点(s+a)以a′代替a，即作预畸变
( s a) ( s a )
双线性变换的特点： (1)将整个S平面的左半面变换到Z平面的单位圆内，因而 没有混叠效应。 (2)稳定的D(s)变换成稳定的D(z)。 (3)D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
第5章 计算机控制系统模拟化设计
5.2.5 频率预畸变双线性变换法
上述的双线性变换，将S平面的虚轴变换到Z平面的 单位圆周，因而没有混叠现象。但是在模拟频率Ω和离散 频率ω之间却存在非线性关系。
5.2 模拟控制器的离散化方法
从信号理论角度来看，模拟控制器就是模拟信号滤 波器应用于反馈控制系统中作为校正装置。滤波器对控 制信号中有用的信号起着保存和加强的作用，而对无用 的信号起着抑制和衰减的作用。模拟控制器离散化成的 数字控制器，也可以认为是数字滤波器。
第5章 计算机控制系统模拟化设计
5.2.1 冲激不变法
第5章 计算机控制系统模拟化设计
r(t)
e(t) T
e*(t)
D ( z)
u*(t) T
G(z ) ZOH G 0 ( s)
y(t)
图5.1离散闭环控制系统 r(t)
e(t)
D ( s)
u(t)
G 0 ( s)
y(t)
图5.2 模拟闭环控制系统
第5章 计算机控制系统模拟化设计
模拟控制器D(s)与数字控制器D(z)之间的等效离散原理和 等效条件： 设有模拟信号 u0(t)，零阶保持器的输入为 u0*(t)，输出为 u(t)，如图5.3所示。
1 e Ts 1 e Ts / 2 e Ts / 2 2 s s s 2/T
第5章 计算机控制系统模拟化设计
4．用适当的方法将D(s)离散化成D(z)。 5．将D(z)化成差分方程。 二阶工程设计法 : 假设图5.2所示的连续系统为一个二阶系统，其闭环传 递函数可表示为
W ( s) Y ( s) 1 R( s) T2 s 2 T1 s 1
第5章 计算机控制系统模拟化设计
模拟化设计方法的一般步骤如下： 1．根据性能指标要求和给定对象的G0(s)，用连续控制理 论的设计方法，设计D(s)。 2．确定离散系统的采样周期。 3．在设计好的连续系统中加入零阶保持器。检查由于零 阶保持器的滞后作用，对原设计好的连续系统性能是否 有影响，以决定是否修改D(s)。 为了简便起见，零阶保持器的传递函数可近似为：
z 1 T
z 1 T
D( z ) D( s)
s
前向差分变换法中稳定的D(s)不能保证变换成稳定的 D(z)，且不能保证有相同的脉冲响应和频率响应。
第5章 计算机控制系统模拟化设计
5.2.4 双线性变换法
双线性变换又称塔斯廷(Tustin)变换法，它是s与z关 系的另一种近似式。由Z变换的定义和级数展开式可知
u(t ) u0 (t )
第5章 计算机控制系统模拟化设计
由以上分析可知，若系统的采样频率相对于系统的 工作频率是足够高的，以至于采样保持器所引起的附加 滞后影响可忽略时，系统的数字控制器可用模拟控制器 代替，使整个系统成为模拟系统，从而可用模拟化方法 进行设计。等效的必要条件是使采样周期T足够小，这是 计算机控制系统等效离散化设计方法的理论依据。应用 该方法，当采样周期较大时，系统实际达到的性能往往 比预期的设计指标差，也就是说，这种设计方法对采样 周期的选择有比较严格的限制，但当被控对象是一个较 慢过程时，该方法可以得到比较满意的结果。
其微分方程为
du (t ) e(t ) dt
用差分代替微分，则 两边取Z变换得
du (t ) u (k ) u (k 1) e( k ) dt T
(1 z 1 )U ( z) TE( z)
第5章 计算机控制系统模拟化设计
即
D( z )
U ( z) 1 E ( z ) 1 z 1 T
D( s)
a sa
解：
D( z ) D( s )
a 1 e aT z 1
aT
u(k ) ae(k ) e 控制算法为：
u(k 1)
第5章 计算机控制系统模拟化设计
2．特点及应用范围 冲激不变法的特点是： (1)D(z)与D(s)的脉冲响应相同。 (2)若D(s)稳定，则D(z)也稳定。 (3)D(z)不能保持D(s)的频率响应。 (4)D(z)将ω s的整数倍频率变换到Z平面上的同一个点的 频率，因而出现了混叠现象。 其应用范围是：连续控制器 D(s) 应具有部分分式结构或 能较容易地分解为并联结构。 D(s) 具有陡衰减特性，且 为有限带宽信号的场合。这时采样频率足够高，可减少 频率混叠影响，从而保证 D(z) 的频率特性接近原连续控 制器D(s)。
u0(t) T u0*(t)
1 e s
Ts
u(t)
图5.3 零阶保持器的信息传递
对于离散信号u0*(t)它的频谱函数为
1 U ( j ) U 0 ( j jk s ) T k
* 0
其中为采样角频率。
第5章 计算机控制系统模拟化设计
对于零阶保持器的频率特性为
T 1 e jT sin(T / 2) j Gh ( j ) T e 2 j T / 2
D( s ) 1 TI s
k 1 TI s( 1 s 1) T1 s(T1 s / 2 1)
G0 ( s ) k 1s 1
，试按
G( s) D( s)G0 ( s)
设 T1 2 1
TI kT1 2k 1
则
D( s )
1 2k 1 s
第5章 计算机控制系统模拟化设计
T sin(T / 2) j U ( j ) e 2 U 0 ( j ) T / 2
第5章 计算机控制系统模 max<<ω s时，则 所以
U ( j ) e
jT 2
sin(T / 2) 1 T / 2
U 0 ( j )
上式说明，两者唯一的差别仅仅是由零阶保持器产 生的相位移 e jT / 2 ，如果能补偿这一相位移或者大大减 小这一相位移对系统的影响（如前置滤波、超前校正 等），就可以保证离散控制器和模拟控制器具有完全一 致或极接近的频率特性，即实现二者的完全等效。 若ω max / ω s <1/10时，其滞后相角大约为18˚，于 是，就有 U ( j ) U0 ( j ) 即
当ω T取值0～π 时，Ω 的值为0～∞。这意味着，模 拟滤波器的全部频率响应特性被压缩到离散滤波器的 0<ω T<π 的频率范围之内。这两种频率之间的非线性特 性，使得由双线性变换所得的离散频率响应产生畸变， 可以采用预畸变的办法来补偿频率特性的畸变。
2 T tg T 2
第5章 计算机控制系统模拟化设计
n
其采样值为
u (kT ) Ai e ai kT
i 1
n
i 1
第5章 计算机控制系统模拟化设计
即数字控制器的脉冲响应序列，因此得到
D( z ) u (kT )
n
Ai 1 e
例5.5 已知模拟控制器 求数字控制器D(z)。
i 1
aiT
z
1
D( s)
第5章 计算机控制系统模拟化设计
5.2.2 加零阶保持器的Z变换法
这种方法就是用零阶保持器与模拟控制器串联，然 后再进行Z变换离散化成数字控制器，即
1 e Ts D( z ) D( s ) s
加零阶保持器Z变换法的特点：
1．若D(s)稳定，则D(z)也稳定。
可以看出，D(z)与D(s)的形式完全相同，由此可得如下等 效代换关系 ： 1 z 1
s T
1 z 1 T
便可得到D(z)，即
D( z ) D( s )
s
后向差分变换法的特点： (1)稳定的D(s)变换成稳定的D(z)。 (2)D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
第5章 计算机控制系统模拟化设计
a
D( s)
a sa
，求数字控制器D(z)。
2 aT tg T 2
D( z ) k a 2 1 z 1 2 aT tg T 1 z 1 T 2
a D( s, a) 2 aT s tg T 2
lim k
z 1
a 2 1 z 2 aT tg 1 T 1 z T 2
得到
2 aT a tg T 2
D(s, a)
2．将
D(z)， ) D(s, a变换为
D( z ) k D( s, a )
s
2 (1 z 1 ) T (1 z 1 )
D ( z ) 1 求出。 k为放大系数，利用 lim z 1
第5章 计算机控制系统模拟化设计
例5.10 已知模拟控制器 解：作预畸变
零阶保持器输出u(t)的频率特性为
* U ( j ) Gh ( j )U 0 ( j ) T sin(T / 2) j e 2 U 0 ( j jk s ) T / 2 k
当系统的采样周期很小，即采样角频率足够高时，由于 保持器的低滤波性，除了的主频谱（k=0时）之外，其高 频部分全部被滤掉，则上式化简为
2．前向差分变换法 如果将微分用下面差分代替，得到 两边取Z变换得 即
( z 1)U ( z ) TE ( z )
D( z ) U ( z) 1 z 1 E( z) T