第2章 计算机控制系统理论基础
计算机控制系统PPT_1
生产过程和计算机直接连接,并受计算机控制的 方式称为在线方式或联机方式;
生产过程不和计算机相连,且不受计算机控制, 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。
②实时:指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成,亦即计算机对输入信息,以足够快的 速度进行控制,超出了这个时间,就失去了控制的时 机,控制也就失去了意义。
设备 口电路 作台
口电路
多路开关 A/D
D/A
多路开关
数字量输入数字量输出I/O 通道传感器及 变送器工
执行机构
业
对
象
信号检测
及变送
被控对象
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计算机控制系统的组成框图
第一章 绪 论
15
—计算机控制系统—
从本质上看,计算机控制系统的作用如下三个方面: ①实时数据采集:对来自测量变送装置的被控量
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第一章 绪 论
36
—计算机控制系统—
1-2-5 计算机控制系统的分类
现场总线控制系统 工作站 — 现场智能仪表-智能电磁流量计
结构模式为:“工作 站一现场总线智能仪 表”二层结构,降低 了成本,提高了可靠 性,并且在统一国际 标准下可实现真正的 开放式互连系统结构。
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第一章 绪 论
25
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点(7)
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y
采样信号y(kT)
原信号y(t)
恢复信号yh(t)
t
2T 4T
6T
零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT)
0≤t<T, k=0, ±1,
计算机控制系统(第二版)李元春主编第二章习题答案
第二章习题答案
2.9 完成采样操作的装置称为采样开关。 根据采样过程的特点,可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 (2) 同步采样 (3) 非同步采样 (4) 多速采样 (5) 随机采样
第二章习题答案
2.10 函数有下列性质 : (t t0 )dt 1 。即在任意t0时刻, 函数 的积分或函数的强度为1。根据函数的这个性质,对任意连续函数 f(t)和任意整数k有
2.2 把从控制对象检测到的模拟信号,转换成二进制数字信号,经I/O 接口送入计算机。
2.3 在计算机控制系统中,经常需要控制执行机构的开/关(如对电磁阀 的控制)或启/停(如各种交、直流电机的控制),某些控制算法(如 脉宽调制方法,最优控制中的乒乓控制算法等)也需要控制执行机构 在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0≤t≤T),这些控制可通过计算 机开关量输出通道来实现。
第二章习题答案
2.8 实现多路的模拟量信号输出,一般有以下两种方案。 第一种方案是为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。这种方案的 优点是转换速度快、精度高、工作可靠,即使某一通道出现故障也不会 影响其他通道的工作,相应软件的编制也比较简单。但是,如果模拟量 信号输出通道较多,就会使系统造价增加很多,尤其是采用高精度的 D/A转换器时,这一问题尤为严重。 第二种方案是多通道复用一个D/A转换器,并辅以多路模拟开关和采 样保持放大器来实现,如图2.34所示。这个方案是由计算机通过多路模 拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样保持放大器,并由 保持电容对模拟量信号进行保持。该方案优点是成本较低,缺点是电路 结构复杂、精度低、可靠性差,受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和 保持电容的漏电阻等因素的影响,导致保持电容上的电压信号逐渐衰减, 需要计算机定时刷新输出,也因此占用了CPU的大量时间。此方案适用 于输出通道不多且对速度要求不高的场合。
计算机控制技术-第2章 Z变换及Z传递函数
第2章 Z变换及Z传递函数
2.2 Z变换的性质和定理
1.线性定理 设a,a1,a2为任意常数,连续时间函数f(t),f1(t),f2(t) 的Z 变换分别为F(z),F1(z),F2(z)、及,则有
Z af(t)aF(z) Z a1f1(t)a2f2(t)a1F 1(z)a2F 2(z)
第2章 Z变换及Z传递函数
s i n t 1 ( e j t e j t ) 2j
F
(z)
Z
1 2
j
(e
j
t
e
j
t
)
1 2j
Z e j t Z e j t
1 z 2 j z e j T
z
z e j T
1 2j
z2
e (e
j T j T
e j T e j T ) z 1
z sin T z2 2 z cos T 1
F (z) Z f(t) Z [f* (t)] f(k T )z k k 0
第2章 Z变换及Z传递函数
求取离散时间函数的Z变换有多种方法,常用的有两种。 1.级数求和法
将离散时间函数写成展开式的形式
f* (t) f(k) T (t k)T k 0 f(0 )(t)f(T )(t T )f(2 T )(t 2 T ) f(k) T (t k)T 对上式取拉氏变换,得
1 1az1
z z a
z a
第2章 Z变换及Z传递函数
2.部分分式法 设连续时间函数的拉氏变换为有理函数,将展开成
部分分式的形式为
n
F(s)
ai
i1 s si
因此,连续函数的Z变换可以由有理函数求出
n
F(z)
ai z
第二章(1)计算机数控系统
(四)插补计算
其主要功能是: (1)根据操作面板上“进给修调”开关的设定值,计算本次插补周 期的实际合成位移量: (2)将ΔLi按插补的线形(直线、圆弧等)和本插补点所在的位置分解 到各个进给轴,作为各进给轴的位置控制指令。
CNC装置的工作过程
(五)位置控制处理
位置控制数据转换流程如图3—18所示。位置控制处理主要进行各 进给轴跟随误差(Δx3、Δy3)的计算,并进行调节处理,其输出为位 移速度控制指令(Ux,Uy)。
CNC装置的硬件结构
(2)多机系统。
是指整个CNC装置中有两个或两个以上的CPU,也就是系统中的某些功能模 块自身也带有CPU,根据这些CPU间的相互关系的不同又可将其分为: ①主从结构系统,在该系统中只有一个CPU(通常称为主CPU)对系统的资源 (系统存储器,系统总线)有控制和使用权,而其他带有CPU的功能部件(通常 称之为智能部件),则无它只能接受主CPU的控制命令或数据,或向主CPU 发出请求信息以获得所需的数据。只有一个CPU处于主导地位,其他CPU 处于从属地位的结构,称之为主从结构。 ②多主结构系统:在该系统中有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统 资源有控制或使用权。功能部件之间采用紧耦合(即均挂在系统总线上,集中 在一个机箱内),有集中的操作系统,通过总线仲裁器(软件和硬件)来解决争 用总线问题,通过公共存储器来交换系统信息。 ③分布式结构系统:该系统有两个或两个以上的带有CPU的功能模块,每个 功能模块有自己独立的运行环境(系统总线、存储器、操作系统等),功能模 块间采用松耦合,即在空间上可以较为分散,各模块间采用通信方式交换信 息。
CNC系统的组成
加工程序
C N C 装 置
可编程 控制器
主轴驱 动装置 进给驱 动装置
数字控制理论及应用(讲稿)第二章 数字控制系统的组成
第二章 数字控制系统的组成第一节 数字控制系统硬件及软件组成一、 硬件部分计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。
1、主机它是过程计算机控制系统的核心,由中央处理器(CPU)和内存储器组成。
主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数,按照预先制定的控制算法编好的程序,自动进行信息处理、分析、计算,并作出相应的控制决策,然后通过输出通道发出控制命令,使被控对象按照预定的规律工作。
2、接口电路它是主机与外部设备、输入/输出通道进行信息交换的桥梁。
在过程计算机控制系统中,主机接收数据或者向外发布命令和数据都是通过接口电路进行的,接口电路完成主机与其它设备的协调工作,实现信息的传送。
3、过程输入/输出通道过程输入输出(I/O)通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用,它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机;模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号(电压或电流)作用于执行设备,实现生产过程的自动控制。
微机通过开关量(脉冲量、数字量)输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号(如继电器接点、行程开关、按纽等)或脉冲信号;通过开关量(数字量)输出通道控制那些能接受开关(数字)信号的电器设备。
1)、模拟量输入(AI)通道:生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的PH值、浓度、浊度等),只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号,均可送入模拟量输入通道进行处理。
2)、模拟量输出(AO)通道:模拟量输出通道一般是输出4~20mA(或1~5V)的连续的直流电流信号,用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程,或通过调速装置(如各种变频调速器)控制各种电机的转速,亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构,例如控制气动阀门的开度等等。
任务二计算机控制系统设计举例
优点分析
高效性
计算机控制系统能够快 速、准确地处理大量数 据,提高了控制效率。
灵活性
系统可以根据需要进行 软件编程和修改,适应
不同的控制需求。
远程控制
通过网络技术,可以实 现远程监控和控制,方
便管理。
可靠性
计算机控制系统具有较高 的稳定性和可靠性,减少
了故障发生的概率。
缺点分析
成本较高
• 计算机控制系统设计举例的挑战:在任务二中,我们也遇到了一些挑战,如系 统稳定性、实时性和安全性等问题。为了解决这些问题,我们采用了多种技术 手段,如优化算法、提高硬件性能和加强安全防护等。
• 计算机控制系统设计举例的未来发展方向:随着技术的不断进步和应用需求的 不断提高,计算机控制系统设计将朝着更加智能化、网络化和安全化的方向发 展。未来,计算机控制系统将更加注重用户体验和个性化需求,同时不断拓展 应用领域,为人类创造更加美好的生活。
保证安全可靠
在系统设计时充分考虑安全性和可靠 性,确保系统在各种情况下都能稳定 运行,防止意外事故发生。
设计步骤
2. 硬件选型与配置
根据需求分析结果,选择合适的 传感器、控制器和执行器等硬件 设备,并进行配置。
1. 系统需求分析
明确控制系统的功能需求和技术 指标,分析被控对象的特性和环 境因素。
3. 软件设计
计算机控制系统设计和实施成 本较高,需要投入大量资金。
依赖性
系统高度依赖于计算机软硬件 ,一旦出现故障,可能影响整 个控制系统的正常运行。
技术难度
系统设计和维护需要专业的技 术人员,技术难度较大。
安全风险
计算机控制系统存在一定的安 全风险,如数据泄露、黑客攻
击等。
第二章 计算机数控系统CNC与控制原理总结
速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标 的 分速度。 开环系统:通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。
速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。 半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工,速度
计算是根据程编的F值,将轮廓曲线分割为采样周期的轮 廓步长。
可以实现较复杂的系统功能。容错能力强,在某模块出 故障后,通过系统重组仍可断继续工作。
12
2.2 CNC装置的硬件结构
结构形式:可分:分布式、主从式、总线式。
分布式:各CPU独立、完整,通过外部通信链路连接起来,
数据交换和资源共享通过网络技术实现。
主从式:主控CPU、从控CPU,主控CPU才能控制和访问总
第二章 计算机数控系统CNC与控制原理
本章主要内容
第一节 概述 第二节 CNC装置的硬件结构 第三节 CNC装置的软件结构
第四节 可编程控制器(PLC)
第五节 典型的CNC系统简介
2
2.1概述
1. CNC系统?
从自动控制的角度来看,CNC系统是一种位置、速 度
(还包括电流)控制系统,其本质上是以多执行部件(各运 动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控 制系统,是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看,CNC系统是由硬件(通用硬件和专 用硬件)和软件(专用)两大部分组成的。
两个以上任务处理。
♦ 并行处理的实现方式: ☆ 资源分时共享(单CPU)
☆ 资源重叠流水处理(多CPU)
34
Have a Rest!
2.3 CNC系统的软件
资源分时共享并行处理(对单一资源的系统)
♦ 在单CPU结构的CNC系统中,可采用 “资源分时共
《大学计算机基础》第2章-计算机系统(2012)OK【OK】
在计算机世界中 也存在等级差别!
28
2.2 计算机软件系统
2.2.1 软件概念
2.2.2 软件分类
29
2.2.1 软件概念
计算机软件 计算机软件是为运行、管理和维护计算机而编制的
各种指令、程序和文档的总称。
指令 程序 文档
软件
软件是计算机的灵魂, 是人机之间的接口
30
软件概念
基本概念
程序 程序是按照一定顺序执行的、能够完成某一任务的指 令集合。
将1传送至AL寄 Int a =1; 存器 将2传送至BL 寄 Int b =2; 存器
2
MOV BL, 2
3
4 5
将寄存器BL的内 容与寄存器AL的 Int c = a+b; ADD AL, BL 内容相加,结果 保存在AL中 将寄存器AL中的 MOV [06H], AL 内容传送到内存 地 址 为 06H 的 存 储单元中 HLT 停止操作
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2.1.3 存储器
存储器——帮助计算机记忆信息
存储器是存取程序和数据的部件。 类型划分:依据CPU是否可以直接访存将存储器划 分为内存和外存。
随机存储器
内存
只读存储器 高速缓冲存储器
存储器
硬盘
外存
光盘
快速闪存
12
存储器—内存
(1)内存
内存可以被CPU直接访问。内存容量小、速度快、掉电后 RAM信息全部消失。
2.1.4 输入设备
2.1.5 输出设备
2.1.6 硬件连接
4
计算机硬件系统
什么是计算机?
计算机是能按照人的要求接受和存储信息,自动进行数据处 理和计算,并输出结果信息的机器系统。
计算机控制系统的特点
第一章绪论计算机控制系统的特点、组成、分类和发展趋势。
(1)计算机控制的一般概念及其发展(2)计算机控制系统的特点、组成和分类(3)计算机控系统的发展趋势课程重点:计算机控制系统的特点、组成和分类课程难点:计算机控制系统的信号变换特点解决办法:从计算机控制系统的基本结构入手,分析计算机控制系统是一个模拟-离散混和系统,引出计算机控制系统的信号转换过程,掌握计算机控制系统的特点。
第二章数字控制理论基础计算机控系统的数学基础、离散系统数字控制理论和性能指标分析。
(1)信号变换理论(2)离散系统数字描述(3)脉冲传递函数(4)线性离散系统稳定性、稳态性能和暂态性能分析课程重点:线性离散系统的稳定性、稳态性能和暂态性能分析课程难点:线性离散系统的零极点对系统性能的影响解决办法:熟练掌握线性离散系统的分析方法,借助MATLAB仿真工具,充分利用图解分析方法,直观方便。
第三章开环数字程序控制直线和圆弧逐点比较法插补原理,计算机控制步进电机的实现方法。
(1)运动轨迹插补的基本原理(2)直线逐点比较法插补原理(3)圆弧逐点比较法插补原理(4)步进电机控制原理(5)计算机与步进电机接口实现方法课程重点:逐点比较法插补原理(直线与圆弧)、步进电机控制课程难点:四个象限圆弧逐点比较法插补运算解决办法:以第一象限为主,掌握圆弧插补运算。
在此基础上考虑四个象限的符号变化以及顺弧和逆弧进给的走步区别。
第四章计算机控制系统的常规控制技术数字PID控制原理、控制器的设计、控制参数的整定及其PID控制新技术。
(1)数字PID控制标准型算法(2)数字PID控制改进型算法(3)控制参数的工程整定方法(4)PID控制算法的发展最少拍控制原理、控制器的设计及其系统的改进。
(1) 最少拍控制的基本原理的结构设计(2) 闭环脉冲传递函数)(z(3) 最少拍有纹波控制器的设计(4) 最少拍无纹波控制器的设计(5) 最少拍系统的改进措施Smith控制器工作原理和设计,Dalin控制器的设计及振铃的消除。
计算机控制复习
1.计算机控制系统由硬件和软件两大部分组成。
软件由系统软件和应用软件两部分组成。
硬件包括哪些内容。
2.计算机控制系统的四种类型的信号及位置,结合图能够进行说明。
3.控制的过程通常被分为实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出。
4.能够区分实时、在线、离线的概念。
5.计算机控制系统的分类及主要特点。
(明确以什么分类,各个分类又有哪些内容。
)6.分散控制系统的特点。
(分散控制,集中管理)7.按照被控对象的规模,参加控制的计算机可被分为单片微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、STD总线工业控制机、工业PC机。
8.嵌入式的概念。
9.大型火电机组过程计算机控制的主要功能系统。
10.火电厂热工自动化发展前景。
11.能说明常规控制系统、计算机控制系统、分散控制系统、现场总线控制系统、厂级监控系统的概念和内涵,并能说明这些系统之间的主要区别。
12.集散控制系统和现场总线控制系统有什么区别和联系。
第二章:计算机控制系统的硬件基础1.计算机理论的三个层次。
2.冯·诺依曼(Von Neumann)计算机由5个组成部分构成,他们是?系统总线(内部总线)有那些?3.能够区分微处理器、微机、微机系统的概念,多板机、单板机、单片机的概念。
4.能够区分接口和端口。
5.计算机与外设之间的数据传送方式有程序控制方式(分为无条件传送方式和条件传送方式查询方式)、中断方式和DMA(Direct Memory Access,直接存储器存取)方式。
6.OPC的概念。
7.能说明PC总线、ISA总线、PCI总线的关系和特点。
8.能说明I/O接口有那些实现方式及功能。
9.过程通道的概念、功能、分类10.采样的概念、香农定理的内容,为什么要对输入输出信号进行保持、简述什么是零阶保持器。
11.量化、量化过程、量化单位、量化误差。
12.为什么要使用采样保持器。
13.能解释逐次逼近式A/D转换器的原理,并能计算具体的逐次逼近过程。
14.模拟量输入通道分辨率、精度的概念。
大学计算机基础 第2章 简明教程(补充硬件部分)
2.1 计算机系统概述
2.2 计算机硬件系统和工作原理 2.3 计算机软件系统 2.4 微型计算机硬件组成
1
2.1 计算机系统概述
硬件
软件 系统软件 应用软件
计算机系统=硬件系统+软件系统
2
计算机系统的组成
CPU 主机
内存
运算器 控制器 随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM) 高速缓冲存储器(Cache)
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常用高级语言
Fortran语言 1954年推出,适用于科学和工程计算。 COBOL语言 是面向商业的通用语言,1959年推出,主要用于数 据处理,随着数据库管理系统的迅速发展,很少使用。 Pascal语言 结构化程序设计语言,1968年推出,适用于教学、科 学计算、数据处理和系统软件等开发,目前已被C语言取代. C与C++语言 1972年推出C语言,1983年加入面向对象的概念, 改名为C++。语言简练、功能强,适用面广。 BASIC语言 初学者语言,1964年推出;1991年微软推出可视化的 、基于对象的VisualBasic开发环境,发展到现在的开 发环境,则是完全面向对象、功能更强大。 Java语言 一种新型的跨平台的面向对象设计语言,1995年推出, 适用于网络应用 .
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语言处理程序
在所有的程序设计语言中,除了用机器语言编制的程序能够
被计算机直接理解和执行外,其他的程序设计语言编写的程
序都必须经过一个翻译过程才能转换为计算机所能识别的机 器语言程序,实现这个翻译过程的工具是语言处理程序,即
翻译程序。用非机器语言写的程序称为源程序;通过翻译程
序翻译后的程序称为目标程序。翻译程序也称为编译器。针 对不同的程序设计语言编写出的程序,有各自的翻译程序, 互相不通用。
计算机控制系统 第2章 (第4次课 大林算法)
Ke s G( s) 1 T1s
Ke s G( s) (1 T1s)(1 T2 s)
二阶惯性环节+纯滞后:
要求整个闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞 后时间,而从消除纯滞后环节对系统稳定性的影响。
设计目标: 设计一个数字控制器D(z)组成的计算机控制系 统,使该系统的闭环传递函数为:
K (b0 b1 z 1 ) z ( N 1) 1 eTs Ke NTs HG( z) Z[ ] s (1 T1s)(1 T2 s) (1 eT T1 z 1 )(1 eT T2 z 1 )
其中:
1 b0 1 (T1eT T1 T2eT T2 ) T2 T1 1 (T T1 T T2 ) b1 e (T1eT T1 T2eT T2 ) T2 T1
U ( z) K , Dn ( z ) U n 1 ( z ) z pn
则有: D( z) D ( z) D ( z) D ( z) 1 2 n
代入式(2-7)和(2-8)得到D(z)
(1 e )(1 e z )(1 e z ) D( z) T TH 1 T TH 1 ( N 1) K (b0 b1 z )[1 e z (1 e )z ]
T TH
T T1
1
T T2
1
例2-16
已知
e2 s G( s) s( s 1)
可见D(z)含有 z1 1, z2 -0.4967 j0.864, z3 0.4967 j0.864 三个极点, z1 处不会引起振铃现象,只有在 z2 , z3 处引起振铃现象。
z2 z3 =0.9966 1
精品文档-计算机控制技术(第二版)(温希东)-第2章
(4)数字量输出通道。有的执行部件只要求提供数字量,例 如步进电机的控制电机启停和报警信号等,这时应采用数字量输 出通道。
应该注意,过程通道是以经过通道的信号形式来划分的,并 不以连续的对象来划分,如模拟对象的模拟量可以转换为频率信 号(V—F变换),连接于数字输入通道,而数字输出通道完全可以 接直流电动机,组成脉冲调宽控制(PWM)。
拾取、转换、滤波、保护、隔离以及输出信号的驱动等问题。 对于开关量输入信号的转换、滤波、保护、隔离以及开关量
输出信号的驱动等,前面已有详细讨论,这里主要讨论一下开关 量输入信号的拾取方式。
39
(1)开关状态型开关量输入信号的拾取。这是最常见的一种 开关量输入形式,如生产设备或过程中某个开关或继电器的断开 与闭合等。这种类型的开关量可通过前面已介绍的转换电路将开 关的状态转换为电平的高低。
11
3.输入/输出电气接口 典型的开关量输入/输出电气接口的功能主要是滤波、电平 转换、隔离和功率驱动等,关于这些内容,将在后面详细介绍。
12
2.2.2 开关量输入信号的调理 开关量输入通道的基本功能就是接收外部的状态信号,这些
状态信号是以逻辑“1”或逻辑“0”形式出现的,其信号可能是 电压、电流或开关的触点。在有些情况下,外部输入的信号可能 会引起瞬时的高电压、过电压、接触抖动以及噪声等干扰。为了 将外部的开关量信号输入到计算机,必须将现场输入的状态信号 经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接收的逻辑信 号,这就是开关量输入信号调理的任务。
8
2.2.1 开关量输入/输出通道的一般结构形式 开关量输入/输出通道一般由三部分组成:CPU接口逻辑、输
入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口(亦即开关量输入信 号调理和输出信号驱动电路)。一般情况下,各种开关量输入/输 出通道的前两部分往往大同小异,不同之处主要在于输入/输出 (I/O)电气接口。典型的开关量输入/输出通道结构如图2-2所示 。
第二章 计算机控制技术
逐位逼近式A/D转换原理
• 一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位
D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、 输出锁存器等五部分组成。现以4位A/D转 换器把模拟量9转换为二进制数1001为例, 说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
反馈电压 VO V IN 模拟量 输 入 启动 CLK 控制时序和 逻辑电路 逐位逼近寄 存 器 (SAR) 比较器 VC D / A转 换 器 数字量 输 出 锁存器 D0 D1 D2 D3
采样保持器的工作过程
零阶采样保持器是在两次采样的间
隔时间内,一直保持采样值不变直到 下一个采样时刻。它的组成原理电路
与工作波性如图(a)、(b)所示。
采样保持器由输入输出缓冲放大器
A1、A2和采样开关S、保持电容CH等 组成。采样期间,开关S闭合,输入电
压VIN通过A1对CH快速充电,输出电
压VOUT跟随VIN变化;保持期间,开关
第一节 信号的采样与复现
• 生产过程的状态和参数输入到计算机
是通过采样来完成的,采样保留了连 续信号在采样时刻的信息,而不计采 样间隔之间的信息。 • 采样频率高时,采到的信号密集,采 样信号就可以近似代表原来的连续信 号。
信号的采样与重构
• 控制系统中信号的分类
– 模拟信号:信号是时间的连续函数 – 离散信号:信号是时间上的离散序列 • 采样 计算机每隔一定时间T采入一次模拟信号 的瞬时值的过程,我们称之为采样,时间 间隔 T称为采样周期。采样过程也称为连 续信号的时间离散化过程。
2、转换精度(误差)
实际输出值与理论值之间的最大偏 差,转换精度反映了一个实际A/D转 换器与一个理想A/D转换器的差值。
注:即使分辨率很高,但是可能由于温
最新计算机控制技术及其应用(丁建强-任晓-卢亚萍)课后答案
第1章概述1-2第2章计算机控制系统的理论基础 .......................................................................... 2-1第3章数字控制器的设计与实现 ............................................. 3-1第4章控制系统中的计算机及其接口技术 ..................................... 4-1第5章计算机控制系统中的过程通道 ......................................... 5-1第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术 ....................................... 6-1第7章控制系统的组态软件 ................................................. 7-1第8章 DCS集散控制系统.................................................... 8-1第9章计算机控制系统的解决方案 ........................................... 9-1第10章计算机控制技术在简单过程控制中的应用 ............................. 10-1第11章计算机控制技术在流程工业自动化中的应用 ........................... 11-1第1章概述1.什么是自动控制、控制系统、自动化和控制论?[指导信息]:参见1.1自动控制的基本概念。
自动控制(autocontrol):不用人力来实现的控制,通常可用机械、电气等装置来实现。
通常相对手动控制而言。
控制系统(control system):通过控制来实现特定功能目标的系统。
而系统(system)是由相互联系、相互作用要素组成的具有一定结构和功能的有机整体。
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终值定理
Z
若 f(t)
F(z)
教材第33页,2-4(1)
则 lim f (t) lim (1 z1)F(z)
t
z1
注:终值定理是研究离散系统稳态误差的重要数学工具。
卷积定理
k
设 f (k) h(k j)r( j) j0
则 F(z) H (z)R(z)
f (k), h(k), r(k) 0 k 1,2,
k 0
k 0
将上式两端同时乘以 z-1 有
z 1F (z) z 1 z 2 z 3 (2-11)
式(2-10)减去式(2-11)得 (1 z1)F (z) 1
所以
Z
[1(t
)]
F
(
z
)
1
1 z
1
3. z变换理论
3.2 z变换的求法
直接法 例2-2 求指数函数e-at (a≥0)的 z 变换。
第二章 计算机控制系统 理论基础
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
采样过程与采样定理 零阶保持器 z变换理论 采样控制系统的数学模型 采样控制系统的稳定性分析 采样控制系统的稳态误差分析 采样控制系统的动态性能分析
1. 采样过程和采样定理
1.1 采样控制系统
r(t) e(t)
-
e*(t)
d*(t)
u(t)
A/D
运算
D/A
受控对象 c(t)
检测
图2-1 采样控制系统结构图
1. 采样过程和采样定理
1.1 采样过程
图2-2 采样过程
1. 采样过程和采样定理
1.2 采样过程
图2-3 采样的幅值调制过程
采样过程可视为单位理想脉冲序列 T (t) 被输入的连续信号f(t)进行幅值调制过程。
图2-6 零阶保持器的输入、输出特性
作用:
将前一采样时刻 kT 的采样值一直保持到下一个采样时刻 (k+1)T,从而使采样信号f *(t)变为阶梯信号 fh(t)。
2. 零阶保持器
2.2 零阶保持器
零阶保持器单位脉冲响应
gh (t) 1(t) 1(t T )
频率特性
L
Gh
(s)
X
(z)
B(z) A(z)
b0 b1z1 bm zm 1 a1z1 an zn
(2)m<n,分母多项式在z = u处有 l 阶重极点
nl
X (z)
i 1
1
ri pi z 1
l 1 i0
qi (1 uz1)li
qi
1
di
(u)i i! d(z1)i
3. z变换理论
3.2 z变换的求法
图2-9 采样值相同的两个不同的连续函数
3. z变换理论
3.2 z变换的求法
直接法 例2-1 求单位阶跃函数1(t)的 z 变换。
F (z) f (kT)zk k 0
解 令f(t)=1(t),由z 变换定义有
F (z) f (kT)zk 1(kT)zk 1 z1 z2 (2-10)
x(t)
h(t)
yzs (t) = x(t)*h(t)
X(s)
H(s)
Yzs (s) = X(s)H(s)
4. 采样控制系统的数学模型
4.2 脉冲传递函数的定义
在采样控制系统中,在初始静止(r(-1)=0, r(-2)=0, r(-3)=0,… 和c(-1)=0, c(-2)=0, c(-3)=0,… )的条件下,一个环节(系统)的输出 脉冲序列的z变换和输入脉冲序列的z变换之比定义为该环节(系统)的脉 冲传递函数。
3.1 z变换的定义
Z[ f (t)] Z[ f *(t)] F (z) f (kT)zk k 0
3.2 z变换的求法
注意事项: 1) 只有采样函数f *(t)才能定义z变换。
有的资料上说“对连续函数 f(t) 作z变换”,这是指对 f(t) 的采样函 数 f*(t) 作 z变换。 2) 比较下面两式:决定幅值 决定时间
图2-5 理想滤波器及其输出信号频谱 a) 理想滤波器 b) 滤波器输出信号频谱C(jω)
计算机输出的控制信号f (t)为离散信号,其频谱含有高频分量,在输出 给执行器前,需要进行滤波。理想做法是加理想低通滤波器。 缺点:无法实现理想低通滤波器 实际做法:采用保持器
2. 零阶保持器
2.2 零阶保持器
其中a1和a2为任意常数。 延迟定理
Z
若 f(t)
F(z)
Z
则 f(t-nT )
z-nF(z)
3. z变换理论
3.3 z变换的基本定理
超前定理
Z
若 f(t)
F(z)
Z 则 f(t+nT )
n1
zn F (z) zn j f ( jT ) j0
复位移定理
Z
若 f(t)
F(z)
4. 采样控制系统的数学模型
4.1线性常系数差分方程及其解法
差分的定义
一阶后向差分 f (k) f (k) f (k 1)
二阶后向差分
2 f (k) [f (k)] [ f (k) f (k 1)] f (k) f (k 1) f (k) f (k 1) [ f (k 1) f (k 2)] f (k) 2 f (k 1) f (k 2)
4. 采样控制系统的数学模型
4.1线性常系数差分方程及其解法
用z变换求解差分方程
例2-9 用z变换求解下列差分方程
c(k 2) 3c(k 1) 2c(k) 0
初始条件为:c(0) =0, c(1) = 1。
解:对差分方程进行z变换得
z2c(z) z2c(0) zc(1) 3zc(z) 3zc(0) 2c(z) 0
3. z变换理论
3.4 z反变换
直接除法
例2-5
求下列函数的z反变换
F
(
z)
1
3 2z
1
z 1 z
2
3. z变换理论
3.4 z反变换
部分分式法
X
(z)
B(z) A(z)
b0 b1z1 bm zm 1 a1z1 an zn
(1) m<n,特征方程无重根的情况
上式表明F(z)的特征方程式无重根,设
F
(
z)
1
0.5 1.5z 1
z 1 0.5
z
2
1
A z
1
B 1 0.5z 1
则
A
(1
z1)F (z)
|z1
0.5z 1 1 0.5z1
|z1 1
同理可得: B= -1
3. z变换理论
3.4 z反变换
部分分式法
4. 采样控制系统的数学模型
4.1线性常系数差分方程及其解法
差分的定义
一阶前向差分 f (k) f (k 1) f (k)
二阶前向差分
2 f (k) [f (k)] [ f (k 1) f (k)] f (k 1) f (k) f (k 2) f (k 1) [ f (k 1) f (k)] f (k 2) 2 f (k 1) f (k)
故 F(z)可化为
1
1
F(z)
1
z 1
1
0.5z
1
根据附录可知: f (kT) 1 0.5k k 0,1,2,
由于 0.5 e0.693 ,所以
0.693t
f *(t) (1 e T ) (t kT)
k 0
3. z变换理论
3.4 z反变换
部分分式法
代入初始条件,并解得
c(z)
z2
z 3z
2
(z
z 1)( z
2)
z
z 1
z
z 2
查表得到 c(k) (1)k (2)k k 0,1,2,
4. 采样控制系统的数学模型
4.2 脉冲传递函数的定义
在连续系统中传递函数的定义是:在初始静止(t=0时,输入量和输 出量以及它们的各阶导数均为零)的条件下,一个环节(系统)的输出量拉 氏变换和输入量的拉氏变换之比定义为该环节(系统)的传递函数。
可知
Z
[
Ai
e
sit
]
1
Ai esiT
z
1
所以
Z[ f
(t)]
n i 1
Ai 1 esiT z 1
3. z变换理论
3.3 z变换的基本定理
线性定理
若 f1(t)
F1(z)
Z 则 a1 f1(t)+a2 f2(t)
f2(t)
F2(z)
a1 F1(z)+a2 F2(z)
1. 采样过程和采样定理
1.3 采样定理
图2-4 f(t)、 f *(t)的频谱 a) f(t)的频谱F(jω) b) f *(t)的频谱F*(jω) 采样定理(香农定理):
采样频率 ωs 至少应是 f (t) 的最高频率ωmax的两倍,即 s 2max
2. 零阶保持器
2.1 信号复现
f *(t) f (kT) (t kT) f (0) (t) f (1) (t T ) f (2) (t 2T ) k 0