内蒙古工业大学计算机控制系统课程设计Word文档格式.docx

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已知条件：

1、设有限拍无波纹随动系统如图，对象特性G（S）=10/S（1+0.1S）采用零阶保持器，采样周期T=0.1S,试设计单位速度输入时有限拍无波纹调节器D（Z）。

2、某加热炉燃烧系统如图，试进行DDC原则性设计，使加热炉能环保经济的运行。

要求：

1、严格遵守作息时间，认真完成课程设计，设计共计一周。

2、按要求完成课程设计说明书一份。

四、工作进度安排

1、根据已知技术参数完成计算机控制系统的离散化设计。

（2天）

2、根据题目设计相应的控制方案，画出原则性系统结构图，说明系统各部分的作用及工作原理。

3、编写课程设计说明书（1天）

五、主要参考文献

教材:

《计算机控制系统》.何克忠.清华大学出版社.1998.

《计算机控制系统》.王锦标.清华大学出版社.2004

参考书：

《微型计算机控制技术》.谢剑英、贾青.国防工业出版社.2001.

《计算机控制系统分析与设计》.张玉明电力出版社.2000

《Computer-ControlledSystems》.KarlJAstrom.清华大学出版社.2002.

审核批准意见

系（教研室）主任（签字）

第一章计算机控制系统的离散化设计

计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出数字调节器，使系统达到要求的性能指标。

本章介绍的离散化设计是在Z平面上设计的方法，对象可以用离散模型表示，或者用离散化模型表示的连续对象。

1.1有限拍设计概述

有限拍设计的要求是在系统在典型的输入作用下，经过尽可能少的采样周期后系统达到稳定。

并且，在采样点之间没有波纹。

有限拍无波纹设计其实是一种时间的最优控制。

图1-1中D（z）是数字调节器模型，由计算机实现，是零阶保持器的传递函数。

图1-1有限拍随动系统

G（s）是控制对象的传递函数，零阶保持器和控制对象离散化以后，成为广义对象的Z传递函数HG（z）

HG（z）=Z[]（1-1）

有限拍随动系统的闭Z环传递函数（1-2）

有限拍随动系统的误差Z传递函数=（1-3）

有限拍随动系统的调节器由（1-2）和（1-3）可得：

（1-4）

随动系统的调节时间也就是系统的误差e（kT）达到恒定值或趋于零所需要的时间，根据Z变换的定义：

=（1-5）

由式（1-5）就可知道。

有限拍系统就是要求系统在典型的输入作用下，当k≥N时，为恒定值或等于零。

N为尽可能小的正整数。

由式（1-3）得（1-6）在特定的输入作用下，为了使（1-6）式中E（z）是尽可能少的有限项，必须合理地选择。

若选择=M≥m.的有限多项式，不含有（1-）因子。

则可使E（z）是有限多项式。

当选M=m，且F（z）=1时，不仅可以使数字调节器简单，阶数比较低，而且还可以使E（z）的项数较少，因而调节时间较短，据此，对于不同的输入，可以选择不同的误差Z传递函数。

有限拍设计的方法、过程及其结构虽然简单明了，但是在设计的过程中我们还是要注意到以下问题：

（1）有限拍系统对输入形式的适应性差；

（2）有限拍系统对参数的变化很敏感；

（3）采样频率的上限受到饱和特性的限制；

（4）有限拍系统不能保证采样点之间的误差为零或恒值，系统存在纹波，纹波对系统的工作是有害的。

故为保证采样点之间的误差为零或恒值，需进行有限拍无纹波的设计。

1.2有限拍无纹波设计

有限拍系统采用Z变换方法进行设计，采样点上的误差为零，不能保证采样点之间误差值为零，有限拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波。

纹波不仅造成误差，也能消耗功率，消费能量，而且造成机械摩损。

有限拍的设计要求是在系统的典型输入作用下，经过尽可能少的采样周期以后，系统达到稳定。

并且，在采样点之间没有纹波。

波动是零阶保持器的输入的波动造成的。

有限拍无纹波设计就是要求当k≥N时，保持恒值，或为零，N为某正数。

由于。

若选定是的有限多项式，那么，在确定的输入作用下，经过有限拍，就能达到某恒定值，而且能保证系统的输出没有纹波。

有限拍系统采用Z变换方法进行设计，有限拍系统的输出响应在采样点之间存在纹波。

有限拍的设计要求是在系统的典型输入作用下，经过尽可能少的采样周期以后，系统达到稳定，并且在采样点之间没有纹波。

1.3有限拍无纹波设计实例

有限拍无波纹随动系统如图1-2，对象特性G（S）=10/S（1+0.1S）采用零阶保持器，采样周期T=0.1S,设计单位阶跃输入时有限拍无波纹调节器D（Z）：

图1-2有限拍随动系统

广义对象的Z传递函数：

=

选择（1-7）

Gc（z）中z-1和1+0.717z-1是由于HG（z）中含有z-1因子和零点z=-0.717，Ge（z）中（1-z-1）2是由单位速度输入决定的。

而Gc（z）中（a0+a1z-1）的项和Ge（z）中的（b0+b1z-1）项是为了使Ge（z）和Gc（z）的阶次相同，且使式子Gc（z）=1-Ge（z）成立。

由式（4-34）可得

解方程，可得

a0=1.408，a1=-0.826，b0=1，b1=0.592

单位速度输入时，有限拍无纹波调节器

由Z变换定义可得

e2（0）=0e2（T）=0.3825e2（2T）=0.0174e2（3T）=e2（4T）=e2（5T）=…=0.1

系统三拍以后，即k≥3，e2（kT）=0.1，所以系统的调节时间ts=3T=0.3s，并且可保证系统的输出是无纹波的。

与有纹波有限拍系统一样，按单位速度输入设计的有限拍无纹波系统，当输入为单位阶跃函数时，调节时间ts=3T=0.3s，超调量σp相当大。

为了作出有限拍无纹波系统的输出相应，（包括采样点之间的输出值），可以用广义Z变换或扩展Z变换求出然后求出相应的y（t）。

图4.13表示有限拍无纹波系统的输出响应。

为了消除纹波，系统的调节时间加长或者调节性能变坏。

有限拍无纹波设计，仍然只是针对某种类型的输入信号。

当输入型式改变时，系统的动态性能通常变坏。

第二章DDC原则性设计

2.1　DDC系统的应用设计

DDC系统的设计分为开发设计和应用设计两部分。

前面两节讨论了开发设计，开发者的任务是生产最终用户所需的硬件和软件。

本节讨论应用设计，应用者的任务是选择满足控制对象所需的硬件和软件，设计控制方案，并用监控组态软件构成可实际运行的控制回路及操作显示画面，通过现场投运调试，满足操作监控要求。

本节只讨论其中的控制方案设计、工程设计和运行调试，并列举应用实例。

2.2DDC系统的控制方案设计

DDC系统的应用设计中控制方案或控制策略的设计最为重要，其余设计都是为控制方案服务的。

在进行控制方案设计之前，设计人员首先应该对控制对象进行深入的调查和分析，并熟悉工艺流程，根据生产中提出来的问题，确定系统所要完成的任务。

然后写出设计报告，选择控制方案是控制系统设计的关键，控制方案的好坏，直接影响控制效果、系统投资和经济效益。

DDC系统的控制方案的设计必须针对某个生产过程或被控对象，下面仅以加热炉燃烧控制为例，讨论双交叉限制燃烧控制方案。

2.2.１双交叉限制燃烧控制方案

双交叉限制燃烧控制系统如图2.１所示。

它增加了高值选择器HS２、低值选择器LS２、正偏置+a４％和负偏置-a３％，从而保证了加热炉负荷变化的过程中，既限制了剩余空气系数μ的下限值，又限制了μ的上限值，使得燃料流量Fｆ和空气流量Fａ分别限制在冒黑烟界线和空气剩余界线之内，如图2.１所示。

双交叉限制燃烧控制系统的工作原理如下：

在燃料流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与根据空气流量测量值Fa计算出的所需燃料流量减去偏置a３％得到的信号C

（2.1.1）

和信号B相比较，由高值选择器HS２和低值选择器LS１来选通A，C，B之一作为燃料流量调节在空气流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与燃料流量测量值Fｆ加上偏置a４％得到的信号E

（2.1.2）

和信号D相比较，由低值选择器LS２和高值选择器HS１来选通A，E，D之一，再乘以空燃比ｒ作为空气流量调节器FAC的给定值Sａ。

器FFC的给定值Sｆ。

图2.１　双交叉限制燃烧控制系统

图2.２表示出当负荷变化时，双交叉限制燃烧控制系统中各信号的过渡过程。

下面分别对稳定负荷、升负荷和降负荷这三种状态进行分析。

（１）定负荷

当系统处于稳定负荷状态时，炉温调节器TC的输出信号A同时作为燃料流量调节回路的给定值（Sｆ＝A）和空气流量调节回路的给定值（Sａ＝Aｒ）信号，此时剩余空气系数μ等于给定值μｓ，如图2.5（d）所示。

（２）升负荷

当升负荷时，信号A急剧上升，发生正跳变，如图2.２（a）所示。

先看空气流量调节回路的情况，见图2.２（c）。

此时，A<

E，LS２选通A。

当A正跳变到A>

E时，LS２选通E，A被中断，同时E>

D，HS１又选通E，再乘以ｒ作为空气流量给定值Sａ，使空气流量随着E值的增加而增加，即空气流量随着燃料流量的增加而增加，交叉限制开始。

当E增加到E>

A时，LS２选通A，E被中断，同时A>

D，HS1又选通A，再乘以ｒ作为空气流量给定值Sａ，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。

再看燃料流量调节回路的情况，见图2.２（b）。

此时，A>

C，HS２选通A。

当A正跳变到A＞B时，LS１又选通B，A被中断，B作为该回路的燃料流量给定值Sｆ使燃料流量随着B值的增加而增加，即燃料流量随着空气流量的增加而增加，交叉限制开始。

当B增加到B＞A，同时A＞C，HS２选通A，LS１也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值Sｆ，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。

至此，升负荷的过渡过程结束。

在这个动态过程中，燃料流量和空气流量互相影响交替增加。

图2.３（a）和（c）所示的实验曲线也证明了上述分析。

（３）降负荷

当降负荷时，信号A急剧下降，发生负跳变，如图2.２（a）所示。

先看燃料流量调节回路的情况，见图2.２（b）。

当A负跳变到A<

C时，HS２选通C，A被中断，同时C<

B，LS１又选通C，C作为该回路的燃料流量给定值Sｆ，使燃料流量随着C值的减小而减小，即燃料流量随着空气流量的减小而减小，交叉限制开始。

当C减小到C<

A时，HS２选通A，同时A<

B，LS１也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值Sｆ，交叉限制结束，此时系统恢复稳态。

再看空气流量调节回路的情况，见图2.２（c）。

D时，HS１又选通D，再乘以ｒ作为空气流量给定值Sａ，使空气流量随着D值的减小而减小，即空气流量随着燃料流量的减小而减小，交叉限制开始。

当D减小到D<

A时，同时A<

E，LS２选通A，HS１也选通A，再乘以ｒ作为空气流量给定值Sａ，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。

至此，降负荷的过渡过程结束。

在这个动态过程中，空气流量和燃料流量互相影响交替减小。

图2.３（b）和（d）所示的实验曲线也证明了上述分析。

通过上述分析以及图2.２和图2.３所示的曲线可知，当升负荷时，由于信号A急增，偏置a１％和a４％分别给燃料流量调节器FFC和空气流量调节器FAC的给定值一个增量，信号B和E使FFC和FAC的给定值既