内蒙古工业大学计算机控制系统课程设计Word文档格式.docx

1、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

2、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.2000Computer-Controlled Systems.Karl J Astrom. 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

3、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，

4、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kN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= Mm.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

5、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

6、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kN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

7、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）=0 e2（T）=0.3825 e2（2T）=0.0174 e2（3T）=e2（4T

8、）=e2（5T）=0.1系统三拍以后，即k3，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 p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

9、设计2.1DDC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。2.2 DDC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

10、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.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.所示。它增加了高值选择器HS、低值选择器LS、正偏置+a和负偏置-a，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的下限值，又限制了的上限值，使得燃料流量F和空气流量F分别限制在冒黑烟界线和空气剩余界线之内，如图2.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

11、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a得到的信号C （2.1.1）和信号B相比较，由高值选择器HS和低值选择器LS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F加上偏置a得到的信号E （2.1.2）和信号D相比较，由低值选择器LS和高值选择器HS来选通A，E，D之一，再乘以空燃比作为空气流量调节器FAC的给定值S。器FFC的给定值S。图2.双交叉限制燃烧控制系统 图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。

12、（）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（SA）和空气流量调节回路的给定值（SA）信号，此时剩余空气系数等于给定值，如图2.5（d）所示。（）升负荷当升负荷时，信号A急剧上升，发生正跳变，如图2.（a）所示。先看空气流量调节回路的情况，见图2.（c）。此时，AE时，LS选通E，A被中断，同时ED，HS又选通E，再乘以作为空气流量给定值S，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EA时，LS选通A，E被中断，同时AD，HS1又选通A，再乘以作为空气流量给定值S，交叉限制结束，此时系统恢复到稳

13、定状态。再看燃料流量调节回路的情况，见图2.（b）。此时，AC，HS选通A。当A正跳变到AB时，LS又选通B，A被中断，B作为该回路的燃料流量给定值S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BA，同时AC，HS选通A，LS也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值S，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.（a）和（c）所示的实验曲线也证明了上述分析。（）降负荷当降负荷时，信号A急剧下降，发生负跳变，如图2.（a）所示。先看燃料流量调节回路的情况，见图2.（b）

14、。当A负跳变到AC时，HS选通C，A被中断，同时CB，LS又选通C，C作为该回路的燃料流量给定值S，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CA时，HS选通A，同时AB，LS也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值S，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.（c）。D时，HS又选通D，再乘以作为空气流量给定值S，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DA时，同时AE，LS选通A，HS也选通A，再乘以作为空气流量给定值S，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.（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.和图2.所示的曲线可知，当升负荷时，由于信号A急增，偏置a和a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