1、第四章 自動控制技術 4.1 概述4.2 控制系統(tǒng)的數學模型4.3 微機控制技術基礎4.4 數字控制器的設計4.1 概述一、控制與控制系統(tǒng)二、系統(tǒng)的分類三、系統(tǒng)的過渡過程和性能指標一、控制與控制系統(tǒng) 控制是指為達到預先給定的目的，作用于系統(tǒng)的有目的的動作。控制系統(tǒng)是指由被控對象和控制裝置所構成的，能夠對被控對象的工作狀態(tài)進行調節(jié)、使之具有一定的狀態(tài)和性能的系統(tǒng)。例如： 一、控制與控制系統(tǒng)組成： (1) 傳感器:將貯槽液位信息轉為特定信號(如U、I等)，并傳送到控制器，相當于人工控制時眼睛的作用。 (2) 控制器:接受變送器送來的信號，與由生產工藝要求確定的給定液位信號比較得出偏差，按某種運算規(guī)

2、則算出結果，并將此結果轉換為特定信號發(fā)送到執(zhí)行器，相當于人工控制時大腦的作用。 (3) 執(zhí)行器:即此處的控制閥2，它根據控制器送來的信號大小自動調節(jié)閥門的開啟度，相當于人工控制時手和閥的組合。一、控制與控制系統(tǒng)控制器控制閥被控對象傳感器給定值偏差控制器 輸出操縱變量被控變量測量值-+自動控制系統(tǒng)方框圖干擾 利用系統(tǒng)框圖可清楚、方便地表示自動控制系統(tǒng)中各個組成部分之間的相互關系，在研究自動控制系統(tǒng)時，通常用方框圖表示控制系統(tǒng)的組成。 二、系統(tǒng)的分類1按照有無反饋測量裝置分類控制器被控對象傳感器輸入偏差輸出測量值-+控制器被控對象輸入輸出開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)二、系統(tǒng)的分類 開環(huán)控制系統(tǒng)是沒有反

3、饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng),其主要優(yōu)點是簡單、經濟、容易維修以及價格便宜。它的主要缺點是精度低，對環(huán)境變化和干擾十分敏感。 閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱為反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，具有精度高，動態(tài)性能好，抗干擾能力強等優(yōu)點，它的缺點是結構復雜，維修困難，價格昂貴等。二、系統(tǒng)的分類2按照信號處理技術分類 控制系統(tǒng)可以分為模擬控制系統(tǒng)和數字控制系統(tǒng) 凡采用模擬技術處理信號的控制系統(tǒng)稱為模擬控制系統(tǒng); 而采用數字技術處理信號的控制系統(tǒng)稱為數字控制系統(tǒng)。 現在許多控制系統(tǒng)都采用微處理機作為控制器，負責采集信號、運算控制規(guī)律以及產生控制指令等。機械系統(tǒng)是連續(xù)的物理過程，而微處理機控制器處理離散的數字信號，

4、二者之間必須通過采樣器(A/D)和數據保持器(D/A)連接起來通常，這類計算機控制系統(tǒng)通常稱為采樣數據控制系統(tǒng)。二、系統(tǒng)的分類3按照應用分類 控制系統(tǒng)分為調節(jié)系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng) 調節(jié)系統(tǒng)是在干擾作用下使被控變量保持常數的一種控制系統(tǒng)，調節(jié)系統(tǒng)的輸入是它的設定點。 跟蹤系統(tǒng)是保持其被控變量盡可能接近時變的指令值，如數控機床的刀具必須跟蹤給定的路徑，以加工出合適形狀的零件，這是典型的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是一類被控變量為位移、速度或加速度的跟蹤系統(tǒng)。 溫度自動調節(jié)系統(tǒng)不是伺服系統(tǒng)，而是過程控制系統(tǒng)。典型的過程控制系統(tǒng)的被控變量有溫度、壓力、流速、液位以及化學濃度等。二、系統(tǒng)的分類4按系統(tǒng)給定

5、信號的特點分類 (1)恒值控制系統(tǒng) 控制過程中，如要求被控變量保持在一個狀態(tài)不變，或者說系統(tǒng)的給定信號是恒定值，那么就需要采用恒值控制系統(tǒng)。 (2)程序控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的給定值是變化的，且為一已知的時間函數，或按預定的規(guī)律變化。比如金屬熱處理的溫度控制裝置、數控機床的數控程序加工，就是這類系統(tǒng)的例子。 (3) 隨動控制系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的特點是給定信號不僅不斷地變化，且這種變化不是預先規(guī)定好的，即給定信號是按未知規(guī)律變化的任意函數。隨動系統(tǒng)的根本任務就是能夠自動地、連續(xù)地、精確地復現給定信號的變化規(guī)律。如雷達天線伺服系統(tǒng)等都是隨動系統(tǒng)。三、系統(tǒng)的過渡過程和性能指標1 過渡過程 系統(tǒng)的控制過程實際

6、上是一個動態(tài)過程，即當系統(tǒng)的輸入量（包括干擾）發(fā)生變化時，由于系統(tǒng)的能量只能作連續(xù)變化，從而使系統(tǒng)的輸出呈現出從一個平衡狀態(tài)向另一個平衡狀態(tài)過渡的過程,稱之為系統(tǒng)的過渡過程。一般情況下，系統(tǒng)脈沖響應的過渡過程有以下幾種基本形式： (1) 非周期衰減過程 (2) 衰減振蕩過程 (3) 等幅振蕩過程 (4) 發(fā)散振蕩過程 分別見下圖的a b c d。三、系統(tǒng)的過渡過程和性能指標abcd 實際的控制系統(tǒng)希望系統(tǒng)具有圖a和b的輸出形式，圖c和d的情況是不容許出現的。系統(tǒng)的輸出和系統(tǒng)的輸入是密切相關的，實際系統(tǒng)的輸入形式多種多樣，為安全和理論分析的方便，常選一些典型的輸入形式，包括單位階躍輸入、單位速度

7、(斜坡)輸入、單位加速度(拋物線)輸入。其中因階躍信號（如下圖所示）對被控變量影響最大，且易實現，便于實驗、分析和計算，故常被采用作為系統(tǒng)的輸入來研究控制系統(tǒng)。三、系統(tǒng)的過渡過程和性能指標2. 性能指標 控制系統(tǒng)在輸入作用下所產生的輸出稱為響應。系統(tǒng)由初始狀態(tài)隨時間到最終狀態(tài)的響應過程稱為動態(tài)過程，亦稱瞬態(tài)響應，它是系統(tǒng)短時間響應特性的度量；當時間趨于無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)過程，亦稱穩(wěn)態(tài)響應，它表征系統(tǒng)輸出量最終復現輸入量的程度。任何控制系統(tǒng)的時間響應都由動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩過程組成。 由此可見，控制系統(tǒng)在典型輸入信號作用下的性能指標，常由穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能兩部分組成。三、系統(tǒng)的過渡過程和性能

8、指標三、系統(tǒng)的過渡過程和性能指標(1)穩(wěn)態(tài)性能 對于單輸入單輸出系統(tǒng)來說，在時域中穩(wěn)態(tài)響應的性能指標是穩(wěn)態(tài)誤差，即系統(tǒng)在典型信號作用下，t 時的穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入對應的希望輸出之差。 對于單位反饋系統(tǒng)，在不同參考輸入信號作用下的系統(tǒng)響應的穩(wěn)態(tài)誤差就是：三、系統(tǒng)的過渡過程和性能指標(2)動態(tài)性能(a)上升時間:tr(b)峰值時間:tp(c)最大超調量:Mp(d)調整時間:ts(e)振蕩次數:N4.2 控制系統(tǒng)的數學模型一、 數學模型的概念二、 數學模型的類型三、 數學模型的建立四、 描述系統(tǒng)特性的參數五、 控制系統(tǒng)的設計方法1數學模型 用數學方法描述的系統(tǒng)輸出與輸入之間的關系，這種系統(tǒng)特性的數學

9、描述就稱為系統(tǒng)的數學模型。因過渡過程中，系統(tǒng)的輸出（即被控變量）隨時間而變化，故描述系統(tǒng)特性的數學模型中不僅會出現這些變量本身，也包含這些變量的各階導數，所以微分方程式是表示系統(tǒng)數學模型最基本的形式。一、 數學模型的概念2建立數學模型的意義 研究與分析控制系統(tǒng)時，既要定性地了解系統(tǒng)的工作原理及特性，還要定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過定量的分析與研究，找到內部結構及參數與系統(tǒng)性能間的關系(數學模型) ,如系統(tǒng)不能按照預先期望的規(guī)律運行，基于對模型的分析，適當地改變其結構和參數，使其滿足規(guī)定性能的要求；設計系統(tǒng)的過程中，對于給定的被控對象及控制任務，也可以借助數學模型來檢驗設計思想，以構成完整的系

10、統(tǒng)。所有這些都離不開數學模型。一、 數學模型的概念3建立數學模型的一般原則 合理數學模型的建立應該在模型的準確性和簡化性之間進行折中。既不能過分強調準確性而使數學模型過于復雜，也不能片面追求簡化性而使分析結果與實際的出入過大。這是在建立系統(tǒng)數學模型的過程中要特別注意的問題。 一、 數學模型的概念(1) 非參量模型 當數學模型是采用曲線或數據表格等來表示時，就稱為非參量模型。非參量模型可通過記錄實驗結果得到，也可通過計算得到，它的特點是形象、清晰，容易看出其定性的特征。但是，由于它們缺乏數學方程的解析性質，要直接利用它來進行系統(tǒng)的分析和設計往往比較困難，必要和可能時，可對它們進行一定的數學處理來

11、得到參量模型的形式。二、 數學模型的類型(2) 參量模型 當數學模型是采用數學方程式來描述時，稱為參量模型。參量模型按其討論域可分為時域模型、復數域模型和頻域模型。 時域模型包括微分方程、差分方程等，其具有直觀、準確的優(yōu)點，不足之處是系統(tǒng)的結構改變或某個參數變化時，要重新列寫并求解微分方程。(a) 微分方程 對于線性連續(xù)的控制系統(tǒng)，通常用常系數線性微分方程式來描述，如果以r(t)表示輸入量，C (t)表示輸出量，則系統(tǒng)特性可用下列微分方程來描述：二、 數學模型的類型 式中 及 分別為與系統(tǒng)結構和參數有關的常系數。它們與系統(tǒng)的特性有關，一般需要通過系統(tǒng)的內部機理分析或大量的實驗數據處理才能得到。

12、二、 數學模型的類型(b) 傳遞函數 復數域模型包括系統(tǒng)傳遞函數和結構圖，傳遞函數既可表征系統(tǒng)的動態(tài)特性，也可用來研究系統(tǒng)的結構或參數變化對系統(tǒng)性能的影響。 線性定常系統(tǒng)的傳遞函數定義為零初始條件下，輸出量（響應函數）的拉氏變換與輸入量（輸入函數）的拉氏變換之比。拉氏變換為：二、 數學模型的類型 將上述微分方程進行拉氏變換，由于初始條件為零，即系統(tǒng)原來處于靜止狀態(tài)，外加輸入是在零狀態(tài)時才作用于系統(tǒng)，所以可得二、 數學模型的類型則這個系統(tǒng)的傳遞函數可寫為傳遞函數具有以下性質：(1) 傳遞函數描述系統(tǒng)本身的動態(tài)特性，與輸入量大小及性質無關。傳遞函數分母是系統(tǒng)特征多項式，代表系統(tǒng)固有特性，分子代表輸

13、入量與系統(tǒng)間的變換關系。(2) 傳遞函數不能描述系統(tǒng)的物理結構。對動態(tài)特性相似的不同物理系統(tǒng)可用同一類型的傳遞函數描述。(3) 傳遞函數的量綱取決于輸入量和輸出量的量綱。(4) 通常傳遞函數分母多項式的階次高于分子多項式的階次。分母多項式階次為n的系統(tǒng)，稱為n階系統(tǒng)。(5) 傳遞函數只適用于線性系統(tǒng)。滿足線性疊加原理是線性系統(tǒng)的主要性質。 二、 數學模型的類型(c) 頻率特性 頻域模型主要描述系統(tǒng)的頻率特性，應用頻率特性可不需要進行大量的計算，就能比較迅速地分析系統(tǒng)中各個參量對系統(tǒng)性能的影響以及可直接研究閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不必求出系統(tǒng)的特征根。將傳遞函數中 換成 ，即為頻率特性。因此，如果已

14、知各個環(huán)節(jié)的傳遞函數，就不需要逐一推導每個環(huán)節(jié)的頻率特性，而是以 代替 求取。反之把頻率特性中 換成 ，就可得到該環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的傳遞函數。二、 數學模型的類型例：右圖RC電路的傳遞函數為令： 其中 為輸入信號角頻率，則傳遞的頻率域表示為其中：二、 數學模型的類型從而可得 的模和相位角分別為 是輸入信號角頻率 的函數，稱為幅頻特性，常用幅頻特性曲線表示，它表示輸出與輸入的幅值之比隨輸入信號角頻率的變化關系。 也是角頻率 的函數，稱為相頻特性，常用相頻特性曲線表示，它表示輸出相對于輸入的相位移隨輸入信號角頻率的變化關系。 二、 數學模型的類型 =0或較低時， 輸出電壓和輸入電壓幅值相等或幾乎相等；隨

15、著 增加， 減小，即輸出電壓幅值減小。 時， 即輸入頻率較低時，輸出電壓對輸入電壓相角滯后不大；隨著輸入頻率的增大，輸出電壓相角滯后增大。二、 數學模型的類型1. 機理建模： (1) 根據系統(tǒng)和各元件的工作原理及其在控制系統(tǒng)中的作用，確定其輸入量和輸出量。 (2) 根據元件工作時所遵循的物理或化學定律，列出其相應的原始方程式。在條件許可時可適當簡化，忽略一些次要因素。所謂物理或化學定律，不外乎牛頓定律、能量守恒定律、物質守恒定律、基爾霍夫定律等等。 (3) 列出原始方程式的中間變量與其它因素的關系式。 (4) 將上述關系式代入原始方程式，消去中間變量，得到描述輸出量與輸入量之間關系的微分方程便

16、是系統(tǒng)或元件在時域的數學模型。三、 數學模型的建立例1貯槽液位控制系統(tǒng) 即如圖所示系統(tǒng)，液體經過閥門1不斷地流入貯槽，貯槽內的液體又通過閥門2不斷地流出。工藝上要求貯槽的液位h保持定值。在這里，貯槽就是被控對象，液位就是被控變量。三、 數學模型的建立 設閥門2的開度保持不變，閥門1的開度變化是引起液位變化的擾動作用，對象的輸入量是流入貯槽的流量Qi，對象的輸出量是液位h。下面來看當閥門1的開度變化時，液位是如何變化的，也就是建立表征h和Qi之間關系的數學表達式。 由題意可知，貯槽蓄儲量的變化率為單位時間流入的物料量減去單位時間流出的物料量。設貯槽橫截面積為A，當流入貯槽的流量Qi等于流出貯槽的

17、流量時Q0 ，對象處于平衡狀態(tài)，對象的輸出量液位h保持不變。 設在微小時間內，Qi發(fā)生變化，不再等于Q0 因而引起液位變化，此時，流入與流出貯槽的物料量之差應該等于貯槽內增加或減少的物料量，即三、 數學模型的建立 、 、h都是時間的變量。考慮流過閥門2的流量與閥芯位移x和閥壓降之間的關系為三、 數學模型的建立考慮并線性化得在平衡點,Qo與Qi相等,整理后得考慮三、 數學模型的建立考慮閉環(huán)時PID控制算法uhh-+R這就是用來描述簡單的貯槽液位控制系統(tǒng)的數學模型。三、 數學模型的建立2. 實驗建模 許多機電一體化產品的控制系統(tǒng)往往很難通過內在機理的分析來建立數學模型，而是常常用實驗的方法來獲得數

18、學模型。所謂實驗建模，就是在所要研究的系統(tǒng)上，加上一個人為的輸入作用，然后用儀表測取并記錄表征系統(tǒng)特性的物理量隨時間變化的規(guī)律，得到一系列實驗數據或曲線。這些數據或曲線就是用來表征系統(tǒng)特性的非參量數學模型。當然，根據這些數據或曲線的特征再加以一定的構思與數據處理，就有可能使之轉變?yōu)閰⒘磕Ｐ汀Ｈ?數學模型的建立 為方便起見，實際工作中，常用一些物理量來表示系統(tǒng)的特性。稱這些物理量為系統(tǒng)特性參數。1. 一階系統(tǒng)的特性參數(1). 放大系數K(2). 時間常數T(3). 滯后時間四、 描述系統(tǒng)特性的參數(1) 放大系數K 如果有一定的輸入變化量，通過系統(tǒng)被放大了K倍，變?yōu)檩敵鲎兓浚瑒t稱K為系統(tǒng)的

19、放大系數。K越大，表示系統(tǒng)的輸入量有一定變化時，對輸出量的影響就越大。被控變量對這個量的變化就越靈敏，選擇自動控制方案時需仔細考慮。四、 描述系統(tǒng)特性的參數(2) 時間常數T 有的控制系統(tǒng)受到干擾后，被控變量變化很快，較迅速地達到了穩(wěn)定值，有的系統(tǒng)在受到干擾后，如慣性很大，則被控變量要經過很長時間才能達到新的穩(wěn)態(tài)值。自動控制系統(tǒng)中，用時間常數T來表示系統(tǒng)到達穩(wěn)定狀態(tài)的速度。時間常數T越大，表示系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量變化越慢，達到新的穩(wěn)定值所需的時間越長。 四、 描述系統(tǒng)特性的參數(3) 滯后時間 有的系統(tǒng)在受到輸入作用后，被控變量卻滯后一定的時間才發(fā)生變化，這種現象稱為滯后。根據滯后性質

20、的不同，可分為傳遞滯后和容量滯后兩類。 (1) 傳遞滯后又叫純滯后，一般用 表示。四、 描述系統(tǒng)特性的參數 右圖所示為有、無純滯后一階對象的階躍響應曲線。 為輸入量，c(t)為無純滯后時的輸出量，c(t)為有純滯后時的輸出量。 比較兩條響應曲線可以看出，它們除了在時間軸上前后相差一個的時間外，其他形狀完全相同。也就是說純滯后對象的特性是當輸入量發(fā)生變化時，其輸出量不是立即響應輸入量的變化，而是經過一段純滯后時間以后，才開始等量地反映原無滯后時的輸出量的變化，其數學表達式為四、 描述系統(tǒng)特性的參數 因此，有、無純滯后特性的系統(tǒng)其數學模型具有類似的形式。如果上述例子中被控對象都是一階對象，而且它們

21、的時間常數和放大系數亦相等，僅在自變量t上相差一個T的時間，那么，若無純滯后的系統(tǒng)特性可以用下述方程式描述的話則有純滯后的系統(tǒng)特性描述為四、 描述系統(tǒng)特性的參數 (2) 容量滯后 容量滯后也叫過渡滯后。即系統(tǒng)在受到階躍輸入作用后，被控變量開始變化很慢，后來才逐漸加快，最后又變慢直至逐漸接近穩(wěn)定值，其響應曲線如圖所示。四、 描述系統(tǒng)特性的參數 容量滯后一般是由于物料或能量的傳遞受到阻尼的影響，一般出現在二階系統(tǒng)。對于這種系統(tǒng)，如用前述的三個參數K、T、(用一階系統(tǒng))來描述的話，必須作近似處理。 近似處理的方法如下：在上圖所示的響應曲線上，過反應曲線的拐點O作一切線，與時間軸相交，交點與被控變量開

22、始變化的起點之間的時間間隔h即為容量滯后時間。由切線與時間軸的交點到切線與穩(wěn)定值KA線的交點之間的時間間隔為T。這樣二階系統(tǒng)就被近似為有滯后時間 ，時間常數為T的一階系統(tǒng)了。四、 描述系統(tǒng)特性的參數 不難看出，自動控制系統(tǒng)中，滯后的存在是不利于控制的。也就是說，系統(tǒng)受到干擾作用后，由于滯后的存在，被控變量不能立即反映出來，于是就不能及時產生控制作用，整個系統(tǒng)的控制質量就會受到影響。 所以，在設計和安裝控制系統(tǒng)時，都應當盡量把滯后時間減到最小。 四、 描述系統(tǒng)特性的參數2. 二階系統(tǒng)的特性參數(1). 系統(tǒng)增益(2). 系統(tǒng)固有頻率(3). 系統(tǒng)阻尼四、 描述系統(tǒng)特性的參數四、 描述系統(tǒng)特性的參

23、數(1) 系統(tǒng)增益K： K較小，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但較小的K會導致快速響應變差和穩(wěn)態(tài)誤差增大。(2) 系統(tǒng)阻尼比 大可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及響應過程的平穩(wěn)性，減小超調量，但同時響應速度降低。(3) 系統(tǒng)固有頻率 提高固有頻率可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度和快速響應，提高抗干擾能力，但系統(tǒng)成本增加 根據奈氏判據，系統(tǒng)開環(huán)幅相曲線臨界點附近的形狀，對閉環(huán)穩(wěn)定性影響很大。 兩個表征系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標：相角裕度 和幅值裕度h。ReIm0-1ReIm0-15.1 穩(wěn)定裕度 ReIm0-1五、控制系統(tǒng)的設計方法 （1）幅值裕度h ：令相角為180時對應的頻率為g （相角穿越頻率），頻率為g 時對應的幅值A(g)的倒數，

24、定義為幅值裕度h ，即或20lgh = 20lg A(g) （2）相角裕度 ：令幅頻特性過零分貝時的頻率為c （幅值穿越頻率），則定義相角裕度 為 = 180 + (c) h 具有如下含義：如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么系統(tǒng)的開環(huán)增益增大到原來的h 倍時，則系統(tǒng)就處于臨界穩(wěn)定了。 具有如下含義：如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么系統(tǒng)的開環(huán)相頻特性變化 角度時，則系統(tǒng)就處于臨界穩(wěn)定了。ReIm0-1A(g)c 180()/()0L()/dBcgh(dB) 解：系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 c = 3.16L()/dB140dB/dec1020dB/dec60dB/dec3.16 例5-16 已知單位負反饋的最小相位系統(tǒng)，其

25、開環(huán)對數幅頻特性如圖示，試求開環(huán)傳遞函數；計算系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。 k=c = 3.16() = arctan 180 2arctan0.1 = 180+ (c) = arctan3.16 2arctan0.316 = 37.4當(g) = 180時180 = arctang 180 2arctan0.1g arctang =2arctan0.1g 求得 g = 8.94 因為 0，所以閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。例5-17L()/dB0201 510 5040dB/dec20dB/dec60dB/dec()01 5 10 5090180270140.7219.3() = 90 arctan0.2 arct

26、an0.02 = 180+ (c) = 90 arctan0.2c arctan0.02c c 若= g時, = 0arctan0.2g + arctan0.02g = 90 中頻段的斜率為20dB/dec時， 0。 中頻段的斜率為40dB/dec時， 可正可負， 如果為正，其值比較小。 中頻段的斜率為60dB/dec時， 一定為負。 0，系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的。最小相位系統(tǒng)中頻段的斜率與 的對應關系例5-18T1 T2L()/dB02040dB/dec20dB/dec1 =1/T12 =1/T240dB/dec()090180 = 180 + () = 180 + arctancT1 180 ar

27、ctancT2 = arctan(c /1 ) arctan(c /2 )(1) c 、2保持不變， 1 (2) c 、1保持不變， 2 (3) c保持不變， w =2/1 中頻段寬度 w 與中頻段的斜率有關，而且還與中頻段寬度有關： 中頻段寬度 五、控制系統(tǒng)的設計方法 超前校正設計是指利用校正器(環(huán)節(jié))的對數幅頻曲線具有正斜率的區(qū)段及其相頻曲線具有正相移區(qū)段的系統(tǒng)校正設計。其突出特點是使系統(tǒng)被校正后的剪切頻率比校正前的大，使系統(tǒng)的快速性能得到提高。故此校正主要用于改善閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性，而對于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的影響較小。 5.2 控制系統(tǒng)Bode圖設計方法5.2.1 Bode圖超前校正設計由于0

28、1，因此在S平面內極點位于零點左側。最大超前角最大超前角頻率處的對數幅值=0.5=0.1=0.1=0.5時Gc(s)的Bode圖和Nyquist圖 1）最大超前相位角 與所對應的頻率 均隨的減小而升高，其中 和有關系式。 2) 處于兩個轉折頻率的幾何中心，即:3)超前校正環(huán)節(jié)提供的最大相位超前角約在550650之間。若需要更大的超前角，可以采用多個超前校正環(huán)節(jié)串聯(lián)。實現以上Bode圖和Nyquist圖的程序（不含圖中部分標注） 【例5-1】已知單位負反饋系統(tǒng)被控對象的傳遞函數為：試用Bode圖設計法對系統(tǒng)進行超前串聯(lián)校正設計，使之滿足：（1）斜坡信號 作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差（2）系統(tǒng)校正后，相角

29、穩(wěn)定裕度有：43o48o。【解】 (1)求K0 即被控對象的傳遞函數為： (2) 作原系統(tǒng)Bode圖與階躍響應曲線，檢查是否滿足要求圖5.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的Bode圖圖5.2 單閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應 由圖5.1和圖5.2可知系統(tǒng)的：模穩(wěn)定裕量Gm0.1dB；-穿越頻率cg100.0s-1；相穩(wěn)定裕量Pm0.1deg；剪切頻率cp99.5s-1(3) 求超前校正器的傳遞函數 由要求的相位裕度45o并附加10o(d=55o)和校正前的相位裕度計算出需要校正環(huán)節(jié)提供的最大相位提前量 .由，取設超前校正器的傳遞函數為：為不改變校正后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能， 中的已經包含在 中根據 計算出計算系統(tǒng)開環(huán)對數幅頻值

30、。因為增加超前校正裝置后，使剪切頻率向右方移動，并且減小了相位裕量，所以要求額外增加相位超前角50120。參見后圖1。為什么？由得Spline立方插值函數由：得：計算結果為：（4）校驗系統(tǒng)校正后系統(tǒng)是否滿足題目要求 由Bode圖可知系統(tǒng)的：模穩(wěn)定裕量Gm=17.614dB；-穿越頻率cg=689.45s-1；相穩(wěn)定裕量Pm=48.148deg；剪切頻率cp=176.57s-1計算出的相穩(wěn)定裕量Pm=48.148deg，已經滿足43o48o的要求。（5）計算系統(tǒng)校正后階躍給定響應曲線及其性能指標 即可得如圖畫面。若求響應曲線的性能指標，只需在畫面中點擊鼠標右鍵，選擇“Characteristic

31、s”選項，再選擇后面的選項得：超調量：sigma=25.6% 峰值時間：tp=0.0158s調節(jié)時間：ts=0.0443s 圖1校正后相角裕度Pm=48.1480校正后模穩(wěn)定裕量Gm=17.614 dB1串聯(lián)超前校正的作用和特點超前校正的作用：利用超前校正裝置的足夠大的正相角，補償原系統(tǒng)過大的滯后相角，提高相角裕度，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。（1）校正裝置提供正相角補償，改善了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。（4）超前校正提高了系統(tǒng)幅頻曲線在高頻段的幅值，校正后的系統(tǒng)抗高頻干擾能力下降。超前校正的特點：（2）從對數幅頻曲線看，截止頻率由校正前的 提高到校正后的 ，使校正后系統(tǒng)頻帶變寬，動

32、態(tài)響應變快。（3）為了充分利用超前校正裝置的相角補償作用，校正裝置的轉折頻率 和 應分設在校正前截止頻率 和校正后截止頻率 的兩邊，最大相角頻率 設在 處。（1）根據穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定原系統(tǒng)的開環(huán)增益K；2. 超前校正的設計步驟（2）利用已確定的開環(huán)增益，計算未校正系統(tǒng)相角裕度 和幅值裕度 ；（4）令校正后的截止頻率 。應有解出 ，再由 求出T。（6）驗算校正后系統(tǒng)的性能指標。（7）確定超前校正網絡的元件值。 （5）確定校正裝置的傳遞函數設計步驟是按照主要用于對截止頻率 沒有具體要求的情況。 注意：（3）由給定的 計算需要產生的最大超前角： ，根據 ，可以計算出 的數值。1 sin1 sin

33、mmaff如果對截止頻率 有明確要求，設計步驟可按照只需要將上述設計步驟中的（3）（4）改為：（4）令未校正系統(tǒng)在 處的幅值確定 的值；再由確定 。（3）令校正裝置的最大超前相角頻率 等于希望的截止頻率 ；例5-2 設一單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 解： 要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，試確定串聯(lián)超前校正裝置。 （1）根據穩(wěn)態(tài)指標要求確定增益K。因為所以取K=10。該系統(tǒng)的開環(huán)增益為20。（2）繪出未校正系統(tǒng)的對數幅頻特性和對數相頻特性曲線,計算未校正系統(tǒng)的性能指標。由未校正的對數幅頻漸近線可知求出 需要補償的相角小于60，采用超前校正可以達到要求。（3）確定需要的最大超前

34、角。由（4）計算 。 由 ，求得 （5）計算T。 由 ，求得 。再由 ，求得 （6）寫出校正裝置的傳遞函數為兩個轉折頻率分別為：校正后的開環(huán)傳遞函數（7）驗算校正后系統(tǒng)的性能指標。例5-3 設一單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 解： 要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 ，開環(huán)截止頻率 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，試確定串聯(lián)超前校正裝置。 （1）首先根據穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定K。由 求得K=10。 （2）畫出校正前的對數幅頻漸近線，由漸近線可求出 （3）確定最大超前相角頻率 。 取 （4）計算超前校正網絡的參數。令由漸近線可知 求得 。并且（5）超前校正裝置的傳遞函數（6）檢驗校正后的性能指標

35、。校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為校正后的開環(huán)對數幅頻特性漸近曲線如圖。由于在校正過程中，首先確定了校正后的截止頻率，然后按照 的順序計算出校正網絡的最大補償相角，因此，不一定能夠保證最終獲得的相角裕量滿足要求，需要進行校驗。 經過計算可得 當系統(tǒng)要求響應快、超調量小時，可采用串聯(lián)超前校正。但是，串聯(lián)超前校正受以下兩種情況的限制：（2）對系統(tǒng)抗高頻干擾要求比較高時，一般也不宜采用串聯(lián)超前校正。因為若未校正系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了得到要求的相角裕量，需要超前網絡提供很大的超前相角。這樣，超前網絡的 值必須選得很大，從而造成已校正系統(tǒng) 過大，使系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力下降，甚至使系統(tǒng)失控。3超前校正的使用條件（1）

36、超前校正網絡提供的最大相位超前角 一般不應大于60。在截止頻率 附近相角迅速減小的系統(tǒng)，一般不宜采用串聯(lián)超前校正。（因為隨著截止頻率的增大，未校正系統(tǒng)的相角迅速減小，在 處需要補償的相角會很大，超前校正變得無效。）5.2.2 Bode圖滯后校正設計 滯后校正環(huán)節(jié)的傳遞函數與超前校正環(huán)節(jié)的傳遞函數相似，在滯后校正環(huán)節(jié)中，極點小于零點，即校正環(huán)節(jié)的極點位于零點的右面。由于加入一個滯后的相位角，它使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，因此，如果原系統(tǒng)已經不穩(wěn)定或相對穩(wěn)定裕度很小時，不能采用滯后校正。 滯后校正的特點是通過減小系統(tǒng)的總增益，來增大相對穩(wěn)定裕度。同時，它有利于減小系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。相位滯后校正的等效RC網絡

37、如圖所示。 其傳函為：其中： 最大相位滯后角所對應的頻率 在轉折頻率 處，校正環(huán)節(jié)的幅值衰減達到 1串聯(lián)滯后校正的作用和特點串聯(lián)滯后校正的作用 利用滯后校正裝置的高頻幅值衰減特性，使已校正系統(tǒng)的截止頻率下降，從而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度。另外，滯后校正有利于提高低頻段的增益，減小穩(wěn)態(tài)誤差。T1 T1滯后校正具有如下特點 （1）利用校正裝置的高頻幅值衰減特性改善了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量，對校正裝置相角滯后特性的影響忽略不計。（2）從對數幅頻曲線看，校正后的截止頻率 比校正前的 提前，因此，系統(tǒng)的快速性降低，提高了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。（3）為了保證校正裝置的滯后相角不影響系統(tǒng)的相

38、位裕量，其最大滯后相角應避免出現在校正后的截止頻率 附近。為了做到這一點，校正網絡的兩個轉折頻率 和 均應設置在遠離截止頻率的低頻段。（4）校正后系統(tǒng)的幅頻特性曲線在高頻段衰減大，可以提高系統(tǒng)抗高頻干擾能力。T1T1（1）根據穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定原系統(tǒng)的開環(huán)增益 。（2）利用已確定的開環(huán)增益 ，畫出未校正系統(tǒng)的伯德圖，計算未校正系統(tǒng)的相角裕量 和幅值裕量 。（3）若相角裕量和幅值裕量不滿足指標，則根據指標要求的相角裕量 ，在未校正系統(tǒng)的對數相頻曲線上確定相角滿足下式的點：選擇該點對應的頻率 作為校正后的截止頻率 。2滯后校正的設計步驟（4）計算未校正幅頻曲線在 處的分貝值 并且令，可求出的值。

39、（6）確定校正裝置的傳遞函數（8）確定超前校正網絡的元件值。（7）驗算校正后系統(tǒng)的性能指標。（5）為減小校正裝置相角滯后特性的影響，滯后網絡的轉折頻率可求出 。（對應零點）應低于 110倍頻程，一般取 20lg|G(jc)|=20lg1cT0.1w=T1w11)(+=TsTssGc解： 例：設一單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為： 要求校正后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，試設計串聯(lián)校正裝置。 （1）確定開環(huán)增益K。根據穩(wěn)態(tài)精度的要求（2）作出未校正系統(tǒng)的開環(huán)對數幅頻特性和相頻特性曲線。由曲線可以求出 ， ，說明系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。由于需要補償的超前相角大于60，超前校正不適用，可采用串

40、聯(lián)滯后校正方法。（3）確定校正后的截止頻率。根據取 時，求得（4）確定參數。 時， ，令 即 ，解得 。（5）確定參數T。取滯后校正網絡的轉折頻率求得滯后網絡的另一個轉折頻率 ， 。（6）串聯(lián)滯后校正網絡的傳遞函數（7）檢驗校正后的性能指標。校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 校正后系統(tǒng)的性能指標為sradTc/05.01.01=wsT20=120012011)(+=+=ssTsTssGc 當要求穩(wěn)態(tài)精度高，抗高頻干擾能力強，對快速性要求不高時，可采用串聯(lián)滯后校正。但在下面的情況下，不宜使用滯后校正：3滯后校正的使用條件（2）如果采用滯后校正，使得T值太大，難以實現。 （1）要求系統(tǒng)動態(tài)響應快，采用滯

41、后校正有可能不滿足。（若要使滯后校正網絡產生足夠的高頻幅值衰減，要求 很大，但是滯后網絡的零點1/T不能太靠近 否則滯后網絡所引入的滯后相角的影響就不能忽略，因此只能將滯后網絡的極點1/ T安置在足夠小的頻率值上，致使T很大而難以實現。）5.2.3 串聯(lián)滯后-超前校正1串聯(lián)滯后-超前校正的作用及特點 如果需要同時改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，則需要采用滯后超前校正。滯后超前校正的基本原理是利用校正網絡的超前部分增大系統(tǒng)的相角裕量，利用滯后部分來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 滯后超前網絡的傳遞函數： 設計滯后超前校正裝置，實際上是前面介紹的超前校正和滯后校正設計方法的綜合。（1）根據穩(wěn)態(tài)誤差的要求，確定

42、開環(huán)增益K ；2. 滯后-超前校正的設計步驟（2）繪制未校正系統(tǒng)的對數頻率特性曲線，求出開環(huán)截止頻率 、相角裕度 、幅值裕度 ；（3）在未校正系統(tǒng)對數頻率特性曲線上，選擇一頻率作為校正后的截止頻率 ，使 ，要求的相角裕度將由校正網絡的超前部分補償； （4）計算需要補償的相角 ，并由 確定 值；（5）選擇校正網絡滯后部分的零點 ；（6）校正網絡在 處的分貝值為可求出 ；（8）驗算校正后系統(tǒng)的性能指標。（9）確定滯后-超前校正網絡的元件值。 （7）確定校正裝置的傳遞函數 ； 若設計指標對 提出了明確要求，可以對（3）（4）兩步作相應調整，即按照要求確定 ，需要補償的相角由下式計算： 說明： 當滯后

43、-超前網絡滯后部分和超前部分可單獨設計。為了方便，先設計超前部分，再設計滯后部分。 例5-5 單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為： 解： 要求校正后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數 ，相角裕度 ，幅值裕度 ，試設計串聯(lián)滯后-超前校正裝置。 （1）求增益K。根據對靜態(tài)速度誤差系數的要求，可得因此， ，即開環(huán)增益等于10。 （2）畫出未校正的開環(huán)對數頻率特性曲線。由幅頻漸近線可計算出 說明系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果用超前校正，需要補償的超前相角至少83；如果用滯后校正，截止頻率會大大提前。必須采用滯后超前校正。 （3）確定校正后的截止頻率。當 時， 。設計指標未對調節(jié)時間作要求，可以取 。（4）計算 。需要補償的相角 ，所以

44、 （5）計算 。選擇校正網絡滯后部分的零點 求得 。（6）計算 。由未校正的幅頻漸近線可求得 代入公式 ，求得 。 （7）校正裝置的傳遞函數（8）計算檢驗校正后的指標 02.7cw=5.3 PID控制器設計 PID控制器的控制特性PID控制器的數學表達式為：【例5-2】 考慮一個三階對象模型研究分別采用P、PI、PD、PID控制策略閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應。 (1) 當只有比例控制時，Kp取值從0.22.0變化，變化增量為0.6，則閉環(huán)系統(tǒng)的MATLAB程序及階躍響應曲線如下： Kp=0.2Kp=0.8Kp=1.4Kp=2.0 由曲線可見，當，Kp增大時，系統(tǒng)響應速度加快，幅值增高。當，Kp達到一定

45、值后，系統(tǒng)將會不穩(wěn)定。（2）采用PI控制時（Td0），令Kp=1，Ti=取值從0.71.5變化，變化增量為0.2，則實現該功能的MATLAB程序及閉環(huán)階躍響應曲線為： Ti=0.7Ti=0.9Ti=1.1Ti=1.5（3）采用PID控制。令 從0.12.1變化，變化增量為0.4，實現該功能的MATLAB程序及閉環(huán)響應曲線如下。 Td=0.1Td=2.1可見，當Td增大時，系統(tǒng)的響應速度加快，響應峰值提高 PID 控制器的參數整定（齊格勒尼柯爾斯法則） 齊格勒尼柯爾斯調節(jié)法則又簡稱N-Z規(guī)則。 第一種方法 第一種方法也稱響應曲線法，是通過實驗，求控制對象對單位階躍輸人信號的響應。如圖所示。如果控

46、制對象中既不包括積分器，又不包括主導共扼復數極點，則階躍響應曲線呈S形。如圖所示。如果階躍響應不是S形，則不能應用此方法 1 顯然，PID控制器有一個位于原點的極點和一對位于的零點。第二種方法 2表中比例度 ，臨界比例度 。例5.3 已知被控對象傳遞函數為： 試用Z-N兩種整定方法確定控制器參數，并繪制階躍 響應曲線。解： 根據開環(huán)階躍響應曲線，可以近似的取K=1，=5.35，T=20.86-5.35=15.51作為帶有延遲的一階環(huán)節(jié)模型。 得PID控制器初始參數：kc=4,3Ti=11.8Td=2.9下面介紹一種已知PID初始參數，求最佳PID參數的方法。參見教材P136P141 對于例5.

47、3，在給定PID初始參數kc=4.3，Ti=11.8，Td=2.9時 優(yōu)化目標函數程序optm.m可見，系統(tǒng)性能大大改善。4.3 微機控制技術基礎一、微機控制系統(tǒng)的組成及其特點二、信號變換概述三、 輸入輸出接口技術和輸入輸出通道四、 抗干擾技術1. 微機控制系統(tǒng)的組成一、微機控制系統(tǒng)的組成及其特點 微機控制系統(tǒng)基本結構示意圖(1) 硬件組成一、微機控制系統(tǒng)的組成及其特點(2) 軟件組成 軟件是指支持系統(tǒng)運行、并對系統(tǒng)進行管理和控制的程序的總和。從功能上可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。 系統(tǒng)軟件由計算機制造廠商提供，用來管理計算機本身的資源、方便用戶使用計算機的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等。 應

48、用軟件是用戶根據要解決的控制問題而編寫的各種程序，比如各種數據采集程序、濾波程序、控制量計算程序、機械運動過程監(jiān)控程序等。 一、微機控制系統(tǒng)的組成及其特點2.微機控制系統(tǒng)的特點 1具有完善的輸入輸出通道，包括模擬量輸入輸出通道和數字量或開關量輸入輸出通道，這是計算機有效發(fā)揮其控制功能的重要保證。 2具有實時控制功能。 3由于控制規(guī)律是用軟件實現的，因而變動一個控制規(guī)律，一般只需要修改軟件即可。 4微機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的運算處理能力，一個控制器(控制計算機)經常可采用分時控制的方式而同時控制多個回路。 5可靠性高，對環(huán)境適應性強，以保證在生產現場應用的要求。一、微機控制系統(tǒng)的組成及

49、其特點1. 采樣二、信號變換概述 采樣時，采樣頻率應該滿足第三章提到的香農采樣定律。2. 離散模擬信號的量化(A/D變換) 采樣函數是在時間上離散，在幅值上連續(xù)變化的函數，我們稱它為離散模擬信號。離散模擬信號不能直接進入計算機，必須經量化成為數字信號后，才能為計算機所接受。所謂量化，就是采用一組數碼(如二進制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換成數字信號。二、信號變換概述 如圖a所示，設采樣信號A1為1.8V，則圖b中的量化值為2V，用數字量010來表示；采樣信號A2為3.2V，則圖b中的量化值為3V，用數字量011來表示。二、信號變換概述000001010011100101110二、信號變

50、換概述 設輸入模擬信號的滿量程電壓值為FSR（Full Scale Range），ADC的位數為n，量化電平用Q（或LSB）表示，則有： 量化電平 誤差 = 量化值 實際值 量化方法 截斷法：采用不大于實際采樣值的最大量化值來近似采樣值。 舍入法：采用最靠近實際采樣值的量化值來近似采樣值。 量化誤差舍入法: A2點的取值為011，因此，舍入法量化的誤差范圍為（-Q/2 Q/2）。截斷法：A2點的取值為100，誤差的范圍為（-Q0）。 計算機控制系統(tǒng)的外圍設備由于種類繁多，且工作速度不一，所以不能像存儲器那樣，直接掛到主機CPU的總線上，都必須通過輸入輸出接口和輸入輸出通道才能和CPU的總線相連

51、。因此，IO（輸入/輸出）接口和IO通道是計算機控制系統(tǒng)必須解決的技術之一。1.接口、通道及其功能 IO接口電路是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件或稱電路，它在主機和外圍設備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶的作用。設置接口電路有以下幾個用途： 三、輸入輸出接口技術和輸入輸出通道 1. 解決主機CPU和外圍設備之間時序配合和通訊聯(lián)絡的問題，以保證CPU和外圍設備之間雖異步卻能協(xié)調工作。 2. 解決CPU和外圍設備之間數據格式轉換和匹配問題。 3. 解決CPU的負載能力和外圍設備端口選址的問題。三、輸入輸出接口技術和輸入輸出通道 I/O通道，也稱為過程通道，是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的

52、連接通道。由它將從被控對象采集的參量變換成計算機所要求的數字量(或開關量)的形式，送入計算機。計算機按某一數學公式(控制算法)計算后，又將其結果以數字量形式或轉換成模擬量形式輸出至被控制對象，這就是I/O通道所要完成的功能。 三、輸入輸出接口技術和輸入輸出通道2. I/O信號的種類及通信方式 (1). 信息的分類 （a）數據信息 模擬量、數字量、開關量和脈沖量 （b）狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是接口的工作狀態(tài)。它與CPU之間的聯(lián)絡信號。 （c）控制信息 控制信息是CPU傳送給接口的控制信息。三、輸入輸出接口技術和輸入輸出通道(2). 通信方式 （a）并行通信 并行通信就是把被傳送數據的所有n位數用n條

53、傳輸線同時傳送。其優(yōu)點是傳送速度快，通常只要提供2條控制和狀態(tài)線，就能完成CPU和接口及設備之間的協(xié)調、應答，是計算機控制系統(tǒng)中常常采用的通信方式。 （b）串行通信 串行通信是數據按位進行傳送的。在傳輸過程中，每一位數據都占據一個固定的時間長度，一位一位地串行傳送和接收。三、輸入輸出接口技術和輸入輸出通道1.干擾源與干擾種類 干擾按其特性可分為直流干擾、交流干擾和隨機干擾三類。 直流干擾是指以直流電壓或直流電流的形式出現，一般由熱電效應和電化學效應引起的干擾。 交流干擾是最容易出現的一種干擾，由交流電感應引起，因為過程通道往往處于雜散電場和磁場分布較多的場所，當信號反饋線與動力線在電纜槽中平行

54、布線時，經耦合進入通道的干擾尤為明顯。 隨機干擾一般是瞬變的，為尖峰或脈沖形式，多由電感負載的間斷工作引起，如各種電源整流器和電動工具的電火花都是這種干擾的來源。這種干擾的時間短，幅度大，會給系統(tǒng)帶來很大的危害。 四、抗干擾技術干擾按作用可分為常態(tài)干擾和共態(tài)干擾 常態(tài)干擾和被測信號在信號輸入回路中地位相同，所以它以電壓源的形式與信號源串聯(lián)。 共態(tài)干擾常稱共模干擾，是指輸入電路上共有的干擾。四、抗干擾技術2. 抗干擾技術(1) 硬件抗干擾技術(a) 電源系統(tǒng)抗干擾技術 采用電子交流穩(wěn)壓器；采用低通濾波器；采用隔離變壓器。選用供電比較穩(wěn)定的交流電源；電源分組供電； 直流電源的抗干擾措施：每塊集成芯

55、片的電源與地線引入端間應接一片0.0l0.1F的無感瓷片電容。一個裝置中有多塊邏輯印刷線路板時，每塊板的電源和地線引入處應并接一個10100F的電解電容和一個0.010.1F的無感瓷片電容，防止板間的相互干擾。 四、抗干擾技術(b) 模擬量輸入輸出通道抗干擾技術 信號采用電流傳送 采用RC濾波網絡濾去高頻干擾信號 使用高輸入阻抗的差動運算放大器作為通道 的前置放大器，達到抑制共模干擾的作用 利用變壓器或光耦合器件把“模擬地”與“數字地”斷開，使共模干擾Ucm不能構成回路 屏蔽信號傳輸線路 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器抑制共模干擾 采用雙絞線傳輸 四、抗干擾技術(c) 開關量輸入輸出抗干擾技術 R

56、C濾波器 濾去開關量輸入中夾雜的干擾信號 抖動電路 消除機械式觸點、開關閉合時產生的抖動 光電耦合隔離法 采用光耦合器傳送開關量信號或脈沖信號，可將輸入側與輸出側在電氣上完全隔離開來，輸入側與輸出側之間的共模干擾電壓因無電回路而被有效地抑制。 采用光耦合器“浮置”傳輸長線 采用光耦合器將計算機與其它所有的外接通道完全隔離。 四、抗干擾技術(d) 接地技術 接地是計算機控制系統(tǒng)設計、安裝和調試中的一個實用性很強的技術問題。接地一般分為接實地和接虛地兩種。 接實地指的是與大地作良好的連接，接虛地指的是與電位的基準點相連接。如果把電位基準點與大地連接，則稱為共地連接，如果把電位基準點自行浮置或浮空(

57、即與大地電氣絕緣)，則稱為浮地連接。四、抗干擾技術計算機控制系統(tǒng)中，“地”大致有以下幾種概念：數字地:又稱邏輯地，是作為邏輯網絡的零電位；模擬地:是作為AD轉換、前置放大器或比較器的零電位；功率地:是作為大電流網絡部件的零電位；信號地:通常為傳感器的地；交流地: 50Hz交流電地線，這種地是噪聲地；屏蔽地:是為防止靜電感應和磁場感應而設置的地.四、抗干擾技術一般來講，采用接地技術時，應注意以下幾個問題： 機殼接地(其余部分浮空)優(yōu)于全機浮空。 低頻(10MHz)電路應多點接地。一點接地又分為串聯(lián)一點接地和并聯(lián)一點接地，后者較前者抗干擾能力強。 在電源地線的兩點之間會有數毫伏的電位差，因此，交流

58、地和信號地不能共用。 數字地通常有很大的噪聲，所有的模擬公共導(地)線應該與數字公共導(地)線分開走線。 功率地，這種地線電流大，地線應粗些，且應與小信號地線分開走線。四、抗干擾技術計算機控制系統(tǒng)常采用“三套法”接地系統(tǒng)，即把系統(tǒng)中接地分成三類：第一類是信號地，包括小信號回路、邏輯電路控制電路等，先把這部分的各接地點接到一個公共點，并且將模擬地和數字地分開處理；第二類是功率地，包括驅動電路等大電流電路的統(tǒng)一接地點；第三類是機殼，包括機架箱體、屏蔽罩等金屬結構接地點。最后用較大的接地母線匯集于一個總的公共接地點，再連埋地銅網，與大地相連。四、抗干擾技術2. 軟件抗干擾技術 (a) Watchdo

59、g技術 (b)數字濾波技術 (c)數字信號輸出方法四、抗干擾技術4.4 數字控制器的設計一、概述二、差分變換法三、數字PID控制算法四、數字PID的參數整定在采樣數據系統(tǒng)中，微處理機直接參與了閉環(huán)控制，起著控制器的作用。由于微處理機處理數字形式的信號，所以，人們把微處理機控制器叫做數字控制器。數字控制器一般采用兩種設計方法：一種是在一定條件下，把計算機控制系統(tǒng)近似地看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論來進行動態(tài)分析和設計，再將設計結果轉變成數字計算機的控制算法，這種方法稱為模擬化的設計方法，也稱間接設計方法；另一種是把計算機控制系統(tǒng)經過適當的變換，變成純粹的離散系統(tǒng)，用數學變換等工具進行分析和設計，直接設計出控制算法，這種方法稱為離散化設計方法，也稱直接設計方法一、概述1一階后向差分 一階導數用下式來近似2二階后向差分 二階導數用下式來近似二、差分變換法 在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制算法的模擬表達式為 式中 為控制器的輸出信號； 為偏差信號，它等于給定量與反饋量之差；KP為比例系數； 為積分時間常數； 為微分時間常數。三、數字PID控制