计算机控制技术知识点总结

1)掌握计算机控制系统的基本概念和硬件组成

➢掌握计算机控制系统的基本概念、组成和工作原理;

计算机控制系统：就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。

计算机控制系统的工作原理：

①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

计算机控制系统的组成：由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分组成。 

工业控制机包括硬件和软件； 生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。

➢掌握 I/O端口的地址译码技术;

把CPU送出的地址转变为芯片选择和端口区分依据的就是地址译码电路。每当CPU执行输入输出指令时，就进入I/O端口读写周期，此时首先是端口地址有效，然后是I/O读写控制信号或有效，把对端口地址译码产生的译码信号同或结合起来一同控制对I/O端口的读或写操作。常用三种译码方式：

  （1）线选法

  （2）全译码法

  （3）部分译码

译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。使用A0～A9 、IOW、IOR、AEN 等信号组合。

2.I/O端口地址译码方法及电路形式

  （1）固定地址译码

（2）开关选择译码

➢掌握数字量和模拟量输入输出通道的组成和作用;

数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成 。

数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、 输出口地址译码电路组成。

模拟量输入通道由五部分组成

 模拟量输出通道的结构型式

➢掌握信号的采样、 量化和保持过程的基本概念;

信号的采样：采样过程如下图所示。按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。实现采样功能的装置称之为采样器。采样的时间称之为捕捉时间。 

3.量化

所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。

将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，实现量化功能的装置称之为：A/D转换器。量化过程所需时间称之为A/D转换时间

➢理解A/D和D/A转换器的工作原理，掌握A/D和D/A字长的选择方法。

AD转换程序流程 编程的基本步骤如下：

  第1步：设置增益寄存器（base+09），选择输入范围；

   第2步：设置多路扫描寄存器，选择通道，并延时5μs以上；

  第3步：向触发寄存器BASE +12写入任意值，触发A/D转换，并延时20μs以上；

   第4步：等待A/D 转换完成，直到数据准备好信号变为低电平；

   第5步：读A/D 数据寄存器（BASE+5和BASE+4）得到二进制数据。先读高字节，再读低字节，并将二进制转换成整数。

 D/A 转换程序流程如下（以通道1为例）：

 （1）选择通道地址n=1（n=1～6）。

 （2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。

 （3）置D/A高4位数据(D3～D0有效 )。

 （4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）。

2)重点掌握常规及复杂控制技术的设计方法

➢掌握数字控制器的连续化设计步骤，掌握前向差分法、后向差分法和双线性变换法;

数字控制器的连续化设计方法：忽略零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。

步骤：

1.设计假想的连续控制器D(s)

2.选择采样周期T

3.将D(S)离散化为D(Z)

4.设计由计算机实现的控制算法

5.校验

➢掌握数字PID控制器的位置型和增量型控制算法以及两者的优缺点;

    (1)增量算法不需要做积分累加，计算误差或计算精度对控制量的计算影响较小。而位置算法则不然。

    (2)增量式算法给出的是控制量的增量，对执行机构误动作影响小。而位置算法给出的是控制量的全量，误动作影响大。

    (3)采用增量算法易实现手动到自动的无冲击切换。

➢掌握数字PID控制器的积分项和微分项的改进方法;

积分项的改进的措施

(1)积分分离 

合理选择积分分离阈值β，

经验法β∈[-0.1|emax|,0.1|emax|]：

  若β值过大，达不到积分分离的目的；

  若β值过小，一旦被控量y(t)无法跳出各积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。  

(2)抗积分饱和

可对计算出的控制量u(k)限幅，同时，把积分作用切除掉。

 若以8位D/A为例，则有

   当 u(k)＜00H 时，取u(k)=00H，采用PD控制；

   当 00H≤ u(k)≤ FFH 时，采用PID控制；

   当 u(k)＞ FFH 时，取u(k)=FFH，采用PD控制。

3)采用梯形积分提高计算精度

(4)消除积分不灵敏区

消除积分不灵敏区的措施：

  ① 增加A/D转换位数，加长运算字长，提高运算精度。

  ② 当积分项ΔuI(k)连续n次出现小于输出精度ε时，不把它们作为“零”舍掉，而是把它们一次次累加起来，直到累加值SI大于ε时，才输出SI，同时把累加单元清零 。

微分项的改进 

(1)不完全微分PID控制算法 

在PID控制输出串联一阶惯性环节，构成不完全微分PID控制器。

(2) 微分先行PID控制算式

时间最优PID控制

带死区的PID控制算法

采样周期的选择

根据香农采样定理，采样周期上限应满足：

                              T≤π/ωmax

其中，ωmax为被采样信号的上限角频率。 

  采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在Tmin与Tmax之间选择

➢掌握数字PID控制器的几种参数整定方法;

1.扩充临界比例度法

步骤：

① 选择一个足够短的采样周期，采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。

② 用选定的采样周期使系统工作。这时，数字控制器去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐渐减小比例度δ（δ=1/KP)，直到系统发生持续等幅振荡。记下使系统发生振荡的临界比例度δk及系统的临界振荡周期Tk。

③ 选择控制度(>1)。

④ 根据选定的控制度，查表求得T、KP、TI、TD的值。

2.扩充响应曲线法 

步骤:

① 数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。 

② 用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，此时近似为一个一阶惯性加纯滞后环节的响应曲线。

③在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数Tτ以及它们的比值Tτ／τ ，查表，即可得数字控制器的KP、TI、TD及采样周期T。 

3.归一参数整定法

 已知增量型PID控制的公式为：

若令 T=0.1Tk; TI=0.5Tk; TD=0.125Tk。式中Tk为纯比例作用下的临界振荡周期。则有Δu(k)= KP[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)]

这样，整个问题便简化为只要整定一个参数KP。改变KP，观察控制效果，直到满意为止。该法为实现简易的自整定控制带来方便。 

还有优选法（黄金分割法）、凑试法、PID控制参数的自整定法

➢重点掌握最少拍控制的基本概念以及有纹波、无纹波控制器的设计方法;

就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少几个采样周期内输出达到无静差的稳态，且最少拍控制要求闭环脉冲传递函数具有以下形式

最少拍有纹波控制器，只保证在采样点时稳态误差为零，而不能保证任意两个采样点之间的稳态误差为零，控制系统输出信号y(t)有纹波存在（隐蔽振荡），故称为最少拍有纹波控制系统

最少拍无纹波设计的要求在典型输入信号的作用下，经过有限拍，系统达到稳定，输出误差为零,并且在采样点之间没有振荡，也就是不仅在采样时刻上输出可以完全跟踪输入，在采样时刻之间也没有纹波。

设计方法略

➢重点掌握达林算法的设计步骤以及振铃的判断和消除方法;

步骤：

   (1)根据系统的性能，确定闭环系统的参数Tτ，给出振铃幅度RA的指标；

   (2)由所确定的振铃幅度RA与采样周期T的关系，解出给定振铃幅度下对应的采样周期，如果T有多解，则选择较大的采样周期。

   (3)确定纯滞后时间τ与采样周期T之比(τ/T)的最大整数N；

   (4)求广义对象的脉冲传递函数G(z)及闭环系统的脉冲传递函数Ф(z)；

   (5)求数字控制器的脉冲传递函数D(z)。

振铃(Ringing)现象：是指数字控制器u(k)的输出以二分之一采样频率大幅度衰减振荡的现象。

第一种方法

先找出D(z)中引起振铃现象的因子(z=-1附近的极点)，然后令其中的z=1，根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。

这种方法虽然不影响输出稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，将影响闭环系统的瞬态性能。 

第二种方法

➢掌握串级控制、前馈-反馈控制的工作原理及算法设计。

串级控制（双闭环）系统：一个控制器的输出作为下一个控制器的输入系统，两个控制器相串联。主回路是一个定值控制系统，副回路是一个随动控制系统，副回路起粗调，主回路起细调。

串级控制的设计

1.主变量的选择

2.副回路的设计（从整个对象中选取一部分作为副对象）

一般T01/T02=3~10

3.主副调节器的控制规律选择

4.主副调节器的正反作用（负反馈原则，各个系数乘积为+）

5.串级控制系统调节器参数的整定

1）两步法（用于主副过程时间常数相匹配，工作频率和操作周期差别很大，动态联系很小，可忽略不计）

2）逐步逼近法（用于时间常数相差不大、动态联系比较密切，反复整定、逐步逼近）

前馈反馈控制：发挥了前馈的作用可以及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的特点

设计步骤：

1. 计算反馈控制的偏差

2. 计算反馈控制器的输出

3. 计算前馈调节器的输出

4. 计算前馈-反馈调节器的输出

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