計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 第8章

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1、1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第8章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的某些問(wèn)題北京航空航天大學(xué)2第8章主要內(nèi)容 8.1 量化效應(yīng)分析 8.2 采樣周期的選用 8.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 8.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù) 8.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章小結(jié)北京航空航天大學(xué)38.1 量化效應(yīng)分析有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性1. 量化特性量化特性 有限位(n)二進(jìn)制所能表現(xiàn)的數(shù)據(jù)為2n個(gè)等間隔數(shù)，這個(gè)等間隔數(shù)q稱為量化單位，也稱為量化因子。字長(zhǎng)為N，取1位作符號(hào)位，則有 1121/2NNq一個(gè)任意值的真實(shí)數(shù)x，只可以用q 的整倍數(shù)xq來(lái)表示qxL q即有qxx量化誤差常用的量化方法：(1) 舍入量化將小

2、于量化單位的尾數(shù)四舍五入整量化。 (2) 截尾量化將小于量化單位的尾數(shù)全部截掉。 北京航空航天大學(xué)4有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性(1) 舍入量化(2) 截尾量化舍入量化誤差R/ 2/ 2RqqT0,00,0 TTqxqx0Tq對(duì)于原碼及反碼 對(duì)補(bǔ)碼 截尾量化誤差 量化特性及量化誤差北京航空航天大學(xué)5有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性2. 統(tǒng)計(jì)特性統(tǒng)計(jì)特性(1)舍入情況均值方差(2)截尾情況均值方差量化誤差的概率分布密度函數(shù)量化誤差的概率分布密度函數(shù)/2/21()()dd0qRRRRRRRqEPq2/2222/21()()()dd12qRRRRRRRRqqDPq兩種情況下的量化誤差的方

3、差相同，均值卻不一樣。01()()dd2qTTTTTTTqEPq12)2(1)()()(0222qdqqdPDTqTTTTTTT北京航空航天大學(xué)6有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性有限字長(zhǎng)二進(jìn)制特性3. 溢出特性溢出特性 對(duì)一定碼制的二進(jìn)制，數(shù)值在該處發(fā)生大的改變，二進(jìn)制的這種特性稱為溢出特性，而且不同碼制的二進(jìn)制數(shù)，其溢出特性也不同。 二進(jìn)制數(shù)碼及其溢出特性圖 溢出特性是非線性的。運(yùn)算一旦溢出，輸出將從大的正數(shù)躍變?yōu)榱慊虼蟮呢?fù)數(shù)，從而造成控制系統(tǒng)的失控。溢出保護(hù)措施后的數(shù)據(jù)范圍北京航空航天大學(xué)78.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的量化1. A/D的量化效應(yīng) A/D字長(zhǎng)的有限引起2. 控制器參數(shù)的量化效應(yīng) 計(jì)算機(jī)字

4、長(zhǎng)有限引起3. 控制規(guī)律計(jì)算中的量化效應(yīng) 乘法除法運(yùn)算、右移運(yùn)算等4. D/A轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng) D/A字長(zhǎng)CPU字長(zhǎng)圖圖8-5 8-5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖 北京航空航天大學(xué)88.1.3 量化效應(yīng)分析1 量化誤差分析量化誤差分析1)參數(shù)的量化誤差分析利用靈敏度分析法進(jìn)行 )()()()()()()(2121011110nmnnnmmmpzpzpzzzzzzzbazazbzbzbzPzNzD(1, )ka kn)(zD)()()(2111nnnnpzpzpzazazzP首先研究的變化對(duì)極點(diǎn)的影響。設(shè)kakkaajjppjp(,)0jkP p a(,)0 jjkkP

5、pp aa有極點(diǎn)多項(xiàng)式利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，并忽略高次項(xiàng)，則有(,)(,)0jjjjkkjkzpjzpkkPPP pp aaP p apaza1() n kjjnkjiiijppapp靈敏度公式： 北京航空航天大學(xué)98.1.3 量化效應(yīng)分析 參數(shù)的量化誤差分析結(jié)論：參數(shù)的量化誤差分析結(jié)論：(1) 靈敏度與 成正比k越大,ak對(duì)根的影響也越大；an對(duì)根的影響最大。當(dāng)極點(diǎn)越接近單位圓，則它受ak的影響就越大。 (2) 靈敏度與各極點(diǎn)之間距離成反比(3) 靈敏度與采樣周期T有關(guān)采樣周期減少，靈敏度將增高，參數(shù)量化影響將更嚴(yán)重 (4) 系數(shù)量化靈敏度與算法編排方式有關(guān) 經(jīng)驗(yàn)表明，串聯(lián)與并聯(lián)編排時(shí)系數(shù)量化誤

6、差靈敏度比直接編排靈敏度小，因此，在實(shí)現(xiàn)高階控制器時(shí)，應(yīng)盡量避免采用直接型結(jié)構(gòu)。n kjp北京航空航天大學(xué)108.1.3 量化效應(yīng)分析 2) 變量的量化誤差分析采用確定性分析法 認(rèn)為量化干擾是一確定常數(shù)，并取其最大值，分析量化造成的最大可能誤差。(1) 變量量化誤差的確定性分析 變量量化誤差可視為附加的確定性常值外加干擾e(k)作用到系統(tǒng)上，從而可以利用各種分析方法進(jìn)行分析和估算 。常做以下假設(shè)： 量化誤差源為確定性的常數(shù)，且此常數(shù)取量化誤差的最大值。 各支路量化誤差源對(duì)輸出的影響是線性疊加的； 各條支路量化誤差源對(duì)輸出的影響只考慮其穩(wěn)態(tài)值。北京航空航天大學(xué)118.1.3 量化效應(yīng)分析 (2)

7、 量化誤差的傳播 確定性量化誤差通過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)D(z)后，得到環(huán)節(jié)輸出的最大量化誤差值為舍入量化誤差max/ 2 q1lim( )zuD z（終值定理） 11( )e1 eaTaTzD zzz求輸出的量化誤差(乘積按舍入處理)eaT解：令 11( )1D zz乘積舍入 12 1qu結(jié)論：(1)(1) 環(huán)節(jié)的極點(diǎn)對(duì)量化誤差起放大作用(2)T 1，量化噪聲量化誤差環(huán)節(jié)傳播結(jié)構(gòu)圖北京航空航天大學(xué)128.1.3 量化效應(yīng)分析2量化效應(yīng)的非線性分析量化效應(yīng)的非線性分析量化效應(yīng)的本質(zhì)是非線性特性，如死區(qū)等1( )1( )( )1U zD zR zaz(1)( )(1)u kau kr k0.9,a (0)1

8、0uq已知，輸入為零輸入為零。1乘積采用舍入量化處理 k ( )5u kq當(dāng) 時(shí)，環(huán)節(jié)輸出死區(qū)2乘積采用截尾量化處理 k ( )0u k 當(dāng) 時(shí)，環(huán)節(jié)輸出(0)10uq初值( )5u kq 極限環(huán)k ( )9u kq 當(dāng) 時(shí)，環(huán)節(jié)輸出負(fù)死帶(0)10uq 初值0.9,a (0)10uq0.9,a 0.9,a (0)10uq初值0.9,a 一階環(huán)節(jié) 的結(jié)構(gòu)圖11/(1)az當(dāng) 時(shí)，環(huán)節(jié)輸出k 北京航空航天大學(xué)138.1.3 量化效應(yīng)分析3 量化對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響量化對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響 從概念上可以看到，控制器算法的參數(shù)量化誤差將會(huì)改變控制算法的零極點(diǎn)分布，從而影響閉環(huán)系統(tǒng)的特性。 控制算法中乘法量化

9、誤差，不管是作為隨機(jī)干擾還是確定干擾，都相當(dāng)于在控制算法中不同位置引入了量化誤差干擾，從而影響系統(tǒng)的輸出。 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的有效字長(zhǎng)量化特性對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)影響更為明顯，特別是，A/D或D/A轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)通常比計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)要短得多，量化非線性要嚴(yán)重得多，因此對(duì)系統(tǒng)的影響更為明顯。 北京航空航天大學(xué)148.1.4 減少量化效應(yīng)的變換方法 變換的特點(diǎn)是，在小采樣周期下，離散模型近似于原連續(xù)模型，克服了z變換的不足；在數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)時(shí)有更好的數(shù)值特性。1. 變換的定義變換的定義11zzTT 或 1( )( )zTGG z 2()e12sTsTzsT ！212zs TsT！0T sG()與

10、G(s)形式相同，極點(diǎn)位置及各種特性與G(s)相似 北京航空航天大學(xué)158.1.4 減少量化效應(yīng)的變換方法2. 變換的差分方程描述變換的差分方程描述 已知變量x(k)的變換，需要將變換定義帶入即可寫出相應(yīng)的差分方程。( )( )( )C saG sU ssa1e1e( )esTaTaTaG zZssaz1(1e)/( )( )(1e)/aTz TaTTGG zT(1e)/ ( )(1e) ( )/aTaTT CUT(1e)(1e)(1)( )( )( )aTaTc kc kTc ku kTT實(shí)現(xiàn)時(shí)有較好數(shù)值特性 (1)e( )(1e) ( )aTaTc kc ku k實(shí)現(xiàn)時(shí)有較差數(shù)值特性 (

11、)( )xa y(1)( )( )zX za Y zT(1)( )( )x kx kT a y k北京航空航天大學(xué)168.2 采樣周期的選用采樣頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響采樣頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響1. 對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響 采樣周期T是系統(tǒng)的一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響。2. 丟失采樣信息的影響丟失采樣信息的影響smax2采樣定理 smax(4 10)R實(shí)際應(yīng)用時(shí)： s(4 10)b北京航空航天大學(xué)17采樣頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響3. 與系統(tǒng)抑制干擾能力的關(guān)系與系統(tǒng)抑制干擾能力的關(guān)系 4. 系統(tǒng)輸出平滑性與采樣周期系統(tǒng)輸出平滑性與采樣周期輸出響應(yīng)的不平滑性 sf

12、 max2l經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：u階躍響應(yīng)非周期 u階躍響應(yīng)是振蕩 rr(5 10)TNTdr(10 20)TNT北京航空航天大學(xué)18采樣頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響5系統(tǒng)輸出的時(shí)間延遲與采樣周期系統(tǒng)輸出的時(shí)間延遲與采樣周期 ZOH引入的相位延遲是系統(tǒng)產(chǎn)生相位延遲的重要組成部分 ZOH的相位遲后 為了保證系統(tǒng)有足夠的相穩(wěn)定裕度，希望在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)截止頻率處，由零階保持器引入的相位遲后不大于（510），對(duì)應(yīng)有： 2/Tcc2(5 100.17 0.3557.3T）北京航空航天大學(xué)19采樣頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響6. 計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)與采樣周期計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)與采樣周期 由于字長(zhǎng)有限，當(dāng)減小，所產(chǎn)生的量化誤差會(huì)增大。 當(dāng)采樣周期過(guò)小時(shí)

13、，將會(huì)增大控制算法對(duì)參數(shù)變化的靈敏度，使控制算法參數(shù)不能準(zhǔn)確表示，從而使控制算法的特性變化較大。7. 計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷與采樣周期計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷與采樣周期 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算是串行的，系統(tǒng)管理、輸入輸出、控制算法計(jì)算等各項(xiàng)任務(wù)都要占用一定的時(shí)間，故當(dāng)計(jì)算機(jī)的速度及計(jì)算任務(wù)確定后，采樣間隔就要受到一定限制。 計(jì)算機(jī)速度提高 ，T可以取得更小。 控制算法復(fù)雜性增加 ，計(jì)算工作量增加 ，限制T的降低。北京航空航天大學(xué)20選擇采樣頻率的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 對(duì)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果被控過(guò)程的主導(dǎo)極點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)為Td，那么采樣周期應(yīng)取 被控過(guò)程具有純延滯時(shí)間 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間有要求 閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)自然頻率有要求d/

14、10TT(1/4 1/10)Ts/10Ttsn10北京航空航天大學(xué)21選擇采樣頻率的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 采樣周期選取總原則： 在能滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，應(yīng)盡量選取較大的采樣周期（即較低的采樣頻率），以降低系統(tǒng)成本?？刂谱兞?流量 壓力 液面 溫度 采樣周期 s工業(yè)過(guò)程控制典型變量的采樣周期 北京航空航天大學(xué)22多采樣頻率系統(tǒng) 主要好處：(1)可以有效地減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，從而降低對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度的要求；(2)對(duì)寬頻帶回路的快變信號(hào)選擇相應(yīng)高的采樣速率，可以減少高頻控制器數(shù)字化帶來(lái)的動(dòng)態(tài)誤差；根據(jù)低頻帶回路的慢變信號(hào)選擇相應(yīng)低的采樣速率，可以減少低頻控制器數(shù)字化帶來(lái)的量化誤差。 多采樣速率配置的原則

15、 根據(jù)每個(gè)回路或變量特性，按前面討論的原則進(jìn)行配置。就單個(gè)回路而言，采樣頻率的選擇與單速率系統(tǒng)是相同的。為使多采樣速率在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，除保證同步采樣的要求外，采樣速率之比通常取整數(shù)倍，如采樣速率比n=2，4等。北京航空航天大學(xué)23計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)8.3.1 干擾源干擾源1 電網(wǎng)噪聲 電網(wǎng)中大功率設(shè)備的啟停、電網(wǎng)切換或各種故障的產(chǎn)生，都會(huì)使電網(wǎng)發(fā)生瞬變，產(chǎn)生脈沖型噪聲。2 內(nèi)部干擾 由于整個(gè)系統(tǒng)的接地系統(tǒng)不完善，信號(hào)被電磁感應(yīng)和電容耦合，使系統(tǒng)內(nèi)部存在干擾。3 外部干擾 主要指來(lái)自空間的干擾，如太陽(yáng)及其他天體輻射的電磁波、電臺(tái)發(fā)出的電磁波、周圍的電器設(shè)備的電磁干擾，氣象條件、空中雷

16、電，甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì)引起干擾。北京航空航天大學(xué)24計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)8.3.2 抗干擾措施抗干擾措施1. 克服空間感應(yīng)的抗干擾措施克服空間感應(yīng)的抗干擾措施 空間感應(yīng)的干擾主要來(lái)源于電磁場(chǎng)在空間的傳播，一般只需采用適當(dāng)?shù)钠帘渭罢_的接地方法即可解決。 根據(jù)屏蔽目的的不同，屏蔽及接地的方法也不一樣： 電場(chǎng)屏蔽解決分布電容問(wèn)題，所以一般接大地。 電磁場(chǎng)屏蔽主要避免雷達(dá)、短波電臺(tái)等高頻電磁場(chǎng)輻射干擾，屏蔽層可以用低阻金屬材料做成，而且連接大地。 磁屏蔽用以防止磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)、磁耦合，屏蔽層用高導(dǎo)磁材料做成，一般也以接大地為好。北京航空航天大學(xué)258.3.2 抗干擾措施2.

17、 過(guò)程通道的抗干擾措施過(guò)程通道的抗干擾措施1) 串模干擾及其抑制 串模干擾疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾信號(hào)。 串模干擾信號(hào)的主要成分是50Hz的工頻和特殊的高次諧波，且通過(guò)電磁耦合和漏電等傳輸形式，疊加到信號(hào)或引線上形成干擾。 （1）模擬濾波（2）進(jìn)行電磁屏蔽和良好的接地從根本上切斷引起干擾的干擾源。例如選擇帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜連接一次儀表（如壓力變送器、熱電偶）和轉(zhuǎn)換設(shè)備，并配以良好的接地措施來(lái)解決。圖8-18 二階阻容濾波器網(wǎng)絡(luò)北京航空航天大學(xué)268.3.2 抗干擾措施 2) 共模干擾及其抑制 共模干擾產(chǎn)生的主要原因是不同“地”之間存在共模電壓，以及模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地存在漏阻抗。 （1）采用

18、差分放大器作信號(hào)前置放大圖8-20 差分輸入級(jí)示意圖 （2）采用隔離技術(shù)將地電位隔開(kāi)l使用變壓耦合或光電耦合隔離方法l若將光電耦合器與壓頻（V/F）變換器、頻壓（F/V）變換器組合起來(lái)，形成組合式模擬隔離器，不僅隔離方便，信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，而且對(duì)模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送尤為有效。北京航空航天大學(xué)278.3.2 抗干擾措施3. 電源系統(tǒng)的抗干擾措施電源系統(tǒng)的抗干擾措施(1) 合理配置和使用低通濾波器和交流穩(wěn)壓裝置(2) 采用抗干擾能力強(qiáng)的開(kāi)關(guān)電源(3) 采用分布式獨(dú)立供電(4) 采用備用電源或不間斷電源（UPS）北京航空航天大學(xué)288.3.2 抗干擾措施4. 地線配置的抗干擾措施地線配置的抗干擾措施

19、接地是抑制干擾的主要方法，其目的： 清除各電路電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓； 避免磁場(chǎng)及地電位差的影響，不使其形成地回路。 針對(duì)幾種地線的處理措施： 高頻電路就近多點(diǎn)接地的多點(diǎn)接地原則和低頻電路一點(diǎn)接地的一點(diǎn)接地原則； 交流地與信號(hào)地分開(kāi)； 數(shù)字地與模擬地分開(kāi)走線，只在一點(diǎn)匯在一起； 功率地的地線應(yīng)粗，且與小信號(hào)地線分開(kāi)，而與直流地相連； 信號(hào)地以5導(dǎo)體一點(diǎn)入地。 北京航空航天大學(xué)29 8.3.2 抗干擾措施5. 看門狗電路看門狗電路（Watchdog） Watchdog的每一次溢出輸出將引起系統(tǒng)復(fù)位，使系統(tǒng)重新初始化或產(chǎn)生中斷使系統(tǒng)進(jìn)入故障處理程序，進(jìn)行必要的處理，自動(dòng)恢復(fù)正常的運(yùn)行

20、程序。 程序正常運(yùn)行時(shí)，CPU每隔TS Tmax，設(shè)置定時(shí)器，使定時(shí)器不能達(dá)到Tmax，故不會(huì)發(fā)出故障中斷或故障復(fù)位的信號(hào)。圖8-21 Watchdog的構(gòu)成北京航空航天大學(xué)308.3.2 抗干擾措施 應(yīng)用場(chǎng)合1) 對(duì)系統(tǒng)“飛程序”自動(dòng)恢復(fù) 可用于檢測(cè)由于干擾引起的系統(tǒng)出錯(cuò)并自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，提高控制系統(tǒng)的可靠性。 只能實(shí)現(xiàn)任務(wù)的恢復(fù)，不可能實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)的恢復(fù)。 2) 對(duì)硬件的故障進(jìn)行檢測(cè) 表現(xiàn)在Watchdog可能連續(xù)產(chǎn)生溢出脈沖，頻繁進(jìn)入中斷處理程序。 北京航空航天大學(xué)318.3.2 抗干擾措施6. 對(duì)干擾進(jìn)行濾波對(duì)干擾進(jìn)行濾波 一般干擾的頻率較高，對(duì)連續(xù)模擬控制系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)本身的低通特性，

21、這些干擾對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)較小。 但對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，當(dāng)高頻信號(hào)與有用信號(hào)一起被采樣時(shí)，將會(huì)使高頻信號(hào)折疊到低頻信號(hào)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的輸出。 針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如果系統(tǒng)干擾比較嚴(yán)重，一般都應(yīng)在采樣開(kāi)關(guān)之前加入模擬低通濾波器，對(duì)干擾加以衰減濾除。 在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，采用數(shù)字濾波器對(duì)進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行濾波。北京航空航天大學(xué)328.3.3 干擾濾波技術(shù)1. 模擬濾波器模擬濾波器 在采樣開(kāi)關(guān)前加入適當(dāng)?shù)哪M濾波器（稱為抗混迭濾波器或前置模擬低通濾波器），通常為簡(jiǎn)單的低通網(wǎng)絡(luò)。 選取濾波器參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量保證： 在系統(tǒng)頻帶內(nèi)信號(hào)幅值變化比較平坦，在該頻帶外，信號(hào)幅值有較大的衰減，成為較陡峭衰減的形狀。Ff1(

22、 )(1)nG sT s, 3 , 2 , 1n北京航空航天大學(xué)338.3.3 干擾濾波技術(shù)2. 數(shù)字濾波數(shù)字濾波 利用程序?qū)崿F(xiàn)的濾波。只需根據(jù)濾波算法編制相應(yīng)的程序即可達(dá)到目的。1) 平均值濾波 在一個(gè)采樣周期中，對(duì)信號(hào)y連續(xù)進(jìn)行m次采樣，并對(duì)其取算術(shù)平均值，作為本采樣周期內(nèi)的濾波器輸出。 還可以在平均算法中給各次采樣值不同的權(quán)重系數(shù)，此時(shí)濾波算法為：10)(1miiiymy10i101mii通常取滿足110m北京航空航天大學(xué)348.3.3 干擾濾波技術(shù)2) 中值濾波 在一個(gè)采樣周期中，將信號(hào)的連續(xù)次（一般取奇數(shù),）采樣值進(jìn)行排序，取其中間值作為本采樣周期內(nèi)的濾波器輸出。一般m越大濾波效果越

23、好， 但延滯增大。 中值濾波對(duì)緩變過(guò)程的脈沖干擾有良好的濾波效果。3) 限幅濾波 根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)和系統(tǒng)的精度，對(duì)采樣數(shù)據(jù)的正常范圍事先作一個(gè)估計(jì)。若某次采樣受到強(qiáng)烈的干擾，使數(shù)據(jù)明顯超出正常范圍，就應(yīng)該將其剔除。 對(duì)隨機(jī)脈沖干擾和采樣器不穩(wěn)定引起的失真有良好的濾波效果。ooo| ( )(1)|( )( )| ( )(1)|( )(1)y ky kYy ky ky ky kYy ky k 北京航空航天大學(xué)358.3.3 干擾濾波技術(shù)4) 慣性濾波 模擬RC低通濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。適用于有用信號(hào)緩慢變化，干擾信號(hào)波動(dòng)頻繁的場(chǎng)合。RC濾波器的傳函 向后差分法 f( )1( )1Y sX sT sfff

24、( )(1)( )TTy ky kx kTTTT)()1 () 1(kxky北京航空航天大學(xué)368.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)8.4.1 概述概述1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)故障計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)故障 1）系統(tǒng)故障：是指整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的全局故障，它使系統(tǒng)停機(jī)或永不停機(jī)，但結(jié)果總是錯(cuò)的。 固定故障重新啟動(dòng)也不能恢復(fù)正常工作的故障。 偶然故障發(fā)生故障后，可用重新啟動(dòng)方式使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作 。 2) 硬件故障：這類故障是指系統(tǒng)的物理器件的工作參數(shù)偏離正常值或完全損壞而造成的故障。 3) 軟件故障：這類故障是指軟件本身所含錯(cuò)誤引起的故障，它是由設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的。 北京航空航天大學(xué)378.4.1 概述概述2.表征系統(tǒng)可

25、靠性的特征量表征系統(tǒng)可靠性的特征量 1）可靠度系統(tǒng)在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。 2) 失效率（亦稱故障率）工作到時(shí)刻尚未失效的系統(tǒng)，在該時(shí)刻之后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。失效率也可以表示為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的平均故障次數(shù)，以表示。 3) 平均故障間隔時(shí)間（MTBF） 平均故障間隔時(shí)間表示從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間，即故障發(fā)生的時(shí)間間隔的平均值，記作m。對(duì)于不能進(jìn)行維修的系統(tǒng)，使用平均無(wú)故障時(shí)間（MTTF）來(lái)表征系統(tǒng)的可靠性則更為恰當(dāng)。 4) 維修度、平均修復(fù)時(shí)間（MTTR） 維修度的定義為：在規(guī)定條件下工作的系統(tǒng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按照規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到

26、能夠完成規(guī)定功能狀態(tài)的概率。北京航空航天大學(xué)388.4.2 提高系統(tǒng)硬件可靠性措施 1. 提高單機(jī)系統(tǒng)可靠性的方法提高單機(jī)系統(tǒng)可靠性的方法 (1) 對(duì)元部件嚴(yán)格篩選，使用可靠的單個(gè)元件，并對(duì)元件進(jìn)行多道老化和嚴(yán)格檢驗(yàn)；(2) 充分重視元部件安裝的機(jī)械強(qiáng)度，以使機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如振動(dòng)）不會(huì)引起導(dǎo)線或焊接區(qū)的斷裂。此外，對(duì)必要的元部件應(yīng)機(jī)械加固；(3) 對(duì)組件采取涂漆和澆注處理可進(jìn)一步提高機(jī)械緊固性；(4) 插座是發(fā)生故障的最常見(jiàn)因素，因此，應(yīng)盡量少用插座，并采用大的插座；(5) 抗溫升保護(hù)，多數(shù)電子器件對(duì)溫度變化比較敏感，因此需要設(shè)計(jì)足夠的通風(fēng)系統(tǒng)，采用溫度補(bǔ)償措施。 北京航空航天大學(xué)398.4.2

27、提高系統(tǒng)硬件可靠性措施 2.容錯(cuò)技術(shù)容錯(cuò)技術(shù)：在容忍和承認(rèn)錯(cuò)誤的前提下，考慮如何消除、抑制和減少錯(cuò)誤影響的技術(shù)。冗余技術(shù)包括： 硬件堆積冗余（靜態(tài)冗余）u通過(guò)元部件的重復(fù)（如相同元部件的并聯(lián)）而獲得可靠性的提高。 2) 待命儲(chǔ)備冗余（動(dòng)態(tài)冗余）系統(tǒng)由s+1個(gè)功能相同的模塊組成，其中一個(gè)運(yùn)行，其余作備件（冷備件或熱備件）。若正在運(yùn)行的模塊發(fā)生故障，它便被切除而由備用模塊取代。 3) 混合冗余（動(dòng)靜冗余結(jié)合）1) 將前兩種方法結(jié)合運(yùn)行的方案 北京航空航天大學(xué)408.4.3 提高軟件可靠性措施 1軟件設(shè)計(jì)的避錯(cuò)技術(shù)軟件設(shè)計(jì)的避錯(cuò)技術(shù)1) 采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是普遍采用的方法。 (1) 無(wú)GOTO語(yǔ)句編

28、程 (2) 從上到下程序設(shè)計(jì)法 (3) 模塊式結(jié)構(gòu) 2) 工程應(yīng)用中常采用一些實(shí)用方法，如軟件固化，建立RAM數(shù)據(jù)保護(hù)區(qū)以及使用自診斷程序等。3 ) 采用自診斷程序是提高計(jì)算機(jī)軟件可靠性的重要手段。 北京航空航天大學(xué)418.4.3 提高軟件可靠性措施 2軟件的容錯(cuò)技術(shù)軟件的容錯(cuò)技術(shù) 軟件容錯(cuò)的基本活動(dòng)有四個(gè)：故障檢測(cè)、損壞估計(jì)、故障恢復(fù)和缺陷處理。 軟件容錯(cuò)的基本方法： 恢復(fù)塊方法 選擇一組操作作為容錯(cuò)設(shè)計(jì)單元。每一時(shí)刻有一個(gè)文本處于運(yùn)行狀態(tài)。一旦該文本出現(xiàn)故障，則以備件文本加以替換，從而構(gòu)成“動(dòng)態(tài)冗余”。 N文本方法 設(shè)計(jì)N個(gè)功能相同，但內(nèi)部差異的文本程序。每個(gè)文本程序中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)交叉檢

29、測(cè)點(diǎn)。每當(dāng)文本執(zhí)行到一個(gè)交叉檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)比較向量，并將比較向量交給驅(qū)動(dòng)程序，自己則進(jìn)入等待狀態(tài)，等待來(lái)自驅(qū)動(dòng)程序的指令。 北京航空航天大學(xué)428.4.3 提高軟件可靠性措施 3軟件測(cè)試軟件測(cè)試 1) 軟件測(cè)試的種類 動(dòng)態(tài)測(cè)試 靜態(tài)測(cè)試 程序正確性證明 2) 測(cè)試方法 黑盒法可以測(cè)試軟件的功能 白盒法可以測(cè)試程序的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 3) 軟件的測(cè)試過(guò)程 (1) 模塊測(cè)試 (2) 整體測(cè)試 (3) 有效性測(cè)試 (4) 系統(tǒng)測(cè)試 北京航空航天大學(xué)438.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則1 .可靠性高2. 操作性好3. 實(shí)時(shí)性強(qiáng)4. 通用性好5.

30、 經(jīng)濟(jì)效益高北京航空航天大學(xué)44計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)； 控制算法設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)包括：1）選擇系統(tǒng)總線；2）選擇主機(jī)機(jī)型；3）輸入輸出通道設(shè)計(jì)；4）選擇傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；5）操作員控制臺(tái)設(shè)計(jì)；6）硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)調(diào)試l 包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)。 北京航空航天大學(xué)458.5.3 系統(tǒng)調(diào)試1系統(tǒng)硬軟件調(diào)試 1) 硬件調(diào)試 2) 軟件調(diào)試2模擬調(diào)試 是在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)的。常有全實(shí)物調(diào)試、半實(shí)物仿真調(diào)試。 3現(xiàn)場(chǎng)在線調(diào)試1) 需要做好調(diào)試前的準(zhǔn)備工作 2) 制定調(diào)試大綱 3) 進(jìn)行系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試北京航空航天大學(xué)46設(shè)計(jì)舉例雙擺實(shí)

31、驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1. 雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)介紹1)雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)組成北京航空航天大學(xué)478.5.4 設(shè)計(jì)舉例2）雙擺實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)性能指標(biāo) 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制的目的是：當(dāng)滑車在導(dǎo)軌上以一定速度和加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)保持雙擺的擺動(dòng)角度最小；或雙擺有任一初始擺角時(shí)，系統(tǒng)將使雙擺迅速返回平衡位置。 為實(shí)現(xiàn)上述控制目的，提出如下性能指標(biāo)要求：(1) 計(jì)算機(jī)D/A輸出100mV時(shí)，電機(jī)應(yīng)起動(dòng)。 (2) 滑車最大運(yùn)動(dòng)速度為 s，D/A的最大輸出對(duì)應(yīng)滑車的最大運(yùn)行速度。(3) 當(dāng)有較大的初始擾動(dòng)（上擺角初始角度為50o）時(shí)，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間5s6s，擺動(dòng)次數(shù)34次。(4) 當(dāng)滑車從偏離零位處回歸零位

32、時(shí)，上下擺的擺角到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間5s6s，擺動(dòng)次數(shù)34次。北京航空航天大學(xué)488.5.4 設(shè)計(jì)舉例2 控制系統(tǒng)的整體方控制系統(tǒng)的整體方案案 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-28所示，控制系統(tǒng)方塊圖如圖8-29所示。圖8-28 雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖8-29 雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖北京航空航天大學(xué)49 8.5.4 設(shè)計(jì)舉例3 雙擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模雙擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模 利用拉格朗日方程建立雙擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以得到在小擾動(dòng)情況下系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程。1)以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以控制力為輸入建立雙擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非保守系統(tǒng)的拉格朗日方程 ddiiiLLFtqqn,i21L：拉格朗

33、日函數(shù)=系統(tǒng)的總能量-系統(tǒng)的總勢(shì)能 北京航空航天大學(xué)508.5.4 設(shè)計(jì)舉例2）建立電機(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)學(xué)模型）建立電機(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 直流伺服電機(jī)在忽略了感抗的影響以及啟動(dòng)死區(qū)電壓后，可以視為一個(gè)二階的線性系統(tǒng)。 即有圖8-31 電機(jī)模型tae2aKrUKF rXRJs2ataetaR F rrK uK K xR J x2taetaa()/FrK uK K xR J xR r北京航空航天大學(xué)518.5.4 設(shè)計(jì)舉例 進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼?，就可得到平衡位置附近處電機(jī)加雙擺對(duì)象的數(shù)學(xué)模型：2et12122a232et12122422a 111115612121313010000()0000()00

34、0100() ()000()()0000010000KKmm grxMrJ RMrJxxKKmm g mm rJmxgMrJ Rlml MrJm lxxmmmmggm lm l 1t2a23a4t2a 1560()0()00 xr KMrJ Rxxuxr KMrJ Rlxx 北京航空航天大學(xué)528.5.4 設(shè)計(jì)舉例4 系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)1) 系統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)執(zhí)行電機(jī)的死區(qū)達(dá)到1V，即有 dead1VU為滿足克服死區(qū)電壓的指標(biāo)要求，引入模擬放大環(huán)節(jié)，使D/A輸出時(shí)電機(jī)起動(dòng)，則從計(jì)算機(jī)輸出點(diǎn)到控制電機(jī)輸入點(diǎn)之間的放大倍數(shù)必須滿足 為了滿足D/A輸出滿量程5V時(shí)對(duì)應(yīng)滑車最大速度s的要求，需要

35、在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中引入測(cè)速機(jī)輸出進(jìn)行速度反饋。采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值，有 雙擺控制系統(tǒng)的模擬內(nèi)環(huán)0dead(/0.1)KUmaxmaxmax1gw2mVVUKK KK Krr北京航空航天大學(xué)53 考慮放大器箱的放大倍數(shù)，D/A輸出電壓u滿足： 則描述系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程可以改寫為 令ee2gwKKK K K r 8.5.4 設(shè)計(jì)舉例aa012()uuuKKK2et12122a232et12122422a 11 1115612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000K Kmm grxMrJ RMrJxxK Kmm g mm rJmxgMrJ R lml

36、 MrJm lxxmmmmggm lm l1122a23a4122a 1560()0()00ttxrK K KMrJ RxxuxrK K KMrJ R lxxuBXA北京航空航天大學(xué)548.5.4 設(shè)計(jì)舉例2) 系統(tǒng)位置環(huán)設(shè)計(jì)(1) 采樣周期的選取 根據(jù)電機(jī)的模型以及電機(jī)的相關(guān)參數(shù)可知，該電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為： aMte13.9 6.250.040.467 0.0482R JeTK K根據(jù)采樣周期的選取原則，可以將采樣周期選擇為：10msT 北京航空航天大學(xué)558.5.4 設(shè)計(jì)舉例（2）位置環(huán)控制器設(shè)計(jì) 這里選用離散最優(yōu)二次型方法進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，且只側(cè)重于設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。TT01( )( )(

37、 )( )2kJXk QX kuk Ru k其中Q、R陣的初始設(shè)置如下： 100000010000000010000001000000005 . 000000010Q1 . 0R可利用MATLAB中的函數(shù)來(lái)計(jì)算得反饋增益K等：K,P,e=dlqr(F,G,Q,R)北京航空航天大學(xué)568.5.4 設(shè)計(jì)舉例5 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 圖圖8-33 雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖雙擺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序流程圖6閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果1）擺角擾動(dòng)閉環(huán)控制（上擺角初始擾動(dòng)角度50o） 未加控制的擺角曲線 施加最優(yōu)控制的擺角曲線2）滑車位置回零控制（滑車從處回歸零位） 未加控制的擺角曲線 施加最優(yōu)控制

38、的擺角曲線北京航空航天大學(xué)57本章小結(jié) 分析了量化特性及其數(shù)學(xué)描述。重點(diǎn)分析了量化誤差對(duì)控制器零極點(diǎn)的影響，并概要地分析了量化誤差對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響，從中總結(jié)了一些減少或抑制量化效應(yīng)的方法。 簡(jiǎn)要地總結(jié)和討論了采樣周期對(duì)系統(tǒng)性能的各種影響，提出了選用采樣周期的一些原則及經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。 概要總結(jié)了系統(tǒng)可能遇到的各種干擾，并介紹了常采用的屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、電源抗干擾技術(shù)以及常用的看門狗技術(shù)、模擬及數(shù)字濾波技術(shù)。 介紹了一些提高系統(tǒng)硬件、軟件可靠性等方面的實(shí)用措施。 介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致的設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，說(shuō)明了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。 北京航空航天大學(xué)58 第第 8 8 章章 結(jié)結(jié) 束束