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
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