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  • 输入输出〔全〕多输入输出〔全〕多输入输出〔全〕图13 MATLAB函数零、极点分布图 * * 控制理论与Matlab --张波涛 MATLAB具有以下主要特点: 1)超强的数值运算功能。在MATLAB里,有超过500种的数学、统计、...

    多输入多输出〔全〕多输入多输出〔全〕多输入多输出〔全〕

    图13 MATLAB函数零、极点分布图 * * 控制理论与Matlab --张波涛 MATLAB具有以下主要特点: 1)超强的数值运算功能。在MATLAB里,有超过500种的数学、统计、科学及工程方面的函数可供使用,而且使用简单快捷。由于库函数都由本领域的专家编写,用户不必担心函数的可靠性。 2)语法限制不严格,程序设计自由度大。例如,在MATLAB里,用户无需对矩阵预定义就可使用。 3)程序的可移植性很好,基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。 4)强大的数据可视化功能。在FORTRAN和C语言里,绘图都很不容易,但在MATMB里,数据的可视化非常简单。MATIAB还具有较强的编辑图形界面的能力。 5)丰富的工具箱;由各学科领域内学术水平很高的专家编写的功能强劲的工具箱,使用户无需编写自己学科范围内的基础程序,而直接进行高、精、尖的研究。 二. MATLAB的工作环境 窗口中的符号“》”,表示MATIAB已准备好,正等待用户输入命令。用户可以在“》”提示符后面输入命令,实现计算或绘图功能。 在命令窗口中,可使用方向键对已输入的命令行进行编辑,如用“↑”键或“↓”键回到上一句指令或显示下一句命令。 (3)工作空间窗口“Work-space” 工作空间指运行MATLMB程序或命令所生成的所有变量构成的空间。每打开一次MATLAB,MATIAB会自动建立一个工作空间。 (4) 命令历史窗口“Command History” * 3 MATLAB在控制系统中的应用

    MATLAB是国际控制界目前使用最广的工具软件,几乎所有的控制理论与应用分支中都有MATLAB工具箱。本节结合前面所学自控理论的基本内容,采用控制系统工具箱(Control Systems Toolbox)和仿真环境(Simulink),学习MATLAB的应用。

    (1) 用MATLAB建立传递函数模型

    1.有理函数模型

    线性系统的传递函数模型可一般地表示为:

    (1)

    将系统的分子和分母多项式的系数按降幂的方式以向量的形式输入给两个变量和,就可以轻易地将传递函数模型输入到MATLAB环境中。命令格式为:

    ;          (2)

    ;          (3)

    在MATLAB控制系统工具箱中,定义了tf() 函数,它可由传递函数分子分母给出的变量构造出单个的传递函数对象。从而使得系统模型的输入和处理更加方便。

    该函数的调用格式为:

    G=tf(num,den);               (4)

    例2 一个简单的传递函数模型:

    可以由下面的命令输入到MATLAB工作空间中去。

    >> num=[1,5];

    den=[1,2,3,4,5];

    G=tf(num,den)

    Transfer function:

    s + 5

    -----------------------------

    s^4 + 2s^3 + 3s^2 + 4s + 5

    其中变量sign用来表示正反馈或负反馈结构,若sign=-1表示负反馈系统的模型,若省略sign变量,则仍将表示负反馈结构。G1和G2分别表示前向模型和反馈模型的LTI(线性时不变)对象。

    例5 若反馈系统图5中的两个传递函数分别为:

    则反馈系统的传递函数可由下列的MATLAB命令得出

    >> G1=tf(1,[1,2,1]);

    G2=tf(1,[1,1]);

    G=feedback(G1,G2)

    运行结果:

    Transfer function:

    s + 1

    ---------------------

    s^3 + 3 s^2 + 3 s + 2

    3. 反馈系统结构图模型

    设反馈系统结构图如图5所示。

    图5  反馈系统结构图

    控制系统工具箱中提供了feedback()函数,用来求取反馈连接下总的系统模型,该函数调用格式如下:

    G=feedback(G1,G2,sign);     (10)

    运行结果:

    Zero/pole/gain:

    6 (s+1.929) (s^2 + 0.0706s + 0.8637)

    ----------------------------------------------

    (s^2 - 0.0866s +

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  • 工业控制系统的输入输出信号在工业生产过程中实现计算机控制的前提是,工业生产过程的过程参数、工况逻辑和设备运行条件等物理量必须转化为电信号(电压或电流)或计算机通过传感器或变送器可以识别的逻辑量。...

    工业控制系统的输入输出信号

    在工业生产过程中实现计算机控制的前提是,工业生产过程的过程参数、工况逻辑和设备运行条件等物理量必须转化为电信号(电压或电流)或计算机通过传感器或变送器可以识别的逻辑量。

    传感器和变送器输出的信号规格多种多样,其中毫伏信号、0~5V电压信号、1~5V电压信号、0~10mA电流信号、4~20mA电流信号和电阻信号是计算机测控系统中常用的信号规格。在实际工程中,这些信号通常分为模拟信号和数字信号。

    为了给某一生产过程设计一套计算机控制系统,需要了解输入输出信号的规格、接线方式、精度等级、量程、线性关系、数量转换等诸多因素。

    1.模拟信号

    来自现场的许多检测信号都是模拟信号,如液位、压力、温度、位置、酸碱度、电压、电流等。其通常通过传感器将现场待检测的物理量转换成电压或电流信号;许多致动器所需的控制信号也是模拟信号,例如调节阀、电机、电力电子设备的功率器件等的控制信号。

    模拟信号是指随时间不断变化的信号。这些信号的幅度在指定的连续时间内是连续的。

    模拟信号有两种类型:一种是由各种传感器获得的低电平信号;另一种是仪表和变送器输出的4~20mA电流信号或1~5V电压信号。经过采样和模数转换后,这些模拟信号通常经过数据正确性判断、比例转换、线性化等处理。

    模拟信号非常容易传输,但它们对干扰信号非常敏感,在传输过程中很容易使信号的振幅或相位失真。因此,模拟信号有时会经历零漂移校正和数字滤波。

    模拟输出信号可以直接控制过程设备,过程可以反馈模拟信号。闭环PID控制系统采用这种形式。模拟输出也可以用来产生波形,在这种情况下,数模转换器成为一个函数发生器。

    模拟信号的通用规格:

    1)1~5V电压信号

    这种信号规范有时被称为DDZ三号仪表电压信号规范。计算机控制系统的过程通道通常采用1~5V的电压信号规格。工程量下限值对应的电压信号为低压,工程量上限值对应的电压信号为5V。整个工程量的变化范围对应4V的电压变化范围。过程通道也可以输出1~5V电压信号来控制执行器。

    2)4~20mA电流信号

    4~20mA电流信号通常用于过程通道和变送器之间的信号传输。变送器量程的工程量或下限值对应的电流信号为4mA,量程上限值对应的电流信号为20mA。整个工程量的变化范围对应于当前16mA的变化范围。工艺通道还可以输出4~20mA电流信号来控制执行器。

    一些传感器的输出信号是毫伏电压信号。例如,在1000时,K指数热电偶的输出信号为41.296毫伏。这些信号应由变送器转换成标准信号(4~20mA),然后发送到过程通道。热电阻传感器的输出信号是一个电阻值,通常由变送器转换成标准信号(4~20mA),然后发送到过程通道。

    对于4~20mA电流信号的系统,只需要250电阻就可以将其转换成1~5V DC电压信号。

    需要注意的是,上述两个标准不包括零值,这是为了避免与断电或断开混淆,并使信息传输更加准确。这样,也避免了晶体管器件的初始非线性部分,并且信号值和测量参数更接近线性关系,因此在国际上被推荐和广泛采用。

    如何在程序中显示数量?

    假设温度传感器(如Pt100)检测温度,将传感器连接到温度变送器并转换温度

    从上面可以看出,0对应1V,200对应5V,温度与电压成线性关系。假设x代表温度,y代表电压,电压y和温度x之间的数学关系为:

    y=1 0.02x

    电压送至计算机后,可通过编程获得电压值Y。再加上一句话,电压就能转换成温度X。使用以下算法:

    x=(y-1)*50

    这样,温度值x可以显示在程序屏幕上。

    如果工程量的换算电压值不是标准量,只要电压与工程量成线性比例,上述方法也可用于处理。

    2.数字信号

    有许多现场设备仅对应于两种状态,例如,按钮、行程开关的开和关、电机的启动和停止、指示灯的开和关、仪表的BCD代码、继电器或接触器的释放和吸入、晶闸管的开和关、阀门的开和关等。数字(开关)输出信号可用于控制或检测数字(开关)输入信号。

    数字(开关)信号是指在有限的离散时刻具有不连续值的信号。在二进制系统中,数字(开关)信号由有限字长的数字组成,其中每个数字不是0就是1。数字(开关)信号的特征是它们仅代表某一瞬时幅度,并且是不连续的信号。数字(开关)信号的处理主要是监控开关设备的状态变化。

    开关量信号反映生产过程、设备运行的当前状态、逻辑关系和动作顺序。例如,行程开关可以指示某个部件是否到达指定位置。如果已经就位,行程开关接通,一个开关值信号输入到工业控制计算机系统。作为另一个例子,如果工业控制计算机系统想要输出报警信号,它可以输出开关值信号,通过继电器或接触器驱动报警装置,并发出听觉和视觉报警。如果开关信号的幅度是TTL/CMOS电平,有时一组开关信号被称为数字信号。

    数字(开关)输入信号有两种模式:接触输入和电平输入。触点分为常开和常闭,它们的逻辑关系完全相反,就像数字电路中的正逻辑和负逻辑一样。事实上,工业控制计算机系统根据电平执行逻辑操作和处理,因此工业控制计算机系统必须为输入触点供电并将触点输入转换成电平输入。数字(开关)输出信号也有两种模式:触点输出和电平输出。输出触点也是常开和常闭的。

    数字(开关)信号输入计算机后,通常需要进行代码转换处理,例如将BCD代码转换为ASCII代码,以便显示数字信号。

    对于数字(开关)输出信号,有两种形式:一种是电压输出,另一种是继电器输出。电压输出通常通过晶体管的通断直接向外部提供电压信号,而继电器输出通过继电器触点的通断提供信号。电压输出模式的速度相对较快,外部接线简单,但负载能力较弱。继电器输出模式则相反。电压输入可分为DC电压和交流电压,相应的电压幅度可为5V、12V、24V、48V等。

    如何实现数字(开关量)输入?

    请参见下图:

    如何实现数字(开关)输出?

    如果是电压输出,可以用下图来实现控制:

    数字输出端口连接到三极管的基极。当计算机输出控制信号处于高电平时,三极管导通,继电器常开开关KM闭合,指示灯亮。当输出为低电平时,三极管关闭,继电器常开开关KM打开,指示灯熄灭。

    如果是继电器输出,可使用下图进行控制:

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  • 反馈网络属于电流(输出)电压(输入反馈输出电阻增加,输入电阻增加; Ro=ro+(1+Av)Rs 共源放大器的共源单管MOS管为M2,源极负反馈的电阻为RS; Ro=Rs+(1+gm2ro2)Rs 共源共栅的共源单管为M1,共栅管为M2 ...

    带源极负反馈的共源放大器和共源共栅放大器的输出电阻,计算方式类似。

    该反馈网络属于电流(输出)电压(输入)反馈,输出电阻增加,输入电阻增加;

    Ro=ro+(1+Av)Rs

    共源放大器的共源单管MOS管为M2,源极负反馈的电阻为RS;

    Ro=Rs+(1+gm2ro2)Rs

    共源共栅的共源单管为M1,共栅管为M2

    Ro=ro2+(1+gm2ro2)ro1=ro2+ro1+gm2ro2ro1≈gm2ro2ro1

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  • 该楼层疑似违规已被系统折叠隐藏此楼查看此楼这个对应的是单输入输出的。多输入输出的如下:% Thansfer multiple transfer functions into sate space modelsclcclear all;% Step1:输入传递函数分子分母系数%...

    该楼层疑似违规已被系统折叠 隐藏此楼查看此楼

    这个对应的是单输入单输出的。

    多输入多输出的如下:

    % Thansfer multiple transfer functions into sate space models

    clc

    clear all;

    % Step1:输入传递函数分子分母系数

    %From u1 to y1

    num1=[-0.0006086 -7.715e-005];

    den1=[1 1.079 0.2385 8.696e-005];

    %From u2 to y1

    num2=[0.03045 -0.0005537];

    den2=[1 2.584 1.429 7.817e-005];

    %From u1 to y2

    num3=[3.135e-005 1.396e-007];

    den3=[1 1.101 0.01934 5.657e-005];

    %From u2 to y2

    num4=[0.0003878 0.0001376];

    den4=[1 0.6916 0.1158 0.003103];

    % Step2:获得各单输入单输出状态空间模型

    [A11,B11,C11,D11]=tf2ss(num1,den1);%From u1 to y1

    [A21,B21,C21,D21]=tf2ss(num2,den2);%From u2 to y1

    [A12,B12,C12,D12]=tf2ss(num3,den3);%From u1 to y2

    [A22,B22,C22,D22]=tf2ss(num4,den4);%From u2 to y2

    S_m11=ss(A11,B11,C11,D11);%From u1 to y1

    S_m21=ss(A21,B21,C21,D21);%From u2 to y1

    S_m12=ss(A12,B12,C12,D12);%From u1 to y2

    S_m22=ss(A22,B22,C22,D22);%From u2 to y2

    % Step3:按输入输出将状态空间模型写成矩阵形式,即为双输入双输出状态空间模型

    P=[S_m11 S_m12;S_m21 S_m22];

    % Step3:获得A,B,C,D矩阵

    [A,B,C,D] = ssdata(P)

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空空如也

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反馈是输入还是输出