自动控制原理第1章.ppt

1,计算机控制系统第1章计算机控制导论,2,本章主要内容,1.1计算机控制系统的工作原理和系统组成1.2计算机控制系统结构、信号及控制方式的特点1.3计算机控制系统的优点1.4计算机控制系统发展、应用与分类状况1.5计算机控制理论与设计中的一些问题1.6计算机控制系统、采样系统及离散系统的概念本章小结,3,1.1计算机控制系统的工作原理和系统组成,本节主要内容1.1.1计算机控制系统基本工作原理1.1.2计算机控制系统基本组成,4,1.1.1计算机控制系统基本工作原理,实例典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统,图1-1雷达天线指向位置跟踪系统,5,1.1.1计算机控制系统基本工作原理,精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定向。天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立控制系统。系统除了采用速度反馈外，控制器还采用了滞后-超前等串联校正网络，该校正网络利用常规的有源模拟运算放大器实现。为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用模拟式部件实现将是很困难的。,6,1.1.1计算机控制系统基本工作原理,计算机控制系统计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装置的作用。,图1-2雷达天线指向位置跟踪系统原理结构图,7,1.1.1计算机控制系统基本工作原理,计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。计算机系统主要包括：AD转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；DA转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。,北京航空航天大学,8,1.1.1计算机控制系统基本工作原理,计算机控制系统的控制过程可以归结为：实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。“实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。所需时间将依具体系统特性确定。,9,1.1.2计算机控制系统基本组成,计算机控制系统的典型原理结构1.计算机控制系统的硬件组成计算机主机：计算机控制系统的核心-中央处理器（CPU）-RAM、ROM等存储器、定时器-接口适配器，显示、打印、操纵台等,图1-3计算机控制系统的典型原理结构图,10,1.1.2计算机控制系统基本组成,11,1.1.2计算机控制系统基本组成,过程通道：-模数（A/D）转换器-数模（D/A）转换器-传感器-信号调理电路功能：传感器将非电量的物理量变换成电量，该电量并不一定适合A/D直接采样转换，常需通过放大、滤波等措施后，才能送入A/D转换器。-数字量输入通道或数字量输出通道。,12,1.1.2计算机控制系统基本组成,2计算机控制系统的软件软件是计算机工作程序的总称，实现信息采集、处理及输出功能的各种程序的集合。-系统软件：计算机的通用软件。-应用软件：系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理程序。通常，应用软件由控制系统设计人员根据所选用的硬件及软件环境和系统要求开发编写。在构成系统硬件及软件时，要充分保证系统运行的实时性及可靠性。,13,1.2CCS结构、信号及控制方式的特点,1.计算机控制系统是混合信号系统，具有多种信号形式：计算机是一个数字式离散处理器。被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的模拟与数字部件组成的混合系统。A/D转换器通常包含下述三种形式的变换：-模拟信号采样：按一定时间间隔对连续信号采样，将其变成时间上是断续的离散信号；-信号幅值的整量化：将采样信号幅值按有限字长的最小量化单位分层取整，变成幅值为离散的信号；-数字编码：将已整量化的分层信号变换为等值的二进制数码信号，即数字信号。,14,1.2CCS结构、信号及控制方式的特点,D/A变换器通常包含有下述两种形式的变换：数字解码把数字量转换为等值的模拟脉冲信号；信号恢复把解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化信号(有的D/A先数字解码后保持，有的先数字保持后解码)。在计算机内，可分为-时间连续数字信号(如在内存中保存的数字信号)；-时间断续的数字信号(如在处理器中的信号)。与连续模拟系统不同，计算机控制系统中包含五种信号形式的变换，如图1-5所示，具有六种信号形式,如表1-1所示。,15,1.2CCS结构、信号及控制方式的特点,表1-1计算机控制系统中信号形式编码和解码仅是信号形式的改变，看作无误差的等效变换，分析时可略去。最重要的是采样、量化和保持变换过程。-采样及保持涉及信号有、无问题，影响系统的传递特性，是本质问题，分析和设计时必须考虑。-量化使信号产生误差并影响系统的特性.当字长较长时影响很小，初步分析和设计时可不予考虑。,图1-5计算机控制系统中信号变换,16,1.2CCS结构、信号及控制方式的特点,2.计算机控制系统可以实现分时串行或并行控制连续控制系统中，控制器通常都是由不同电路构成的，一台控制器仅为一个控制回路服务。计算机控制系统中，一台计算机可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制回路服务。-同一台计算机利用依次巡回方法可以实现多路串行控制；-为了节省巡回时间也常采用分时并行控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。如火炮位置计算机控制系统中高低角和方位角控制器均由同一台计算机硬件实现。如分散和集中相结合的多层次控制，在分层控制中，高层控制均采用一对多的分时控制方案。,17,1.3计算机控制系统优点,1.易实现复杂控制规律计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储能力，容易实现复杂的控制规律，如各种智能控制等，可以极大地提高系统性能。2.计算机控制系统的性价比高一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的功能/价格比值较高。3.适应性强灵活性高控制算法是由软程序实现，通过修改或执行不同的软件可使系统具有不同性能，适应性强，灵活性高。计算机是一种可编程的智能元件。一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制。,18,1.3计算机控制系统优点,4.系统测量灵敏度高数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度。软件可以对传感器特性进行修正与补偿，提高了精度。5.控制与管理容易结合实现更高层次的自动化利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产过程与经营的管理控制一体化。6.系统可靠性和容错能力高计算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便，提高了系统的可靠性和容错及维修能力。计算机控制系统一些缺点与不足-抗干扰能力较低；-插入数字部件，信号复杂，设计实现有一定困难。,19,1.4CCS的发展、应用与分类,本节主要内容1.4.1计算机控制系统发展概况1.4.2计算机控制系统应用概况1.4.3计算机控制系统分类,20,1.4.1计算机控制系统发展概况,1.开创时期（19551962年）难于直接参与系统的闭环控制。计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。2.直接数字控制时期（19621967年）计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因而被称为直接数字控制（DDC)。3.小型计算机时期（19671972年）各种类型适合工业控制的小型计算机。许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。4.微型计算机时期（1972年至今）微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更普及的应用。,21,1.4.1计算机控制系统发展概况,5.集散型控制微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统。微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。如嵌入式计算机控制系统；网络计算机控制；专用控制器迅速的发展。依赖于计算机实时控制软件的进展。过去的几十年软件生产的进展不大。,22,1.4.1计算机控制系统发展概况,性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制系统分析、设计理论的支持。-采样系统的基本理论；-现代离散控制理论；-各种智能控制理论，如模糊控制、神经网络。限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应用受到了限制。加强先进控制理论的可行性研究，发展各种简便易行的先进控制策略，提高系统控制水平。,23,1.4.2计算机控制系统应用概况,广泛地用于各种不同的工业生产；广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中；迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中-各种用途的机器人系统；,24,1.4.2计算机控制系统应用概况,-复杂飞行控制与飞行管理系统；,图1-8飞机飞行高度计算机控制系统,25,1.4.2计算机控制系统应用概况,-各种空间飞行器的控制；-现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统。,26,1.4.2计算机控制系统应用概况,图1-10分散控制集中管理系统结构图,27,1.4.3计算机控制系统分类,1.直接数字控制(DirectDigitalControl，DDC)系统计算机取代常规模拟式控制器而直接对生产过程或被控对象进行控制。要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。,图1-11直接数字控制系统,28,1.4.3计算机控制系统分类,2.计算机监督控制(SuperviseControlbyComputer，SCC)系统针对某一生产过程或被控对象，依生产过程的各种状态，按生产过程的数学模型和给定指标要求，进行优化分析计算，产生最佳设定值，并将其自动地作为执行级DDC的设定控制目标值，由DDC行使控制。,图1-12计算机监督控制系统,29,1.4.3计算机控制系统分类,3.分散型计算机控制系统(DistributedControlSystem，DCS)-应用以多台计算机为基础的分散型控制系统。-分散控制基础上的又形成了集散型计算机控制系统，又称为分散型综合控制系统（TotalDCS）。-“控制要分散，管理要集中”。,图1-13分散型计算机控制系统,30,1.5计算机控制系统的理论与设计问题,本节主要内容1.5.1计算机控制系统的理论问题1.5.2计算机控制系统的设计与实现,31,1.5.1计算机控制系统的理论问题,1.若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统后，它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。,图1-14采样系统的时变特性,32,1.5.1计算机控制系统的理论问题,2众所周知，连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率的正弦信号，但对计算机控制系统而言，其稳态正弦响应则与输入信号频率和采样周期有关。,图1-15计算机控制系统的正弦激励响应,33,1.5.1计算机控制系统的理论问题,3一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限长的，它的响应是多个指数函数之和。计算机控制系统，通过设计却可以实现在有限的采样间隔内（即有限时间内）达到稳态值，获得比连续系统更好的性能。,图1-16有限调节时间系统,34,1.5.1计算机控制系统的理论问题,4一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统时,若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。如围绕地球运动的同步卫星，其运动周期为1天，对其实现断续控制，控制间隔时间为1天，则卫星是不可控的。5系统的稳定性也是值得关注的问题。总之：在计算机控制系统中，由于信号的采样，所产生的一些现象无法用连续控制理论解释和说明，必须采用与采样有关的理论进行说明和解释。在计算机控制系统中字长有限的问题。由于数字字长有限，在某些情况下，将会使计算机控制系统响应产生极限环振荡。,35,1.5.1计算机控制系统的理论问题,图1-17字长有限引起的极限环,36,1.5.2计算机控制系统的设计与实现,计算机控制系统是一种混合信号系统。从AA两点来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以看成是连续系统。从BB两点来看，又可将其看成是纯离散信号系统。,图1-18计算机控制系统等效结构,37,1.5.2计算机控制系统的设计与实现,在实际工程设计时有两种设计方法：1连续域设计离散化方法-将计算机控制系统看成是连续系统，在连续域上设计得到连续控制器。-采用不同方法将其数字化（离散化)。-目前常用的近似设计方法。2.直接数字域(离散域)设计-将系统看成是纯离散信号系统，直接在离散域进行设计，得到数字控制器。-准确的设计方法，日益受到重视。正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。软件编程值得注意。,38,1.6采样系统与离散系统概念,计算机控制系统结构可在图1-5的基础上简化为图1-19所示结构。这种系统结构为采样系统。采样系统定义为动态子系统集合，系统中某些信号在一点或多点是以时间离散序列出现的，在另外一些点上，信号是以时间连续信号形式出现的。,图1-19计算机控制系统简化结构图,39,1.6采样系统与离散系统概念,整个系统输入输出均为采样信号，系统可以