第1章 计算机控制原理概论sp

1、计算机控制原理计算机控制原理 胡玉琦 1 第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念 1-1 1-1 引言引言 1-2 1-2 控制系统举例控制系统举例 1-3 1-3 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1-4 1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 1-5 1-5 计算机控制系统计算机控制系统 1-6 1-6 自动控制理论的发展史自动控制理论的发展史 1-7 1-7 传统控制系统的研究方法传统控制系统的研究方法 2 导弹命中目标、人造卫星按预定轨道运行、宇宙 飞船对接、返回仓返回 例1. 人工控制炉温人工控制炉温 1-21-2 控制系统举例控制系统举例 人工炉温控制框图

2、人工炉温控制框图 5 控制的实质控制的实质：检测偏差和纠正偏差检测偏差和纠正偏差 炉温自动控制系统炉温自动控制系统 6 控制过程：控制过程： 1 炉温由热电偶转换为对应的电压炉温由热电偶转换为对应的电压ub 2期望的炉温由电压期望的炉温由电压ur给定，并与实际温度给定，并与实际温度ub 比较得到温度偏差信号比较得到温度偏差信号u ur ub 3 3 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱 动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动 触头。当温度偏高时，动触头向减小电压的方触头。当温度偏高时，动触头向减小电压的方 向运动

3、，反之加大电压，直到温度达到给定值向运动，反之加大电压，直到温度达到给定值 为止，此时，偏差为止，此时，偏差u =0 =0，电机停止转动。，电机停止转动。 7 炉温自动控制框图炉温自动控制框图 8 b u u+ _ 实际温度 电压放大器功率放大器 炉子 热电偶 电机、减速器、 调压器 期望温度 r u 控制的实质控制的实质：检测偏差和纠正偏差检测偏差和纠正偏差 从从炉温炉温控制系统工作过程定义变量：控制系统工作过程定义变量： 系统输入量、参考输入量系统输入量、参考输入量（信号）（信号） 系统输出量系统输出量 偏差偏差信号信号 反馈、反馈信号反馈、反馈信号 显然：显然： 反馈控制反馈控制建立在建

4、立在偏差基础偏差基础上，其控制上，其控制 方式是方式是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。 控制系统的工作原理控制系统的工作原理： n检测输出量（被控制量）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值； n将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；较得出偏差； n用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。输出量维持期望的输出。 n系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动 减少系统的输出量与参考输入量之间的偏差减少系统的输出量与参考输入量之间的偏

5、差 ，故称之为，故称之为反馈控制反馈控制。 ug 1 2 ua ij n 3 ugn 功 率 放大器 直 流 电动机 工作 机械 例例2. 2.车床主轴的直流电动机转速控制系统车床主轴的直流电动机转速控制系统 功 率 放大器 ug ua ij n ub 测速发电机 n 干 扰 转 矩 n 功 率 放 大 器 直 流 电 动 机 工 作 机 械 加 法 器 ug 测 速 发 电 机 l例例3. 3.雷达导引随动控制系统雷达导引随动控制系统 ua ij n ue c uur 1 2r i 减 速 器 控制目标：输出轴始终紧紧跟踪输入轴变化。 由于输入轴的位置无法预先确定随动系统。 随动系统的原理图

6、 输 入 轴输 出 轴 rue 电 位 器 (比 较 器 ) 放 大 器电 动 机减 速 器 uac 16 自动控制要解决的基本问题自动控制要解决的基本问题 如何使被控制量按照给定量的变化规律变化， 就是一个控制系统要解决的基本问题。 解决方法解决方法 小结 自动控制系统自动控制系统在没有人直接参与的情在没有人直接参与的情 况下，利用控制装置对被控对象进行控制况下，利用控制装置对被控对象进行控制 操纵，使被控量按照参考输入保持常值或操纵，使被控量按照参考输入保持常值或 者跟随参考输入的变化规律而变化的系统。者跟随参考输入的变化规律而变化的系统。 自动控制理论自动控制理论研究自动控制共同规律研究

7、自动控制共同规律 的一门科学，包括：工程控制论、生物、的一门科学，包括：工程控制论、生物、 经济、社会控制论。经济、社会控制论。 17 1-3 1-3 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 一.开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用 而没有反向联系的控制。 开环控制系统 二. 闭环控制 开环和闭环：开环和闭环：实际的控制系统按有无反馈作用来界定实际的控制系统按有无反馈作用来界定 反馈反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 负反馈：负反馈：反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小 三.开环控制与反

8、馈控制的比较 开环 优点: 系统结构简单，调试容易，当输入信号和 扰动能预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元 件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响 较大，抗干扰能力差。 闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力， 可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差， 控制精度高，抗干扰能力强。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。 稳定性（前提）稳定性（前提） 快速性（动态性能）快速性（动态性能） 准确性（稳态精度）准确性（稳态精度） 1-4 1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 1 稳定性 对一个能正常工作的线性定常系统来说，在动 态响应过程

9、中，可以允许产生振荡现象，但其振幅 必须是逐渐衰减的，即系统的被控变量在围绕其平 衡位置振荡若干次后，应能稳定到平衡位置，这种 系统称为稳定系统。 (a)(b)(c)(d) x(t) 1 0 t y(t) 1 0 t y(t) 1 0 t y(t) 1 0 t 1 2 注： 稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 由系统结构和参数决定，与外界因素无关。 2 快速性 在系统输出量和期望输出量产生偏差时，系 统消除这种偏差的快慢程度。表征系统的动 态性能。 3 准确性 即稳态精度，用系统的稳态误差来表征。 稳态误差是控制系统响应的稳态值与期望值 之差。 C() C(t) 2 t 0 r(t) t 0

10、 1(t) 超调量 调整时间 t|c(t)|,c % )|c( )|c(c p 0sup 100 max max 振荡次数：调整时间内震荡的周期数。：控制精度 上升时间 峰值时间 r t p t s t 描述快速性和精确性指标描述快速性和精确性指标 注： 1 不同性质的控制系统，对稳定性、精确 性和快速性要求各有侧重； 2 系统的稳定性、精确性、快速性相互制 约，应根据实际需求合理选择。 1-51-5 计算机控制系统计算机控制系统 p引言引言 p系统组成系统组成 p控制机与通用机区别控制机与通用机区别 p工业控制系统发展趋势工业控制系统发展趋势 27 p 引言引言 计算机用于工程控制：工业生产

11、制造, 轧机控制、 航天器控制。 在计算机控制推广应用的实践中，总结了系统分 析设计的理论和方法以及工程实现技术，使计算 机控制成为以控制理论和计算机技术为基础的一 门新的工程科学技术。 28 计算机控制系统计算机控制系统框图框图 计 算 机 给 定 值被 控 量 数 字 控 制 器 模 /数 转 换 数 /模 转 换 执 行 机 构 被 控 对 象 检 测 装 置 29 计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程 (1)实时数据采集：对被控制量的瞬时值进行检测， 并且将采样结果输入到计算机。 (2)实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值 进行处理后，按照预先规定的控制规律进行运算，

12、则 称实时决策，或简称决策。 (3)实时控制：根据实时决策结果，实时地对执行装 置发出控制信号。 (4) 信息管理：随着网络技术和控制策略的发展， 信息共享和管理也介入到控制系统之中。 测、算、控、管 实时 30 p系统组成系统组成 硬件组成硬件组成 主机主机 外部设备外部设备 过程输入输出设备（过程输入输出设备（PIOPIO设备）设备） 广义被控对象广义被控对象 31 32 外 部 接 口 及 设 备 微 处 理 机 监 视 及 报 警 设 备 输 入 接 口 常 规 外 围 设 备 操 作 控 制 台 BUS 输 出 接 口 外 存 储 器 输 入 通 道 信 号 变 换 电 路 输 出

13、通 道 信 号 变 换 电 路 控 制 监 测 对 象 p 控制机与通用机区别控制机与通用机区别 结构上结构上 技术性能上：技术性能上： 实时响应能力实时响应能力 抗干扰、可靠抗干扰、可靠 MTBF(MTBF(平均无故障时间平均无故障时间) )要求要求 33 软件组成软件组成 系统软件：系统软件：通用性软件，数据结构通用性软件，数据结构OSOS数据库系数据库系 统统 公共服务软件（各种语言编译公共服务软件（各种语言编译/ /程序诊断程序诊断/ /网络网络 通信软件）。通信软件）。 应用软件：应用软件：在系统软件支持下实现各种应用功能在系统软件支持下实现各种应用功能 的专用程序，由设计人员据硬件

14、、软件环境开发的专用程序，由设计人员据硬件、软件环境开发 编写，如编写，如PLCPLC。 过程输入过程输入/ /输出接口程序：输出接口程序：与通道硬件配合，与通道硬件配合， 实现计算机与对象之间的数据信息传递实现计算机与对象之间的数据信息传递 控制程序：控制程序：实现预先设计的控制算法，对象运实现预先设计的控制算法，对象运 行状态反映给控制程序，控制程序产生控制信行状态反映给控制程序，控制程序产生控制信 号驱动执行装置，其优劣影响控制品质号驱动执行装置，其优劣影响控制品质 34 p工业控制系统发展趋势工业控制系统发展趋势 1 1 以工业以工业PCPC为基础的低成本工业控制自动化将成为为基础的低

15、成本工业控制自动化将成为 主流；主流； 2 PLC 2 PLC在向微型化；在向微型化； 3 3 面向测控管一体化设计的集散控制系统（面向测控管一体化设计的集散控制系统（DCSDCS），）， 网络化，有线和无线结合；网络化，有线和无线结合； 现场总线（现场总线（FCSFCS： Fieldbus Control SystemFieldbus Control System）；）； 4 4 智能化，智能化， 先进的控制算法。先进的控制算法。 35 1-61-6 自动控制理论的发展史自动控制理论的发展史 （1 1）2020世纪世纪40 -6040 -60年代，经典控制理论阶段。年代，经典控制理论阶段。

16、对象：单输入单输出的线性定常系统；对象：单输入单输出的线性定常系统； 依赖于系统的精确数学模型；依赖于系统的精确数学模型； 理论基础和方法：传递函数、频率特性、根轨迹；理论基础和方法：传递函数、频率特性、根轨迹； 控制原理：负反馈控制，控制原理：负反馈控制，“自动调节原理自动调节原理”； 研究目标：闭环系统达到预期的动态、静态性能；研究目标：闭环系统达到预期的动态、静态性能； 工程实用方法：工程实用方法：PIDPID调节原理、前馈补偿；调节原理、前馈补偿； 36 （2 2） 20 20世纪世纪6060年代末，现代控制理论阶段。年代末，现代控制理论阶段。 动力：航天器等空间技术的发展要求高性能、

17、高精动力：航天器等空间技术的发展要求高性能、高精 度的复杂控制系统；计算机发展提供了必要的技术度的复杂控制系统；计算机发展提供了必要的技术 手段；手段； 对象：多变量、变参数、非线性、连续的或离散的；对象：多变量、变参数、非线性、连续的或离散的； 依赖于系统的精确的数学模型，但把原来直接根据依赖于系统的精确的数学模型，但把原来直接根据 被控系统机理特性的建模方法，向基于参数估计和被控系统机理特性的建模方法，向基于参数估计和 系统辨识理论的建模方法拓展了；系统辨识理论的建模方法拓展了； 描述方法：在时间域内应用状态方程，利于计算机描述方法：在时间域内应用状态方程，利于计算机 运算；运算； 系统结

18、构：多环、自适应环、学习环等；系统结构：多环、自适应环、学习环等； 控制策略：最优控制、系统辨识、自适应控制、鲁控制策略：最优控制、系统辨识、自适应控制、鲁 棒控制，自校正控制；棒控制，自校正控制； 37 （3 3）复杂的任务要求：）复杂的任务要求：传统的控制系统中，控制的 任务要求输出为定值或者跟踪期望的运动轨迹，因此 控制任务比较单一。但对于复杂的控制任务，如智能 机器人系统、复杂工业过程控制系统、航空航天控制 系统、社会经济管理系统等传统的控制理论都无能为 力。 （2 2）高度非线性）高度非线性：传统控制理论中，线性系统理论比传统控制理论中，线性系统理论比 较成熟，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有较成熟，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有 一些非线性方法可供使用，但目前非线性控制理论还一些非线性方法可供使用，但目前非线性控制理论还 很不成熟，有些方法又过于复杂