第一章_计算机控制原理概论

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 控制概论控制概论1-1 1-1 控制系统的发展史控制系统的发展史1-21-2 自动控制的一般概念自动控制的一般概念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 控制系统的分类控制系统的分类1-5 1-5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1-61-6 计算机控制计算机控制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1-8 1-8 自动控制理论的发展史自动控制理论的发展史1-9 1-9 智能控制论智能控制论2控制系统的发展史控制系统的发展史 前期控制(1400BC-1900) 经典控制(1935-1

2、950) 现代控制(1950-Now) 前期控制(1400 BC-1900) 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 (1400 BC-1100BC)； 希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯（BC250）；中国东汉时期天文学家，研制出自动测量地震的候风地动仪；世界上第一架测验地震的仪器。是中国古代一项重要的科学发明，它比欧洲出现地震仪的时间要早1500年左右。成功地记录了138年发生在甘肃的一次强烈地震. 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 (235年)， “车虽回运而手常指南” ；中国明代宋应星所著天工开物记载了有程序控制思想的提花织机结构图（1637）； 英

3、国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788年)。 控制进气阀的开启程度来控制蒸汽机速度。经典控制（ 1915-1950） 美国 N. Minorsky 研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法 (1922)；美国 E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器 (1929)；现代控制（1950-Now ） 美国MIT 的Servomechanism Laboratory 研制出第一台数控机床(1952)； 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954) ，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelber

4、ger创立了第一家机器人公司，Unimation； 美国 M. E. Merchant 提出计算机集成制造的概念(1969)； 日本Fanuc 公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)； 中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题 (1986)。日本安川公司娱乐机械狗 (2001)；日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)；n神州号发射、返回神州号发射、返回15嫦娥一号嫦娥一号16楼宇自动控制系统楼宇自动控制系统（Building Automation SystemBuilding Automation System）

5、是建筑智能化的重要组成部分。对整座建筑是建筑智能化的重要组成部分。对整座建筑的空调系统、风机组、制冷机组、冷却塔、的空调系统、风机组、制冷机组、冷却塔、水箱水位、给排水、变配电、照明回路等系水箱水位、给排水、变配电、照明回路等系统进行信号采集和控制，实现大厦设备管理统进行信号采集和控制，实现大厦设备管理自动化，起到集中管理、分散控制、节能降自动化，起到集中管理、分散控制、节能降耗的作用。耗的作用。1718例1. 人工控制炉温人工控制炉温控制过程：控制过程：1 1 观测炉温（观测炉温（被控量被控量）2 2 与要求的温度（与要求的温度（给定给定值值）进行比较得到温度）进行比较得到温度偏差的大小和方

6、向偏差的大小和方向3 3 根据偏差大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温电阻丝的电流以调节温度回复到要求的温度度回复到要求的温度自动控制的基本概念自动控制的基本概念人工炉温控制框图人工炉温控制框图20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炉温自动控制21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u22期望的炉温由电压期望的炉温由电压u1给定，并与实际温度给定，并与实际温度u2比比较得到温度偏差信号较得到温度偏差信号uu1u23 3 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱温度偏

7、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，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=0u=0，电机停止转动。，电机停止转动。22炉温自动控制流程炉温自动控制流程23buu+_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ru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

8、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

9、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差，故称之为，故称之为反馈控制反馈控制。ug12uaijn3ugn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uguaijnub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uaijnuecuur12ri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

10、随动系统。 随动系统的原理图 输 入 轴输 出 轴rue电 位 器(比 较 器 )放 大 器电 动 机减 速 器uac31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自

11、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。32一.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

12、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（）。四四. 自动控制技术的作用自动控制技术的作用1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。3. 某些人们不能直接参与工作的场合就

13、更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产。37ACT-DT1型电机转速控制模型电机转速控制模型型该模块是一个典型的控制对象。可进行电机转速闭环控制。在面板上安装有1个12V工作的直流电机，可用010V的直流控制信号控制其转速，电机转速为01500rpm连续可调。转速通过光电码盘进行检测，经过频压转换后输出110V转速信号。在面板上设置有1只010V直流电压表和1只转速表，可用于电压测量和转速指示。1.按输入信号分类：定值控制系统伺服系统（随动系统）程序控制系统2.按系统是否满足叠加原理线性系统与非线性系统3.按系统控制器是否采用计算机计算机（数字）控制系统与模拟系统4.按控制对象的范畴运动控制

14、系统与过程控制系统5.按系统参数是否随时间变化时变系统和定常系统稳定性（前提）快速性（动态性能）准确性（稳态精度）1-5 1-5 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，在动态响应过程中，可以允许产生振荡现象，但其振幅度必须是逐渐衰减的，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)10ty(t)10ty(t)10ty(t)10t12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 系统输出量和期望输出量产生偏差时，系统消除这种偏差

15、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。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。 计算机控制计算机控制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系统发展概况系统发展概况44p 引言引言计算机功能：信息存储记忆、逻辑判断推理和快速数值计算；应用：信息处理工具等；工程控制应用：例如,工业生产制造, 轧机控制、航天器控制。在计算机控制推广应用的实践中，总结了系统的分析设计的理论和方法以及工程实现技术

16、，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。45典型的计算机反馈控制系统框图典型的计算机反馈控制系统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46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，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

17、之中。 测、算、控、管 实时47p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 4849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 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5

18、0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、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。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

19、影响控制品质号驱动执行装置，其优劣影响控制品质过程输入过程输入/ /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51p计算机控制系统发展史计算机控制系统发展史n随着计算机本身而发展随着计算机本身而发展n随着控制理论而发展随着控制理论而发展52n随着计算机本身而发展随着计算机本身而发展（1 1）19461946年第一台电子计算机问世，人们就萌生了年第一台电子计算机问世，人们就萌生了将计算机用于导弹和飞机控制，但当时的计算机体积、将计算机用于导弹和飞机控制，但当时的计算机体积、功耗太大，可靠性太差，不可能用于控制系

20、统；功耗太大，可靠性太差，不可能用于控制系统；（2 2）5050年代中期，美国人开始研究计算机控制能否用年代中期，美国人开始研究计算机控制能否用于化工过程，于化工过程，5959年年3 3月在德克萨斯州的炼油厂正式运行；月在德克萨斯州的炼油厂正式运行；53（3）早期的计算机是电子管计算机：性/价比低、体积大、可靠性差。1958年计算机的MTBF为50100小时，用于简单控制功能。 60年代初半导体计算机取代了电子管计算机，MTBF约1000小时。 62年英国帝国化学工业公司就成功实现了一个DDC系统，其中数据采集量为244个，控制129个阀门。DDC(Direct Digital control

21、)系统的实现无疑是计算机控制系统的一大进步；54（5）随着大规模集成电路（LSI）技术的突破，微型计算机于1971年问世，70年代中期出现了DCS(Distributed control Systems)，成功解决了传统集中控制系统可靠性低的问题，使计算机控制大规模地推广应用。75年美国Honeywell公司，日本横河公司推出DCS产品，并都得到广泛的工业应用。我国70年代末，一些石化、冶金、电力等大企业陆续引进一批DCS；55（4）6060年代后期，中小规模集成电路的小型计算机年代后期，中小规模集成电路的小型计算机出现，加快了计算机控制的发展，但价格贵；出现，加快了计算机控制的发展，但价格贵

22、；（6） 8080年代以后，随着超大规模集成电路年代以后，随着超大规模集成电路（VLSIVLSI）技术的飞速发展，计算机朝着超小型）技术的飞速发展，计算机朝着超小型化，软件固化发展，同时计算机控制也向智能化，软件固化发展，同时计算机控制也向智能化方向发展。化方向发展。56n 随着控制理论而发展随着控制理论而发展自60年代以来，控制理论上形成了最优控制/多变量控制/系统辨识/自适应控制/鲁棒控制/预测控制/智能控制等，但这些先进的控制方法附加的应用条件，大多在工程上难以满足，因而实际应用受到限制。例如：绝大多数计算机控制系统至今仍沿用传统的PID反馈控制律，以至系统性能、功能受到较大限制。57p

23、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成本工业控制自动化将成为主流；主流； 2 2 PLCPLC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：FieldbusFieldbus ControlControl SystemSystem）；）； 4 4 智能化，智能化， 先进的控制算法。先进的控制算法。58 1-7 1-7 传统控制理论的研究方法及内容传统控制理论的研

24、究方法及内容 建立数学模型建立数学模型系统性能分析系统性能分析控制器设控制器设计计1-81-8 控制理论控制理论的的发展发展史史（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。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

25、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； 60（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、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

26、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；61（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

27、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，无法广泛应用；很不成熟，有些方法又过于复杂，无法广泛应用；（1 1）不确定性的模型）不确定性的模型：传统控制是基于模型的控制，传统控制是基于模型的控制，传统控制通常认为模型是已知的或通过辨识可以得到传统控制通常认为模型是已知的或通过辨识可以得到的，对于不确定性的模型，应用智能控制；的，对于不确定性的模型，应用智能控制；（3）20世纪世纪70年代后期，智能控制理论年代后期，智能控制理论传统控制论面临的挑战：u人