第1章计算机控制导论

1、1计算机控制原理Principle of Computer-Controlled System 2教材及参考资料 高金源等高金源等,计算机控制系统计算机控制系统，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2007。 薛弘晔等薛弘晔等,计算机控制技术计算机控制技术，西安：西安电子科技大学，西安：西安电子科技大学出版社，出版社，2003。3评分标准 考查: 作业10%,（每周交一次，要求A4纸，写好名字，装订好） 考勤10%, 笔试 80% 十六次课,每次3个学时,前14次为讲课交互内容,第15次课为总结课,第16次课为答疑课4计算机控制系统大纲及学时安排第一章：引论 (3学时)第二章：计算机控

2、制系统信号分析(3学时)第四章：计算机控制系统分析(6学时)第三章：计算机控制系统的数学描述(6学时)第五章：计算机控制系统设计(9学时)第六章：顺序与数字程序控制(3学时）第七章：计算机系统的组建及实现技术(6学时)第八章：控制网络系统及网络控制技术(3学时)第九章：计算机控制系统设计与应用实例(3学时)5第一章计算机控制导论第一章计算机控制导论自动控制系统的基本原理（包括古典控制理论）一般控制系统的实例和性能要求计算机控制系统的构成和分类计算机控制系统的构成和分类计算机控制系统发展与应用计算机控制系统发展与应用计算机控制系统的理论与设计问题计算机控制系统的理论与设计问题6宇宙航行、导弹制导

3、、核技术以及火箭控制金属冶炼、仪器制造及一般工业生产过程实现工业生产过程的自动控制、高产、稳产、安全生产自动控制原理应用背景7是20世纪40年代发展起来的，直到现在仍然是分析、设计自动控制系统的主要理论基础。它在工程上应用较普遍的是频率法和根轨迹法。这些方法用来处理单输入单输出的线性自动控制系统是卓有成效的。随着科学的发展和技术的进步，控制对象越来越复杂、多样，因此自动控制系统日益复杂，出现了多输入多输出的多变量系统、非线性系统、系统参数随时间变化的时变系统、分布参数控制系统以及最优控制系统等。 古典控制理论已经难以分析和设计上述复杂的系统了。到60年代，逐渐形成了以状态空间法为基础的现代控制

4、理论，它的形成和发展为数字计算机应用于自动控制领域创造了条件。 古典控制理论8功 率放大器uguaijnub测速发电机自动控制原理的应用9 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 速发电机控制框图10稳定性 稳定性是指系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力。 对于稳定的系统，随着时间的增长，被控量将趋近于希望值。可 见，稳定性是保证系统正常工作的先决条件。图1(b)和(c)所示的系统是不稳定的，这种系统不能工作。 图1控制系统的阶跃输入和输出系统基本要求：系统基本要求：11快速性 快速性是指被控量趋近希望值的快慢程度。 快速性好的系统，它的过渡过程时间短，能复现快速

5、变化的控制信号，因而具有较高的动态精度。图110(d)所示的系统1，其快速性要比系统2好。稳定性稳定性和和快速性快速性是反映动态过程好坏的尺度。是反映动态过程好坏的尺度。精确性 精确性是指过渡过程结束后，被控量与希望值接近的程度。 也就是当系统过渡到新的平衡工作状态后，被控量对希望值的偏差的大小。系统的这一性能指标称为稳态精度。系统基本要求：系统基本要求：12计算机控制系统的一般构成 概念 计算机控制系统的结构与前面介绍的反馈控制系统十分相似，只是将控制器由数字控制器来实现将控制器由数字控制器来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统。图111 计算机控制系统 13 控制系统中引进计算机，可以充

6、分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能。 在这里给定量和反馈量都是二进制数，为了信号的匹配，计算机的输入/输出两侧分别带有模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器：反馈量经过模/数转换器送入计算机，计算机接收了给定量和反馈量后，运用计算机中微处理器的各种指令，就能对该偏差值进行运算(如PID运算)，再经过数/模转换器输出到执行机构，便完成了对被控制量的控制作用。 显然，要改变控制规律，只要改变计算机的程序就可以了。14 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。 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

7、策，或简称决策。 实时控制。根据实时决策结果，适时地对执行装置发出控制信号。 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。控制过程15典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图1516典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图1617计算机控制系统组成计算机控制系统组成(1) 被控对象：本例为火炮炮身；被控对象：本例为火炮炮身；(2) 执行机构：本例为直流电机；执行机构：本例为直流电机；(3) 测量装置：本例为测量电位计及测速电机；测量装置：本例为测量电位计及测速电机；(4) 指令给定装置：本例

8、为火炮高低角及方位角的指令生成指令给定装置：本例为火炮高低角及方位角的指令生成装置；装置；(5) 计算机系统：包括下述主要部件：计算机系统：包括下述主要部件： A/D变换器；变换器； D/A变换器；变换器； 数字计算机（包括硬件及相应软件，实现信号的变换处理以及工数字计算机（包括硬件及相应软件，实现信号的变换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相应的控制指令）。作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相应的控制指令）。北京航空航天大学 清华大学出版社1718 (1) 可以消除常规模拟调节器的许多难以克服的缺点，如不存在模拟调节器的漂移问题，参数整定范围宽，比例、积分和微分系数可以单独调节，而

9、且可以在整个控制范围内实行多参数调节。当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器相配合，对高频的脉冲噪声有较好的滤波效果，特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰。 (2) 使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬件设备，甚至可以在线改变控制方案。因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步提高控制水平。(3) 具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附加功能。计算机控制具有下述优点计算机控制具有下述优点：19 从控制理论上看，模拟控制系统是连续控制系统，数学模型用微分方程描述， 计算机控制系统是以分时方式对控制对象进行控制的，它以

10、定时采样和阶段控制来代替常规调节装置的连续检测和连续控制，所以它是离散系统，数学模型用差分方程描述。从表面上看用的理论基础不一样，但离散系统是在连续系统的基础上发展起来的。 模拟控制系统与计算机控制系统区别20 硬件硬件是指微机本身及其外围设备，是微机控制系统的基础； 软件软件是管理计算机的程序以及过程控制的应用程序，是微机控制系统的灵魂； 计算机通信网络计算机通信网络则负责各个独立的数据采集节点和控制单元之间进行数据信息交换。 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成21 由于被控对象不同，工业生产过程及被测参数也千差万别，因此由微机组成的控制系统也不尽相同。 计算机控制系统分类的方法很多，

11、可以按照系统的功能分类，也可以按照系统控制规律分类，还可以按照控制方式分类。微机控制系统的分类微机控制系统的分类22 1)数据采集和监视系统数据采集和监视系统 一个微机控制系统离不开数据的采集和处理。 计算机在数据采集和处理时，主要是对大量的过程参数进行定时巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。 右图是微机数据采集、处理系统的典型框图。.按照按照功能功能对计算机控制系统分类对计算机控制系统分类23 2)直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC) 直接数字控制系统(Direct Digital Control)是计算机在工业应用中最普遍和最基

12、本的一种方式。 DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，无需中间环节(调节器)。 用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，将检测结果与设定值进行比较，再根据规定的PID规律、模糊逻辑规律或直接数字方法等进行控制运算，最后输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。 一般的直接数字控制系统有一个功能齐全的运行操作台，系统的给定、显示、报警等集中在此控制台上。 其系统原理如图113所示。 在在DDC系统中，计算机不仅完全取代模系统中，计算机不仅完全取代模拟调节器拟调节器，实现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只需要通过改变软件就可以有效地实现较复杂的控制算法。给 定 值显 示 /

13、打 印 /记 录DDC计 算 机接 口接 口输 入 通 道检 测输 出 通 道执 行 机 构被 控 对 象243) 微机监督控制系统微机监督控制系统(SCC) 在DDC方法中，对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，这个给定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，因此DDC方式无法使生产过程处于最优工况。 监督控制SCC(Supervisory Computer Control)中，计算机根据工艺信息和其他参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或者DDC系统的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况(目标如：最低消耗、最低成本、最高产量等)。从这个角

14、度上说，它的作用是改变给定值，所以又称给定值控制给定值控制SPC(Set Point Computer Control)。25 SCC系统框图 给 定 值计算机显 示 /打 印 /记 录工 艺 参数检 测控 制SCC 计 算 机模 拟调 节 器检 测被 控 对 象给 定 值计算机显 示 /打 印 /记 录工 艺 参数检 测控 制SCC 计 算 机DDC计 算 机检 测被 控 对 象(a) SCC 模 拟 调 节 器(b) SCC DDC系 统264)分级控制系统分级控制系统 现代微机、通信技术和CRT显示技术的巨大进展，使得微机控制系统不但包含控制的功能不但包含控制的功能，而且还包含生产管理和

15、指挥调度的功能还包含生产管理和指挥调度的功能。 除了直接数字控制和监督控制以外，还包含了工厂级集中监督微工厂级集中监督微机机和企业级经营管理微机企业级经营管理微机。 下图是一个分级控制系统的典型结构图。被 控 对 象检 测控 制设 备 级D D C管 理 指 令到 主 管 部 门 数 据销 售 订 货 等 数 据市 场 动 向 信 息到 其 他 工 厂 生 产 运 输 指 令存 储数 据来 自 其 他 工 厂 生 产 和 库 存 信 息企 业 级 经 营 管 理 计 算 机工 厂 级 集 中 监 督 计 算 机车 间 级 监 督 计 算 机车 间 级 监 督 计 算 机检 测被 控 对 象检

16、测控 制设 备 级D D C检 测27 分级控制系统是工程大系统，它所要解决的不是局部最优化问题，而是一个工厂、一个公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题，即综合自动化问题。综合自动化问题。 最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。285)集散控制系统集散控制系统 20世纪70年代中期出现的集散控制系统DCS (Distributed Control System,或称分布式控制系统)，采用分散控制和集中管理的控制理念与网络化的控制结构 从综合自动化角度出发，按功能分散、危险分散、管理

17、集中和应用灵活等原则进行设计，具有高可靠性能，便于维修与更新。 用于数据采集、过程控制、生产管理的新型控制系统。检 测控 制基 本调 节 器监 督 计 算 机CRT操 纵 台高速数据通道基 本调 节 器被 控 对 象检 测控 制被 控 对 象29计算机控制系统应用计算机控制系统应用应用应用1: 各种用途的机器人系统各种用途的机器人系统 29焊接机器人系统焊接机器人系统（核心为计算机控制系统（核心为计算机控制系统 ）具有视觉器件的机器人示意图具有视觉器件的机器人示意图 30应用应用2:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统 30现代民用飞机座舱数字控

18、制电子设备现代民用飞机座舱数字控制电子设备 飞机飞行高度计算机控制系统飞机飞行高度计算机控制系统 31应用应用3：现代工厂自动化中，广泛使用计算机：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实现分散控制和集中监视系统31分散控制集中管理的组成图分散控制集中管理的组成图32计算机控制技术发展概况计算机控制技术发展概况 将数字计算机作为控制系统部件的思想萌生于将数字计算机作为控制系统部件的思想萌生于19501950年前后。在过程控制中采用数字计算机的思想出现在年前后。在过程控制中采用数字计算机的思想出现在2020世纪世纪5050年代中期，共经历了以下年代中期，共经历了以下7 7个发

19、展阶段：个发展阶段： 开创期开创期约约 1955 1955 年年 直接数字控制期直接数字控制期约约 1962 1962 年年 小型计算机控制期小型计算机控制期约约 1972 1972 年年 微型计算机控制期微型计算机控制期约约 1972 1972 年年 数字技术普遍应用期数字技术普遍应用期约约 1980 1980 年年 集散型控制期集散型控制期约约 1990 1990 年年 开放式控制期开放式控制期约约 2020世纪末世纪末 33计算机控制理论的发展计算机控制理论的发展 尽管采样系统理论目前主要应用在计算机控制方面，但其尽管采样系统理论目前主要应用在计算机控制方面，但其中的许多问题早有接触。本

20、节将讨论发展采样系统理论的某中的许多问题早有接触。本节将讨论发展采样系统理论的某些主要思想及其代表人物，许多思想都是连续时间系统思想些主要思想及其代表人物，许多思想都是连续时间系统思想的扩展。的扩展。 采样定理采样定理：香农香农(Shannon) 于于1949年提出；年提出； 差分方程差分方程奥尔登伯格奥尔登伯格(Oldenburg)、萨托里厄斯、萨托里厄斯(Sartorius)舒尔舒尔(Schur)、科恩、科恩(Cohn)等等34 状态空间理论状态空间理论：莱夫舍茨莱夫舍茨(Lefschetz)、庞特里亚根、庞特里亚根(Pontryagin)、贝尔曼贝尔曼(Bellman)、卡尔曼等、卡尔曼

21、等 最优控制与随机控制最优控制与随机控制 贝尔曼、庞特里亚根、卡尔曼等贝尔曼、庞特里亚根、卡尔曼等 系统辨识系统辨识 自适应控制：自适应控制：参数估计（在线、离线）参数估计（在线、离线） 自动整定：自动整定：自校正自校正PID 其他现代控制方法：其他现代控制方法：神经网络、模糊、智能神经网络、模糊、智能35计算机控制系统的理论问题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

22、刻是否同后，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。步有关。35图图1-13采样系统的时变特性采样系统的时变特性 361.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题(2) 连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率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，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信的正弦信号，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信号频率和采样周期有关，号频率和采样周期有关， 36图图1-14 计算机控制系统的正弦激励响应计算机控制系统的正弦激励响应 频率为频率为4.9 Hz的输入信号的输入信号 连续系统的输出连续系统的输出采样间隔

23、时间为采样间隔时间为0.1 s时，则时，则会发生振荡周期为会发生振荡周期为10s的差拍的差拍现象。现象。371.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 (3)尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的。是不能用连续系统理论加以解释的。 例如，一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统时，若采样间例如，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。隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。北京航空航天大学

24、清华大学出版社3738计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 (4)一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限的，因为它一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限的，因为它的响应是多个指数函数之和。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(即有即有限时间内限时间内)达到稳态值，从而可以获得比连续系统更好的性能。达到稳态值，从而可以获得比连续系统更好的性能。 38 有限调节时间系统有限调节时间系统 实线表示连续系统，实线表示连续系统，虚线是同一被控对象虚线是同一被控对象的计算机控制系