《计算机控制系统》课件第1章

1、1、绪论概述/发展与应用/理论与设计、课程内容1.1 概述1.1.1 CCS组成闭环控制系统典型结构计算机控制系统典型结构实时采样、实时决策、实时控制在线、离线 模拟电路 采样理论 数字控制 多样形式 典型模拟式火炮位置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(1) 被控对象：本例为火炮炮身；(2) 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；(4) 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；(5) 计算机系统：包括下述主要部件：A/D变换器；D/A变换器；数字计算机（包括硬件及相应软件，实现信号变换处理、工作状态逻辑管理、按给定算法

2、产生相应的控制指令等）。CCS组成被控对象；测量装置；执行机构；计算机系统（主机和输入输出通道）； 外部设备。 （基本典型； 不同组合）被控对象；测量装置；执行机构；计算机系统； 外部设备。系统软件： 操作系统、诊断系统、开发系统等。应用软件： 过程监视程序：巡回检测、数据处理、上下限检查及报警、操作面板服务、数字滤波及标度变换、判断、过程分析等； 过程控制计算程序：控制算法、事故处理和信息管理（信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示等）； 公共服务程序：基本运算、函数运算、数码转换、格式编码等。1.1.2 CCS特点与优点结构：由模拟与数字部件组成的混合系统信号：有多种（连续模拟、离散模拟

3、、离散数字等）信号形式，是一种混合信号系统工作方式：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。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。避免模拟实现的困难，方便复杂计算。控制算法由软件程序实现，控制规律灵活多样；可使用各种数字部件，提高系统测量灵敏度并可利用数字通信来传输信息。自动检测和故障诊断较为方便，提高了系统的可靠性和容错及维修能力。能够实现数据统计和工况显示，用户界面有效。使控制与管理更易结合，并实现层次更高的自动化。性能价格比高。开创阶段(19551965)：单项工程试验。测量、开环、闭环、监督。 主要任务是寻求最佳运行条件，从

4、事操作指导和设定值的计算工作，控制计算机仅按监督方式运行，并要求集中承担多种任务。 模拟常规调节仪表的调节规律，形式上由连续变为离散，调节效果得不到明显改善。小型计算机时期(19651972)：实用及普及阶段。 主要是计算机集中控制，即用一台计算机控制尽可能多的调节回路。直接数字控制DDC系统关注的是控制功能。 出现了各种类型适合工业控制的小型计算机，控制计算机台数迅速增长。1.2.1 发展概况计算机控制系统的出现及发展与计算机和自动控制理论的发展密不可分。1.2 CCS发展与应用微型计算机时期(1972现在)：大量推广和分级控制阶段。 微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。

5、网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。 简单过程装置，单台微机独立控制，如单片机、工控机、可编程控制器； 复杂过程装置，采用集散型控制系统，计算机分散到生产装置中去，采用多级分布式结构，既能使危险分散，又能实现整体的协调和优化。1.2.1 发展概况1.2.1 发展概况计算机控制系统的出现及发展与计算机和自动控制理论的发展密不可分。 经典控制理论 主要研究单变量常系数线性系统，单输入单输出制系统。系统的数学模型采用传递函数表示，系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹法和频率法。现代控制理论 系统分析的对象为多输入多输出线性系统，系统分析的数学模型主要用状态空间描述。主要采

6、用最优控制(二次型最优控制、H控制等)、系统辨识和最优估计、自适应控制等分析和设计方法。智能控制理论 研究对象和系统越来越复杂，如(a)不确定性的模型、(b)高度非线性、(c)复杂的任务要求。智能控制包括学习控制系统、分级递阶智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。1.2.2 应用分类操作指导控制系统（数据采集处理系统DAS ）优点是结构简单，控制灵活和安全可靠。缺点是要由人工进行操作，操作速度受到了人为的限制。也用在系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及试验新模型等。生产过程的集中监视操作指导直接数字控制系统DDC 闭环系统。巡回检测一个或多个被控参数进行，与设定值进行比

7、较，再进行控制运算，输出到执行机构。 灵活性大。 主要研究对象。计算机监督控制系统（SCC）SCC系统有多种形式，如：SCC+模拟调节器控制系统； SCC+DDC控制系统。它是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。SCC系统不仅可进行给定值控制，还可进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。集散控制系统（DCS）可靠性高、速度快、结构灵活，易于扩展、设计、开发、维护简便生产管理级、过程管理级、过程控制级分级控制系统说明：1、分级控制理论角度、大系统基础理论， 综合优化指标，2、分布控制系统、集散控制系统应用系统角度、结构与功能3、PLC、DCS， FCS； NCS4、CIMS/综合自动化系统

8、5、按控制规律分类 程序控制与顺序控制； PID控制； 有限拍控制； 复杂规律控制； 智能控制例: 各种用途的机器人系统 焊接机器人系统（核心为计算机控制系统 ）具有视觉器件的机器人示意图 例:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统 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 例：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 1.3 CCS的理论与设计问题 (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。采样系统的时变特性 1.3.1 理论问题(

9、2) 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号频率和采样周期有关。 频率为4.9 Hz的输入信号 连续系统的输出采样间隔时间为0.1 s时，则会发生振荡周期为10s的差拍现象。 (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，若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。 (4)系统的稳定性也是值得关注的问题。对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的。从第4章的分析可以看到，当采样周

10、期一定时，计算机控制系统的开环放大系数仅处于一定范围时，系统才能稳定 。有限调节时间系统 实线表示连续系统，虚线是同一被控对象的计算机控制系统。 (5)一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间通常是无限的。 CCS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，从而可以获得比连续系统更好的性能。 计算机控制系统中还存在字长有限的问题。A/D或D/A变换器、计算机内存及运算器的字长有限。字长有限引起的极限环1.3.2 设计与实现计算机控制系统等效结构 (a) 连续域设计-离散化方法 将CCS看成是连续系统，在连续域上设计得到连续控制器。由于它要在数字计算机上实现，因此，采用不同方

11、法将其数字化(离散化)。 (b) 直接数字域(离散域)设计 把CCS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，并在计算机里实现。 实际工程设计的设计方法 (a) 连续域设计-离散化方法 将CCS看成是连续系统，在连续域上设计得到连续控制器。由于它要在数字计算机上实现，因此，采用不同方法将其数字化(离散化)。 (b) 直接数字域(离散域)设计 把CCS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，并在计算机里实现。 两种设计方法流程1.4 课程内容特性变化，需要新的理论。 频率特性变化。 稳定性、可控可观性等特性可以变化。 计算机控制设计可能达到更好的效果。 量化

12、误差可能产生极限环震荡。不同编裁内容 基础理论模型、分析与综合（设计）； 系统实现（硬件、软件）； 典型计算机系统； 典型应用实例； 课程内容 采样理论； 经典模型、分析、设计： 微分方程差分方程；S传递函数Z传递函数； 稳定性、控制特性分析； 控制器设计（间接、直接）； 状态空间方程离散状态空间方程；可控可观性；状态反馈控制器设计； CCS系统实现问题。课程内容 第1章（概述） 2学时 （组成、分类、必要性等） 第2章（信号采样恢复） 2学时 （2.12.5。信号、采样、恢复、整量化、简化结构） 第3章（数学描述-经典） 2学时 （3.1和3.2提前预习，课堂作业0.5学时；3.3和3.4共1.5学时） 第4章（系统分析-经典） 8学时 （4.1、4.2、4.3、4.4； 4.6讨论课2学时） 第5章（系统设计-经典） 7学时 （5.1、5.2、5.