计算机控制系统教学第12章详解课件

1、计算机控制系统教学第12章详解课件计算机控制系统教学第12章详解课件 本章主要介绍计算机控制系统的基本概念、结构组成、特点、分类以及计算机控制系统的发展概况和趋势。 本章主要内容：9/14/20222 本章主要介绍计算机控制系统的基本概念、结构组11 计算机控制系统的基本概念 计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。 自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。 图1 计算机控制系统基本结构 9/14/2022311 计算机控制系统的基本概念 计算机控制系计算机控制系统的工作原理 1.实时数据采集2.实时控制决策3.实时控制决策9/14

2、/20224计算机控制系统的工作原理1.实时数据采集9/10/2022612 计算机控制系统的组成和特点计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。 硬件组成：主要由计算机系统（包括主机和外部设备）和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检测变送环节等组成。 软件组成：系统软件和应用软件。 在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。9/14/2022512 计算机控制系统的组成和特点计算机控制系统由硬件和软件图2 计算机控制系统的组成框图9/14/20226图2 计算机控制系统的组成框图9/10/2022

3、8计算机控制系统的特点 在计算机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。因此，计算机控制系统大都具有数字模拟混合式的结构。 9/14/20227计算机控制系统的特点 在计算机控制系统中，被控模拟信号时间上和幅值上都连续的信号。离散模拟信号时间上离散幅值上连续的信号。数字信号时间上离散，幅值也离散的信号。采样将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。量化采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转 换成数字信号。图3 计算机控制系统中信号变换与传递 9/14/20228模拟信号时间上和幅值上都连续的信号。图3 计算机控制系13 计算机控制系统的典型形式 1. 数据采集和监

4、视系统 图4 数据采集和监视系统 优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。 9/14/2022913 计算机控制系统的典型形式 1. 数据采集和监视系统 2. 直接数字控制系统 图5 直接数字控制系统框图 计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制规律。 9/14/2022102. 直接数字控制系统 图5 直接数字控制系统框图 3监督控制系统 图6 监督控制系统的两种结构形式 其作用是改变给定值，又称设定值控制 。它的任务着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。 9/14/20

5、22113监督控制系统 图6 监督控制系统的两种结构形式 4. 分散型控制系统 采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。 图7 DCS结构示意图 9/14/2022124. 分散型控制系统 采用分散控制、集中操作5. 现场总线控制系统 图8 FCS控制层 结构模式为：“工作站一现场总线智能仪表”二层结构，完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在统一国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构。 9/14/2022135. 现场总线控制系统 图8 FCS控制层 结构模式14 计算机控制系统的性能及其指标 1. 计算机控制系统的

6、稳定性 图9 过渡过程的4种情况（a）发散振荡 （b）衰减振荡 （c）等幅振荡 （d）非周期衰减9/14/20221414 计算机控制系统的性能及其指标 1. 计算机控制系统的2 . 计算机控制系统的能控性和能观测性 系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作用，使系统状态从初始状态到达指定状态。 能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。 能控性 用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系统被称为是不能观的。能观性9/14/2022152 . 计算机控

7、制系统的能控性和能观测性 系3. 控制系统的动态指标 图10 阶跃信号作用下的系统动态过程动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性，动态指标包括超调量，调节时间，峰值时间，衰减比和振荡次数。 9/14/2022163. 控制系统的动态指标 图10 阶跃信号作用下的系统动态 超调量 表示了系统过冲的程度。设输出量 的最大值为 ，输出量 的稳态值为 ，则超调量定义为 超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过程的平稳性。9/14/202217 超调量 表示了系统过冲的程度。设输出量 的 调整时间 调整时间 反映了过渡过程时间的长短，当 时，若 ，则 定义为调整时间，式中 是输出量 的稳态值

8、， 取0.02 或0.05 。它反映了动态过程进行的快慢，是系统的快速性指标。 9/14/202218 调整时间 调整时间 反映了过渡过程时间的长4 . 控制系统的稳态指标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量 的稳态值 与要求值 的差值，定义为 9/14/2022194 . 控制系统的稳态指标 稳态指标是衡量控5. 控制系统的综合指标 综合性能指标通常有3种类型 1) 积分型指标 误差平方的积分 这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以得到数学解析解，因此经常使用。 9/14/2022205. 控制系统的综合指标 综合性

9、能指标通常有3种类型 1) 这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该指标反映了控制系统的快速性和精确性。 时间乘误差平方的积分9/14/202221 这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过渡特加权二次型性能指标 不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制信号的功率。 对于多变量控制系统，可用：9/14/202222加权二次型性能指标 不仅控制了动态性能指标，而2）末值型指标 当要求系统在末值时刻 具有最小稳态误差，最准确的定位或最大射程的末值控制中，就可采用末值型性能指标。 9/14/2022232）末值型指标 当要求系统在末值时刻 3）复合型指标 复合型

10、指标是积分型和末值型指标的复合，是一个更普遍的性能指标形式。9/14/2022243）复合型指标 复合型指标是积分型和末值型指标第2章 线性离散系统 的数学描述和分析方法信号变换理论 线性离散系统的数学描述方法线性离散系统的Z变换分析法 脉冲传递函数 线性离散系统的性能分析 本章主要内容9/14/202225第2章 线性离散系统信号变换理论 本章主要内容9/10/2021 信号变换理论 1. 连续信号的采样和量化 图1 采样过程 采样过程9/14/20222621 信号变换理论 1. 连续信号的采样和量化 图1 在计算机控制系统中，采样信号 是一数字序列，可分解成一系列单脉冲之和。 式中， 为

11、 时刻的单脉冲，脉冲的幅值为 ； 为 时刻的单脉冲，脉冲的幅值为 ； 为 时刻的单脉冲，脉冲的幅值为 。 则： 只有在 时刻，才有 ，而在的所有 时刻，都有 。 。 9/14/202227 在计算机控制系统中，采样信号 图2 对单位脉冲序列的调制 可以解释为连续时间信号 被理想单位脉冲 做了离散时间调制。 因此：9/14/202228图2 对单位脉冲序列的调制 可以解释为连续时间量化过程 图3 量化过程所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。这个经量化使采样信号成为数字信号的过程称为量化过程。 9/14/202229量化过程 图3 量化过程所谓量化

12、，就是采2. 采样定理 图4 、 的频谱 及从 恢复 （a) 的频谱 （b） 的频谱 （c） 理想的滤波器 （d） 滤波器输出信号频谱 9/14/2022302. 采样定理 图4 、 的频谱 为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信号的变化规律，采样频率 至少应是 的频谱 的最高频率 的两倍，即 采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，但对于连续对象的离散控制，不易确定连续信号的最高频率。因此，采样定理给出了选择频率的准则，在实际应用中还要根据系统的实际情况综合考虑。采样定理9/14/202231 为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠

13、的重3.采样信号的复现和采样保持器 保持器 保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连续信号，实现采样点之间的插值的元件。零阶保持器 。 零阶保持器采用恒值外推原理，把每个采样值 一直保持到下一个采样时刻 ,从而把采样信号 变成了阶梯连续信号 。 图5 零阶保持器的功能 9/14/2022323.采样信号的复现和采样保持器 保持器 保持器22 线性离散系统的数学描述方法 1. 差分方程线性离散系统的差分方程图6 连续系统和离散系统 （a）连续系统 （b）离散系统9/14/20223322 线性离散系统的数学描述方法 1. 差分方程线性2 . 差分方程的求解 例1 已知一个数字系统的差分方

14、程为输入信号 初始条件，试求解差分方程。，代入差分方程，得 解：令：9/14/2022342 . 差分方程的求解 例1 已知一个数字系统的差分方程为输23 线性离散系统的Z变换分析法1 . Z变换 对上式取拉氏变换：令： 则：9/14/20223523 线性离散系统的Z变换分析法1 . Z变换 对上式取（1）只有采样函数 才能定义Z变换；注意：（2）比较下面两式 中，决定幅值，决定时间。 （3）Z变换是由采样函数决定的，它反映不了非采样时刻的信息。 图7 采样值相同连续函数不同9/14/202236（1）只有采样函数 才能定义Z变换；注 例2 求单位阶跃函数的Z变换。 解： ，由Z变换定义有

15、将上式两端同时乘以,有 直接法 Z变换的求取式减式则：9/14/202237 例2 求单位阶跃函数的Z变换。 解： ，由Z变换定义有将例3 已知，求F（z）。 解: 部分分式法 9/14/202238例3 已知，求F（z）。 解: 已知，具有N个不同的极点，有 个重极点（ =1，为单极点），则 ，求 。 例4 已知解: ， 留数法 若,9/14/202239 已知，具有N个不同的极点，有 个重极点（2. Z反变换 长除法 例5 用长除法求函数 的Z反变换。 解： 9/14/2022402. Z反变换 长除法 例5 用长除法求函数 部分分式法 例6 用部分分式法求 的Z反变换。 解： （查表21

16、 ）9/14/202241部分分式法 例6 用部分分式法求 留数计算法 例7 用留数计算法求 的Z反变换。根据留数定理 9/14/202242留数计算法 例7 用留数计算法求 3.用变换解差分方程 用变换求解差分方程主要用到变换的平移定理。 例8 用Z变换解下列差分方程：初始条件为： 解： 对上式进行Z变换得 由线性定理:由超前定理:9/14/2022433.用变换解差分方程 用变换求解差分方程主要用到变换的平移定查表得为了书写方便，通常将 写成 。代入初始条件，解得9/14/202244查表得为了书写方便，通常将 写成 。代入24 脉冲传递函数 图8 单输入单输出离散系统的方框图 为了应用脉

17、冲传递函数的概念，通常可在输出端虚设一采样开关，对输出的连续时间信号做假想采样，来获得输出信号的采样信号。 1. 脉冲传递函数9/14/20224524 脉冲传递函数 图8 单输入单输出离散系统的方框图脉冲传递函数与差分方程的相互转换 ， 若已知n 阶离散系统的差分方程是 在零初始条件下，进行Z变换得脉冲传递函数为 9/14/202246脉冲传递函数与差分方程的相互转换 ， 若已知n 阶离散系统的2. 离散系统方框图的变换 开环脉冲传递函数图9 串联环节框图的两种形式 （a）两环节间有采样开关 （b）两环节间无采样开关 （a）（b）通常9/14/2022472. 离散系统方框图的变换 开环脉冲

18、传递函数图9 串联环节闭环脉冲传递函数 例9 求图所示典型计算机控制系统的闭环脉冲传递函数。图10 典型计算机控制系统 解： 9/14/202248闭环脉冲传递函数 例9 求图所示典型计算机控制系统的闭环脉25 线性离散系统的稳定性分析 闭环脉冲传递函数的所有极点位于Z平面的单位圆内。 在单位圆上有重极点或者在单位圆外有一个以上的极点，系统是不稳定的； 在单位圆上有一对复数极点或一个实极点，系统是临界稳定的。 线性定常离散系统是渐近稳定的充分必要条件是：9/14/20224925 线性离散系统的稳定性分析 闭环脉冲传递函数的朱利（Jury）稳定性判据 朱利稳定性判据可以根据系统的特征方程的系数判断系统的稳定性。设离散系统的特征多项式为 其中， 为实数，通常取 。构造朱利表 其中：9/14/202250朱利（Jury）稳定性判据 朱利稳定性判据可朱利表 *直到表中的同一行中只有三个元素时为止。偶数行的元素是奇数行元素的倒置。9/14/202251朱利表 *直到表中的同一行中只有三个元素时为止。偶 多项式 所有根都在Z平面单位圆内的充分必要条件是： （1）（2）（3）（4）9/14/202252 多项式 所有根都在Z平面单例10 已知二阶离散系统特征多项式为 试确定使系统渐近稳定的K值范围。 解：系统渐近稳定的条件是 ， 系统渐近稳定的K值是9/14/