第一章计算机控制系统

监控系统与现场总线丁恩杰教授博导Email:enjied@GSM:138052055921计算机控制系统

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1.1计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

在现代科学技术领域中，自动化技术与计算机技术被认为是发展最快的两个分支。自动控制技术对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。自动控制技术不仅对航空航天、导弹制导、核技术、生物工程等新兴学科领域的发展必不可少，而且在金属冶炼、仪器制造以及一般工业过程生产如煤炭、建筑、石化等同样具有重要的意义，计算机控制技术对工业过程实现自动控制，提高生产效率，改善劳动强度，高产稳产，提高经济效益起到决定性作用。

导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；交通系统：安全、快捷、舒适、准点钢铁生产数控机床加工生产线制造系统：家用电器：智能建筑：通信电梯供水通风空调安防抄表…随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制自动控制理论的发展概况系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。

在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。

40~50年代经典控制理论

（频域法或复频域法）

核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等

特点：图形方法，直观简便，设置参数少，

（以简单控制结构获取相对满意的性能）适用范围：单输入单输出（SISO）系统

数学基础：复变函数，积分变换

50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是：1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从60年代至今40多年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。

60~70年代现代控制理论（状态空间法）

核心：状态变量的能控、能观性，

系统性能的最优化

特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统，

有完整的理论体系数学基础：线性代数，矩阵理论

缺点：对系统的数学模型精度要求高，

实际性能达不到设计的最优，

所需状态反馈难以直接实现70年代~现在多种新型控制理论多变量频域控制理论

①经典SISO→MIMO；

②基于互质分解的全新的频域优化理论鲁棒控制（robustcontrol）

鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力

鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制70年代~现在多种新型控制理论智能控制（intelligentcontrol）

控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推理等）大系统控制、复杂系统控制等

被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等计算机技术的发展经历：

开创期---约1955年

直接数字控制期—约1962年

小型计算机控制期—约1972年

微型计算机控制期—约1972年

数字技术普遍应用期—约1980年

集散控制期—约1990年

现场总线控制期—约1990年计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

未来发展过程知识测量技术计算机技术控制理论1.1.1典型计算机控制系统

计算机控制的应用领域非常广泛，控制对象从小到大，从简单到复杂。计算机可以控制单台或单个阀门，也可以控制和管理一个车间、整个工厂、一座大厦以至整个企业。计算机控制可以是单回路参数的简单控制，也可以是复杂控制规律的多变量解耦控制、最优控制、自适应控制乃至具有人类智慧的智能控制。下面介绍几个典型的计算机控制系统，以对计算机控制有一个概貌性的认识，了解计算机控制系统的结构，功能以及计算机控制的特点。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

水箱控制系统计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

例1制冷过程计算机控制系统

某工厂的冷库是国内第一个采用计算机控制的万吨级冷库。它有三个制冷系统：结冻系统；低温冷藏系统和高温冷藏系统。采用计算机对制冷工艺作实时控制，要求为：实现能量匹配的自动调节，以提高制冷效率；对各制冷系统作闭环调节，使高温、低温冷库分别实现恒温控制，结冻系统达到速冻、低耗；对现场参数实现巡回监测，报警监测。

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例

2水泥厂生料系统质量计算机控制系统

水泥厂生料系统质量控制直接影响到水泥质量，生料系统的控制，对水泥厂提高水泥质量、产量具有非常重要的意义。生料系统计算机控制是典型的基础控制与先进控制例子。计算机控制系统基本功能：

生料生产过程控制（设备控制有起停、急停、就地、集中、逻辑闭锁等）；

石灰石、铁粉、粘土、荧石配料闭环控制；

生料磨机负荷最优控制；磨机轴瓦温度检测与控制；

生料率值质量先进控制；计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

水泥生料系统质量控制在全厂DCS中实现，作为DCS系统的子环节。计算机控制系统的主要功能为：

模拟量输入20路，完成对现场温度、仓位、给料量、磨机负荷等检测，并直接生成产量统计报表，发送至网络服务器，以便决策层及时对生产实际情况作出决策；

控制系统对生料磨机的负荷进行实时检测，并控制系统总的给料量，使磨机始终处于最佳负荷工作状态，防止磨机空磨和饱磨发生；

四个给料环节通过PID或FUZZY控制，使物料配比精确，保证产品质量；以三个率值为目标，用先进控制理论建立水泥质量控制模型，对系统实现动态质量控制，实现高产高效；

开关量输入输出60点，完成对生产过程设备的状态监测，对故障、超限等声光报警。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

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1.1.2计算机控制系统的特点

计算机控制系统与常规仪表控制系统相比，在工作方式上有很多特点。图1-3是一个按偏差进行控制的单回路系统框图。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

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被控对象的输出y(t)是被控量，如转速、位移、温度、压力、流量、液位、成分等。控制的目的是使被控量尽可能精确、及时地与给定信号r(t)相等。为了对被控对象进行控制，y(t)经传感器及变送器的测量、变换后与给定信号r(t)相比较。如有偏差，控制器将根据偏差产生控制信号u(t)，通过执行机构，使被控量达到预定值。在控制系统中，控制器是核心部分。常规控制系统的控制器是模拟电路构成的模拟控制仪表，其主要缺点是功能单一，缺乏灵活性，若改变系统的控制方案要更换模拟控制仪表，这对工程系统是不方便的。由于模拟控制仪表是随偏差出现的时间连续起作用的，所以又称为连续控制器。以连续控制器为核心的控制系统称为连续时间控制系统。如果把图1-3中系统的控制器用数字计算机来代替，就成为一个计算机控制系统。如图1-4所示。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

与模拟控制系统相比，计算机控制系统具有灵活性、实时性、综合处理及控制功能强、精度高、稳定性好等优点。

1）由程序实现控制作用，灵活性好在传统的模拟控制系统中，满足控制要求的控制规律是由模拟电路实现的。而在计算机控制系统中，任何一种控制规律都是由数字计算机通过执行程序实现的。控制规律的改变只不过是程序的更换，不需在硬件上作任何变动。因此，一台数字控制计算机的控制功能十分丰富，可实现对不同对象、不同控制设计思想、不同控制结构和不同参数的控制。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

2）采样控制方式，实时性好

在控制系统中，被控对象往往是连续生产装置，即其输入和输出都是连续时间信号。传统控制系统产生的偏差是连续时间信号，控制器也是随时间连续起作用的。而计算机控制系统是在离散时刻起控制作用的。在系统中配备了实时时钟，模数转换器A/D和数模转换器D/A。实时时钟每隔一定时间间隔，向A/D发出信息，对被控对象的输出信号进行采样。经过数字计算机处理后，产生控制信号通过D/A输出，将离散时刻输出的控制信号，转换为连续时间信号，通过执行机构施于被控对象。计算机控制系统又称为采样控制系统，可以当作一个离散时间系统来分析。

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计算机控制系统从计算机参与生产过程的控制方式来看，它是在线系统；从计算机对输入数据和信号的响应来看，它是实时系统。在线系统表示计算机直接接受被控对象的信息，并把计算结果又直接送给被控对象，所以又称“联机系统”。与此相应，如果被控对象不直接受计算机控制，而是通过中间记录介质如磁带、磁盘或显示、打印记录，靠人进行联系再作相应操作和控制的系统称为离线系统或脱机系统。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

实时系统是计算机对接受到的数据和信息在一定允许时间范围内及时响应和处理，并把运算或判断结果迅速返回，作用于被控对象的控制系统。超出了允许时间，就失去了控制时机，控制也就失去了意义。为了获得优良的实时性能，计算机控制系统根据被控参数的重要程度，可将各种不同的参数分成若干等级(即优先权的高和低)。对重要的参数，优先权安排高一些；次要的参数，优先权则安排低一些，以便更好地完成实时处理。此外，计算机控制系统配有合适的实时时钟和有效的中断系统，CRT可以快速和大量地输出多种形式的信息，以及响应速度高等，都使控制系统具有快速响应能力。

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3）综合信号处理和控制

在数字计算机中，存贮器的容量很大，存贮时间长短也几乎不受限制。这一特点使得计算机控制系统，不仅可以采集现场的大量数据，而且可以保存过去的数据，这对掌握信号的变化规律，采用各种递推运算十分有利；由于计算机内存放各种表格和函数数据，便于采用查表方法解决各种非线性函数、误差补偿、单值和双值函数的高速运算，利用计算机的逻辑运算能力，与其存贮能力相结合，使控制系统实现逻辑分析和判断，乃致模拟人的思维，积累经验，进行学习，为控制工程开辟着崭新的“智能控制”领域。总之，充分发挥计算机软件的功能，就能实现多回路、多对象、多工况的综合处理和控制。

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4）精度高、稳定性好

数字控制系统的精度与计算机的字长有关。在字长受限制的情况下进行运算，只要适当牺牲一些速度就可以换取足够的精度。可以用多倍字长进行计算控制。稳定性好是因为计算机的输出、输入是数字量，不会随时间发生漂移。由于内部有高稳定的晶振时钟，因此不会随时间、温度和环境条件而发生改变，这是模拟器件所无法比拟的。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

计算机控制系统的优点：由程序实现控制作用，灵活性好

采样控制方式，实时性好

综合信号处理和控制

精度高、稳定性好

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1.1.3计算机控制系统的分类

计算机控制系统的分类方法很多：可以按照系统的功能分类；可以按照控制规律分类；可以按照控制方式分类。按照给定值分类计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1）

按照功能，计算机控制系统的分类

数据采集系统

直接数字控制系统DDC

计算机监督控制系统(SCC)(SupervisoryComputerControl)

分级计算机控制系统

多级计算机分布控制系统

(Multi-levelDistributedComputerControlDCS)计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

（1）

数据采集系统

数据采集系统是最早出现在过程控制系统中的一种计算机应用形式，也是计算机参与控制的第一步(见图1-5)。

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生产过程中的各种电的和非电的物理量，通过各种传感器、变换器转换成计算机能够接受的模拟量或开关量，再通过计算机的模拟量输入通道或开关量输入通道采集到计算机中。计算机对这些参数进行必要的运算、变换、处理(如数字滤波、参数补偿、误差修正、量纲变换、越限值比较、综合计算等)，所得的结果可根据需要选点显示，随机打印，定时制表，当出现参数越限时可进行声光报警和显示。所有结果都能按需要在外存中保存，以供现场运行人员、生产指挥人员以及设计人员参考。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

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直接数字控制系统DDC(DirectDigitalControl)基本结构如图1-6所示。

（2）

直接数字控制系统DDC

早期的DDC主要是利用计算机来代替常规的模拟PID控制器，由于采用分时控制方式，一台计算机可以控制几十甚至上百个控制回路，因而取得经济效益。由于计算机运算能力强，DDC也很容易实现模拟控制器难以实现的控制规律，如前馈控制、最优控制、自适应控制和智能控制等。近来，由于微机控制的广泛应用，DDC的概念和内容也都发生了变化。例如，除过程控制外，各种纺织、轻工机械用的微机控制，各种微机化的智能仪器、仪表和测控系统，各种机床(包括机械手、机器人)的微机数字控制(NC)装置，以及其他各种自动化设备中的微机控制都可称为DDC系统。此时，DDC控制规律是十分丰富而多样化了。

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（3）计算机监督控制系统(SCC)

(SupervisoryComputerControl)

计算机监督控制系统(SCC)的构成如图1-7所示。从结构上看，它与DDC的不同之处在于此系统不是用输出信息去直接控制被控对象，

而是将输出信息作为常规系统或DDC的设定值。

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采用计算机监督控制的原因是DDC要进行实时控制，采样周期不能长，在较短的采样周期内又难以完成较为复杂的运算。而此系统可按工艺要求和数学模型进行生产过程的优化等复杂计算，并将计算所得的最优最佳设定值送给DDC或常规控制器，使生产过程始终处于最优运行状态。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

（4）

分级计算机控制系统

前面介绍的是与生产过程有直接联系的具有各种控制功能的计算机控制系统。由于现代生产规模大，设备联系紧密，产品品种翻新快，信息量大，而搞好生产的同时要求提高生产过程自动化和管理水平。为此，不仅要求计算机参与控制，而且还需要配备计算机进行生产管理。因为控制和管理存在相互联系，信息沟通，所以这些计算机群相互之间要进行数据通信，仿照工厂企业的分级管理，这些计算机可以构成计算机分级控制系统的结构形式，如图1-8所示。

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这样的系统一般由管理信息系统MIS(ManagementInformationService)、

计算机监督控制系统（又可称SPC）(SetPointComputerControl)以及若干个直接控制系统（DDC）三级控制组成。管理信息系统按企业管理体制又分为车间管理级、工厂管理级和公司管理级，每一级都有各自分担的任务。公司管理级制订长期发展规划，向下级下达任务，接受下级的信息，并结合生产的计划，管理、销售、订货，了解分析本部门经营的动向和财务收支及预算，对全企业进行总决策，实现总调度。工厂管理级根据公司下达的任务和本厂情况制订计划，然后向车间下达任务。工厂管理级包括全厂的生产计划、人员调配、各车间的协调、经济技术指标的核算等。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

车间管理级根据厂级下达的任务和收集的生产过程数据随时进行最优化调节，进行具体的作业管理，对车间内各工段之间进行协调，并指挥SPC。SPC根据生产工艺信息，按照某种目标进行最优化计算或进行先进控制，指挥DDC，并向MIS级汇报。DDC又称为装置级或过程控制级，它对生产工艺流程或生产设备进行直接控制，可进行PID控制、程序控制、顺序控制、前馈控制等。在这个系统中许多计算机通过通信线路联成网络，所以又称为计算机网络。用于控制的计算机要求实时性、高可靠性、通信速度高、信息最大、控制功能强。用于生产管理的计算机特别是公司级的计算机应有较强的计算与数据处理功能，足够的内存和外存容量，一般都配备数据库管理系统。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

（5）

多级计算机分布控制系统

(Multi-levelDistributedComputerControlDCS)

在分级计算机控制系统中，只有上、下级计算机之间才能进行通讯，同级计算机之间的通信，必须通过上级计算机进行。当同级计算机通讯很频繁时，这种分级控制显得不方便，因而要采用其他结构形式。另外，由于现代生产规模日趋庞大，同一公司的各个工厂在地区上比较分散，工艺过程愈趋复杂，工艺流程前后工序相互关联与制约更加紧密，物料平衡和热量平衡相互依赖，能源得以充分利用。与此同时，为连续、安全、平稳生产，增加产量，提高质量，相应地对过程信息与控制管理提出了更高要求，也要求计算机系统有更多的结构形式满足各种不同的需要。计算机局域网络和数据库技术的发展，提供了实现的可能性，因而构成了多级计算机分布控制系统。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

多级计算机分布控制系统又称集散控制系统DCS。这种系统是根据分级设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，达到以“分散控制为主，集中管理为辅”。自1975年以来，这种新型的控制系统的硬件和软件功能不断完善和强化，已经经历了三代，但从它们的基本结构来看，具有相同的特性，可分解为三大基本部分。如图1-9所示。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

过程控制站

操作站

通信系统

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

过程控制站是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过程变量或状态信息通过过程控制站转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过过程控制站送到执行机构。在过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种控制算法的运算，以及对输入与输出量的数据处理等运算。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

①

过程控制站②

操作站操作站是操作人员与集散控制系统的界面，操作人员通过操作站了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令。生产过程的各种参数集中在操作站上显示，以便于操作人员监视和操作。

③

通信系统过程控制站与操作站之间完成数据之间的传递和交换的桥梁，是通信系统。通信系统常采用总线型、环形等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

集散控制系统的主要特性是它的集中管理和分散控制。而且，随着计算机技术、网络技术的发展已经使集散控制系统向着集成管理方向和开放系统发展。系统的开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换；系统的开放也使第三方的软件可以在现有的集散控制系统上应用。因此，集散控制系统早已在原有的概念上有了新的含义。我国引进的不同型号集散控制系统的数量已多达几百套，国产化的集散控制系统已遍及石油、化工、钢铁、炼油、电力、建材、化纤、食品、制药等的工业控制领域。越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为工业自动控制的主流，在计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)或计算机集成作业系统CIPS(ComputerIntegratedProductionSystem)中，集散控制系统也将成为主角，发挥它们的优势。Contemporary

IntegratedManufacturingSystem计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

2）

按照控制规律计算机控制系统的分类

（1）

程序和顺序控制

程序控制是被控变量按照预先规定的时间函数变化，被控变量是时间的函数。如单晶炉的温度控制。顺序控制可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的判断。（2）

比例积分微分控制（PID控制）调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。PID是目前应用最广泛的控制技术之一。PID控制结构简单，参数容易调整，因此无论是模拟调节器还是数字调节器80%以上使用PID调节器。

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

（3）

有限拍控制有限拍控制的性能指标是调节时间最短，要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。有限拍控制通常在数字随动系统中应用。（4）

复杂规律的控制实际生产过程中控制系统除给定值的输入外，还存在大量的随机干扰。另外，性能指标的提法还包括能耗最小、产量最高、质量最好等综合指标。对于存在随机干扰、纯滞后对象以及多变量耦合的系统，仅使用PID控制难以达到满意效果，因此可以采用复杂规律的控制。如：串级控制、前馈控制，纯滞后补偿控制，多变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

（5）

智能控制智能控制理论是一种把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。智能控制理论可以看作是三个主要理论领域的交叉或汇合，三个理论领域是人工智能、运筹学和控制论。智能控制实质上是一个大系统，是综合的自动化系统。模糊控制、人工神经网络、专家系统被称为是智能控制的重要手段。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

3）

按照控制方法分类计算机控制系统可以分为开环和闭环控制计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1.2计算机控制系统的结构与组成

计算机控制系统的基本组成：控制对象（简称对象或过程）、执行器、测量环节和数字调节器等组成。

1.2.1控制对象控制对象即所要控制的装置或设备。控制对象用传递函数来表示时，其特征可以用放大系数K、惯性时间常数Tm、积分时间常数Ti和纯滞后时间来描述。控制对象的传递函数可以概括归纳为如下几类。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

放大环节

惯性环节

积分环节

纯滞后环节

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

实际对象可能是放大环节、惯性环节与积分环节的串联也可以是放大环节、惯性环节与纯滞环节的串联还可能是放大环节、积分环节与纯滞环节的串联计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

控制对象经常受到n（t）的扰动，为了分析方便，可以把对象特性分解为控制通道和扰动通道，如图示。扰动通道的动态特性同样可以用放大系数K、惯性时间常数Tm、积分时间常数Ti和纯滞后时间来描述。控制对象的特性也可以按照输入、输出的个数分类。当对象只有一个输入一个输出称为SISO，多个输入一个输出称为MISO，多个输入多个输出称为MIMO。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1.2.2执行器

执行器是控制系统中的重要部件，执行器是根据调节器的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。执行器一般可分为电动执行器、气动执行器、液压执行器三大类。电动执行器的输入信号有4~20mA或

0~10V，气动执行器输入信号1.96~9.8N/cm2计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1.2.3测量环节

测量环节通常由传感器和测量线路组成，将被控参数转换成某种形式的信号。常用的传感器有：温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器等。

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1.2.4数字调节器与输入输出通道

数字调节器是以数字计算机为核心，数字调节器的控制规律则是编写的计算机程序来实现。输入通道包括多路开关、采样保持器、A/D转换器。输出通道包括D/A转换器及保持器。Shannon采样定理采样定理给出了从采样的离散信号恢复到原来连续信号所必须的最低频率，是分析和设计离散系统的重要的定理。采样角频率，采样信号y*(t)才能不失真地恢复原来的连续信号y(t)。是连续信号y(t)的频谱特性中的最高角频率。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1.3计算机控制系统的性能指标

计算机控制系统的性能与连续系统类似，可以用稳定性、能控性、能观性、稳态特性、动态特性来表征，相应地用稳定裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个控制系统的好坏或优劣。计算机控制系统在给定输入作用下，过渡过程可能有四种情况：（1）发散振荡（不允许不稳定）（2）等幅振荡（不允许临界稳定）（3）衰减振荡（4）非周期振荡

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

控制系统的能控性、能观性在多变量系统的最优控制中是两个重要概念，能控性、能观性从状态的控制能力和状态的测辨能力两方面反映了控制系统的两个基本问题。

动态指标：（1）超调量

（2）调节时间tS

反映过渡过程时间的长短y(t)≤5%ym

（3）峰值时间tP过渡过程到达第一个峰值时间

计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

稳态指标稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差来表示越小越好。综合指标

在现代控制理论中，如最优控制系统的设计中，经常用综合指标来衡量一个控制系统。设计最优系统时，选择不同的性能指标，系统的参数和结构等也不相同。设计系统时应根据具体情况来定。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

1.4计算机控制研究的课题

计算机控制研究的课题主要有如下几方面：数学描述和分析方法

计算机控制系统是离散系统，而且大多数可以近似看作线性离散系统，对于线性离散系统可以用线性差分方程来描述：式中

y(kT-iT)-----

系统输出量的时间序列；

r(kT-iT)-----系统输入量的时间序列；

ai，bi-----差分项的系数；

n------系统输出的阶次，即系统阶次；

m------系统输入的阶次；

T------采样周期。计算机控制系统的发展计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的性能指标计算机控制研究的课题计算机控制系统的发展方向

求解差分方程可以用迭代法、Z变换法和离散状态空间法。分析计算机控制系统时主要使用Z