编组站及车站控制技术第1-2章

计算机控制技术

电子教案（工程硕士）9/28/20231第1章计算机控制系统概述

计算机控制系统是计算机技术与自动控制理论、自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。9/28/20232

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：9/28/202331．1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1－1计算机控制系统基本结构9/28/202341．2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。9/28/20235图1－2计算机控制系统的组成框图9/28/20236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。

9/28/20237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1－3计算机控制系统中信号变换与传递

9/28/202381．3计算机控制系统的典型形式

1.数据采集和监视系统

图1－4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。9/28/202392.直接数字控制系统

图1－5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。

9/28/2023103．监督控制系统

图1－6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。9/28/2023114.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1－7DCS结构示意图

9/28/2023125.现场总线控制系统

图1－8FCS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。

9/28/2023131．4计算机控制系统的性能及其指标

1.计算机控制系统的稳定性

图1－9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9/28/2023142.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9/28/2023153.控制系统的动态指标图1－10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。9/28/202316

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。9/28/202317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，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。9/28/2023184.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9/28/2023195.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。9/28/202320

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9/28/202321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：9/28/2023222）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。

9/28/2023233）复合型指标

复合型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。9/28/202324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9/28/2023252．1信号变换理论

1.连续信号的采样和量化

图2－1采样过程采样过程9/28/202326

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。

。

9/28/202327图2－2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：9/28/202328量化过程

图2－3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。

9/28/2023292.采样定理

图2－4、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9/28/202330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9/28/2023313.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2－5零阶保持器的功能9/28/2023322．2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2－6连续系统和离散系统

（a）连续系统（b）离散系统9/28/2023332.差分方程的求解例1已知一个数字系统的差分方程为输入信号

初始条件，试求解差分方程。，代入差分方程，得

解：令：9/28/2023342．3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：9/28/202335（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