计算机控制概论

目录

目录.............................................................I

第一章计算机控制概论................................................1

1.1、计算机控制系统概述及发展概况..............................................1

1.2,计算机控制系统的组成与工作原理...........................................2

1.2.1、计算机控制系统的组成..................................................2

122、计算机控制系统的特点...................................................4

123、计算机控制系统的优点...................................................5

1.3、计算机控制系统的分类......................................................6

1.4、计算机控制系统应用举例....................................................9

习题与思考题...................................................................13

第二章计算机控制系统中信号转换和处理..............................14

2.1、采样过程及其数学描述.....................................................15

2.1.1、采样过程..............................................................15

2.1.2、理想采样信号的特性....................................................17

2.1.3、用理想采样信号代替有限脉冲宽度采样信号的条件........................22

2.2、信号的复现...............................................................25

2.2.1、信号复现的条件.......................................................25

2.2.2、信号的复现............................................................26

2.2.3、零阶保持器............................................................27

2.2.4、一阶保持器............................................................29

2.3、信号的数字化过程.........................................................31

习题与思考题...................................................................33

第三章计算机控制系统的数学模型.....................................34

3.1、Z变换及其性质............................................................34

3.1.1、z变换定义.............................................................34

3.1.2、求z变换的方法........................................................35

3.1.3、求z反变换方法........................................................36

3.1.4、z变换的主要性质......................................................37

3.1.5、广义z变换............................................................39

3.2、脉冲传递函数.............................................................41

3.2.1、脉冲传递函数定义.....................................................41

3.2.2、开环脉冲传递函数.....................................................42

3.2.3、闭环脉冲传递函数......................................................43

324、计算机控制系统的脉冲传递函数.........................................45

325、利用广义z变换求采样点间的信息........................................48

3.3、频率特性..................................................................49

3.3.1、频率特性定义..........................................................49

3.3.2、频率特性求取方法.....................................................51

3.3.3、频率特性的性质........................................................54

3.4、差分方程..................................................................55

3.4.1、差分定义..............................................................55

3.4.2、差分方程..............................................................55

343、差分方程解法..........................................................56

3.5、离散状态方程.............................................................57

351、离散系统状态空间描述..................................................57

3.5.2、连续系统状态方程离散化...............................................63

353、计算机控制系统状态空间描述...........................................66

3.5.4、离散状态方程求解.....................................................67

355、脉冲传递函数矩阵......................................................69

3.6、计算机控制系统性能分析...................................................70

3.6.1、计算机控制系统稳定性分析.............................................71

3.6.2、采样系统极点分布与瞬态响应之间的关系.................................73

3.6.3、系统稳态误差分析.....................................................75

本章小结.......................................................................77

第四章计算机控制系统的设计方法.....................................78

4.1、引言......................................................................78

4.2,连续域-离散化设计.........................................................80

421、连续域-离散化设计的基本原理...........................................80

4.2.2>一阶差分近似法........................................................82

4.2.3、脉冲响应不变法........................................................84

4.2.4、阶跃响应不变法........................................................84

4.2.5、零极点匹配法..........................................................86

4.2.6、双线性变换法..........................................................87

427、连续域-离散化设计举例.................................................93

4.2.8、小结..................................................................96

4.3、解析设计法...............................................................97

431、解析设计法的概念及步骤................................................97

4.3.2、最少拍系统设计原则...................................................97

433、最少拍有波纹系统设计..................................................99

4.3.4、最少拍无波纹系统设计................................................101

4.4、状态反馈和极点配置控制..................................................104

441、计算机控制系统的可控性和可观测性.....................................104

4.4.2、状态反馈控制对系统的影响............................................107

ii

443、单输人单输出系统的极点配置...........................................110

444、多输入单输出系统的极点配置..........................................113

习题与思考题..................................................................114

第五章计算机控制系统的过程通道....................................117

5.1、数字量输入输出通道......................................................117

5.1.1、数字量输入输出接口技术..............................................118

5.1.2、数字量输入通道.......................................................119

5.1.3、数字量输出通道.......................................................121

5.2、A/D转换器及其接口技术..................................................123

5.2.1、A/D转换器...........................................................123

5.2.2、A/D转换器接口技术...................................................125

5.3、模拟量输入通道..........................................................127

5.3.1、模拟量输入通道的组成................................................127

5.3.2、I/V变换..............................................................128

5.3.3、多路转换器...........................................................128

5.3.4、采样保持器...........................................................129

5.4、D/A转换器及其接口技术..................................................130

541、D/A转换器...........................................................130

5.4.2、D/A转换器接口技术...................................................133

5.5、模拟量输出通道..........................................................135

551、模拟量输出通道的结构型式.............................................136

5.5.2、单极性与双极性电压输出电路..........................................136

5.5.3、V/I变换..............................................................137

第六章数字程序控制技术............................................139

6.1、开环数值控制.............................................................139

6.2、步进电机工作原理与控制技术..............................................145

6.2.1、步进电机的工作原理...................................................145

6.2.2、步进电机的控制原理..................................................149

第七章数字PID控制及其算法.......................................157

7.1、用连续域-离散化方法设计数字式PID控制器.................................157

7.1.1、模拟PID控制器的离散化..............................................157

7.1.2、位置式算法和增量式算法..............................................160

7.2、PID控制算法的改进.......................................................162

7.3、PID控制器参数的整定.....................................................166

习题与思考题..................................................................169

第八章计算机控制系统总线技术......................................170

iii

8.1、计算机总线概述..........................................................170

8.1.1、总线的定义及种类.....................................................170

8.1.2、常用的总线标准.......................................................171

8.2、PC局部总线..............................................................173

8.2.1、ISA总线..............................................................173

8.2.2、PCI总线.............................................................175

8.2.3、PC/104总线..........................................................184

8.3、串行通讯总线.............................................................186

8.3.1、串行通信的基本概念...................................................186

8.3.2、RS-232总线..........................................................190

8.3.3、RS-485总线...........................................................194

8.4、现场总线技术.............................................................194

8.4.1、现场总线的概念.......................................................195

8.4.2、现场总线的发展.......................................................196

8.4.3、几种流行的现场总线...................................................197

第九章微机控制系统设计与实现......................................202

9.1、系统设计原则与步骤......................................................202

9.2、关于微型机控制系统硬件设计详细说明......................................204

9.3、微型机控制系统软件设计..................................................208

9.4、设计举例.................................................................209

附录拉普拉斯变换和Z变换表........................错误！未定义书签。

IV

计算机控制技术第一章计算机控制概论

第一章计算机控制概论

计算机控制系统是以自动控制理论与计算机技术为基础的，它的发展与计算机的发展是

密切相关的。计算机控制既是一门新兴的学科，又与自动控制存在着密切的关系。事实上，

早在50年代就已经有了采样系统的控制理论，随着计算机的推广和应用，人们不断总结，不

断提高，逐步形成了计算机控制理论，而计算机控制系统的分析方法和设计方法也在不断提

高的基础上逐步趋向成熟。

数字计算机的出现和发展，在科学技术上引起了一场深刻的革命。数字计算机不仅在科

学计算、数据处理等方面获得了广泛的应用，而且在自动控制领域也得到了越来越广泛的应

用。数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控制，承担控制系统中控制器的任务,

从而形成计算机控制系统，又常称为数字控制。采用数字计算机对系统进行控制，不仅在工

业交通、农业、军事等部门得到了广泛应用，而且开始在经济管理等领域得到应用。与常规

模拟式控制系统相比，计算机控制系统具有许多优点。数字计算机参与控制，对控制系统的

性能、系统的结构以及控制理论等多方面都产生了极为深刻的影响。本章将概要地说明什么

是计算机控制系统，计算机控制系统的组成、特点和它的主要优点，同时也将概括说明它的

主要应用方式以及在系统理论、系统设计等方面所带来的问题。

1.1、计算机控制系统概述及发展概况

计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，它的发展离不开控制理论

特别是计算机技术的发展。

在世界第一台数字计算机于1946年诞生之后，于20世纪50年代初就产生了将数字计算

机用于控制的思想，最初的研究是力图将数字计算机用于导弹与飞机的控制。但研究表明，

由于当时数字计算机水平所限，将数字计算机用于控制系统的潜力不大。伴随计算机技术的

迅猛发展，计算机控制也出现了蓬勃发展的局面。

计算机控制技术的发展更多地是依赖于计算机硬件的发展，依据计算机硬件的发展状况,

可将其大致分为下述几个阶段。

1.开创时期（1955-1962年）

1955年美国TRW航空公司与美国得克萨柯公司合作，开始对一个炼油厂的一台聚合装

置进行计算机过程控制的研究。经过3年的努力，1959年初研制成功了一个采用RW-300计

算机控制的聚合装置系统，它对26个流量系统、72个温度系统、3个压力系统和3个成分系

统等进行控制。该系统的基本功能是保证反应器的压力最小，实现反应器供料的最佳分配，

控制热水流入量，确定最佳循环。TRW公司的开创性工作，为计算机控制奠定了基础，推动

了计算机控制技术的发展。

但早期的计算机主要使用电子管，速度慢，体积庞大，价格昂贵，可靠性差，此时计算

机还难于直接参与系统的闭环控制。计算机的主要任务是寻求最佳运行条件，从事操作指导

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。

2.直接数字控制时期（1962-1967年）

如前所述，前期控制计算机是按监督方式运行，此时仍需要常规的模拟控制设备。1962

年，英国的帝国化学工业公司研制了•种装置，其过程控制中的全部模拟仪表由一台计算机

替代，可直接控制224个变量和129个阀门。山于计算机直接控制被控过程的变量，取代了

原来的模拟控制，因而被称为直接数字控制（DDC）。DDC系统是计算机控制技术发展方向

的重大变革，这种系统关注的是控制功能，而不是早期控制计算机的监督功能。采用DDC控

制与模拟控制相比有许多优点，尽管DDC系统比模拟系统更加昂贵，但DDC的概念很快为

人们所接受。在1962-1965年间，DDC系统研究与开发取得了显著进展。

1

计算机控制技术第一章计算机控制概论

3.小型计算机时期（1967-1972年）

20世纪60年代，数字计算机技术取得了重大进展。计算机变得体积更小、速度更快、

更加可靠和更加便宜。在这段时期内，出现了适合工业控制的多种类型的小型计算机，从而

使得计算机控制系统不再是大型企业的工程项目，许多小型工程项目、设备和课题也有可能

采用计算机控制系统。小型计算机的出现，使过程控制用计算机的数目迅速增加。

4.微型计算机时期（1972年至今）

在1972年之后，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了崭新的发展阶段。20

世纪80年代以后，微型处理器件得到了迅速发展，价格大幅度降低，对计算机控制的应用产

生了深远的影响，使用微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更为普及的应用。今

天所有的控制器均是以计算机为基础的，应用范围涉及电力、过程控制、运输以及娱乐、日

用电气产品等生产和分配全部领域。

5.集散型控制

微型计算机的迅速发展使计算机控制技术产生了一个新的飞跃，开创了许多新型计算机

控制系统的应用。微型计算机的迅速发展对计算机应用于控制整个工厂的方式产生了深远的

影响，促使发展一种许多相关联的微计算机组合、共同负担工作负荷的系统，这种系统通常

包括控制过程的控制站，具有操作监视作用的操作站和各级辅助的站点，而所有的相互作用

则通过某种通信网络实现，形成了目前得到广泛应用的集成分散型控制系统。今天的集成分

散型控制系统能够控制生产的各个方面，并且使操作员可以使用一台计算机就能完成对整个

生产活动的监视和控制。

微型计算机的发展和普及，促进了许多新型计算机控制方式的发展。目前，嵌入式计算

机控制系统、网络计算机控制以及许多专用控制器都得到了迅速的发展。

计算机控制技术的发展除了依赖于计算机硬件的发展外，还依赖于计算机实时控制软件

的进展。但不幸的是，过去几十年软件生产的进展不大。20世纪80年代以前，许多计算机

控制系统的软件主要采用汇编语言编写。目前，已广泛采用高级语言编写实时控制程序，这

是今后继续发展的方向。

1.2、计算机控制系统的组成与工作原理

计算机在控制系统中主要承担控制器的任务，亦即系统中控制规律是由数字机实现。所

以使用控制规律的种类就能大量增多，例如，它不难在控制器中采用非线性计算、引入逻辑

判断和完成大量的计算。它还可以利用表格存储数据，以便积累系统特性的知识等。

计算机控制系统和连续控制系统一样，都是按误差进行控制的闭环负反馈的控制系统。

1.2.1、计算机控制系统的组成

本节中将通过常规模拟式系统引出计算机控制系统，并介绍计算机控制系统的基本组成、

特点和优点。

图1-1是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。

由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服

系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指

令信号。为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校

正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制（如偏差过大时可断开

主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制）.如果系统复杂，校正

网络及工作状态的逻辑控制也将变得很复杂，用模拟网络将难以实现。众所周知，如将系统

中对信号的这种变换处理和工作状态的逻辑管理由数字计算机实现，将会变得十分方便，此

时，就形成了常规的计算机控制系统。

2

计算机控制技术第一章计算机控制概论

图1-1典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图

简单说，若控制系统中的控制器功能由数字计算机实时完成，则称该系统为计算机控制

系统。由于数字计算机工作的特点，为了使数字计算机能接收模拟式指令或反馈信号，并输

出连续的模拟信号给炮身的驱动电机，计算机控制系统中除必须包含有数字计算机外，还需

要加入必要的外部设备，如模数(A/D)、数模(D/A)转换器。如将模拟式火炮位置伺服系统改

造为计算机控制系统，则可得如图1-2所示计算机控制系统。

由上述实例可见，计算机控制系统主要由下述各部件组成。

(1).被控对象如火炮系统的火炮炮筒。

(2).执行机构如火炮系统中的直流电机。

(3).测量装置火炮系统中采用的测量电位计和测速发电机。

(4).模一数转换器(A/D)和数一模转换器(D/A),

(5).多路传输器(多路开关)当几个信号源的信号，要由同一台计算机或同一个通讯通

道处理时，需用多路开关按预定的顺序把信号传输到计算机或通讯通道上，实现分

3

计算机控制技术第一章计算机控制概论

时处理。

(6).数字计算机(包括硬件和软件)它在计算机控制系统中主要起控制器的作用，对信

号进行加工，形成所需要的控制信号.其次它还能承担数据处理、监督、管理等任

务。计算机硬件除主机以外，还有输入、输出通道.人一机通讯设备和存储器等外

部设备。其软件包含有系统软件和应用软件等。本例中数字机的作用是：对采集的

原始信号进行滤波.计算给定值，计算偏差量，对偏差信号进行加工处理，形成并

输出控制信号，利用软件对系统进行逻辑控制，等等。

由于系统实现方案的差异，有些系统并不一定采用A/D或D/A类型的转换设备，例如，

有些系统直接利用数字码盘实现反馈信号的测量。本书为了简单起见，在理论分析部分将认

为信号均采用A/D及D/A转换器进行变换。

从本质上来看，计算机控制系统的控制过程可以归结为：

•实时数据采集，即对被控量及指令信号的瞬时值进行检测和输入；

・实时决策，即按给定的算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指

令；

•实在控制，即根据决策适时地向被控对象发出控制信号。

若各部件用方框来表示，可画出火炮位置计算机控制系统的方框图，如图1-3所示。系

统的控制目标和性能要求与连续模拟控制系统类似。如同连续控制制系统一样，计算机控制

系统亦可分为闭环捽制、开环控制以及复合控制等不同的控制类型。

图1-3火炮位置计算机控制系统方块图

122、计算机控制系统的特点

数字计算机直接参与控制，因为数字计算机工作的特殊性，相对连续控制系统来说，计

算机控制系统在系统结构、信号特征以及工作方式等方面都具有一些特点。主要特点大致可

以归纳如下。

(1).结构上的特点：连续系统中的主要装置均为模拟部件，而计算机控制系统必须包含

有数字部件一数字计算机。计算机控制系统通常是模拟和数字部件的混合系统。若

系统中都是数字部件，则称为全数字控制系统。

(2).信号形式上的特点：连续系统中各点信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中

除有连续模拟信号外，还有离散模拟、数字.多种信号形式。计算机控制系统

中，就数字计算机的输入、输出信号的传递过程及其信号变换形式，如图1-6所示。

图中r(t)为连续模拟信号，r*⑴,u*(t)为离散模拟信号，r(k),u(k)为数字信号，5,⑴为连

续阶梯形的模拟信号。图中和4t3分别表示计算机输入、运算和输出所花费

的时间，把输入到输出所花费的时间(即△t|+4t2+4t3)称为计算时延。

4

计算机控制技术第一章计算机控制概论

控制规律

输入A，,

运算A，，

(3).信号传递时间上的差异连续系统中(除纯延迟环节外)模拟信号的计算速度和传递

速度都极快，可以认为是瞬时完成的，即该时刻的系统输出反映了同一时刻的输入

响应，系统各点信号都是同一时刻的相应值。而在计算机控制系统中就不同了，由

于存在“计算时延”，因此，系统的输出与输入不是在同一时刻的相应值。

(4).工作方式上的特点连续系统中，一个控制回路配有一个控制器，而计算机控制系统

中，一个控制器(数字计算机)通常可以同时为多个控制回路服务。它利用依次巡

回方法实现多路控制，表1-1为串行分时控制的巡回控制。如n个相同回路巡回一

次所需时间为n(△t|+ZM2+4t3)。为了节省巡回时间，充分发挥硬件作用，一般采

用并行分时控制，如表1-2所示。其n个相同回路巡回一次所需时间为(n+2)At,

其中为△□、At2>ats中的最大者。

表1T串行分时控制

k-1路输入、运算、输出执行

k路______________________输入、运算、输出执行

k+1路输入、运算、输出执行

表1-2并行分时控制

kT路输入运算输出执行

k路输入运算输出执行

k+1路输入运算输出1执行

例如在模拟式火炮位置控制系统中，同被控火炮的高低角和方位角形成两个控制回路,

因此必须有两个不同的模拟控制器实现信号的处理变换和控制指令生成。但在计算机控制系

统中，一台计算机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。如图

1-2所示，火炮位置计算机控制系统中高低角和方位角两套何服控制回路的控制器均由同一台

计算机硬件实现。两个回路控制器的算法分别由软件实现，控制指令可利用依次巡回串行输

出，实现对火炮高低角和方位角的控制。

1.2.3、计算机控制系统的优点

尽管山常规仪表组成的连续控制系统已获得了广泛的应用，并具有可靠、易维护操作等

5

计算机控制技术第一章计算机控制概论

优点，但随着生产的发展、技术的进步，对自动化的要求越来越高，这种常规连续控制系统

的应用受到了极大的限制。例如，难以实现多变量复杂的控制，难以实现自适应控制等等。

计算机，特别是微处理机在控制中的广泛应用，给控制带来了重大的影响。与连续系统相比,

计算机控制系统除了能完成常规连续控制系统的功能外，还表现了如下一些独特的优点。

1.易实现复杂控制规律

山于计算机的运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力，

因此，容易实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及各种智能控制等，从而可以达

到连续系统难于实现的要求，极大地提高系统性能。

2.计算机控制系统的性价比高

尽管一台计算机系统最初投资较大，但增加一个控制回路的费用却很少。对于连续系统,

模拟硬件的成本几乎和控制规律复杂程度、控制回路多少成正比；而计算机控制系统中的•

台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的性能/价格比值较

高。

3.适应性强灵活性高

由于计算机控制系统的控制算法是由软件程序实现的，通过修改软件或执行不同的软件

即可使系统具有不同性能，因此，它的适应性强，灵活性高。如要改变系统控制规律，不必

像模拟式系统那样改变控制器硬件结构或参数，一般只需修改软件即可。此外，计算机是一

种可编程的智能元件，易于修改系统功能利特性，构成了一种柔性(弹性)系统。另外，一

套硬件设计可以适用于很多不同软件的变型，用于不同产品生产过程和对象的控制，简化了

系统设计，节省了系统设计时间。

4.系统测量灵敏度高

山于数字计算机参与控制，允许系统使用各种数字部件。例如使用数字式传感器，系统

对微弱信号的检测更加敏感，可提高系统测量灵敏度。同时系统可以利用数字通信来传输信

息。

5.控制与管理容易结合并实现层次更高的自动化

6.系统可靠性和容错能力高

模拟式系统实现自动检测和故障诊断较为困难，但计算机控制系统则较方便，因此，提

高了系统的可靠性和容错能力。

与连续控制系统相比，计算机控制系统也有一些缺点与不足。例如，抗干扰能力较低，

特别是由于系统中插入数字部件，信号复杂，给设计实现带来一定困难。但全面比较起来，

随着对自动控制系统功能和性能要求的不断提高，计算机控制系统的优越性表现得越来越突

出。现代的控制系统不管是简单的，还是复杂的，几乎都采用计算机进行控制。

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，也可以按照控制规律分类,

还可按控制方式分类。

1.按系统功能可分为

(1)数据处理系统尽管数据处理不属于计算机控制的范畴，然而，一个计算机控制系统

离不开数据的采集和处理。

数据处理系统对生产过程中大量参数作巡回检测、处理、分析、记录以及参数的越限报

警。对大量参数进行实时分析以达到对生产过程进行各种趋势分析。计算机数据处理系统结

构图，如图1-5所示。

6

计算机控制技术第一章计算机控制概论

图1-5数据处理系统

(2)直接数字控制(简称DDC)系统直接用数字机作为过程变量控制回路的控制器，这

种方式叫直接数字控制一DDC(DirectDigitalControl),如图1-6所示。由于计算机的

特点与优势，除了能够实现PID控制规律外，还能进行多回路控制、前馈控制、纯

滞后补偿控制、多变量解耦控制以及最优、自适应等复杂规律的控制。

图1-6直接数字控制系统

(3)监督控制(简称SCC)系统在监督控制系统中，计算机的输出用来直接改变模拟控

制器DDC的设定值，所以又叫做计算机设定值控制系统(简称SPC),它有两种类

型：一种是SCC加模拟控制器的系统，在这种系统中，计算机的输出并不直接对被

控对象施加影响，而是根据现场测得的各种有关变量的情况，经过分析、计算来改

变控制器的设定值。计算机只监视模拟控制器的工作情况，修改给定值.因而称为

监督控制系统，如图1-7所示。另一种是SCC加数字控制器的系统，系统中计算机

的输出直接改变数字控制器的设定值，往往在系统中，计算机在执行监督控制的同

时，也兼完成直接数字控制任务.

监督控制可以提高系统的可靠性，当模拟或DDC控制器发生故障时，监督控制计算机可

以代替前者完成操作任务；当监督控制计算机发生故障时，模拟或DDC控制器又能独立执行

任务。

7

计算机控制技术第一章计算机控制概论

图1-7监督控制系统

(4)分级控制系统随着现代工业生产的发展，急需提高生产过程的自动化和管理水平。

为此不仅要求计算机参与控制，而且也需要计算机完成生产管理任务。分级控制系

统中，除了直接数字控制和监督控制外，还包含工厂级集中监督计算机和企业级经

济管理计算机等多个计算机整个系统分成很多相互联系的层次，层次又称为级，各

级都有自己的控制目标，各级各类计算机之间使用高速通讯线路互相连接，及时沟

通信息，协调一致地进行工作。

分级控制系统的结构如图1-8所示。系统中装置级为最底层，进行直接数字控制；车间

监督级负责全车间生产协调.包括安排生产计划，备品备件等。工厂级根据企业下达的任务

和本厂实际情况，订出生产计划和短期任务安排，向各车间下达任务，再依据车间汇报定期

修订厂级生产计划。企业经营管理级负责总的协调，根据采购、销售、支出等安排总的生产

计划.并进行企业经营方向的决策。

用于生产管理的计算机，特别是企业级的计算机应具有较强的计算和数据处理能力，适

当的内、外存容量。一般还应配备数据库。

图1-8分级控制系统

(5)集散型控制系统(简称TDC)分布式控制系统是集计算机技术、通讯技术、显示技

8

计算机控制技术第一章计算机控制概论

术和控制技术于一体的新型计算机控制系统，其概况已在本章一开始作了介绍。

(6)计算机网络有一台中央计算机(CC)和若干台卫星计算机(SC)构成计算机网络，

中央计算机配置了齐全的各类外部设备，各个卫星计算机可以共享其资源，结构如

图1-9所示。

图1-9计算机网络

2.按照控制规律计算机控制系统可分为

(1)程序控制在这种系统中其控制率是，使被控量按照一定的，预先规定的时间函数

变化的系统。也可以在各个时间段而给出的设定值是不同的物理量，而且设定值的

给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。

(2)比例-枳分-微分控制(简称PID控制)PID控制，不只是在过去而且在现在仍然是

应用最广，最为广大工程技术人员熟悉的技术。它结构简单，参数容易调整。

(3)最少拍控制最少拍控制是使系统调节时间最短的一种控制规律。要求设计的系统尽

可能在最少几个采样周期内完成控制过程。通常在数字随动系统中使用。

(4)复杂规律的控制复杂规律的控制包括串级控制，前馈控制，纯迟后补偿控制，多

变量解耦控制以及最优、自适应、自学习控制等。特别要指出的是最优控制、自适

应控制以及自学习控制都需用繁杂的数学计算，因此，往往需要寻找高效的控制算

法和高性能的计算机才能实现这些复杂规律的控制。

(5)智能控制和模糊控制智能控制理论和模糊控制理论是分别把先进的有关理论与解决

当前技术问题所需要的系统理论相结合的学科分支。

3,按照控制方式分类

计算机暖制系统可分为开环控制、闭环控制和复合控制。

本书主要讨论的是闭环计算机控制系统的理论和方法以及闭环计算机控制系统的分析和

设计。

1.4、计算机控制系统应用举例

计算机控制应用领域是非常广泛的，控制对象从小到大，从简单到复杂。可以是单回路

控制系统，也可以是多回路的负责控制系统。

本节中，将通过列举一些计算机控制系统的典型应用例子，从而进•步掌握计算机控制

系统的结构、功能以及计算机控制的特点。

例1-1卫星姿态控制

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计算机控制技术第一章计算机控制概论

运行中的卫星经常要求对其姿态进行控制，以使它的天线和传感器相对于地球具有适当

的方位。为此，计算机往往对三个轴分时地进行姿态控制。图1-10画出了一个轴的运动情况。

假设只允许绕垂直于本书页面的轴进行旋转，该系统的运动方程如下：

I0=Mc+MD

式中：I是卫星围绕其质量中心的惯性矩；是由助推器加上的控制转矩；是扰动

力矩；6是卫星轴相对于基准线的角。

由运动方程求传递函数：

令〃=Mc/1,wd=MD/1

可得不=〃+叼

，(s)=4[〃(s)+/(s)]

上式的拉氏变换为:

如果不考虑扰动(wd⑸=0),则其传递函数为：

「小外S)1

G(s)=----=—

〃(s)52

图1-10卫星姿态控制系统图

例1-2天线方位控制伺服系统

卫星跟踪天线的仰角控制见图1-11。假设天线及其可动部分具有惯性转矩J，由于直流驱

动电机的反电势及由于轴承和空气动力摩擦产生了阻尼，其阻尼系数为B,则运动方程为：

J0a+B0a+Tc+Td

式中：Tc是驱动电机产生的纯转矩；Td是刮风时的扰动转矩。

如果我们定义：B/J=a,u=Tc/B,w=Td/B,则方程化简为：

1k.

一O+9=w+w

aaa

其拉氏变换式为

(s)=——[〃(S)+w(5)]

sj)

a

如果不考虑扰动(w(s)=0),则其传递函数为：

G(s)=幽=/

“⑸5(-+1)

a

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计算机控制技术第一章计算机控制概论

例1-3工业炉控制

工业炉控制的典型情况。为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值

恒定。它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料

燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入计算机计

算，进而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的

缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，必须采用压力控制

回路。测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。为了提高炉子的热效率,

还须对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化铝传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而

得出其热效率，并用以指导燃烧控制。

图1-12工业炉的典型控制

例1-4计算机用作顺序控制的例子

这是一个原料混合和加热的控制系统，该装置的任务是：

(1)装入原料A,使液面达到贮槽的一半；

(2)装入原料B,使液面进一步升到百分之七十五；

(3)开始搅拌并加热到95℃,在此恒定温度上维持20min；

(4)停止搅拌和加热，开动排料泵抽出混合液，一直到液位低于贮槽的5%为止。

上述过程山计算机自动控制，按照一定的顺序重复进行，完成原料混合和加热控制。

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计算机控制技术第一章计算机控制概论

图1-13计算机顺序控制

例1-5数字式飞行控制系统

图1-14是飞机单轴数字式飞行控制系统的示意图。图中传感器分别测量飞机姿态参数，

如俯仰角8、俯仰角速度往、法向加速度N“等。解调器将交流信号转换为直流信号。滤波器

采用低通滤波器，它将抑制传感器输出信号中夹杂的高频噪声。

该系统的工作过程：当驾驶员操纵驾驶杆时，控制指令通过力传感器、前置滤波器、分

时采样、A/D转换进入计算机。在计算机中，与当时的飞行姿态信息一起，按预定的算法进

行计算；输出控制规律，通过D/A转换成连续控制规律，由执行机构（即舵机）操纵飞机舵面

偏转，使飞机改变姿态，按驾驶指令规定的姿态和轨迹飞行。

图1-15是飞机单轴自动驾驶仪多采样周期的计算机控制系统，系统中速度反馈和位置反

馈采用不同