計算機控制原理 第一章 計算機控制原理概論sp

1、計算機控制原理計算機控制原理胡玉琦 1 第一章第一章 控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)的一般概念1-1 1-1 引言引言1-21-2 控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例1-3 1-3 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制1-4 1-4 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求1-51-5 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)1-61-6 自動控制理論的發(fā)展史自動控制理論的發(fā)展史1-71-7 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法2 導彈命中目標、人造衛(wèi)星按預定軌道運行、宇宙飛船對接、返回倉返回 例1. 人工控制爐溫人工控制爐溫1-21-2 控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例人工爐溫控制框圖人工爐溫控制框圖5控制的實質(zhì)控制

2、的實質(zhì)：檢測偏差和糾正偏差檢測偏差和糾正偏差爐溫自動控制系統(tǒng)爐溫自動控制系統(tǒng)6控制過程：控制過程：1 爐溫由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應的電壓爐溫由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應的電壓ub2期望的爐溫由電壓期望的爐溫由電壓ur給定，并與實際溫度給定，并與實際溫度ub比較得到溫度偏差信號比較得到溫度偏差信號u ur ub3 3 溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電壓的方觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電壓的方向運動，反之加大電壓，直到溫度達到給定值向運動，反之加大電壓，

3、直到溫度達到給定值為止，此時，偏差為止，此時，偏差u =0=0，電機停止轉(zhuǎn)動。，電機停止轉(zhuǎn)動。7爐溫自動控制框圖爐溫自動控制框圖8buu+_實際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機、減速器、調(diào)壓器期望溫度ru控制的實質(zhì)控制的實質(zhì)：檢測偏差和糾正偏差檢測偏差和糾正偏差從從爐溫爐溫控制系統(tǒng)工作過程定義變量：控制系統(tǒng)工作過程定義變量：系統(tǒng)輸入量、參考輸入量系統(tǒng)輸入量、參考輸入量（信號）（信號）系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量偏差偏差信號信號反饋、反饋信號反饋、反饋信號顯然：顯然： 反饋控制反饋控制建立在建立在偏差基礎偏差基礎上，其控制上，其控制方式是方式是“檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差”?？刂葡到y(tǒng)的工

4、作原理控制系統(tǒng)的工作原理：n檢測輸出量（被控制量）的實際值；檢測輸出量（被控制量）的實際值；n將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；較得出偏差；n用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。輸出量維持期望的輸出。n系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏差減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏差，故稱之為，故稱之為反饋控制反饋控制。ug12uaijn3ugn功 率放大器直 流電動機工作機械例例2. 2.車床主軸的直

5、流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)車床主軸的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)功 率放大器uguaijnub測速發(fā)電機 n干擾轉(zhuǎn)矩n功 率放大器直 流電動機工作機械加法器ug測 速發(fā)電機l例例3. 3.雷達導引隨動控制系統(tǒng)雷達導引隨動控制系統(tǒng)uaijnuecuur12ri減 速 器控制目標：輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化。由于輸入軸的位置無法預先確定隨動系統(tǒng)。 隨動系統(tǒng)的原理圖 輸 入 軸輸 出 軸rue電 位 器(比 較 器 )放 大 器電 動 機減 速 器uac16自動控制自動控制要解決的基本問題要解決的基本問題 如何使被控制量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個控制系統(tǒng)要解決的基本問題。解決方法解決方法小結(jié)自動控制系

6、統(tǒng)自動控制系統(tǒng)在沒有人直接參與的情在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對被控對象進行控制況下，利用控制裝置對被控對象進行控制操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的系統(tǒng)。者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的系統(tǒng)。自動控制理論自動控制理論研究自動控制共同規(guī)律研究自動控制共同規(guī)律的一門科學，包括：工程控制論、生物、的一門科學，包括：工程控制論、生物、經(jīng)濟、社會控制論。經(jīng)濟、社會控制論。171-3 1-3 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制一.開環(huán)控制 控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)二. 閉環(huán)控制

7、 開環(huán)和閉環(huán)：開環(huán)和閉環(huán)：實際的控制系統(tǒng)按有無反饋作用來界定實際的控制系統(tǒng)按有無反饋作用來界定反饋反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋：負反饋：反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小三.開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點: 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易，當輸入信號和擾動能預先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大，抗干擾能力差。閉環(huán) 優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高

8、，抗干擾能力強。缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。穩(wěn)定性（前提）穩(wěn)定性（前提）快速性（動態(tài)性能）快速性（動態(tài)性能）準確性（穩(wěn)態(tài)精度）準確性（穩(wěn)態(tài)精度）1-4 1-4 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求1 穩(wěn)定性 對一個能正常工作的線性定常系統(tǒng)來說，在動態(tài)響應過程中，可以允許產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，但其振幅度必須是逐漸衰減的，即系統(tǒng)的被控變量在圍繞其平衡位置振蕩若干次后，應能穩(wěn)定到平衡位置，這種系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。(a)(b)(c)(d)x(t)10ty(t)10ty(t)10ty(t)10t12注：穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定，與外界因素無關。 2 快速性 系統(tǒng)輸出量和

9、期望輸出量產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動態(tài)性能。3 準確性 即穩(wěn)態(tài)精度，用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來表征。 穩(wěn)態(tài)誤差是控制系統(tǒng)響應的穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。C()C(t)2t0r(t)t01(t)超調(diào)量調(diào)整時間 t|c(t)|,c%)|c()|c(cp0sup100maxmax振蕩次數(shù)：調(diào)整時間內(nèi)震蕩的周期數(shù)。：控制精度上升時間 峰值時間rtptst描述快速性和精確性指標描述快速性和精確性指標注：1 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重；2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應根據(jù)實際需求合理選擇。1-51-5 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)p引言引言p系統(tǒng)組成系

10、統(tǒng)組成p控制機與通用機區(qū)別控制機與通用機區(qū)別p工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢27p 引言引言計算機用于工程控制：工業(yè)生產(chǎn)制造, 軋機控制、航天器控制。在計算機控制推廣應用的實踐中，總結(jié)了系統(tǒng)分析設計的理論和方法以及工程實現(xiàn)技術，使計算機控制成為以控制理論和計算機技術為基礎的一門新的工程科學技術。28計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)框圖框圖計 算 機給 定 值被 控 量數(shù) 字控 制 器模 /數(shù)轉(zhuǎn) 換數(shù) /模轉(zhuǎn) 換執(zhí) 行機 構(gòu)被 控對 象檢 測裝 置29計算機控制系統(tǒng)的控制過程計算機控制系統(tǒng)的控制過程 (1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控制量的瞬時值進行檢測，并且將采樣結(jié)果輸入到計算機。 (2)實時決

11、策：對輸入的實時給定值與被控量的數(shù)值進行處理后，按照預先規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，則稱實時決策，或簡稱決策。 (3)實時控制：根據(jù)實時決策結(jié)果，實時地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號。 (4) 信息管理：隨著網(wǎng)絡技術和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)之中。 測、算、控、管 實時30p系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 硬件組成硬件組成主機主機外部設備外部設備過程輸入輸出設備（過程輸入輸出設備（PIOPIO設備）設備）廣義被控對象廣義被控對象 3132外 部 接 口 及 設 備微處理機監(jiān) 視 及 報警 設 備輸 入 接 口常 規(guī) 外 圍 設 備操 作 控 制 臺BUS輸 出 接 口外 存 儲 器輸 入 通 道信

12、 號 變 換電 路輸 出 通 道信 號 變 換電 路控制監(jiān)測對象p 控制機與通用機區(qū)別控制機與通用機區(qū)別結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上技術性能上：技術性能上：實時響應能力實時響應能力抗干擾、可靠抗干擾、可靠MTBF(MTBF(平均無故障時間平均無故障時間) )要求要求33軟件組成軟件組成系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件：通用性軟件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通用性軟件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OSOS數(shù)據(jù)庫系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng) 公共服務軟件（各種語言編譯公共服務軟件（各種語言編譯/ /程序診斷程序診斷/ /網(wǎng)絡網(wǎng)絡通信軟件）。通信軟件）。應用軟件：應用軟件：在系統(tǒng)軟件支持下實現(xiàn)各種應用功能在系統(tǒng)軟件支持下實現(xiàn)各種應用功能的專用程序，由設計人員據(jù)硬件、軟件環(huán)境開發(fā)的

13、專用程序，由設計人員據(jù)硬件、軟件環(huán)境開發(fā)編寫，如編寫，如PLCPLC?？刂瞥绦颍嚎刂瞥绦颍簩崿F(xiàn)預先設計的控制算法，對象運實現(xiàn)預先設計的控制算法，對象運行狀態(tài)反映給控制程序，控制程序產(chǎn)生控制信行狀態(tài)反映給控制程序，控制程序產(chǎn)生控制信號驅(qū)動執(zhí)行裝置，其優(yōu)劣影響控制品質(zhì)號驅(qū)動執(zhí)行裝置，其優(yōu)劣影響控制品質(zhì)過程輸入過程輸入/ /輸出接口程序：輸出接口程序：與通道硬件配合，與通道硬件配合，實現(xiàn)計算機與對象之間的數(shù)據(jù)信息傳遞實現(xiàn)計算機與對象之間的數(shù)據(jù)信息傳遞34p工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢1 1 以工業(yè)以工業(yè)PCPC為基礎的低成本工業(yè)控制自動化將成為為基礎的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流；主流

14、； 2 2 PLCPLC在向微型化；在向微型化；3 3 面向測控管一體化設計的集散控制系統(tǒng)（面向測控管一體化設計的集散控制系統(tǒng)（DCSDCS），），網(wǎng)絡化，有線和無線結(jié)合；網(wǎng)絡化，有線和無線結(jié)合； 現(xiàn)場總線（現(xiàn)場總線（FCSFCS：FieldbusFieldbus ControlControl SystemSystem）；）； 4 4 智能化，智能化， 先進的控制算法。先進的控制算法。351-61-6 自動控制理論的發(fā)展史自動控制理論的發(fā)展史（1 1）2020世紀世紀40 -6040 -60年代，經(jīng)典控制理論階段。年代，經(jīng)典控制理論階段。對象：單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)；對象：單輸入單輸出的線

15、性定常系統(tǒng)；依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學模型；依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學模型；理論基礎和方法：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡；理論基礎和方法：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡；控制原理：負反饋控制，控制原理：負反饋控制，“自動調(diào)節(jié)原理自動調(diào)節(jié)原理”；研究目標：閉環(huán)系統(tǒng)達到預期的動態(tài)、靜態(tài)性能；研究目標：閉環(huán)系統(tǒng)達到預期的動態(tài)、靜態(tài)性能；工程實用方法：工程實用方法：PIDPID調(diào)節(jié)原理、前饋補償；調(diào)節(jié)原理、前饋補償； 36（2 2） 20 20世紀世紀6060年代末，現(xiàn)代控制理論階段。年代末，現(xiàn)代控制理論階段。動力：航天器等空間技術的發(fā)展要求高性能、高精動力：航天器等空間技術的發(fā)展要求高性能、高精度的復雜控制系統(tǒng)；計算

16、機發(fā)展提供了必要的技術度的復雜控制系統(tǒng)；計算機發(fā)展提供了必要的技術手段；手段；對象：多變量、變參數(shù)、非線性、連續(xù)的或離散的；對象：多變量、變參數(shù)、非線性、連續(xù)的或離散的；依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學模型，但把原來直接根據(jù)依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學模型，但把原來直接根據(jù)被控系統(tǒng)機理特性的建模方法，向基于參數(shù)估計和被控系統(tǒng)機理特性的建模方法，向基于參數(shù)估計和系統(tǒng)辨識理論的建模方法拓展了；系統(tǒng)辨識理論的建模方法拓展了；描述方法：在時間域內(nèi)應用狀態(tài)方程，利于計算機描述方法：在時間域內(nèi)應用狀態(tài)方程，利于計算機運算；運算；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：多環(huán)、自適應環(huán)、學習環(huán)等；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：多環(huán)、自適應環(huán)、學習環(huán)等；控制策略：最優(yōu)控制、系

17、統(tǒng)辨識、自適應控制、魯控制策略：最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、自適應控制、魯棒控制，自校正控制；棒控制，自校正控制；37（3 3）復雜的任務要求：）復雜的任務要求：傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制的任務要求輸出為定值或者跟蹤期望的運動軌跡，因此控制任務比較單一。但對于復雜的控制任務，如智能機器人系統(tǒng)、復雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)等傳統(tǒng)的控制理論都無能為力。 （2 2）高度非線性）高度非線性：傳統(tǒng)控制理論中，線性系統(tǒng)理論比傳統(tǒng)控制理論中，線性系統(tǒng)理論比較成熟，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有較成熟，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性方法可供使用，但目前非線性控制理論還

18、一些非線性方法可供使用，但目前非線性控制理論還很不成熟，有些方法又過于復雜，無法廣泛應用；很不成熟，有些方法又過于復雜，無法廣泛應用；（1 1）不確定性的模型）不確定性的模型：傳統(tǒng)控制是基于模型的控制，傳統(tǒng)控制是基于模型的控制，傳統(tǒng)控制通常認為模型是已知的或通過辨識可以得到傳統(tǒng)控制通常認為模型是已知的或通過辨識可以得到的，對于不確定性的模型，應用智能控制；的，對于不確定性的模型，應用智能控制；（3）20世紀世紀70年代后期，智能控制理論年代后期，智能控制理論傳統(tǒng)控制論面臨的挑戰(zhàn)： 1-7 1-7 傳統(tǒng)控制理論的研究方法及內(nèi)容傳統(tǒng)控制理論的研究方法及內(nèi)容 建立數(shù)學模型建立數(shù)學模型系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析控制器設控制器設計計40授課內(nèi)容：第一章第一章 控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)的一般概念第二章第二章 系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型第三章