計(jì)算機(jī)控制原理 第一章 計(jì)算機(jī)控制原理概論sp

1、計(jì)算機(jī)控制原理計(jì)算機(jī)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(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1-51-5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1-61-6 自動(dòng)控制理論的發(fā)展史自動(dòng)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(dǎo)彈命中目標(biāo)、人造衛(wèi)星按預(yù)定軌道運(yùn)行、宇宙飛船對(duì)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(shí)質(zhì)控制

2、的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差和糾正偏差檢測(cè)偏差和糾正偏差爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)爐溫自動(dòng)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(duì)應(yīng)的電壓爐溫由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)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(shí)際溫度給定，并與實(shí)際溫度ub比較得到溫度偏差信號(hào)比較得到溫度偏差信號(hào)u ur ub3 3 溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電壓的方觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電壓的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電壓，直到溫度達(dá)到給定值向運(yùn)動(dòng)，反之加大電壓，

3、直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差為止，此時(shí)，偏差u =0=0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。7爐溫自動(dòng)控制框圖爐溫自動(dòng)控制框圖8buu+_實(shí)際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機(jī)、減速器、調(diào)壓器期望溫度ru控制的實(shí)質(zhì)控制的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差和糾正偏差檢測(cè)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(hào)）（信號(hào)）系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量偏差偏差信號(hào)信號(hào)反饋、反饋信號(hào)反饋、反饋信號(hào)顯然：顯然： 反饋控制反饋控制建立在建立在偏差基礎(chǔ)偏差基礎(chǔ)上，其控制上，其控制方式是方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差檢測(cè)偏差再糾正偏差”。控制系統(tǒng)的工

4、作原理控制系統(tǒng)的工作原理：n檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；n將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)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(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)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(dòng)機(jī)工作機(jī)械例例2. 2.車床主軸的直

5、流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)車床主軸的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)功 率放大器uguaijnub測(cè)速發(fā)電機(jī) n干擾轉(zhuǎn)矩n功 率放大器直 流電動(dòng)機(jī)工作機(jī)械加法器ug測(cè) 速發(fā)電機(jī)l例例3. 3.雷達(dá)導(dǎo)引隨動(dòng)控制系統(tǒng)雷達(dá)導(dǎo)引隨動(dòng)控制系統(tǒng)uaijnuecuur12ri減 速 器控制目標(biāo)：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(yù)先確定隨動(dòng)系統(tǒng)。 隨動(dòng)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(dòng) 機(jī)減 速 器uac16自動(dòng)控制自動(dòng)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(gè)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(dòng)控制系

6、統(tǒng)自動(dòng)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(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制況下，利用控制裝置對(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論研究自動(dòng)控制共同規(guī)律研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的一門科學(xué)，包括：工程控制論、生物、的一門科學(xué)，包括：工程控制論、生物、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)控制論。經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(duì)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(shí)際的控制系統(tǒng)按有無反饋?zhàn)饔脕斫缍▽?shí)際的控制系統(tǒng)按有無反饋?zhàn)饔脕斫缍ǚ答伔答仯狠敵隽克突刂凛斎攵瞬⑴c輸入信號(hào)比較的過程：輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過程負(fù)反饋：負(fù)反饋：反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差越來越小反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)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(diǎn): 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)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(dòng)對(duì)控制精度影響較大，抗干擾能力差。閉環(huán) 優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)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(dòng)引起的誤差，控制精度高

8、，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：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(dòng)態(tài)性能）快速性（動(dòng)態(tài)性能）準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）1-4 1-4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1 穩(wěn)定性 對(duì)一個(gè)能正常工作的線性定常系統(tǒng)來說，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(yīng)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?zé)o關(guān)。 2 快速性 系統(tǒng)輸出量和

9、期望輸出量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。3 準(zhǔn)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(yīng)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(shí)間 t|c(t)|,c%)|c()|c(cp0sup100maxmax振蕩次數(shù)：調(diào)整時(shí)間內(nèi)震蕩的周期數(shù)。：控制精度上升時(shí)間 峰值時(shí)間rtptst描述快速性和精確性指標(biāo)描述快速性和精確性指標(biāo)注：1 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)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(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。1-51-5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(jī)與通用機(jī)區(qū)別控制機(jī)與通用機(jī)區(qū)別p工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)27p 引言引言計(jì)算機(jī)用于工程控制：工業(yè)生產(chǎn)制造, 軋機(jī)控制、航天器控制。在計(jì)算機(jī)控制推廣應(yīng)用的實(shí)踐中，總結(jié)了系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的理論和方法以及工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)控制成為以控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一門新的工程科學(xué)技術(shù)。28計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖框圖計(jì) 算 機(jī)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(jī) 構(gòu)被 控對(duì) 象檢 測(cè)裝 置29計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程 (1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控制量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并且將采樣結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)。 (2)實(shí)時(shí)決

11、策：對(duì)輸入的實(shí)時(shí)給定值與被控量的數(shù)值進(jìn)行處理后，按照預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，則稱實(shí)時(shí)決策，或簡(jiǎn)稱決策。 (3)實(shí)時(shí)控制：根據(jù)實(shí)時(shí)決策結(jié)果，實(shí)時(shí)地對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號(hào)。 (4) 信息管理：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(cè)、算、控、管 實(shí)時(shí)30p系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 硬件組成硬件組成主機(jī)主機(jī)外部設(shè)備外部設(shè)備過程輸入輸出設(shè)備（過程輸入輸出設(shè)備（PIOPIO設(shè)備）設(shè)備）廣義被控對(duì)象廣義被控對(duì)象 3132外 部 接 口 及 設(shè) 備微處理機(jī)監(jiān) 視 及 報(bào)警 設(shè) 備輸 入 接 口常 規(guī) 外 圍 設(shè) 備操 作 控 制 臺(tái)BUS輸 出 接 口外 存 儲(chǔ) 器輸 入 通 道信

12、 號(hào) 變 換電 路輸 出 通 道信 號(hào) 變 換電 路控制監(jiān)測(cè)對(duì)象p 控制機(jī)與通用機(jī)區(qū)別控制機(jī)與通用機(jī)區(qū)別結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上技術(shù)性能上：技術(shù)性能上：實(shí)時(shí)響應(yīng)能力實(shí)時(shí)響應(yīng)能力抗干擾、可靠抗干擾、可靠MTBF(MTBF(平均無故障時(shí)間平均無故障時(shí)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(wù)軟件（各種語言編譯公共服務(wù)軟件（各種語言編譯/ /程序診斷程序診斷/ /網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)通信軟件）。通信軟件）。應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件：在系統(tǒng)軟件支持下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能在系統(tǒng)軟件支持下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能的專用程序，由設(shè)計(jì)人員據(jù)硬件、軟件環(huán)境開發(fā)的

13、專用程序，由設(shè)計(jì)人員據(jù)硬件、軟件環(huán)境開發(fā)編寫，如編寫，如PLCPLC。控制程序：控制程序：實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的控制算法，對(duì)象運(yùn)實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的控制算法，對(duì)象運(yùn)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(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置，其優(yōu)劣影響控制品質(zhì)號(hào)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與對(duì)象之間的數(shù)據(jù)信息傳遞實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與對(duì)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(shì)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)1 1 以工業(yè)以工業(yè)PCPC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動(dòng)化將成為為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動(dòng)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(cè)控管一體化設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)（面向測(cè)控管一體化設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)（DCSDCS），），網(wǎng)絡(luò)化，有線和無線結(jié)合；網(wǎng)絡(luò)化，有線和無線結(jié)合； 現(xiàn)場(chǎng)總線（現(xiàn)場(chǎng)總線（FCSFCS：FieldbusFieldbus ControlControl SystemSystem）；）； 4 4 智能化，智能化， 先進(jìn)的控制算法。先進(jìn)的控制算法。351-61-6 自動(dòng)控制理論的發(fā)展史自動(dòng)控制理論的發(fā)展史（1 1）2020世紀(jì)世紀(jì)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(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵龅木€性定常系統(tǒng)；對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵龅木€

15、性定常系統(tǒng)；依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型；依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型；理論基礎(chǔ)和方法：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡；理論基礎(chǔ)和方法：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡；控制原理：負(fù)反饋控制，控制原理：負(fù)反饋控制，“自動(dòng)調(diào)節(jié)原理自動(dòng)調(diào)節(jié)原理”；研究目標(biāo)：閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能；研究目標(biāo)：閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能；工程實(shí)用方法：工程實(shí)用方法：PIDPID調(diào)節(jié)原理、前饋補(bǔ)償；調(diào)節(jié)原理、前饋補(bǔ)償； 36（2 2） 20 20世紀(jì)世紀(jì)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(dòng)力：航天器等空間技術(shù)的發(fā)展要求高性能、高精動(dòng)力：航天器等空間技術(shù)的發(fā)展要求高性能、高精度的復(fù)雜控制系統(tǒng)；計(jì)算

16、機(jī)發(fā)展提供了必要的技術(shù)度的復(fù)雜控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)發(fā)展提供了必要的技術(shù)手段；手段；對(duì)象：多變量、變參數(shù)、非線性、連續(xù)的或離散的；對(duì)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(xué)模型，但把原來直接根據(jù)依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，但把原來直接根據(jù)被控系統(tǒng)機(jī)理特性的建模方法，向基于參數(shù)估計(jì)和被控系統(tǒng)機(jī)理特性的建模方法，向基于參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識(shí)理論的建模方法拓展了；系統(tǒng)辨識(shí)理論的建模方法拓展了；描述方法：在時(shí)間域內(nèi)應(yīng)用狀態(tài)方程，利于計(jì)算機(jī)描述方法：在時(shí)間域內(nèi)應(yīng)用狀態(tài)方程，利于計(jì)算機(jī)運(yùn)算；運(yùn)算；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：多環(huán)、自適應(yīng)環(huán)、學(xué)習(xí)環(huán)等；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：多環(huán)、自適應(yīng)環(huán)、學(xué)習(xí)環(huán)等；控制策略：最優(yōu)控制、系

17、統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、魯控制策略：最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、魯棒控制，自校正控制；棒控制，自校正控制；37（3 3）復(fù)雜的任務(wù)要求：）復(fù)雜的任務(wù)要求：傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制的任務(wù)要求輸出為定值或者跟蹤期望的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此控制任務(wù)比較單一。但對(duì)于復(fù)雜的控制任務(wù)，如智能機(jī)器人系統(tǒng)、復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(duì)于具有高度非線性的控制對(duì)象，雖然也有較成熟，對(duì)于具有高度非線性的控制對(duì)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(fù)雜，無法廣泛應(yīng)用；很不成熟，有些方法又過于復(fù)雜，無法廣泛應(yīng)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(rèn)為模型是已知的或通過辨識(shí)可以得到傳統(tǒng)控制通常認(rèn)為模型是已知的或通過辨識(shí)可以得到的，對(duì)于不確定性的模型，應(yīng)用智能控制；的，對(duì)于不確定性的模型，應(yīng)用智能控制；（3）20世紀(jì)世紀(jì)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(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析控制器設(shè)控制器設(shè)計(jì)計(jì)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(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章