《計算機控制系統》課件第1章

1、1、緒論概述/發(fā)展與應用/理論與設計、課程內容1.1 概述1.1.1 CCS組成閉環(huán)控制系統典型結構計算機控制系統典型結構實時采樣、實時決策、實時控制在線、離線 模擬電路 采樣理論 數字控制 多樣形式 典型模擬式火炮位置控制系統的原理結構圖 典型火炮位置計算機控制系統的原理結構圖(1) 被控對象：本例為火炮炮身；(2) 執(zhí)行機構：本例為直流電機；(3) 測量裝置：本例為測量電位計及測速電機；(4) 指令給定裝置：本例為火炮高低角及方位角的指令生成裝置；(5) 計算機系統：包括下述主要部件：A/D變換器；D/A變換器；數字計算機（包括硬件及相應軟件，實現信號變換處理、工作狀態(tài)邏輯管理、按給定算法

2、產生相應的控制指令等）。CCS組成被控對象；測量裝置；執(zhí)行機構；計算機系統（主機和輸入輸出通道）； 外部設備。 （基本典型； 不同組合）被控對象；測量裝置；執(zhí)行機構；計算機系統； 外部設備。系統軟件： 操作系統、診斷系統、開發(fā)系統等。應用軟件： 過程監(jiān)視程序：巡回檢測、數據處理、上下限檢查及報警、操作面板服務、數字濾波及標度變換、判斷、過程分析等； 過程控制計算程序：控制算法、事故處理和信息管理（信息生成調度、文件管理及輸出、打印、顯示等）； 公共服務程序：基本運算、函數運算、數碼轉換、格式編碼等。1.1.2 CCS特點與優(yōu)點結構：由模擬與數字部件組成的混合系統信號：有多種（連續(xù)模擬、離散模擬

3、、離散數字等）信號形式，是一種混合信號系統工作方式：可同時控制多個被控對象或被控量，即可為多個控制回路服務。同一臺計算機可以采用串行或分時并行方式實現控制，每個控制回路的控制方式由軟件來形成。避免模擬實現的困難，方便復雜計算?？刂扑惴ㄓ绍浖绦驅崿F，控制規(guī)律靈活多樣；可使用各種數字部件，提高系統測量靈敏度并可利用數字通信來傳輸信息。自動檢測和故障診斷較為方便，提高了系統的可靠性和容錯及維修能力。能夠實現數據統計和工況顯示，用戶界面有效。使控制與管理更易結合，并實現層次更高的自動化。性能價格比高。開創(chuàng)階段(19551965)：單項工程試驗。測量、開環(huán)、閉環(huán)、監(jiān)督。 主要任務是尋求最佳運行條件，從

4、事操作指導和設定值的計算工作，控制計算機僅按監(jiān)督方式運行，并要求集中承擔多種任務。 模擬常規(guī)調節(jié)儀表的調節(jié)規(guī)律，形式上由連續(xù)變?yōu)殡x散，調節(jié)效果得不到明顯改善。小型計算機時期(19651972)：實用及普及階段。 主要是計算機集中控制，即用一臺計算機控制盡可能多的調節(jié)回路。直接數字控制DDC系統關注的是控制功能。 出現了各種類型適合工業(yè)控制的小型計算機，控制計算機臺數迅速增長。1.2.1 發(fā)展概況計算機控制系統的出現及發(fā)展與計算機和自動控制理論的發(fā)展密不可分。1.2 CCS發(fā)展與應用微型計算機時期(1972現在)：大量推廣和分級控制階段。 微機的出現和發(fā)展，使計算機控制系統得到更為普及的應用。

5、網絡技術、微機的發(fā)展和普及，促進發(fā)展了許多新型計算機的控制方式。 簡單過程裝置，單臺微機獨立控制，如單片機、工控機、可編程控制器； 復雜過程裝置，采用集散型控制系統，計算機分散到生產裝置中去，采用多級分布式結構，既能使危險分散，又能實現整體的協調和優(yōu)化。1.2.1 發(fā)展概況1.2.1 發(fā)展概況計算機控制系統的出現及發(fā)展與計算機和自動控制理論的發(fā)展密不可分。 經典控制理論 主要研究單變量常系數線性系統，單輸入單輸出制系統。系統的數學模型采用傳遞函數表示，系統的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法?，F代控制理論 系統分析的對象為多輸入多輸出線性系統，系統分析的數學模型主要用狀態(tài)空間描述。主要采

6、用最優(yōu)控制(二次型最優(yōu)控制、H控制等)、系統辨識和最優(yōu)估計、自適應控制等分析和設計方法。智能控制理論 研究對象和系統越來越復雜，如(a)不確定性的模型、(b)高度非線性、(c)復雜的任務要求。智能控制包括學習控制系統、分級遞階智能控制系統、專家系統、模糊控制系統和神經網絡控制系統等。1.2.2 應用分類操作指導控制系統（數據采集處理系統DAS ）優(yōu)點是結構簡單，控制靈活和安全可靠。缺點是要由人工進行操作，操作速度受到了人為的限制。也用在系統設計與調試階段，進行數據檢測、處理及試驗新模型等。生產過程的集中監(jiān)視操作指導直接數字控制系統DDC 閉環(huán)系統。巡回檢測一個或多個被控參數進行，與設定值進行比

7、較，再進行控制運算，輸出到執(zhí)行機構。 靈活性大。 主要研究對象。計算機監(jiān)督控制系統（SCC）SCC系統有多種形式，如：SCC+模擬調節(jié)器控制系統； SCC+DDC控制系統。它是操作指導控制系統和DDC系統的綜合與發(fā)展。SCC系統不僅可進行給定值控制，還可進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。集散控制系統（DCS）可靠性高、速度快、結構靈活，易于擴展、設計、開發(fā)、維護簡便生產管理級、過程管理級、過程控制級分級控制系統說明：1、分級控制理論角度、大系統基礎理論， 綜合優(yōu)化指標，2、分布控制系統、集散控制系統應用系統角度、結構與功能3、PLC、DCS， FCS； NCS4、CIMS/綜合自動化系統

8、5、按控制規(guī)律分類 程序控制與順序控制； PID控制； 有限拍控制； 復雜規(guī)律控制； 智能控制例: 各種用途的機器人系統 焊接機器人系統（核心為計算機控制系統 ）具有視覺器件的機器人示意圖 例:以計算機為核心的復雜飛行控制與飛行管理系統 現代民用飛機座艙數字控制電子設備 飛機飛行高度計算機控制系統 例：現代工廠自動化中，廣泛使用計算機實現分散控制和集中監(jiān)視系統 1.3 CCS的理論與設計問題 (1) 若被控對象是時不變線性系統，通常所形成的連續(xù)控制系統也是時不變系統。但當將其改造成計算機控制系統后，它的時間響應與外作用的作用時刻和采樣時刻是否同步有關。采樣系統的時變特性 1.3.1 理論問題(

9、2) 連續(xù)系統在正弦輸入信號的激勵下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的正弦信號，但計算機控制系統的穩(wěn)態(tài)正弦響應與輸入信號頻率和采樣周期有關。 頻率為4.9 Hz的輸入信號 連續(xù)系統的輸出采樣間隔時間為0.1 s時，則會發(fā)生振蕩周期為10s的差拍現象。 (3)盡管計算機控制系統特性可以用連續(xù)控制系統理論解釋，但還有很多現象是不能用連續(xù)系統理論加以解釋的。 例如，一個連續(xù)系統是可控可觀的，將其變成計算機控制系統時，若采樣間隔時間選取的不合適，則可能會變得不可控。 (4)系統的穩(wěn)定性也是值得關注的問題。對閉環(huán)負反饋的一階、二階線性連續(xù)系統，系統開環(huán)放大系數為任意值，系統均是穩(wěn)定的。從第4章的分析可以看到，當采樣周

10、期一定時，計算機控制系統的開環(huán)放大系數僅處于一定范圍時，系統才能穩(wěn)定 。有限調節(jié)時間系統 實線表示連續(xù)系統，虛線是同一被控對象的計算機控制系統。 (5)一個穩(wěn)定的連續(xù)時不變系統，達到穩(wěn)態(tài)的時間通常是無限的。 CCS通過設計卻可以實現在有限的采樣間隔內(即有限時間內)達到穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系統更好的性能。 計算機控制系統中還存在字長有限的問題。A/D或D/A變換器、計算機內存及運算器的字長有限。字長有限引起的極限環(huán)1.3.2 設計與實現計算機控制系統等效結構 (a) 連續(xù)域設計-離散化方法 將CCS看成是連續(xù)系統，在連續(xù)域上設計得到連續(xù)控制器。由于它要在數字計算機上實現，因此，采用不同方

11、法將其數字化(離散化)。 (b) 直接數字域(離散域)設計 把CCS看成是純離散信號系統，直接在離散域進行設計，得到數字控制器，并在計算機里實現。 實際工程設計的設計方法 (a) 連續(xù)域設計-離散化方法 將CCS看成是連續(xù)系統，在連續(xù)域上設計得到連續(xù)控制器。由于它要在數字計算機上實現，因此，采用不同方法將其數字化(離散化)。 (b) 直接數字域(離散域)設計 把CCS看成是純離散信號系統，直接在離散域進行設計，得到數字控制器，并在計算機里實現。 兩種設計方法流程1.4 課程內容特性變化，需要新的理論。 頻率特性變化。 穩(wěn)定性、可控可觀性等特性可以變化。 計算機控制設計可能達到更好的效果。 量化

12、誤差可能產生極限環(huán)震蕩。不同編裁內容 基礎理論模型、分析與綜合（設計）； 系統實現（硬件、軟件）； 典型計算機系統； 典型應用實例； 課程內容 采樣理論； 經典模型、分析、設計： 微分方程差分方程；S傳遞函數Z傳遞函數； 穩(wěn)定性、控制特性分析； 控制器設計（間接、直接）； 狀態(tài)空間方程離散狀態(tài)空間方程；可控可觀性；狀態(tài)反饋控制器設計； CCS系統實現問題。課程內容 第1章（概述） 2學時 （組成、分類、必要性等） 第2章（信號采樣恢復） 2學時 （2.12.5。信號、采樣、恢復、整量化、簡化結構） 第3章（數學描述-經典） 2學時 （3.1和3.2提前預習，課堂作業(yè)0.5學時；3.3和3.4共1.5學時） 第4章（系統分析-經典） 8學時 （4.1、4.2、4.3、4.4； 4.6討論課2學時） 第5章（系統設計-經典） 7學時 （5.1、5.2、5.