計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第1-2章

第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制理論、自動(dòng)化技術(shù)以及檢測(cè)與傳感技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。利用計(jì)算機(jī)快速?gòu)?qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷等信息加工能力，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用提供了有力的工具。2/3/20231

本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)、分類以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)。本章主要內(nèi)容：2/3/202321．1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。

自動(dòng)控制，是在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。圖1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2/3/202331．2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程兩部分組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括主機(jī)、輸入輸出通道和外部設(shè)備，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。生產(chǎn)過(guò)程由被控對(duì)象、執(zhí)行器、檢測(cè)變送環(huán)節(jié)等組成。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：要控制生產(chǎn)過(guò)程，必須有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制動(dòng)作，使被控對(duì)象按要求運(yùn)行。

2/3/20234圖2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖2/3/20235計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計(jì)算機(jī)本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字—模擬混合式的結(jié)構(gòu)。

2/3/20236模擬信號(hào)——時(shí)間上和幅值上都連續(xù)的信號(hào)。離散模擬信號(hào)——時(shí)間上離散幅值上連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)——時(shí)間上離散，幅值也離散的信號(hào)。采樣——將模擬信號(hào)抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。量化——采用一組數(shù)碼來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)變換與傳遞

2/3/202371．3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式

1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

圖4數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。缺點(diǎn):要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。2/3/202382.直接數(shù)字控制系統(tǒng)

圖5直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏耆〈M調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID控制，而且只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。

2/3/202393．監(jiān)督控制系統(tǒng)

圖6監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式

其作用是改變給定值，又稱設(shè)定值控制。它的任務(wù)著重在控制規(guī)律的修正與實(shí)現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。2/3/2023104.分散型控制系統(tǒng)

采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級(jí)分布式控制。圖7DCS結(jié)構(gòu)示意圖

2/3/2023115.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

圖8FCS控制層結(jié)構(gòu)模式為：“工作站一現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，完成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2/3/2023121．4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo)

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

圖9過(guò)渡過(guò)程的4種情況（a）發(fā)散振蕩（b）衰減振蕩（c）等幅振蕩（d）非周期衰減2/3/2023132.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性

系統(tǒng)控制的主要目的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從某一狀態(tài)到達(dá)指定的狀態(tài)。如果系統(tǒng)不能控，就不可能通過(guò)選擇控制作用，使系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀態(tài)到達(dá)指定狀態(tài)。

能控性和能觀性從狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的測(cè)辨能力兩個(gè)方面揭示了控制系統(tǒng)的兩個(gè)基本問(wèn)題。

能控性用狀態(tài)反饋構(gòu)成控制規(guī)律，從它的測(cè)量輸出中獲得系統(tǒng)狀態(tài)的信息。如果輸出不反映狀態(tài)信息，這樣的系統(tǒng)被稱為是不能觀的。能觀性2/3/2023143.控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)圖10階躍信號(hào)作用下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀地反映控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間，峰值時(shí)間，衰減比和振蕩次數(shù)。2/3/202315

超調(diào)量

表示了系統(tǒng)過(guò)沖的程度。設(shè)輸出量的最大值為，輸出量的穩(wěn)態(tài)值為，則超調(diào)量定義為

超調(diào)量通常以百分?jǐn)?shù)表示，它反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性。2/3/202316調(diào)整時(shí)間

調(diào)整時(shí)間反映了過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短，當(dāng)時(shí)，若，則定義為調(diào)整時(shí)間，式中是輸出量的穩(wěn)態(tài)值，取0.02或0.05。它反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的快慢，是系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。2/3/2023174.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)

穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是衡量控制系統(tǒng)精度的指標(biāo)，用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表征。穩(wěn)態(tài)誤差是輸出量的穩(wěn)態(tài)值與要求值的差值，定義為2/3/202318第一階段是1965年以前的試驗(yàn)階段。1946年美國(guó)誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)50年代初便產(chǎn)生了將計(jì)算機(jī)用于控制的思想。然而由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)體積太大、功率消耗太大且不太可靠，這樣的想法在當(dāng)時(shí)尚不能實(shí)現(xiàn)。到了50年代中期，人們開(kāi)始研究將計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過(guò)程控制。由于工業(yè)過(guò)程控制對(duì)計(jì)算機(jī)的要求相對(duì)較低，計(jì)算機(jī)的體積和功率消耗已不是它在工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用的主要障礙。經(jīng)過(guò)幾年的努力，到了50年代末，已經(jīng)有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中投入運(yùn)行。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段：1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)1．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程

2/3/202319

第二階段是1965年至1972年的實(shí)用階段和開(kāi)始逐步普及的階段。60年代后半期，計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出了各種類型的適合工業(yè)過(guò)程控制的小型計(jì)算機(jī)，其主要特點(diǎn)是體積更小，速度更快，工作更可靠和價(jià)格更便宜，這使得那些較小的工程問(wèn)題也能利用計(jì)算機(jī)來(lái)控制。但這個(gè)階段仍然主要是集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)表明，采樣集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由于控制任務(wù)過(guò)于集中，一旦某臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重影響。雖然采用多機(jī)并用的方案，可以提高集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，但這樣就要增加投資。2/3/202320

第三個(gè)階段是從1972年開(kāi)始到現(xiàn)在的發(fā)展階段。1972年出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)，尤其是以單片機(jī)為代表的嵌入式控制器出現(xiàn)以后，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段。微型計(jì)算機(jī)的最突出的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、體積小而功能齊備。這就使得不管多小的控制任務(wù)均可以采用嵌入式控制器等微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制?，F(xiàn)代一些工業(yè)的特點(diǎn)是高度連續(xù)化、大型化，裝置與裝置、設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)系日趨密切。過(guò)去，由于計(jì)算機(jī)比較昂貴，一臺(tái)計(jì)算機(jī)要完成的任務(wù)很多，因而多采用集中型的控制結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在由于計(jì)算機(jī)比較便宜，并考慮對(duì)現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)進(jìn)行綜合管理和最優(yōu)控制，已開(kāi)始采用分散型微處理器控制的分級(jí)計(jì)算機(jī)控制和集散控制系統(tǒng)。CIMS集成制造系統(tǒng)技術(shù)也已從研制、試用的階段逐步走向成熟，已被成功地應(yīng)用到某些場(chǎng)所。隨著嵌入式應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起，基于網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)（簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)控制）已逐漸為人們關(guān)注和接受，并在控制領(lǐng)域掀起了研究和應(yīng)用的熱潮，現(xiàn)已被應(yīng)用到航天航空、遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人等領(lǐng)域。

2/3/202321

可編程序控制器

集散控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

2．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

2/3/202322本章重點(diǎn)掌握1.什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)（通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工業(yè)控制機(jī)）來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（工業(yè)控制機(jī)）和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。2、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：a.控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便b.控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高d.控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有哪幾種類型？分別是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)\直接數(shù)字控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）2/3/202323本章重點(diǎn)掌握4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程是怎樣的?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可歸納為以下三個(gè)步驟：(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過(guò)程。(3)實(shí)時(shí)控制：根據(jù)決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。5.實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么？答：所謂實(shí)時(shí)，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式；生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。2/3/202324本章重點(diǎn)掌握6.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)特點(diǎn)？在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計(jì)算機(jī)本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字—模擬混合式的結(jié)構(gòu)。

2/3/202325第2章線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和分析方法信號(hào)變換理論線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述方法線性離散系統(tǒng)的Z變換分析法脈沖傳遞函數(shù)線性離散系統(tǒng)的性能分析本章主要內(nèi)容2/3/2023262．1信號(hào)變換理論

1.連續(xù)信號(hào)的采樣和量化

圖1采樣過(guò)程采樣過(guò)程2/3/202327

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣信號(hào)是一數(shù)字序列，可分解成一系列單脈沖之和。式中，為時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值為；為時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值為；……；為時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值為。則：只有在時(shí)刻，才有，而在的所有時(shí)刻，都有。

。

2/3/202328圖2對(duì)單位脈沖序列的調(diào)制

可以解釋為連續(xù)時(shí)間信號(hào)被理想單位脈沖做了離散時(shí)間調(diào)制。

因此：2/3/202329量化過(guò)程

圖3量化過(guò)程所謂量化，就是采用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這個(gè)經(jīng)量化使采樣信號(hào)成為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為量化過(guò)程。

2/3/2023302.采樣定理

圖4、的頻譜及從恢復(fù)（a)的頻譜（b）的頻譜（c）理想的濾波器（d）濾波器輸出信號(hào)頻譜2/3/202331為保證采樣信號(hào)的頻譜是被采樣信號(hào)的頻譜無(wú)重疊的重復(fù)（沿頻率軸方向），以便采樣信號(hào)能反映被采樣信號(hào)的變化規(guī)律，采樣頻率至少應(yīng)是的頻譜的最高頻率的兩倍，即

采樣定理奠定了選擇采樣頻率的理論基礎(chǔ)，但對(duì)于連續(xù)對(duì)象的離散控制，不易確定連續(xù)信號(hào)的最高頻率。因此，采樣定理給出了選擇頻率的準(zhǔn)則，在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況綜合考慮。采樣定理2/3/2023323.采樣信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和采樣保持器

保持器

保持器是一種基于時(shí)域外推原理、把采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)之間的插值的元件。零階保持器

。

零階保持器采用恒值外推原理，把每個(gè)采樣值一直保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻,從而把采樣信號(hào)變成了階梯連續(xù)信號(hào)。圖5零階保持器的功能2/3/2023332．2線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述方法

1.差分方程——線性離散系統(tǒng)的差分方程圖6連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)

（a）連續(xù)系統(tǒng)（b）離散系統(tǒng)2/3/2023342.差分方程的求解例1已知一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的差分方程為輸入信號(hào)

初始條件，試求解差分方程。，代入差分方程，得

解：令：2/3/2023352．3線性離散系統(tǒng)的Z變換分析法1.Z變換

對(duì)上式取拉氏變換：令：則：2/3/202336（1）只有采樣函數(shù)才能定義Z變換；注意：（2）比較下面兩式

中，決定幅值，決定時(shí)間。（3）Z變換是由采樣函數(shù)決定的，它反映不了非采樣時(shí)刻的信息。圖7采樣值相同連續(xù)函數(shù)不同2/3/202337

例2

求單位階躍函數(shù)的Z變換。

解：，由Z變換定義有

將上式兩端同時(shí)乘以,有

直接法

Z變換的求?、佗冖偈綔p②式則：2/3/202338例3已知，求F（z）。

解:

部分分式法

2/3/202339

已知，具有N個(gè)不同的極點(diǎn)，有個(gè)重極點(diǎn)（=1，為單極點(diǎn)），則，求。例4

已知解:

，

留數(shù)法

若,2/3/2023402.Z反變換

長(zhǎng)除法

例5用長(zhǎng)除法求函數(shù)的Z反變換。

解：

2/3/202341部分分式法

例6用部分分式法求的Z反變換。

解：

（查表2—1）2/3/202342留數(shù)計(jì)算法

例7用留數(shù)計(jì)算法求的Z反變換。根據(jù)留數(shù)定理

2/3/2023433.用變換解差分方程

用變換求解差分方程主要用到變換的平移定理。

例8

用Z變換解下列差分方程：初始條件為：

解：

對(duì)上式進(jìn)行Z變換得由線性定理:由超前定理:2/3/202344查表得為了書寫方便，通常將寫成。代入初始條件，解得2/3/2023452．4脈沖傳遞函數(shù)

圖8單輸入單輸出離散系統(tǒng)的方框圖為了應(yīng)用脈沖傳遞函數(shù)的概念，通常可在輸出端虛設(shè)一采樣開(kāi)關(guān)，對(duì)輸出的連續(xù)時(shí)間信號(hào)做假想采樣，來(lái)獲得輸出信號(hào)的采樣信號(hào)。

1.脈沖傳遞函數(shù)2/3/202346脈沖傳遞函數(shù)與差分方程的相互轉(zhuǎn)換

，若已知n階離散系統(tǒng)的差分方程是在零初始條件下，進(jìn)行Z變換得脈沖傳遞函數(shù)為2/3/2023472.離散系