自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一連續(xù)控制系統(tǒng)的基本理論知識(shí)以及計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的基本程序；以經(jīng)典控制算法PID為基礎(chǔ)，介紹由連續(xù)控制器到離散控制器的設(shè)計(jì)方法，較深入地分析了PID算法性能和參數(shù)整定；講述控制器的直接設(shè)計(jì)方法，給出最少拍無波紋控制器的設(shè)計(jì)方法；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主要內(nèi)容第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

第2章自動(dòng)控制系統(tǒng)分析基礎(chǔ)

第3章連續(xù)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

第4章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)第5章順序與數(shù)字程序控制第6章數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)第7章離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第8章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要內(nèi)容第三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一背景介紹

自動(dòng)控制對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有越來越重要的作用。

應(yīng)用領(lǐng)域：宇宙航行、導(dǎo)彈制導(dǎo)、核技術(shù)以及火箭控制等新興學(xué)科領(lǐng)域以及金屬冶煉、儀器制造及一般工業(yè)生產(chǎn)過程中

目的：實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、安全生產(chǎn)，改善勞動(dòng)條件，提高經(jīng)濟(jì)效益第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

古典控制理論是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的，直到現(xiàn)在仍然是分析、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要理論基礎(chǔ)，它在工程上應(yīng)用較普遍的是頻率法和根軌跡法。這些方法用來處理單輸入單輸出的線性自動(dòng)控制系統(tǒng)是卓有成效的。

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，控制對(duì)象越來越復(fù)雜、多樣，因此自動(dòng)控制系統(tǒng)日益復(fù)雜，出現(xiàn)了多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化的時(shí)變系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)以及最優(yōu)控制系統(tǒng)等。第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

因此，古典控制理論已經(jīng)難以分析和設(shè)計(jì)上述復(fù)雜的系統(tǒng)了。到60年代逐漸形成了以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，它的形成和發(fā)展為數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。狀態(tài)空間法：不僅可以描述系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系，而且還可以描述系統(tǒng)的內(nèi)部特性，是一種內(nèi)部描述，特別適用于多輸入輸出系統(tǒng)，它采用狀態(tài)空間表達(dá)式作為描述系統(tǒng)的模型。是對(duì)系統(tǒng)的一種完全描述。第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

常規(guī)的控制方法難以滿足更高的精度、更快的速度和更大的效益的要求。

計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：精度高、速度快、存儲(chǔ)量大，能夠進(jìn)行邏輯判斷、具有強(qiáng)大的信息處理能力因此可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜的控制算法，獲得快速精密的控制效果、能夠把過程控制和生產(chǎn)管理有機(jī)地結(jié)合起來，從而對(duì)工廠、企業(yè)或企業(yè)體系的管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電子計(jì)算機(jī)在經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路等階段之后，現(xiàn)已到了第五代計(jì)算機(jī)研制階段。計(jì)算機(jī)的發(fā)展是異常神速的。無論在速度、性能、可靠性、能耗、性能價(jià)格比等方面，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都有了突飛猛進(jìn)的變化，其運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到了1000萬次每秒到1億次每秒。第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的發(fā)展，也從數(shù)字發(fā)展到文字，從黑白發(fā)展到彩色，從無聲發(fā)展到有聲，從本地發(fā)展到遠(yuǎn)程。正如有關(guān)專家預(yù)測的，計(jì)算機(jī)將向微型化、巨型化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體以及智能化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制是以自動(dòng)控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的。計(jì)算機(jī)控制既是一門新興的學(xué)科，又與自動(dòng)控制有著密切的關(guān)系。第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

本書闡述自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)理論，概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析方法，總結(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和控制規(guī)律，同時(shí)，聯(lián)系實(shí)際討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法(包括硬件和軟件實(shí)現(xiàn))，并介紹了一些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.1.1自控系統(tǒng)的工作原理

1.速度控制系統(tǒng)

1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理

控制目標(biāo)：控制車床主軸速度①—電位器②—放大器③—直流電動(dòng)機(jī)第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（也稱扭矩）變化很小，系統(tǒng)元件特性比較穩(wěn)定時(shí)，所示的控制系統(tǒng)可以滿足預(yù)期的要求。否則，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望值相比將有較大的誤差。為了克服或減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，可以采用干擾補(bǔ)償?shù)霓k法，但是，采用干擾補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)一般不能解決由于元件特性不穩(wěn)定所產(chǎn)生的輸出誤差。而下圖所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)則可以減小或消除由各種因素所引起的轉(zhuǎn)速變化。圖1―2直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖

第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由ug和ub共同控制Ub與實(shí)際轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)速低于理論轉(zhuǎn)速時(shí)△u=ug-ub會(huì)增大，從而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，而回復(fù)到要求值。第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一圖1―4帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)原理圖

第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證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(如雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng))，因此該系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一系統(tǒng)工作原理如下：電位計(jì)①和②，分別把輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)角θr和θc變成相應(yīng)的電壓，然后把這兩個(gè)電壓反向串聯(lián)(相減)，即可以得到與角度偏差θe＝θr-θc成比例的電壓ue該電壓經(jīng)過放大器放大后加到電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)的軸經(jīng)減速器和輸出軸相連，并且同時(shí)帶動(dòng)電位器②的電刷移動(dòng)，如果θc≠θr，則ue≠0，放大后的電壓ua驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向最終應(yīng)使θc向θr接近，使θe減小。最后，兩者取得一致，θc＝θr，則ue＝0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入平衡狀態(tài)。這樣就保證了輸出軸緊緊地跟隨著輸入軸變化。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)指令信號(hào)變化時(shí)，輸出軸便精確地復(fù)現(xiàn)著輸入軸的變化規(guī)律。這個(gè)系統(tǒng)的原理如圖1―6所示。2.隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證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(如雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng))，因此該系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一圖1―6隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

由上面兩種系統(tǒng)的討論可知：

(1)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由控制裝置和被控對(duì)象(或被控過程)兩大部分組成的。對(duì)被控對(duì)象(或被控過程)產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用的設(shè)備或裝置稱為控制裝置。圖1-7第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

一般的控制裝置包括如下環(huán)節(jié)：①檢測裝置。檢測裝置的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)被控量進(jìn)行檢測，并把它轉(zhuǎn)換成與參考輸入相同的物理量后，送入比較環(huán)節(jié)。前述系統(tǒng)中的測速發(fā)電機(jī)和測量電位計(jì)等就是檢測反饋元件。②比較器。比較器的作用是將檢測反饋裝置送來的信號(hào)與參考輸入進(jìn)行比較，得出兩者偏差(誤差)信號(hào)。比較器往往是由綜合電路或檢測裝置兼而完成的，一般用符號(hào)表示；“-”表示輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相減，即負(fù)反饋；“+”表示正反饋。第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

③放大元件。將比較環(huán)節(jié)輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。如電壓放大器和功率放大器。④執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將放大元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)受控對(duì)象施加控制調(diào)節(jié)作用。如電機(jī)構(gòu)。⑤校正裝置。校正裝置(或稱控制器、調(diào)節(jié)器)是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算的元件，參數(shù)或結(jié)構(gòu)便于調(diào)整，用于改善系統(tǒng)性能。⑥被控對(duì)象。接受控制的設(shè)備(或過程)，如工作機(jī)械。

第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(2)自動(dòng)控制系統(tǒng)含義：是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的。

被控量：指系統(tǒng)的輸出，它是受控對(duì)象中被控制的一個(gè)物理量，如速度控制系統(tǒng)中工作機(jī)械的速度、隨動(dòng)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)角等。

參考輸入：又稱給定值，如速度控制系統(tǒng)中的給定電壓ug、隨動(dòng)系統(tǒng)中的角度θr等。第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(3)由圖可見，對(duì)系統(tǒng)參與控制或施加影響的信號(hào)可能來自三個(gè)方面，除了參考輸入量還有干擾和偏差。

干擾：指除參考輸入和反饋信號(hào)以外的對(duì)系統(tǒng)被控量產(chǎn)生影響的其他因素。干擾可能來自系統(tǒng)的內(nèi)部或外部。來自系統(tǒng)外部的干擾，是環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的一種作用，所以它也是系統(tǒng)的一種輸入。

偏差：又稱為誤差信號(hào)，就是比較環(huán)節(jié)的輸出，即被控量經(jīng)過檢測反饋環(huán)節(jié)之后與給定參考輸入量進(jìn)行比較所得的差值。第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(4)前面討論的幾種系統(tǒng)，可分別歸屬于如下類型：

①恒值系統(tǒng)。圖1―1和圖1―3所示的速度控制系統(tǒng)，它們的給定值都是恒定值，故這類系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)。②隨動(dòng)系統(tǒng)。給定值(控制指令)是事先未知的時(shí)間函數(shù)的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)指令信號(hào)變化時(shí)，工作機(jī)械便精確地復(fù)現(xiàn)著指令信號(hào)的變化規(guī)律。圖1―5所示的系統(tǒng)為隨動(dòng)系統(tǒng)。③程序控制系統(tǒng)?？刂浦噶钜杨A(yù)先知道的系統(tǒng)，稱為程序控制系統(tǒng)。④自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)。圖1―3所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)是根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使被控量保持恒定的。故這類系統(tǒng)又常稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)。第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.1.2自動(dòng)控制的基本方式

1.開環(huán)控制

定義：被控量(輸出)不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制。特點(diǎn)：不對(duì)被控量進(jìn)行任何檢測在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系。信號(hào)傳遞是單向進(jìn)行的。第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

開環(huán)控制方式

缺點(diǎn)：當(dāng)被控對(duì)象或控制裝置受到干擾，或者在工作過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時(shí)，系統(tǒng)不能進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，被控制精度難以保證。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡單

適用場合：控制精度要求不高或者元件工作特性比較穩(wěn)定而干擾又很小。第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.閉環(huán)控制

定義：被控量參與系統(tǒng)控制的控制方式稱為閉環(huán)控制。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在給定值和被控量之間，除了有一條從給定值到被控量方向傳遞信號(hào)的前向通道外，還有一條從被控量到比較元件傳遞信號(hào)的反饋通道。控制信號(hào)沿著前向通道和反饋通道循環(huán)傳遞，故閉環(huán)控制又稱反饋控制。另外，只要閉環(huán)控制系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)都能自行調(diào)節(jié)以減小偏差。故閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱按照偏差調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)。偏差第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一閉環(huán)控制

優(yōu)點(diǎn)：從原理上提供了實(shí)現(xiàn)高精度控制的可能性，對(duì)控制元件的要求比開環(huán)控制的低。

缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)比較麻煩，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因而成本較高。

適用場合：控制精度要求較高，干擾影響較大時(shí)。圖1―3所示的速度控制系統(tǒng)及圖1―5所示的隨動(dòng)系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.1.3對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

控制系統(tǒng)工作的場合不同，對(duì)它的性能要求也就不同?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是使被控量按參考輸入保持常值或跟隨參考輸入變化。但要在任何時(shí)間做到這一點(diǎn)并不容易。例如，當(dāng)圖1―5所示的隨動(dòng)系統(tǒng)的指令電位計(jì)①，在瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)單位角度時(shí)，由于系統(tǒng)慣性的存在，以及能源功率的限制，工作機(jī)械不可能立即跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)相等的角度。

第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)偏差產(chǎn)生的控制作用使工作機(jī)械轉(zhuǎn)過與給定值相等的角度時(shí)，由于慣性關(guān)系，工作機(jī)械將仍以一定速度繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因而出現(xiàn)反向偏差，控制系統(tǒng)又產(chǎn)生反向控制作用，使工作機(jī)械反向轉(zhuǎn)動(dòng)。如此周而復(fù)始，出現(xiàn)了振蕩的跟蹤過程?？刂葡到y(tǒng)的這一運(yùn)動(dòng)過程稱為動(dòng)態(tài)過程(或瞬態(tài)過程、暫態(tài)過程、過渡過程等)。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)匹配合理時(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間后，被控量將趨于希望值，稱為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。圖1―10表示了在階躍輸入信號(hào)作用下，幾種系統(tǒng)的被控量的變化過程。圖中x(t)表示輸入，y(t)表示輸出。第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一系統(tǒng)要能正常工作，必須滿足如下基本要求：

(1)穩(wěn)定性。被控量偏離給定值而振蕩時(shí)，系統(tǒng)抑制振蕩的能力。對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，隨著時(shí)間的增長，被控量將趨近于希望值。可見，穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。圖1―10(b)和(c)所示的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，這種系統(tǒng)不能工作。

(2)快速性。指被控量趨近希望值的快慢程度?？焖傩院玫南到y(tǒng)，它的過渡過程時(shí)間短，能復(fù)現(xiàn)快速變化的控制信號(hào)，因而具有較高的動(dòng)態(tài)精度。圖1―10(d)所示的系統(tǒng)1，其快速性要比系統(tǒng)2好。穩(wěn)定性和快速性是反映動(dòng)態(tài)過程好壞的尺度。

(3)精確性。指過渡過程結(jié)束后，被控量與希望值接近的程度。也就是當(dāng)系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后，被控量對(duì)希望值的偏差的大小。系統(tǒng)的這一性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)精度。第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成

1.2.1一般概念

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與前面介紹的反饋控制系統(tǒng)十分相似，只是將控制器由數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)，如圖所示。給定量和反饋量都是二進(jìn)制數(shù)，為了信號(hào)的匹配，計(jì)算機(jī)的輸入/輸出兩側(cè)分別帶有模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器：反饋量經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收了給定量和反饋量后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)中微處理器的各種指令，就能對(duì)該偏差值進(jìn)行運(yùn)算(如PID運(yùn)算)，再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，便完成了對(duì)被控制量的控制作用。第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可以歸納為以下四個(gè)方面：

(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，并且將采樣結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)。

(2)實(shí)時(shí)決策。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，或簡稱決策。

(3)實(shí)時(shí)控制。根據(jù)實(shí)時(shí)決策結(jié)果，適時(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。第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

上述幾個(gè)過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)能按一定的動(dòng)態(tài)(過渡過程)指標(biāo)進(jìn)行工作，且可對(duì)被控制量和設(shè)備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行監(jiān)督并迅速做出處理，這就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最基本的功能。

控制過程中的實(shí)時(shí)概念，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間(采樣間隔)內(nèi)完成。如果計(jì)算機(jī)能夠在工藝要求的時(shí)間范圍內(nèi)及時(shí)對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行測量、計(jì)算和控制輸出，則稱為實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)控制的概念與工藝要求緊密相連，如快速變化的壓力對(duì)象的實(shí)時(shí)控制時(shí)間要比緩慢變化的溫度對(duì)象的實(shí)時(shí)控制時(shí)間短。第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

采用計(jì)算機(jī)控制具有下述優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點(diǎn)，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，比例、積分和微分系數(shù)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，而且可以在整個(gè)控制范圍內(nèi)實(shí)行多參數(shù)調(diào)節(jié)。

(2)使用靈活，便于實(shí)現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設(shè)備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設(shè)備的情況下逐步提高控制水平。

(3)具有增加控制回路而不會(huì)顯著地增加費(fèi)用的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)打印、制表、報(bào)警、顯示等附加功能。

模擬控制系統(tǒng)是連續(xù)控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型用微分方程描述

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以分時(shí)方式對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制的，它以定時(shí)采樣和階段控制來代替常規(guī)調(diào)節(jié)裝置的連續(xù)檢測和連續(xù)控制，所以它是離散系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型用差分方程描述。離散系統(tǒng)是在連續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備、控制軟件和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)三大部分。硬件是指微機(jī)本身及其外圍設(shè)備，是微機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)；軟件是管理計(jì)算機(jī)的程序以及過程控制的應(yīng)用程序，是微機(jī)控制系統(tǒng)的靈魂；計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)各個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

在各種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，幾乎都是以微處理器為核心器件，因此計(jì)算機(jī)控制一般就是指微機(jī)控制系統(tǒng)。下面對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)各部分的功能進(jìn)行說明。

1.硬件硬件由主機(jī)、接口電路及外圍設(shè)備組成。不同的系統(tǒng)，所需硬件也不同，一般可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進(jìn)行擴(kuò)展?，F(xiàn)已生產(chǎn)出具有各種功能的插件板或功能模塊，可用標(biāo)準(zhǔn)總線連接起來，使用非常方便，PC總線構(gòu)成的各種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)等即屬此類。研華：/第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1)計(jì)算機(jī)主機(jī)

主機(jī)由CPU和存儲(chǔ)器構(gòu)成，是整個(gè)控制系統(tǒng)的指揮部。它自動(dòng)地對(duì)系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，通過過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，并且以信息的形式通過輸出通道及時(shí)發(fā)出有關(guān)的控制命令。第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2)接口與輸入/輸出通道在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息的傳遞和交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱過程通道，它是主機(jī)與被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的紐帶，是生產(chǎn)過程控制所特殊要求的。由于微機(jī)只能接收數(shù)字量，而一般的連續(xù)化生產(chǎn)過程大都是以模擬量為主，因此，為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，還必須把模擬量變成數(shù)字量，或者把數(shù)字量變成

模擬量。過程通道一般可分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道等。

第三十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

過程通道是不能直接由主機(jī)控制的，必須由“接口”來傳送相應(yīng)的信息和命令。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接口，根據(jù)應(yīng)用的不同，有各種不同的接口電路。這里講的接口是指通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口(包括中斷管理、直接存取DMA管理、計(jì)數(shù)/定時(shí)等)。工業(yè)接口卡按接口類型可分為PCI卡和ISA卡；按信號(hào)可分為：模擬量輸入和輸出卡、開關(guān)量輸入和輸出卡。第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

3)通用外圍設(shè)備

通用外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大主機(jī)的功能而設(shè)置的，通用外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。

(1)常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)等，主要用來輸入程序、數(shù)據(jù)和命令等。

(2)常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、記錄儀等。輸出設(shè)備將各種數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使其能夠了解過程控制的情況。

(3)存儲(chǔ)設(shè)備用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫和備份重要的數(shù)據(jù)，主要有磁盤、光盤等。第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

4)檢測元件及儀表

工業(yè)對(duì)象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器(又稱一次儀表)變換為等效的電信號(hào)。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，廣泛采用了各種檢測元件和儀表。

主要功能：把被檢測的參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)換為電量，如熱電偶把溫度變成mV信號(hào)，壓力變送器把壓力變成電信號(hào)等。這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平后再送入微機(jī)。

為了控制生產(chǎn)過程，還需要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)等形式。另外還有動(dòng)力電機(jī)和控制電機(jī)。

第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

5)操作臺(tái)

操作臺(tái)是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶。程序員使用它來輸入、修改和檢查程序。當(dāng)主機(jī)硬件發(fā)生故障時(shí)，維修人員可以利用此設(shè)備判斷故障。生產(chǎn)過程的操作人員必須了解控制臺(tái)的使用細(xì)節(jié)，否則會(huì)引起嚴(yán)重后果。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行操作一般具有如下設(shè)備：屏幕或數(shù)字顯示器、一組簡單的開關(guān)、數(shù)字鍵和功能鍵等。第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.軟件

軟件是指能完成各種功能的微機(jī)程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計(jì)算和自診斷程序等。因此，軟件是微機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件的質(zhì)量關(guān)系到計(jì)算機(jī)運(yùn)行和控制效果的好壞，以及硬件功能是否能夠充分發(fā)揮和推廣應(yīng)用。分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫。第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：一類稱為對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Peertopeer)；另一類稱為客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(Client/Server)。這種分類主要是按照網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系確定的。我們將網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能分為若干層次，從硬件開始一層層向上，越往上越靠近具體的應(yīng)用。層次劃分后，就可以定義低層(靠近硬件的層次)的功能是其上一層的Server，而上層的功能是其下一層功能的Client。第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

如果在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中都具有從底層到高層的所有功能，那么這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是對(duì)等的，它們組成了一個(gè)Peertopeer結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。如果這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在功能層次上不同，就組成了一個(gè)Client/Server結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

必須指出的是，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)——現(xiàn)場總線技術(shù)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)場總線技術(shù)使自控系統(tǒng)與分散的生產(chǎn)設(shè)備具有了通信能力，并把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.2.3微機(jī)控制系統(tǒng)的分類

由于被控對(duì)象不同，工業(yè)生產(chǎn)過程及被測參數(shù)也千差萬別，因此由微機(jī)組成的控制系統(tǒng)也不盡相同。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類的方法很多，可以按照系統(tǒng)的功能分類，也可以按照系統(tǒng)控制規(guī)律分類，還可以按照控制方式分類。第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.按照功能對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類

1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)離不開數(shù)據(jù)的采集和處理。計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，主要是對(duì)大量的過程參數(shù)進(jìn)行定時(shí)巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警及對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。下圖是微機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)的典型框圖。第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

計(jì)算機(jī)在過程參數(shù)的測量和記錄中可以代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視。對(duì)大量的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的集中、加工和處理，可以預(yù)先存入各種工藝參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行參數(shù)的越限報(bào)警等工作，或者按要求定時(shí)制表、打印或?qū)?shù)據(jù)處理的結(jié)果記錄在外存儲(chǔ)器中，作為資料保存和供分析使用。第四十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl)是計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中最普遍和最基本的一種方式。DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)參加閉環(huán)控制過程，無需中間環(huán)節(jié)(調(diào)節(jié)器)。它用一臺(tái)微機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，將檢測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再根據(jù)規(guī)定的PID規(guī)律、模糊邏輯規(guī)律或直接數(shù)字方法等進(jìn)行控制運(yùn)算，最后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。其系統(tǒng)原理如圖所示。第五十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，而且不需要改變硬件，只需要通過改變軟件就可以有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。

缺點(diǎn)：給定值是預(yù)先設(shè)定的，這個(gè)給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改，因此無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。

第五十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一3)微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)

監(jiān)督控制SCC(SupervisoryComputerControl)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝信息和其他參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其他方法，自動(dòng)地改變模擬調(diào)節(jié)器或者DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(目標(biāo)如：最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。從這個(gè)角度上說，它的作用是改變給定值，所以又稱給定值控制SPC(SetPointComputerControl)。第五十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，同時(shí)還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等.監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式，如圖1―14所示。圖1―14SCC系統(tǒng)框圖第五十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器微機(jī)的作用是對(duì)各物理量進(jìn)行巡回檢測并接收管理命令，然后，按照一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算后，輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計(jì)算后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的。這樣，系統(tǒng)就可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷地改變給定值，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。第五十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(2)SCC+DDC系統(tǒng)

該系統(tǒng)為兩級(jí)微機(jī)控制系統(tǒng)，一級(jí)為監(jiān)督級(jí)SCC，二級(jí)為DDC。SCC的作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計(jì)算最佳給定值，它與DDC之間通過接口進(jìn)行信息聯(lián)系。直接數(shù)字控制器DDC用來把給定值與測量值(數(shù)字量)進(jìn)行比較，其偏差由DDC進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制作用。當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能。第五十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

4)分級(jí)控制系統(tǒng)除了直接數(shù)字控制和監(jiān)督控制以外，還包含了工廠級(jí)集中監(jiān)督微機(jī)和企業(yè)級(jí)經(jīng)營管理微機(jī)。在企業(yè)經(jīng)營管理中，除了管理生產(chǎn)過程的控制，還具有生產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟(jì)信息、計(jì)劃調(diào)度、產(chǎn)品訂貨和運(yùn)輸?shù)裙δ堋D1―15是一個(gè)分級(jí)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖。第五十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一圖1―15分級(jí)控制系統(tǒng)框圖第五十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

5)集散控制系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem,或稱分布式控制系統(tǒng))，采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，靈活地將控制設(shè)備、服務(wù)器、基礎(chǔ)自動(dòng)化單元等聯(lián)系在一起。從綜合自動(dòng)化角度出發(fā)，按功能分散、危險(xiǎn)分散、管理集中和應(yīng)用靈活等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高可靠性能，便于維修與更新。該系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖如圖1―16所示。第五十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

6)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)

由一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)(CC)和若干臺(tái)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)(SC)構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，中央計(jì)算機(jī)配置了齊全的各類外圍設(shè)備，各個(gè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)可以共享資源，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備以及其他資源可以得到充分利用。。第五十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.按照控制規(guī)律對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類

1)程序控制和順序控制

程序控制是指被控量按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)間的函數(shù)，如加熱爐的溫度控制。

順序控制則可以看作是程序控制的擴(kuò)展，在各個(gè)時(shí)期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。

2)比例―積分―微分控制(簡稱PID控制)

調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制一直是應(yīng)用最廣、最為廣大工程技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)。PID控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，因此無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器多數(shù)都使用PID控制規(guī)律。第六十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一3)有限拍控制

有限拍控制的性能指標(biāo)是調(diào)節(jié)時(shí)間最短，要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。4)復(fù)雜規(guī)律的控制

生產(chǎn)實(shí)踐中控制系統(tǒng)大量的隨機(jī)擾動(dòng),對(duì)于存在隨機(jī)擾動(dòng)、純滯后對(duì)象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達(dá)到滿意的性能指標(biāo)的，因此，針對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)際情況可以引進(jìn)各種復(fù)雜規(guī)律的控制，例如，串級(jí)控制，前饋控制，純滯后補(bǔ)償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制等。第六十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

5)智能控制

智能控制理論是一種把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科。智能控制理論可以看作是三個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或匯合，這三個(gè)理論領(lǐng)域是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制理論。智能控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大系統(tǒng)，是綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)。

當(dāng)然，還可以按照控制方式對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分類，這種分類方法和連續(xù)系統(tǒng)一樣，可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。本書主要討論的是閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論和方法以及閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。第六十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念

計(jì)算機(jī)控制實(shí)質(zhì)上是自動(dòng)控制技術(shù)與微機(jī)技術(shù)的結(jié)合。由于微機(jī)具有存儲(chǔ)大量信息的能力、強(qiáng)大的邏輯判斷功能以及快速運(yùn)算的本領(lǐng)，使微機(jī)控制能夠解決常規(guī)控制解決不了的難題，達(dá)到常規(guī)控制達(dá)不到的優(yōu)異