計算機控制概論

目錄

目錄.............................................................I

第一章計算機控制概論................................................1

1.1、計算機控制系統(tǒng)概述及發(fā)展概況..............................................1

1.2,計算機控制系統(tǒng)的組成與工作原理...........................................2

1.2.1、計算機控制系統(tǒng)的組成..................................................2

122、計算機控制系統(tǒng)的特點...................................................4

123、計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點...................................................5

1.3、計算機控制系統(tǒng)的分類......................................................6

1.4、計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例....................................................9

習(xí)題與思考題...................................................................13

第二章計算機控制系統(tǒng)中信號轉(zhuǎn)換和處理..............................14

2.1、采樣過程及其數(shù)學(xué)描述.....................................................15

2.1.1、采樣過程..............................................................15

2.1.2、理想采樣信號的特性....................................................17

2.1.3、用理想采樣信號代替有限脈沖寬度采樣信號的條件........................22

2.2、信號的復(fù)現(xiàn)...............................................................25

2.2.1、信號復(fù)現(xiàn)的條件.......................................................25

2.2.2、信號的復(fù)現(xiàn)............................................................26

2.2.3、零階保持器............................................................27

2.2.4、一階保持器............................................................29

2.3、信號的數(shù)字化過程.........................................................31

習(xí)題與思考題...................................................................33

第三章計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.....................................34

3.1、Z變換及其性質(zhì)............................................................34

3.1.1、z變換定義.............................................................34

3.1.2、求z變換的方法........................................................35

3.1.3、求z反變換方法........................................................36

3.1.4、z變換的主要性質(zhì)......................................................37

3.1.5、廣義z變換............................................................39

3.2、脈沖傳遞函數(shù).............................................................41

3.2.1、脈沖傳遞函數(shù)定義.....................................................41

3.2.2、開環(huán)脈沖傳遞函數(shù).....................................................42

3.2.3、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)......................................................43

324、計算機控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù).........................................45

325、利用廣義z變換求采樣點間的信息........................................48

3.3、頻率特性..................................................................49

3.3.1、頻率特性定義..........................................................49

3.3.2、頻率特性求取方法.....................................................51

3.3.3、頻率特性的性質(zhì)........................................................54

3.4、差分方程..................................................................55

3.4.1、差分定義..............................................................55

3.4.2、差分方程..............................................................55

343、差分方程解法..........................................................56

3.5、離散狀態(tài)方程.............................................................57

351、離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述..................................................57

3.5.2、連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程離散化...............................................63

353、計算機控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述...........................................66

3.5.4、離散狀態(tài)方程求解.....................................................67

355、脈沖傳遞函數(shù)矩陣......................................................69

3.6、計算機控制系統(tǒng)性能分析...................................................70

3.6.1、計算機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析.............................................71

3.6.2、采樣系統(tǒng)極點分布與瞬態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系.................................73

3.6.3、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析.....................................................75

本章小結(jié).......................................................................77

第四章計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法.....................................78

4.1、引言......................................................................78

4.2,連續(xù)域-離散化設(shè)計.........................................................80

421、連續(xù)域-離散化設(shè)計的基本原理...........................................80

4.2.2>一階差分近似法........................................................82

4.2.3、脈沖響應(yīng)不變法........................................................84

4.2.4、階躍響應(yīng)不變法........................................................84

4.2.5、零極點匹配法..........................................................86

4.2.6、雙線性變換法..........................................................87

427、連續(xù)域-離散化設(shè)計舉例.................................................93

4.2.8、小結(jié)..................................................................96

4.3、解析設(shè)計法...............................................................97

431、解析設(shè)計法的概念及步驟................................................97

4.3.2、最少拍系統(tǒng)設(shè)計原則...................................................97

433、最少拍有波紋系統(tǒng)設(shè)計..................................................99

4.3.4、最少拍無波紋系統(tǒng)設(shè)計................................................101

4.4、狀態(tài)反饋和極點配置控制..................................................104

441、計算機控制系統(tǒng)的可控性和可觀測性.....................................104

4.4.2、狀態(tài)反饋控制對系統(tǒng)的影響............................................107

ii

443、單輸人單輸出系統(tǒng)的極點配置...........................................110

444、多輸入單輸出系統(tǒng)的極點配置..........................................113

習(xí)題與思考題..................................................................114

第五章計算機控制系統(tǒng)的過程通道....................................117

5.1、數(shù)字量輸入輸出通道......................................................117

5.1.1、數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)..............................................118

5.1.2、數(shù)字量輸入通道.......................................................119

5.1.3、數(shù)字量輸出通道.......................................................121

5.2、A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)..................................................123

5.2.1、A/D轉(zhuǎn)換器...........................................................123

5.2.2、A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)...................................................125

5.3、模擬量輸入通道..........................................................127

5.3.1、模擬量輸入通道的組成................................................127

5.3.2、I/V變換..............................................................128

5.3.3、多路轉(zhuǎn)換器...........................................................128

5.3.4、采樣保持器...........................................................129

5.4、D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)..................................................130

541、D/A轉(zhuǎn)換器...........................................................130

5.4.2、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)...................................................133

5.5、模擬量輸出通道..........................................................135

551、模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式.............................................136

5.5.2、單極性與雙極性電壓輸出電路..........................................136

5.5.3、V/I變換..............................................................137

第六章數(shù)字程序控制技術(shù)............................................139

6.1、開環(huán)數(shù)值控制.............................................................139

6.2、步進電機工作原理與控制技術(shù)..............................................145

6.2.1、步進電機的工作原理...................................................145

6.2.2、步進電機的控制原理..................................................149

第七章數(shù)字PID控制及其算法.......................................157

7.1、用連續(xù)域-離散化方法設(shè)計數(shù)字式PID控制器.................................157

7.1.1、模擬PID控制器的離散化..............................................157

7.1.2、位置式算法和增量式算法..............................................160

7.2、PID控制算法的改進.......................................................162

7.3、PID控制器參數(shù)的整定.....................................................166

習(xí)題與思考題..................................................................169

第八章計算機控制系統(tǒng)總線技術(shù)......................................170

iii

8.1、計算機總線概述..........................................................170

8.1.1、總線的定義及種類.....................................................170

8.1.2、常用的總線標(biāo)準(zhǔn).......................................................171

8.2、PC局部總線..............................................................173

8.2.1、ISA總線..............................................................173

8.2.2、PCI總線.............................................................175

8.2.3、PC/104總線..........................................................184

8.3、串行通訊總線.............................................................186

8.3.1、串行通信的基本概念...................................................186

8.3.2、RS-232總線..........................................................190

8.3.3、RS-485總線...........................................................194

8.4、現(xiàn)場總線技術(shù).............................................................194

8.4.1、現(xiàn)場總線的概念.......................................................195

8.4.2、現(xiàn)場總線的發(fā)展.......................................................196

8.4.3、幾種流行的現(xiàn)場總線...................................................197

第九章微機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)......................................202

9.1、系統(tǒng)設(shè)計原則與步驟......................................................202

9.2、關(guān)于微型機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計詳細說明......................................204

9.3、微型機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計..................................................208

9.4、設(shè)計舉例.................................................................209

附錄拉普拉斯變換和Z變換表........................錯誤！未定義書簽。

IV

計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

第一章計算機控制概論

計算機控制系統(tǒng)是以自動控制理論與計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的，它的發(fā)展與計算機的發(fā)展是

密切相關(guān)的。計算機控制既是一門新興的學(xué)科，又與自動控制存在著密切的關(guān)系。事實上，

早在50年代就已經(jīng)有了采樣系統(tǒng)的控制理論，隨著計算機的推廣和應(yīng)用，人們不斷總結(jié)，不

斷提高，逐步形成了計算機控制理論，而計算機控制系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法也在不斷提

高的基礎(chǔ)上逐步趨向成熟。

數(shù)字計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，在科學(xué)技術(shù)上引起了一場深刻的革命。數(shù)字計算機不僅在科

學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，而且在自動控制領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)

用。數(shù)字計算機在自動控制中的基本應(yīng)用就是直接參與控制，承擔(dān)控制系統(tǒng)中控制器的任務(wù),

從而形成計算機控制系統(tǒng)，又常稱為數(shù)字控制。采用數(shù)字計算機對系統(tǒng)進行控制，不僅在工

業(yè)交通、農(nóng)業(yè)、軍事等部門得到了廣泛應(yīng)用，而且開始在經(jīng)濟管理等領(lǐng)域得到應(yīng)用。與常規(guī)

模擬式控制系統(tǒng)相比，計算機控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點。數(shù)字計算機參與控制，對控制系統(tǒng)的

性能、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及控制理論等多方面都產(chǎn)生了極為深刻的影響。本章將概要地說明什么

是計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)的組成、特點和它的主要優(yōu)點，同時也將概括說明它的

主要應(yīng)用方式以及在系統(tǒng)理論、系統(tǒng)設(shè)計等方面所帶來的問題。

1.1、計算機控制系統(tǒng)概述及發(fā)展概況

計算機控制技術(shù)是自動控制理論與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的發(fā)展離不開控制理論

特別是計算機技術(shù)的發(fā)展。

在世界第一臺數(shù)字計算機于1946年誕生之后，于20世紀(jì)50年代初就產(chǎn)生了將數(shù)字計算

機用于控制的思想，最初的研究是力圖將數(shù)字計算機用于導(dǎo)彈與飛機的控制。但研究表明，

由于當(dāng)時數(shù)字計算機水平所限，將數(shù)字計算機用于控制系統(tǒng)的潛力不大。伴隨計算機技術(shù)的

迅猛發(fā)展，計算機控制也出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的局面。

計算機控制技術(shù)的發(fā)展更多地是依賴于計算機硬件的發(fā)展，依據(jù)計算機硬件的發(fā)展?fàn)顩r,

可將其大致分為下述幾個階段。

1.開創(chuàng)時期（1955-1962年）

1955年美國TRW航空公司與美國得克薩柯公司合作，開始對一個煉油廠的一臺聚合裝

置進行計算機過程控制的研究。經(jīng)過3年的努力，1959年初研制成功了一個采用RW-300計

算機控制的聚合裝置系統(tǒng)，它對26個流量系統(tǒng)、72個溫度系統(tǒng)、3個壓力系統(tǒng)和3個成分系

統(tǒng)等進行控制。該系統(tǒng)的基本功能是保證反應(yīng)器的壓力最小，實現(xiàn)反應(yīng)器供料的最佳分配，

控制熱水流入量，確定最佳循環(huán)。TRW公司的開創(chuàng)性工作，為計算機控制奠定了基礎(chǔ)，推動

了計算機控制技術(shù)的發(fā)展。

但早期的計算機主要使用電子管，速度慢，體積龐大，價格昂貴，可靠性差，此時計算

機還難于直接參與系統(tǒng)的閉環(huán)控制。計算機的主要任務(wù)是尋求最佳運行條件，從事操作指導(dǎo)

和設(shè)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(dān)多種任務(wù)。

2.直接數(shù)字控制時期（1962-1967年）

如前所述，前期控制計算機是按監(jiān)督方式運行，此時仍需要常規(guī)的模擬控制設(shè)備。1962

年，英國的帝國化學(xué)工業(yè)公司研制了?種裝置，其過程控制中的全部模擬儀表由一臺計算機

替代，可直接控制224個變量和129個閥門。山于計算機直接控制被控過程的變量，取代了

原來的模擬控制，因而被稱為直接數(shù)字控制（DDC）。DDC系統(tǒng)是計算機控制技術(shù)發(fā)展方向

的重大變革，這種系統(tǒng)關(guān)注的是控制功能，而不是早期控制計算機的監(jiān)督功能。采用DDC控

制與模擬控制相比有許多優(yōu)點，盡管DDC系統(tǒng)比模擬系統(tǒng)更加昂貴，但DDC的概念很快為

人們所接受。在1962-1965年間，DDC系統(tǒng)研究與開發(fā)取得了顯著進展。

1

計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

3.小型計算機時期（1967-1972年）

20世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機技術(shù)取得了重大進展。計算機變得體積更小、速度更快、

更加可靠和更加便宜。在這段時期內(nèi)，出現(xiàn)了適合工業(yè)控制的多種類型的小型計算機，從而

使得計算機控制系統(tǒng)不再是大型企業(yè)的工程項目，許多小型工程項目、設(shè)備和課題也有可能

采用計算機控制系統(tǒng)。小型計算機的出現(xiàn)，使過程控制用計算機的數(shù)目迅速增加。

4.微型計算機時期（1972年至今）

在1972年之后，微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，推動計算機控制進入了嶄新的發(fā)展階段。20

世紀(jì)80年代以后，微型處理器件得到了迅速發(fā)展，價格大幅度降低，對計算機控制的應(yīng)用產(chǎn)

生了深遠的影響，使用微型處理器件參與控制，使計算機控制系統(tǒng)得到更為普及的應(yīng)用。今

天所有的控制器均是以計算機為基礎(chǔ)的，應(yīng)用范圍涉及電力、過程控制、運輸以及娛樂、日

用電氣產(chǎn)品等生產(chǎn)和分配全部領(lǐng)域。

5.集散型控制

微型計算機的迅速發(fā)展使計算機控制技術(shù)產(chǎn)生了一個新的飛躍，開創(chuàng)了許多新型計算機

控制系統(tǒng)的應(yīng)用。微型計算機的迅速發(fā)展對計算機應(yīng)用于控制整個工廠的方式產(chǎn)生了深遠的

影響，促使發(fā)展一種許多相關(guān)聯(lián)的微計算機組合、共同負擔(dān)工作負荷的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常

包括控制過程的控制站，具有操作監(jiān)視作用的操作站和各級輔助的站點，而所有的相互作用

則通過某種通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，形成了目前得到廣泛應(yīng)用的集成分散型控制系統(tǒng)。今天的集成分

散型控制系統(tǒng)能夠控制生產(chǎn)的各個方面，并且使操作員可以使用一臺計算機就能完成對整個

生產(chǎn)活動的監(jiān)視和控制。

微型計算機的發(fā)展和普及，促進了許多新型計算機控制方式的發(fā)展。目前，嵌入式計算

機控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計算機控制以及許多專用控制器都得到了迅速的發(fā)展。

計算機控制技術(shù)的發(fā)展除了依賴于計算機硬件的發(fā)展外，還依賴于計算機實時控制軟件

的進展。但不幸的是，過去幾十年軟件生產(chǎn)的進展不大。20世紀(jì)80年代以前，許多計算機

控制系統(tǒng)的軟件主要采用匯編語言編寫。目前，已廣泛采用高級語言編寫實時控制程序，這

是今后繼續(xù)發(fā)展的方向。

1.2、計算機控制系統(tǒng)的組成與工作原理

計算機在控制系統(tǒng)中主要承擔(dān)控制器的任務(wù)，亦即系統(tǒng)中控制規(guī)律是由數(shù)字機實現(xiàn)。所

以使用控制規(guī)律的種類就能大量增多，例如，它不難在控制器中采用非線性計算、引入邏輯

判斷和完成大量的計算。它還可以利用表格存儲數(shù)據(jù)，以便積累系統(tǒng)特性的知識等。

計算機控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)一樣，都是按誤差進行控制的閉環(huán)負反饋的控制系統(tǒng)。

1.2.1、計算機控制系統(tǒng)的組成

本節(jié)中將通過常規(guī)模擬式系統(tǒng)引出計算機控制系統(tǒng)，并介紹計算機控制系統(tǒng)的基本組成、

特點和優(yōu)點。

圖1-1是一典型模擬式火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖。

由雷達測出目標(biāo)的高低角、方位角和斜距，信號經(jīng)濾波后，由模擬式計算機計算出伺服

系統(tǒng)高低角和方位角的控制指令，分別加到炮身的高低角和方位角伺服系統(tǒng)，使炮身跟蹤指

令信號。為了改善系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，高低角和方位角伺服系統(tǒng)各自采用了有源串聯(lián)校

正網(wǎng)絡(luò)和測速反饋校正，同時利用邏輯電路實現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制（如偏差過大時可斷開

主反饋，實現(xiàn)最大速度控制，當(dāng)偏差小于一定值后實現(xiàn)精確位置控制）.如果系統(tǒng)復(fù)雜，校正

網(wǎng)絡(luò)及工作狀態(tài)的邏輯控制也將變得很復(fù)雜，用模擬網(wǎng)絡(luò)將難以實現(xiàn)。眾所周知，如將系統(tǒng)

中對信號的這種變換處理和工作狀態(tài)的邏輯管理由數(shù)字計算機實現(xiàn)，將會變得十分方便，此

時，就形成了常規(guī)的計算機控制系統(tǒng)。

2

計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

圖1-1典型模擬式火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖

簡單說，若控制系統(tǒng)中的控制器功能由數(shù)字計算機實時完成，則稱該系統(tǒng)為計算機控制

系統(tǒng)。由于數(shù)字計算機工作的特點，為了使數(shù)字計算機能接收模擬式指令或反饋信號，并輸

出連續(xù)的模擬信號給炮身的驅(qū)動電機，計算機控制系統(tǒng)中除必須包含有數(shù)字計算機外，還需

要加入必要的外部設(shè)備，如模數(shù)(A/D)、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器。如將模擬式火炮位置伺服系統(tǒng)改

造為計算機控制系統(tǒng)，則可得如圖1-2所示計算機控制系統(tǒng)。

由上述實例可見，計算機控制系統(tǒng)主要由下述各部件組成。

(1).被控對象如火炮系統(tǒng)的火炮炮筒。

(2).執(zhí)行機構(gòu)如火炮系統(tǒng)中的直流電機。

(3).測量裝置火炮系統(tǒng)中采用的測量電位計和測速發(fā)電機。

(4).模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)一模轉(zhuǎn)換器(D/A),

(5).多路傳輸器(多路開關(guān))當(dāng)幾個信號源的信號，要由同一臺計算機或同一個通訊通

道處理時，需用多路開關(guān)按預(yù)定的順序把信號傳輸?shù)接嬎銠C或通訊通道上，實現(xiàn)分

3

計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

時處理。

(6).數(shù)字計算機(包括硬件和軟件)它在計算機控制系統(tǒng)中主要起控制器的作用，對信

號進行加工，形成所需要的控制信號.其次它還能承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督、管理等任

務(wù)。計算機硬件除主機以外，還有輸入、輸出通道.人一機通訊設(shè)備和存儲器等外

部設(shè)備。其軟件包含有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等。本例中數(shù)字機的作用是：對采集的

原始信號進行濾波.計算給定值，計算偏差量，對偏差信號進行加工處理，形成并

輸出控制信號，利用軟件對系統(tǒng)進行邏輯控制，等等。

由于系統(tǒng)實現(xiàn)方案的差異，有些系統(tǒng)并不一定采用A/D或D/A類型的轉(zhuǎn)換設(shè)備，例如，

有些系統(tǒng)直接利用數(shù)字碼盤實現(xiàn)反饋信號的測量。本書為了簡單起見，在理論分析部分將認

為信號均采用A/D及D/A轉(zhuǎn)換器進行變換。

從本質(zhì)上來看，計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以歸結(jié)為：

?實時數(shù)據(jù)采集，即對被控量及指令信號的瞬時值進行檢測和輸入；

?實時決策，即按給定的算法，依采集的信息進行控制行為的決策，生成控制指

令；

?實在控制，即根據(jù)決策適時地向被控對象發(fā)出控制信號。

若各部件用方框來表示，可畫出火炮位置計算機控制系統(tǒng)的方框圖，如圖1-3所示。系

統(tǒng)的控制目標(biāo)和性能要求與連續(xù)模擬控制系統(tǒng)類似。如同連續(xù)控制制系統(tǒng)一樣，計算機控制

系統(tǒng)亦可分為閉環(huán)捽制、開環(huán)控制以及復(fù)合控制等不同的控制類型。

圖1-3火炮位置計算機控制系統(tǒng)方塊圖

122、計算機控制系統(tǒng)的特點

數(shù)字計算機直接參與控制，因為數(shù)字計算機工作的特殊性，相對連續(xù)控制系統(tǒng)來說，計

算機控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號特征以及工作方式等方面都具有一些特點。主要特點大致可

以歸納如下。

(1).結(jié)構(gòu)上的特點：連續(xù)系統(tǒng)中的主要裝置均為模擬部件，而計算機控制系統(tǒng)必須包含

有數(shù)字部件一數(shù)字計算機。計算機控制系統(tǒng)通常是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。若

系統(tǒng)中都是數(shù)字部件，則稱為全數(shù)字控制系統(tǒng)。

(2).信號形式上的特點：連續(xù)系統(tǒng)中各點信號均為連續(xù)模擬信號，而計算機控制系統(tǒng)中

除有連續(xù)模擬信號外，還有離散模擬、數(shù)字.多種信號形式。計算機控制系統(tǒng)

中，就數(shù)字計算機的輸入、輸出信號的傳遞過程及其信號變換形式，如圖1-6所示。

圖中r(t)為連續(xù)模擬信號，r*⑴,u*(t)為離散模擬信號，r(k),u(k)為數(shù)字信號，5,⑴為連

續(xù)階梯形的模擬信號。圖中和4t3分別表示計算機輸入、運算和輸出所花費

的時間，把輸入到輸出所花費的時間(即△t|+4t2+4t3)稱為計算時延。

4

計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

控制規(guī)律

輸入A，,

運算A，，

(3).信號傳遞時間上的差異連續(xù)系統(tǒng)中(除純延遲環(huán)節(jié)外)模擬信號的計算速度和傳遞

速度都極快，可以認為是瞬時完成的，即該時刻的系統(tǒng)輸出反映了同一時刻的輸入

響應(yīng)，系統(tǒng)各點信號都是同一時刻的相應(yīng)值。而在計算機控制系統(tǒng)中就不同了，由

于存在“計算時延”，因此，系統(tǒng)的輸出與輸入不是在同一時刻的相應(yīng)值。

(4).工作方式上的特點連續(xù)系統(tǒng)中，一個控制回路配有一個控制器，而計算機控制系統(tǒng)

中，一個控制器(數(shù)字計算機)通?？梢酝瑫r為多個控制回路服務(wù)。它利用依次巡

回方法實現(xiàn)多路控制，表1-1為串行分時控制的巡回控制。如n個相同回路巡回一

次所需時間為n(△t|+ZM2+4t3)。為了節(jié)省巡回時間，充分發(fā)揮硬件作用，一般采

用并行分時控制，如表1-2所示。其n個相同回路巡回一次所需時間為(n+2)At,

其中為△□、At2>ats中的最大者。

表1T串行分時控制

k-1路輸入、運算、輸出執(zhí)行

k路______________________輸入、運算、輸出執(zhí)行

k+1路輸入、運算、輸出執(zhí)行

表1-2并行分時控制

kT路輸入運算輸出執(zhí)行

k路輸入運算輸出執(zhí)行

k+1路輸入運算輸出1執(zhí)行

例如在模擬式火炮位置控制系統(tǒng)中，同被控火炮的高低角和方位角形成兩個控制回路,

因此必須有兩個不同的模擬控制器實現(xiàn)信號的處理變換和控制指令生成。但在計算機控制系

統(tǒng)中，一臺計算機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(wù)。同一臺計

算機可以采用串行或分時并行方式實現(xiàn)控制，每個控制回路的控制方式由軟件來形成。如圖

1-2所示，火炮位置計算機控制系統(tǒng)中高低角和方位角兩套何服控制回路的控制器均由同一臺

計算機硬件實現(xiàn)。兩個回路控制器的算法分別由軟件實現(xiàn)，控制指令可利用依次巡回串行輸

出，實現(xiàn)對火炮高低角和方位角的控制。

1.2.3、計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點

盡管山常規(guī)儀表組成的連續(xù)控制系統(tǒng)已獲得了廣泛的應(yīng)用，并具有可靠、易維護操作等

5

計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

優(yōu)點，但隨著生產(chǎn)的發(fā)展、技術(shù)的進步，對自動化的要求越來越高，這種常規(guī)連續(xù)控制系統(tǒng)

的應(yīng)用受到了極大的限制。例如，難以實現(xiàn)多變量復(fù)雜的控制，難以實現(xiàn)自適應(yīng)控制等等。

計算機，特別是微處理機在控制中的廣泛應(yīng)用，給控制帶來了重大的影響。與連續(xù)系統(tǒng)相比,

計算機控制系統(tǒng)除了能完成常規(guī)連續(xù)控制系統(tǒng)的功能外，還表現(xiàn)了如下一些獨特的優(yōu)點。

1.易實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律

山于計算機的運算速度快、精度高、具有極豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲能力，

因此，容易實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制及各種智能控制等，從而可以達

到連續(xù)系統(tǒng)難于實現(xiàn)的要求，極大地提高系統(tǒng)性能。

2.計算機控制系統(tǒng)的性價比高

盡管一臺計算機系統(tǒng)最初投資較大，但增加一個控制回路的費用卻很少。對于連續(xù)系統(tǒng),

模擬硬件的成本幾乎和控制規(guī)律復(fù)雜程度、控制回路多少成正比；而計算機控制系統(tǒng)中的?

臺計算機卻可以實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律并可同時控制多個控制回路，因此，它的性能/價格比值較

高。

3.適應(yīng)性強靈活性高

由于計算機控制系統(tǒng)的控制算法是由軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，通過修改軟件或執(zhí)行不同的軟件

即可使系統(tǒng)具有不同性能，因此，它的適應(yīng)性強，靈活性高。如要改變系統(tǒng)控制規(guī)律，不必

像模擬式系統(tǒng)那樣改變控制器硬件結(jié)構(gòu)或參數(shù)，一般只需修改軟件即可。此外，計算機是一

種可編程的智能元件，易于修改系統(tǒng)功能利特性，構(gòu)成了一種柔性(彈性)系統(tǒng)。另外，一

套硬件設(shè)計可以適用于很多不同軟件的變型，用于不同產(chǎn)品生產(chǎn)過程和對象的控制，簡化了

系統(tǒng)設(shè)計，節(jié)省了系統(tǒng)設(shè)計時間。

4.系統(tǒng)測量靈敏度高

山于數(shù)字計算機參與控制，允許系統(tǒng)使用各種數(shù)字部件。例如使用數(shù)字式傳感器，系統(tǒng)

對微弱信號的檢測更加敏感，可提高系統(tǒng)測量靈敏度。同時系統(tǒng)可以利用數(shù)字通信來傳輸信

息。

5.控制與管理容易結(jié)合并實現(xiàn)層次更高的自動化

6.系統(tǒng)可靠性和容錯能力高

模擬式系統(tǒng)實現(xiàn)自動檢測和故障診斷較為困難，但計算機控制系統(tǒng)則較方便，因此，提

高了系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。

與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機控制系統(tǒng)也有一些缺點與不足。例如，抗干擾能力較低，

特別是由于系統(tǒng)中插入數(shù)字部件，信號復(fù)雜，給設(shè)計實現(xiàn)帶來一定困難。但全面比較起來，

隨著對自動控制系統(tǒng)功能和性能要求的不斷提高，計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)得越來越突

出?，F(xiàn)代的控制系統(tǒng)不管是簡單的，還是復(fù)雜的，幾乎都采用計算機進行控制。

1.3、計算機控制系統(tǒng)的分類

計算機控制系統(tǒng)的分類方法很多，可以按照系統(tǒng)的功能分類，也可以按照控制規(guī)律分類,

還可按控制方式分類。

1.按系統(tǒng)功能可分為

(1)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)盡管數(shù)據(jù)處理不屬于計算機控制的范疇，然而，一個計算機控制系統(tǒng)

離不開數(shù)據(jù)的采集和處理。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對生產(chǎn)過程中大量參數(shù)作巡回檢測、處理、分析、記錄以及參數(shù)的越限報

警。對大量參數(shù)進行實時分析以達到對生產(chǎn)過程進行各種趨勢分析。計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)圖，如圖1-5所示。

6

計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

圖1-5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

(2)直接數(shù)字控制(簡稱DDC)系統(tǒng)直接用數(shù)字機作為過程變量控制回路的控制器，這

種方式叫直接數(shù)字控制一DDC(DirectDigitalControl),如圖1-6所示。由于計算機的

特點與優(yōu)勢，除了能夠?qū)崿F(xiàn)PID控制規(guī)律外，還能進行多回路控制、前饋控制、純

滯后補償控制、多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)等復(fù)雜規(guī)律的控制。

圖1-6直接數(shù)字控制系統(tǒng)

(3)監(jiān)督控制(簡稱SCC)系統(tǒng)在監(jiān)督控制系統(tǒng)中，計算機的輸出用來直接改變模擬控

制器DDC的設(shè)定值，所以又叫做計算機設(shè)定值控制系統(tǒng)(簡稱SPC),它有兩種類

型：一種是SCC加模擬控制器的系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，計算機的輸出并不直接對被

控對象施加影響，而是根據(jù)現(xiàn)場測得的各種有關(guān)變量的情況，經(jīng)過分析、計算來改

變控制器的設(shè)定值。計算機只監(jiān)視模擬控制器的工作情況，修改給定值.因而稱為

監(jiān)督控制系統(tǒng)，如圖1-7所示。另一種是SCC加數(shù)字控制器的系統(tǒng)，系統(tǒng)中計算機

的輸出直接改變數(shù)字控制器的設(shè)定值，往往在系統(tǒng)中，計算機在執(zhí)行監(jiān)督控制的同

時，也兼完成直接數(shù)字控制任務(wù).

監(jiān)督控制可以提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)模擬或DDC控制器發(fā)生故障時，監(jiān)督控制計算機可

以代替前者完成操作任務(wù)；當(dāng)監(jiān)督控制計算機發(fā)生故障時，模擬或DDC控制器又能獨立執(zhí)行

任務(wù)。

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計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

圖1-7監(jiān)督控制系統(tǒng)

(4)分級控制系統(tǒng)隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，急需提高生產(chǎn)過程的自動化和管理水平。

為此不僅要求計算機參與控制，而且也需要計算機完成生產(chǎn)管理任務(wù)。分級控制系

統(tǒng)中，除了直接數(shù)字控制和監(jiān)督控制外，還包含工廠級集中監(jiān)督計算機和企業(yè)級經(jīng)

濟管理計算機等多個計算機整個系統(tǒng)分成很多相互聯(lián)系的層次，層次又稱為級，各

級都有自己的控制目標(biāo)，各級各類計算機之間使用高速通訊線路互相連接，及時溝

通信息，協(xié)調(diào)一致地進行工作。

分級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。系統(tǒng)中裝置級為最底層，進行直接數(shù)字控制；車間

監(jiān)督級負責(zé)全車間生產(chǎn)協(xié)調(diào).包括安排生產(chǎn)計劃，備品備件等。工廠級根據(jù)企業(yè)下達的任務(wù)

和本廠實際情況，訂出生產(chǎn)計劃和短期任務(wù)安排，向各車間下達任務(wù)，再依據(jù)車間匯報定期

修訂廠級生產(chǎn)計劃。企業(yè)經(jīng)營管理級負責(zé)總的協(xié)調(diào)，根據(jù)采購、銷售、支出等安排總的生產(chǎn)

計劃.并進行企業(yè)經(jīng)營方向的決策。

用于生產(chǎn)管理的計算機，特別是企業(yè)級的計算機應(yīng)具有較強的計算和數(shù)據(jù)處理能力，適

當(dāng)?shù)膬?nèi)、外存容量。一般還應(yīng)配備數(shù)據(jù)庫。

圖1-8分級控制系統(tǒng)

(5)集散型控制系統(tǒng)(簡稱TDC)分布式控制系統(tǒng)是集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、顯示技

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計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

術(shù)和控制技術(shù)于一體的新型計算機控制系統(tǒng)，其概況已在本章一開始作了介紹。

(6)計算機網(wǎng)絡(luò)有一臺中央計算機(CC)和若干臺衛(wèi)星計算機(SC)構(gòu)成計算機網(wǎng)絡(luò)，

中央計算機配置了齊全的各類外部設(shè)備，各個衛(wèi)星計算機可以共享其資源，結(jié)構(gòu)如

圖1-9所示。

圖1-9計算機網(wǎng)絡(luò)

2.按照控制規(guī)律計算機控制系統(tǒng)可分為

(1)程序控制在這種系統(tǒng)中其控制率是，使被控量按照一定的，預(yù)先規(guī)定的時間函數(shù)

變化的系統(tǒng)。也可以在各個時間段而給出的設(shè)定值是不同的物理量，而且設(shè)定值的

給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。

(2)比例-枳分-微分控制(簡稱PID控制)PID控制，不只是在過去而且在現(xiàn)在仍然是

應(yīng)用最廣，最為廣大工程技術(shù)人員熟悉的技術(shù)。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整。

(3)最少拍控制最少拍控制是使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間最短的一種控制規(guī)律。要求設(shè)計的系統(tǒng)盡

可能在最少幾個采樣周期內(nèi)完成控制過程。通常在數(shù)字隨動系統(tǒng)中使用。

(4)復(fù)雜規(guī)律的控制復(fù)雜規(guī)律的控制包括串級控制，前饋控制，純遲后補償控制，多

變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制等。特別要指出的是最優(yōu)控制、自適

應(yīng)控制以及自學(xué)習(xí)控制都需用繁雜的數(shù)學(xué)計算，因此，往往需要尋找高效的控制算

法和高性能的計算機才能實現(xiàn)這些復(fù)雜規(guī)律的控制。

(5)智能控制和模糊控制智能控制理論和模糊控制理論是分別把先進的有關(guān)理論與解決

當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論相結(jié)合的學(xué)科分支。

3,按照控制方式分類

計算機暖制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制。

本書主要討論的是閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)的理論和方法以及閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)的分析和

設(shè)計。

1.4、計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例

計算機控制應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，控制對象從小到大，從簡單到復(fù)雜。可以是單回路

控制系統(tǒng)，也可以是多回路的負責(zé)控制系統(tǒng)。

本節(jié)中，將通過列舉一些計算機控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用例子，從而進?步掌握計算機控制

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及計算機控制的特點。

例1-1衛(wèi)星姿態(tài)控制

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計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

運行中的衛(wèi)星經(jīng)常要求對其姿態(tài)進行控制，以使它的天線和傳感器相對于地球具有適當(dāng)

的方位。為此，計算機往往對三個軸分時地進行姿態(tài)控制。圖1-10畫出了一個軸的運動情況。

假設(shè)只允許繞垂直于本書頁面的軸進行旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的運動方程如下：

I0=Mc+MD

式中：I是衛(wèi)星圍繞其質(zhì)量中心的慣性矩；是由助推器加上的控制轉(zhuǎn)矩；是擾動

力矩；6是衛(wèi)星軸相對于基準(zhǔn)線的角。

由運動方程求傳遞函數(shù)：

令〃=Mc/1,wd=MD/1

可得不=〃+叼

，(s)=4[〃(s)+/(s)]

上式的拉氏變換為:

如果不考慮擾動(wd⑸=0),則其傳遞函數(shù)為：

「小外S)1

G(s)=----=—

〃(s)52

圖1-10衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)圖

例1-2天線方位控制伺服系統(tǒng)

衛(wèi)星跟蹤天線的仰角控制見圖1-11。假設(shè)天線及其可動部分具有慣性轉(zhuǎn)矩J，由于直流驅(qū)

動電機的反電勢及由于軸承和空氣動力摩擦產(chǎn)生了阻尼，其阻尼系數(shù)為B,則運動方程為：

J0a+B0a+Tc+Td

式中：Tc是驅(qū)動電機產(chǎn)生的純轉(zhuǎn)矩；Td是刮風(fēng)時的擾動轉(zhuǎn)矩。

如果我們定義：B/J=a,u=Tc/B,w=Td/B,則方程化簡為：

1k.

一O+9=w+w

aaa

其拉氏變換式為

(s)=——[〃(S)+w(5)]

sj)

a

如果不考慮擾動(w(s)=0),則其傳遞函數(shù)為：

G(s)=幽=/

“⑸5(-+1)

a

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計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

例1-3工業(yè)爐控制

工業(yè)爐控制的典型情況。為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值

恒定。它可以防止空氣太多時，過剩空氣帶走大量熱量；也可防止當(dāng)空氣太少時，由于燃料

燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧化碳或碳黑。為了保持所需的爐溫，將測得的爐溫送入計算機計

算，進而控制燃料和空氣閥門的開度。為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過低時從爐墻的

縫隙處吸入大量過?？諝?，或在壓力過高時大量燃料通過縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制

回路。測得的爐膛壓力送入計算機，進而控制煙道出口擋板的開度。為了提高爐子的熱效率,

還須對爐子排出的廢氣進行分析，一般是用氧化鋁傳感器測量煙氣中的微量氧，通過計算而

得出其熱效率，并用以指導(dǎo)燃燒控制。

圖1-12工業(yè)爐的典型控制

例1-4計算機用作順序控制的例子

這是一個原料混合和加熱的控制系統(tǒng)，該裝置的任務(wù)是：

(1)裝入原料A,使液面達到貯槽的一半；

(2)裝入原料B,使液面進一步升到百分之七十五；

(3)開始攪拌并加熱到95℃,在此恒定溫度上維持20min；

(4)停止攪拌和加熱，開動排料泵抽出混合液，一直到液位低于貯槽的5%為止。

上述過程山計算機自動控制，按照一定的順序重復(fù)進行，完成原料混合和加熱控制。

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計算機控制技術(shù)第一章計算機控制概論

圖1-13計算機順序控制

例1-5數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)

圖1-14是飛機單軸數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)的示意圖。圖中傳感器分別測量飛機姿態(tài)參數(shù)，

如俯仰角8、俯仰角速度往、法向加速度N“等。解調(diào)器將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。濾波器

采用低通濾波器，它將抑制傳感器輸出信號中夾雜的高頻噪聲。

該系統(tǒng)的工作過程：當(dāng)駕駛員操縱駕駛桿時，控制指令通過力傳感器、前置濾波器、分

時采樣、A/D轉(zhuǎn)換進入計算機。在計算機中，與當(dāng)時的飛行姿態(tài)信息一起，按預(yù)定的算法進

行計算；輸出控制規(guī)律，通過D/A轉(zhuǎn)換成連續(xù)控制規(guī)律，由執(zhí)行機構(gòu)（即舵機）操縱飛機舵面

偏轉(zhuǎn)，使飛機改變姿態(tài)，按駕駛指令規(guī)定的姿態(tài)和軌跡飛行。

圖1-15是飛機單軸自動駕駛儀多采樣周期的計算機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中速度反饋和位置反

饋采用不同