計(jì)算機(jī)控制概論

目錄

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

第一章計(jì)算機(jī)控制概論................................................1

1.1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述及發(fā)展概況..............................................1

1.2,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與工作原理...........................................2

1.2.1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成..................................................2

122、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)...................................................4

123、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)...................................................5

1.3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類......................................................6

1.4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例....................................................9

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

第二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)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(hào)的特性....................................................17

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

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

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

2.2.2、信號(hào)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(hào)的數(shù)字化過程.........................................................31

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

第三章計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(diǎn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能分析...................................................70

3.6.1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析.............................................71

3.6.2、采樣系統(tǒng)極點(diǎn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.....................................78

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

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

421、連續(xù)域-離散化設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)舉例.................................................93

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

4.3、解析設(shè)計(jì)法...............................................................97

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

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

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

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

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

441、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性.....................................104

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

ii

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

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

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

第五章計(jì)算機(jī)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(jìn)電機(jī)工作原理與控制技術(shù)..............................................145

6.2.1、步進(jìn)電機(jī)的工作原理...................................................145

6.2.2、步進(jìn)電機(jī)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(jì)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(jìn).......................................................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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總線技術(shù)......................................170

iii

8.1、計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線技術(shù).............................................................194

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

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

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

第九章微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)......................................202

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

9.2、關(guān)于微型機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)說明......................................204

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

9.4、設(shè)計(jì)舉例.................................................................209

附錄拉普拉斯變換和Z變換表........................錯(cuò)誤！未定義書簽。

IV

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

第一章計(jì)算機(jī)控制概論

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以自動(dòng)控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的，它的發(fā)展與計(jì)算機(jī)的發(fā)展是

密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)控制既是一門新興的學(xué)科，又與自動(dòng)控制存在著密切的關(guān)系。事實(shí)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(jì)算機(jī)的推廣和應(yīng)用，人們不斷總結(jié)，不

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

高的基礎(chǔ)上逐步趨向成熟。

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

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

用。數(shù)字計(jì)算機(jī)在自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，又常稱為數(shù)字控制。采用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字計(jì)算機(jī)參與控制，對(duì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)和它的主要優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(jì)等方面所帶來的問題。

1.1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述及發(fā)展概況

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是自動(dòng)控制理論與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

在世界第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)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(jì)算

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

由于當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)水平所限，將數(shù)字計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)的潛力不大。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的

迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制也出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的局面。

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

可將其大致分為下述幾個(gè)階段。

1.開創(chuàng)時(shí)期（1955-1962年）

1955年美國(guó)TRW航空公司與美國(guó)得克薩柯公司合作，開始對(duì)一個(gè)煉油廠的一臺(tái)聚合裝

置進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(gè)采用RW-300計(jì)

算機(jī)控制的聚合裝置系統(tǒng)，它對(duì)26個(gè)流量系統(tǒng)、72個(gè)溫度系統(tǒng)、3個(gè)壓力系統(tǒng)和3個(gè)成分系

統(tǒng)等進(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)控制奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)

了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。

但早期的計(jì)算機(jī)主要使用電子管，速度慢，體積龐大，價(jià)格昂貴，可靠性差，此時(shí)計(jì)算

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

和設(shè)定值的計(jì)算工作，控制計(jì)算機(jī)僅按監(jiān)督方式運(yùn)行，并要求集中承擔(dān)多種任務(wù)。

2.直接數(shù)字控制時(shí)期（1962-1967年）

如前所述，前期控制計(jì)算機(jī)是按監(jiān)督方式運(yùn)行，此時(shí)仍需要常規(guī)的模擬控制設(shè)備。1962

年，英國(guó)的帝國(guó)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(tái)計(jì)算機(jī)

替代，可直接控制224個(gè)變量和129個(gè)閥門。山于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的監(jiān)督功能。采用DDC控

制與模擬控制相比有許多優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)展。

1

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

3.小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967-1972年）

20世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了重大進(jìn)展。計(jì)算機(jī)變得體積更小、速度更快、

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

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

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

4.微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972年至今）

在1972年之后，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)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(jià)格大幅度降低，對(duì)計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用產(chǎn)

生了深遠(yuǎn)的影響，使用微型處理器件參與控制，使計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的，應(yīng)用范圍涉及電力、過程控制、運(yùn)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(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展使計(jì)算機(jī)控制技術(shù)產(chǎn)生了一個(gè)新的飛躍，開創(chuàng)了許多新型計(jì)算機(jī)

控制系統(tǒng)的應(yīng)用。微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于控制整個(gè)工廠的方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的

影響，促使發(fā)展一種許多相關(guān)聯(lián)的微計(jì)算機(jī)組合、共同負(fù)擔(dān)工作負(fù)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(jí)輔助的站點(diǎn)，而所有的相互作用

則通過某種通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(gè)方面，并且使操作員可以使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能完成對(duì)整個(gè)

生產(chǎn)活動(dòng)的監(jiān)視和控制。

微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，促進(jìn)了許多新型計(jì)算機(jī)控制方式的發(fā)展。目前，嵌入式計(jì)算

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

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展除了依賴于計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展外，還依賴于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制軟件

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

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(jí)語言編寫實(shí)時(shí)控制程序，這

是今后繼續(xù)發(fā)展的方向。

1.2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與工作原理

計(jì)算機(jī)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(jī)實(shí)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(jì)算、引入邏輯

判斷和完成大量的計(jì)算。它還可以利用表格存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便積累系統(tǒng)特性的知識(shí)等。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)一樣，都是按誤差進(jìn)行控制的閉環(huán)負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。

1.2.1、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成、

特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。

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(dá)測(cè)出目標(biāo)的高低角、方位角和斜距，信號(hào)經(jīng)濾波后，由模擬式計(jì)算機(jī)計(jì)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(hào)。為了改善系統(tǒng)的動(dòng)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(cè)速反饋校正，同時(shí)利用邏輯電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制（如偏差過大時(shí)可斷開

主反饋，實(shí)現(xiàn)最大速度控制，當(dāng)偏差小于一定值后實(shí)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(shí)現(xiàn)。眾所周知，如將系統(tǒng)

中對(duì)信號(hào)的這種變換處理和工作狀態(tài)的邏輯管理由數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，將會(huì)變得十分方便，此

時(shí)，就形成了常規(guī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

2

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單說，若控制系統(tǒng)中的控制器功能由數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)完成，則稱該系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)控制

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

出連續(xù)的模擬信號(hào)給炮身的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除必須包含有數(shù)字計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，則可得如圖1-2所示計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

由上述實(shí)例可見，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由下述各部件組成。

(1).被控對(duì)象如火炮系統(tǒng)的火炮炮筒。

(2).執(zhí)行機(jī)構(gòu)如火炮系統(tǒng)中的直流電機(jī)。

(3).測(cè)量裝置火炮系統(tǒng)中采用的測(cè)量電位計(jì)和測(cè)速發(fā)電機(jī)。

(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(gè)信號(hào)源的信號(hào)，要由同一臺(tái)計(jì)算機(jī)或同一個(gè)通訊通

道處理時(shí)，需用多路開關(guān)按預(yù)定的順序把信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或通訊通道上，實(shí)現(xiàn)分

3

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

時(shí)處理。

(6).數(shù)字計(jì)算機(jī)(包括硬件和軟件)它在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中主要起控制器的作用，對(duì)信

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

務(wù)。計(jì)算機(jī)硬件除主機(jī)以外，還有輸入、輸出通道.人一機(jī)通訊設(shè)備和存儲(chǔ)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(jī)的作用是：對(duì)采集的

原始信號(hào)進(jìn)行濾波.計(jì)算給定值，計(jì)算偏差量，對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行加工處理，形成并

輸出控制信號(hào)，利用軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制，等等。

由于系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的測(cè)量。本書為了簡(jiǎn)單起見，在理論分析部分將認(rèn)

為信號(hào)均采用A/D及D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行變換。

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

?實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，即對(duì)被控量及指令信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入；

?實(shí)時(shí)決策，即按給定的算法，依采集的信息進(jìn)行控制行為的決策，生成控制指

令；

?實(shí)在控制，即根據(jù)決策適時(shí)地向被控對(duì)象發(fā)出控制信號(hào)。

若各部件用方框來表示，可畫出火炮位置計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖

122、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

數(shù)字計(jì)算機(jī)直接參與控制，因?yàn)閿?shù)字計(jì)算機(jī)工作的特殊性，相對(duì)連續(xù)控制系統(tǒng)來說，計(jì)

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

以歸納如下。

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

有數(shù)字部件一數(shù)字計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)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(hào)形式上的特點(diǎn)：連續(xù)系統(tǒng)中各點(diǎn)信號(hào)均為連續(xù)模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中

除有連續(xù)模擬信號(hào)外，還有離散模擬、數(shù)字.多種信號(hào)形式。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

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

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

續(xù)階梯形的模擬信號(hào)。圖中和4t3分別表示計(jì)算機(jī)輸入、運(yùn)算和輸出所花費(fèi)

的時(shí)間，把輸入到輸出所花費(fèi)的時(shí)間(即△t|+4t2+4t3)稱為計(jì)算時(shí)延。

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

控制規(guī)律

輸入A，,

運(yùn)算A，，

(3).信號(hào)傳遞時(shí)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(hào)的計(jì)算速度和傳遞

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

響應(yīng)，系統(tǒng)各點(diǎn)信號(hào)都是同一時(shí)刻的相應(yīng)值。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中就不同了，由

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

(4).工作方式上的特點(diǎn)連續(xù)系統(tǒng)中，一個(gè)控制回路配有一個(gè)控制器，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

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

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

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

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

其中為△□、At2>ats中的最大者。

表1T串行分時(shí)控制

k-1路輸入、運(yùn)算、輸出執(zhí)行

k路______________________輸入、運(yùn)算、輸出執(zhí)行

k+1路輸入、運(yùn)算、輸出執(zhí)行

表1-2并行分時(shí)控制

kT路輸入運(yùn)算輸出執(zhí)行

k路輸入運(yùn)算輸出執(zhí)行

k+1路輸入運(yùn)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(gè)控制回路,

因此必須有兩個(gè)不同的模擬控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理變換和控制指令生成。但在計(jì)算機(jī)控制系

統(tǒng)中，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可同時(shí)控制多個(gè)被控對(duì)象或被控量，即可為多個(gè)控制回路服務(wù)。同一臺(tái)計(jì)

算機(jī)可以采用串行或分時(shí)并行方式實(shí)現(xiàn)控制，每個(gè)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(jì)算機(jī)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(tái)

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)回路控制器的算法分別由軟件實(shí)現(xiàn)，控制指令可利用依次巡回串行輸

出，實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮高低角和方位角的控制。

1.2.3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

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(hù)操作等

5

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

優(yōu)點(diǎn)，但隨著生產(chǎn)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多變量復(fù)雜的控制，難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制等等。

計(jì)算機(jī)，特別是微處理機(jī)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(jì)算機(jī)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1.易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律

山于計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(chǔ)能力，

因此，容易實(shí)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(dá)

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

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性價(jià)比高

盡管一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最初投資較大，但增加一個(gè)控制回路的費(fèi)用卻很少。對(duì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的?

臺(tái)計(jì)算機(jī)卻可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律并可同時(shí)控制多個(gè)控制回路，因此，它的性能/價(jià)格比值較

高。

3.適應(yīng)性強(qiáng)靈活性高

由于計(jì)算機(jī)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(qiáng)，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(jì)算機(jī)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(jì)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(duì)象的控制，簡(jiǎn)化了

系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)省了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間。

4.系統(tǒng)測(cè)量靈敏度高

山于數(shù)字計(jì)算機(jī)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(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)更加敏感，可提高系統(tǒng)測(cè)量靈敏度。同時(shí)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(shí)現(xiàn)層次更高的自動(dòng)化

6.系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)能力高

模擬式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和故障診斷較為困難，但計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)則較方便，因此，提

高了系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。

與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)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(hào)復(fù)雜，給設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)帶來一定困難。但全面比較起來，

隨著對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)功能和性能要求的不斷提高，計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單的，還是復(fù)雜的，幾乎都采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

1.3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制的范疇，然而，一個(gè)計(jì)算機(jī)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(duì)生產(chǎn)過程中大量參數(shù)作巡回檢測(cè)、處理、分析、記錄以及參數(shù)的越限報(bào)

警。對(duì)大量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析以達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行各種趨勢(shì)分析。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)圖，如圖1-5所示。

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)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(jiǎn)稱DDC)系統(tǒng)直接用數(shù)字機(jī)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(jì)算機(jī)的

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)PID控制規(guī)律外，還能進(jìn)行多回路控制、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)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(jiǎn)稱SCC)系統(tǒng)在監(jiān)督控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)設(shè)定值控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)的輸出并不直接對(duì)被

控對(duì)象施加影響，而是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的各種有關(guān)變量的情況，經(jīng)過分析、計(jì)算來改

變控制器的設(shè)定值。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)

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(jì)算機(jī)在執(zhí)行監(jiān)督控制的同

時(shí)，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(shí)，監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)可

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

任務(wù)。

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

圖1-7監(jiān)督控制系統(tǒng)

(4)分級(jí)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(dòng)化和管理水平。

為此不僅要求計(jì)算機(jī)參與控制，而且也需要計(jì)算機(jī)完成生產(chǎn)管理任務(wù)。分級(jí)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(jí)集中監(jiān)督計(jì)算機(jī)和企業(yè)級(jí)經(jīng)

濟(jì)管理計(jì)算機(jī)等多個(gè)計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)分成很多相互聯(lián)系的層次，層次又稱為級(jí)，各

級(jí)都有自己的控制目標(biāo)，各級(jí)各類計(jì)算機(jī)之間使用高速通訊線路互相連接，及時(shí)溝

通信息，協(xié)調(diào)一致地進(jìn)行工作。

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

監(jiān)督級(jí)負(fù)責(zé)全車間生產(chǎn)協(xié)調(diào).包括安排生產(chǎn)計(jì)劃，備品備件等。工廠級(jí)根據(jù)企業(yè)下達(dá)的任務(wù)

和本廠實(shí)際情況，訂出生產(chǎn)計(jì)劃和短期任務(wù)安排，向各車間下達(dá)任務(wù)，再依據(jù)車間匯報(bào)定期

修訂廠級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃。企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào)，根據(jù)采購(gòu)、銷售、支出等安排總的生產(chǎn)

計(jì)劃.并進(jìn)行企業(yè)經(jīng)營(yíng)方向的決策。

用于生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)，特別是企業(yè)級(jí)的計(jì)算機(jī)應(yīng)具有較強(qiáng)的計(jì)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(kù)。

圖1-8分級(jí)控制系統(tǒng)

(5)集散型控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱TDC)分布式控制系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、顯示技

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

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

(6)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有一臺(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部設(shè)備，各個(gè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)可以共享其資源，結(jié)構(gòu)如

圖1-9所示。

圖1-9計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

2.按照控制規(guī)律計(jì)算機(jī)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(shí)間函數(shù)

變化的系統(tǒng)。也可以在各個(gè)時(shí)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(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。

(2)比例-枳分-微分控制(簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)間最短的一種控制規(guī)律。要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)盡

可能在最少幾個(gè)采樣周期內(nèi)完成控制過程。通常在數(shù)字隨動(dòng)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(jí)控制，前饋控制，純遲后補(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。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(jì)算，因此，往往需要尋找高效的控制算

法和高性能的計(jì)算機(jī)才能實(shí)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(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)。

1.4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例

計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，控制對(duì)象從小到大，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜?？梢允菃位芈?/p>

控制系統(tǒng)，也可以是多回路的負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)。

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

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)。

例1-1衛(wèi)星姿態(tài)控制

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

運(yùn)行中的衛(wèi)星經(jīng)常要求對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行控制，以使它的天線和傳感器相對(duì)于地球具有適當(dāng)

的方位。為此，計(jì)算機(jī)往往對(duì)三個(gè)軸分時(shí)地進(jìn)行姿態(tài)控制。圖1-10畫出了一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)情況。

假設(shè)只允許繞垂直于本書頁(yè)面的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)

力矩；6是衛(wèi)星軸相對(duì)于基準(zhǔn)線的角。

由運(yùn)動(dòng)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(dòng)(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(dòng)部分具有慣性轉(zhuǎn)矩J，由于直流驅(qū)

動(dòng)電機(jī)的反電勢(shì)及由于軸承和空氣動(dòng)力摩擦產(chǎn)生了阻尼，其阻尼系數(shù)為B,則運(yùn)動(dòng)方程為：

J0a+B0a+Tc+Td

式中：Tc是驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的純轉(zhuǎn)矩；Td是刮風(fēng)時(shí)的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

如果我們定義：B/J=a,u=Tc/B,w=Td/B,則方程化簡(jiǎn)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(dòng)(w(s)=0),則其傳遞函數(shù)為：

G(s)=幽=/

“⑸5(-+1)

a

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)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(shí)，過?？諝鈳ё叽罅繜崃?；也可防止當(dāng)空氣太少時(shí)，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(cè)得的爐溫送入計(jì)算機(jī)計(jì)

算，進(jìn)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(shí)從爐墻的

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

回路。測(cè)得的爐膛壓力送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)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(duì)爐子排出的廢氣進(jìn)行分析，一般是用氧化鋁傳感器測(cè)量煙氣中的微量氧，通過計(jì)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(jì)算機(jī)用作順序控制的例子

這是一個(gè)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(dá)到貯槽的一半；

(2)裝入原料B,使液面進(jìn)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(dòng)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(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，按照一定的順序重復(fù)進(jìn)行，完成原料混合和加熱控制。

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第一章計(jì)算機(jī)控制概論

圖1-13計(jì)算機(jī)順序控制

例1-5數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)

圖1-14是飛機(jī)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(cè)量飛機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。濾波器

采用低通濾波器，它將抑制傳感器輸出信號(hào)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(shí)，控制指令通過力傳感器、前置濾波器、分

時(shí)采樣、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中，與當(dāng)時(shí)的飛行姿態(tài)信息一起，按預(yù)定的算法進(jìn)

行計(jì)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(jī)構(gòu)（即舵機(jī)）操縱飛機(jī)舵面

偏轉(zhuǎn)，使飛機(jī)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(jī)單軸自動(dòng)駕駛儀多采樣周期的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中速度反饋和位置反

饋采用不同