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计算机控制系统 （2013级研究生） 西安工程大学 陈增禄 2013-11-05 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. n指导思想与方法 n打好基础，尤其是理论基础 n着重系统观念、注意掌握方法 n整理知识体系，形成立体结构 n重在整体、重在过程 n寓系统观念及方法于小题目中 n蕴含潜力、体现层次、区别经验 n考试 n闭卷考试；重概念、重原理；计算简单 n12题，选做10题，每题10分；严格考试纪 律 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 第1章 计算机控制系统概述 n本章主要内容 u1.1 基本概念 u1.2 系统组成和特点 u1.3 发展历程及典型形式 u1.4 性能指标 u1.5 发展趋势 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.1计算机控制系统的基本概念 n 什么是计算机控制系统？ u由计算机实现控制的 “自动控制系统” u自动控制系统在无人直接参与的情况下，通过“机 器”实现某种控制规律，使得生产过程实时地按照设定 的规律实现预期的性能指标 u计算机控制系统大约可以分为两类： u动态控制系统本课程主要涉及理论基础、设计 方法等内容 u什么是动态系统？有什么基本特征？ u顺序控制系统本课程没有涉及 u计算机控制的动态系统中对计算机有两个基本要求： u实时性 u在线性 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. u实时性 u数字系统是以真实时间运行的数字控制器以 真实时间的节拍采集信息、运算、并输出控制量 u例如，计算机仿真是非实时的 u在线性 u数字控制系统是包括被控对象在内的整个系统中 不可瞬时或缺的组成部分 u例如一些计算机数据统计和分析决策系统就可 能不是在线的 n 计算机控制系统和（早期）自动控制系统二者的 区别见下表 n本课程研究哪些问题？下表中用“黄色”标出 n 本课程的特点 u强调：系统性、理论性 u研究：理论基础、动态设计、动态性能 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 早期自动控制系统计算机(自动)控制系统前续课程 理论 基础 (连续时间)自动控制原理 经典：高阶微分方程 现代：状态空间方程组 数学变换：Laplace变换 离散时间控制系统理论 经典：高阶差分方程 现代：状态空间差分方程组 数学变换：Z变换 自控原理 现代控制理论 复变函数 控制 策略 反馈、串并联校正、PID、 前馈补偿，等 反馈、离散串并联校正、PID、 前馈补偿，各种智能控制 同前 设计 工具 波特图、根轨迹、状态反馈 ，计算机仿真，等 间接设计、最小拍、离散状态反 馈，计算机仿真，等 同前， 计算机仿真 硬件 实现 气动、液压、模拟电路、数 字电路（分立器件），等 计算机（工控机、PLC、DSP、 单片机、FPGA / CPLD，等） 单片机原理、 PLC、DSP、 EDA、过程控制 信号 通道 模拟变送（电、气、液，等 ），多线分立并行 数字传送，串口、现场总线（控 制、通信网络）、光纤 接口技术、数据 通信与控制网络 系统 特点 结构复杂、精度差、灵活性 差，故障率高，等 结构简洁、精度高、灵活性好， 可靠性高、实现复杂控制规率， Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 本课程内容 n 第1章计算机控制系统概述 n 第2章计算机控制系统中的信号转换和处理 n 第3章线性离散系统的描述及分析 n 第4章状态空间分析法 n 第5章线性离散时间系统的直接设计法 n 第6章线性离散时间系统的间接设计法 n 第7章线性定常离散时间状态空间设计法 n 第8章计算机控制系统的抗干扰 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.2计算机控制系统的组成和特点 图1 计算机控制系统基本结构 二者之 联系通道 数据通道：输出：零阶保持（数模转换）；输入：模数转 换 连续时间， 模拟量 离散时间， 数字量 特点 数字控制器：控制计算机，控制输出通道，反馈输入通道 ，显示、报警、人机交互，等 被控对象：驱动器，执行机构，被控生产实体、或工艺过 程，检测、变送，等 系统组成 1 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 图2 计算机控 制系统的 组成框图 系统组成 2特点 硬件：电气与电子系统的 物理实体组成 不易修改 和升级 软件：信息处理规则，如 程序、代码，等 易修改， 灵活性好 系统组成 3特点 强电：功率变换 追求： 功率、效率、安全 弱电：信息处理 追求： 高速、智能、可靠 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.3计算机控制系统的发展历程及典型形式 n 本节所述“典型形式”或称“分类”，实际上是计算机控制 系统在其发展和完善过程的不同时期中，所具有的结构形式 。 1.3.1. 数据采集和处理（操作指导）系统 n 出现于开创性的早期上世纪5060年代，当时： n 数据实时采集，非实时处理；离线工作 n 计算机速度慢 n 加法：0.1ms数量级， n 乘法：1ms数量级 n 价格昂贵，体积大 n 采用电子管 n 可靠性差 n 平均无故障时间100小时数量级 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 图3 数据采集和监控系统 监监视、监测 控人工施控 n 因此，无法满足工业控制系统的实时性和在线性 n 计算机未参与控制，其工作限于： n 寻找最佳工作条件静态寻优 n 完成调度，产生生产计划 n 生成产量和成本报表 n 人工操作 n 采用模拟（气动、液压、少量电气仪表）调节 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.3.2 直接数字控制系统（DDC） n 一个革命性时期上世纪6070年代 n 随着计算机速度、价格、可靠性等性能的提高 其实当时的提高速度还是很有限的 n 一台计算机可以取代上百个模拟调节仪表，直接测量上百个变量 n 直接数字控制相对于“操作指导系统”而言 n DDC的优点 n 灵活性 重新编程取代了重新接线 便于回路之间相互约束及连锁 n 对于大型系统综合价格会低些 n DDC的缺点 n 典型的集中控制（价格太贵）计算机的可靠性至关重要 n 计算机故障，可能直接导致整个一条生产线瘫痪，这很致命 n 囿于计算能力很低，难以实现复杂控制 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. n 计算机真正参与了实时控制直接促进了以下领域的研究 ： n 离散控制系统理论 n 控制算法智能化 n 数组系统可靠性 n 当然还包括微电子集成电路技术，及信息技术 n 广泛的应用需求也极大的刺激了计算机科学的研究和发展 应用需求总是研究和生产的原动力 图4 直接数字控 制系统示意 框图 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.3.3 监督控制系统（SCC） n 并不是某一特定发展时期的产物，是一个系统构成形式 n 操作指导与DDC相结合 n SCC计算机实现数据采集和处理，并产生控制指令 可实现一定的智能寻优与控制 n DDC计算机实现闭环控制，也可以是模拟闭环控制 图5 监督控制系统 的结构形式 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.3.4. 分布式控制系统 （DCS ） n 也称为“集散控制系统”集中管理，分散控制 n 较复杂的多点（多回路）控制系统才有“分散”一说 n “分布式”与“分散”基本同义 n 分级控制系统决策级、管理级、监控级、现场级 n （一个）计算机集中控制，使得计算机故障后果严重 n 工业控制现场的控制输出、信号检测及变送等，使用大量的 模拟量及数字量信号线；使得布线量大、结构复杂 n 导致系统故障率高、灵活性差 n 计算机技术的发展导致出现微控制器，价格低、体积小，为 分散控制奠定了物质基础 n 一台管理（监督）计算机 + 若干台控制计算机 n 控制分散，使得系统性能提高；故障率下降；灵活性更大 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 图6 DCS结构示意图 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. n PLC上世纪70年代 n 由数字逻辑控制器取代用于逻辑和顺序控制的继电器系统 n 广泛应用于分布式控制系统中 n 单板机上世纪7080年代 n 一块印刷版上的最小计算机系统 n 单片机上世纪8090年代 n 一个芯片上的最小计算机系统 n Arm（Advanced RISC Machines ）上世纪90年代以来 n 精简指令集微处理器 n 嵌入式计算机不是由功能，而是由使用形式定义的 n 内置于某一具有特定控制或信息处理功能的设备之中，实现特定功 能微处理器 n 所有上述技术伴随着小型化和大幅降价大大促进 并奠定了计算机分布式和现场总线控制系统发展的基础 n 计算机进入了底层控制和检测的终端 n 促进了底层终端的智能化 n 也是现场总线（底层数字通信网络）发展的基础 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.3.5 现场总线控制系统 n 现场总线底层（工业现场）数据通信网络 n 近十多年的最新技术成果 n 在DCS的现场级采用现场总线取代分立的控制和检测信号线 n 更加简洁、可靠、灵活 n 现场总线技术蓬勃发展 n 统一国际总线标准 n 真正的开放式互联系统，积木式结构 图7 FCS控制系统 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 1.4计算机控制系统的性能指标 图9 过渡过程的4种情况 n 与运动控制系统中学习的“动态系统性能指 标”完全相同 n 不再赘述 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. n 研究动态模型复杂的计算机实时控制系统需要 详尽的系统（动态）模型 n催生了系统辨识由实时数据计算并更新被控对象的 动态模型 n 检测技术计算机实时控制需要准确的过程参数 n催生了数据融合技术 n 离散控制理论计算机实时控制系统设计的基石 n 智能控制理论和算法 n专家系统、模糊控制、神经网络、滑模及变结构控制、 非线性控制理论，等 n 分布式控制和现场总线技术 n 1.5计算机控制系统的发展趋势 Evaluation only.Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile . Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. n建议： n建一个“QQ群” n讲课的相关资料会及时上传“群共享” nPPT、Word文档 n