计算机控制系统第一章

1、1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成1.1.2 计算机控制系统特点计算机控制系统特点1.1.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点1.2 计算机控制系统的发展与应用计算机控制系统的发展与应用1.2.1 计算机控制系统发展概述计算机控制系统发展概述1.2.2 计算机控制系统应用与分类计算机控制系统应用与分类1.3 计算机控制系统的理论与设计问题计算机控制系统的理论与设计问题1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题1.3.2 计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与实现 图图1-1典型模拟式火炮位置控制系统典型模

2、拟式火炮位置控制系统的原理结构图的原理结构图图图1-2典型火炮位置计算机控制系统典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图的原理结构图(1) 被控对象：本例为火炮炮身；被控对象：本例为火炮炮身；(2) 执行机构：本例为直流电机；执行机构：本例为直流电机；(3) 测量装置：本例为测量电位计及测速电机；测量装置：本例为测量电位计及测速电机；(4) 指令给定装置：本例为火炮高低角及方位角的指令给定装置：本例为火炮高低角及方位角的指令生成装置；指令生成装置；(5) 计算机系统：包括下述主要部件：计算机系统：包括下述主要部件： A/D变换器；变换器； D/A变换器；变换器； 数字计算机（包括硬件及相应软件，

3、实现信号的变换数字计算机（包括硬件及相应软件，实现信号的变换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相应的控制指令）。应的控制指令）。1.1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 实时数据采集实时数据采集 对被控量及指令信号的瞬时值进行检测和输入；对被控量及指令信号的瞬时值进行检测和输入； 实时决策实时决策 按给定的算法，依采集的信息进行控制行为的决策，按给定的算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；生成控制指令； 实时控制实时控制 根据决策实时地向被控对象发出控制信号。根据决策实时地向被控对象发出控制信号。计算机控制系统的控制

4、过程计算机控制系统的控制过程 图图1-3 计算机控制系统的典型原理结计算机控制系统的典型原理结构图构图 1. 系统结构特点：系统结构特点：是由模拟与数字部件组成的混合系统。是由模拟与数字部件组成的混合系统。 2. 信号形式特点信号形式特点有多种（连续模拟、离散模拟、离散数字等）信号有多种（连续模拟、离散模拟、离散数字等）信号形式，是一种混合信号系统。形式，是一种混合信号系统。3. 系统工作方式特点系统工作方式特点可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制回路服务。同一台计算机可以采用串行或分时并制回路服务。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实

5、现控制，每个控制回路的控制方式由软件行方式实现控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。来形成。 1.1.2 计算机控制系统特点计算机控制系统特点1. 运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力，容易实现复杂的控制规能和大容量的存储能力，容易实现复杂的控制规律，极大地提高系统性能。律，极大地提高系统性能。2. 功能功能/价格的比值高。价格的比值高。3. 控制算法由软件程序实现，因此适应性强，灵活控制算法由软件程序实现，因此适应性强，灵活性高。性高。4. 可使用各种数字部件，从而提高系统测量灵敏度可使用各种数字部件，从而提高系统测量灵

6、敏度并可利用数字通信来传输信息。并可利用数字通信来传输信息。5. 使控制与管理更易结合，并实现层次更高的自动使控制与管理更易结合，并实现层次更高的自动化。化。6. 实现自动检测和故障诊断较为方便，故提高了系实现自动检测和故障诊断较为方便，故提高了系统的可靠性和容错及维修能力。统的可靠性和容错及维修能力。1.1.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点 缺点与不足：抗干扰能力较低。缺点与不足：抗干扰能力较低。1.2.1 计算机控制系统发展概述计算机控制系统发展概述1. 开创时期（开创时期（19551962年）年）主要任务是寻求最佳运行条件，从事操作指导和设定值的计主要任务是寻求最佳运行条件，从事

7、操作指导和设定值的计算工作，控制计算机仅按监督方式运行，并要求集中承担多算工作，控制计算机仅按监督方式运行，并要求集中承担多种任务。种任务。2. 直接数字控制直接数字控制(DDC)时期时期(19621967年年)DDC系统关注的是控制功能。系统关注的是控制功能。 3. 小型计算机时期小型计算机时期(19671972年年)出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。4. 微型计算机时期微型计算机时期(1972年年至今至今) 微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。5. 集散型控制集散型控制网络

8、技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。的控制方式。 1.2 计算机控制系统的发展与应用计算机控制系统的发展与应用应用应用1: 各种用途的机器人系统各种用途的机器人系统 1.2.2计算机控制系统应用与分类计算机控制系统应用与分类图图1-4 焊接机器人系统焊接机器人系统（核心为计算机控制系统（核心为计算机控制系统 ）图图1-5具有视觉器件的机器人示意图具有视觉器件的机器人示意图 应用应用2:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统 现代民用飞机座舱数字控制电子设备现代民用飞机座舱数

9、字控制电子设备 飞机飞行高度计算机控制系统飞机飞行高度计算机控制系统 应用应用3：现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现：现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统分散控制和集中监视系统图图1-9 分散控制集中管理的组成图分散控制集中管理的组成图1. 直接数字控制直接数字控制DDC(Direct Digital Control) 系统系统 分类：分类： 图图1-10 直接数字控制系统直接数字控制系统 2. 计算机监督控制计算机监督控制SCC(Supervise Control by Computer) 系统系统 分类：分类： 图图1-11 计算机监督控制系统计算机监督控制系统3.

10、 分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统DCS(Distributed Control System) 分类：分类： 图图1-12 分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统 (1) 若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统后，系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统后，它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。关。1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题图图1-13采样系统的时变特性采样系统的时变特性

11、 (2) 连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率的正弦信号，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信的正弦信号，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信号频率和采样周期有关，号频率和采样周期有关， 1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题图图1-14 计算机控制系统的正弦激励响应计算机控制系统的正弦激励响应 频率为频率为4.9 Hz的输入信号的输入信号 连续系统的输出连续系统的输出采样间隔时间为采样间隔时间为0.1 s时，则时，则会发生振荡周期为会发生振荡周期为10s的差拍的差拍现象。现象。 (3)尽管计算机控制系统特性

12、可以用连续控制系统理论解释，尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的。但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的。 例如，一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制例如，一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统时，若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不系统时，若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。可控。1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 (4)一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限的，因为它的响应是多个指数函数之和。的，因为它的响应

13、是多个指数函数之和。 计算机控制系统，通过设计却可以实现在有限的采样间计算机控制系统，通过设计却可以实现在有限的采样间隔内隔内(即有限时间内即有限时间内)达到稳态值，从而可以获得比连续系达到稳态值，从而可以获得比连续系统更好的性能。统更好的性能。 1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题图图1-15 有限调节时间系统有限调节时间系统 实线表示连续系统，实线表示连续系统，虚线是同一被控对象虚线是同一被控对象的计算机控制系统。的计算机控制系统。 (5)系统的稳定性也是值得关注的问题。系统的稳定性也是值得关注的问题。 对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放大系对闭环负反

14、馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的。数为任意值，系统均是稳定的。 从第从第4章的分析可以看到，当采样周期一定时，计算机控制系章的分析可以看到，当采样周期一定时，计算机控制系统的开环放大系数仅处于一定范围时，系统才能稳定统的开环放大系数仅处于一定范围时，系统才能稳定 。1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 计算机控制系统中还存在字长有限的问题。计算机控制系统中还存在字长有限的问题。 A/D或或D/A变换器、计算机内存及运算器的字长有限。变换器、计算机内存及运算器的字长有限。1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题图图1-16 字长有限引起的极限环字长有限引起的极限环图图1-17 计算机控制系统等效结构图计算机控制系统等效结构图 1.3.2 计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与实现计算机实际工程设计的设计方法计算机实际工程设计的设计方法 1.连续域设计连续域设计-离散化方法离散化方法将计算机控制系统看成是连续将计算机控制系统看成是连续系统，在