第1章计算机控制系统 绪论

1、长春理工大学长春理工大学1长春理工大学长春理工大学2课程性质与任务课程性质与任务: :性性 质：质：计算机控制技术是自动化专业一门计算机控制技术是自动化专业一门专业课专业课，实，实践性和应用性都很强，是计算机技术与工业生产过程践性和应用性都很强，是计算机技术与工业生产过程相结合的产物，其相结合的产物，其中心内容中心内容是计算机技术在工业生产是计算机技术在工业生产过程中的应用过程中的应用，即利用计算机实现工业生产的自动控，即利用计算机实现工业生产的自动控制，是信息技术基础课和专业基础的集成与应用。制，是信息技术基础课和专业基础的集成与应用。先修课：先修课：模电和数电、自控原理、微机原理、检测等。

2、模电和数电、自控原理、微机原理、检测等。任任 务务：掌握计算机控制系统的分析、设计和实现方法掌握计算机控制系统的分析、设计和实现方法 长春理工大学长春理工大学3课程定位自动化系的一门专业课，重点在于控制，计算机只是一个工具，不具体涉及计算机的内部操作。课程目的和要求 熟悉了解自动控制原理中的基础知识和计算机控制的基本方法。长春理工大学长春理工大学4俞光昀编著，计算机控制技术，电子工业出版社，1997年何克忠、李伟编著，计算机控制系统，清华大学出版社，1998年李正军编著，计算机控制系统，机械工业出版社，2004年 苗秀敏等编著，计算机控制系统及应用，北京科学技术出版社，1995年孙增圻编著，计

3、算机控制理论及应用，清华大学出版社，1992年 于海生等编著，微型计算机控制技术，清华大学出版社，1999年教材及参考书长春理工大学长春理工大学5如何学好？1 1、深刻理解基本理论知识、深刻理解基本理论知识2 2、掌握好的学习方法、掌握好的学习方法3 3、注重理论和工程实践的联系、注重理论和工程实践的联系往届同学都反映是比较难学的，原因有：往届同学都反映是比较难学的，原因有： 此课涉及到计算机技术、自动控制技术、过程控制和此课涉及到计算机技术、自动控制技术、过程控制和接口技术、程序设计、检测技术及仪表和工程技术、通讯接口技术、程序设计、检测技术及仪表和工程技术、通讯与网络技术、信号与系统等多方

4、面知识。课程内容比较杂与网络技术、信号与系统等多方面知识。课程内容比较杂乱，系统性较差，有些内容很抽象，限于实验条件，同学乱，系统性较差，有些内容很抽象，限于实验条件，同学们对实际系统感性认识差，而课程实践性又很强，不适应。们对实际系统感性认识差，而课程实践性又很强，不适应。长春理工大学长春理工大学6l课程总目标l学完本课程后，应具有以下能力：了解计算机控制系统的组成及工作原理；绘制计算机控制系统结构图；熟练掌握计算机控制系统设计的方法；熟悉控制系统应用程序设计方法；灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题。l学时安排l共56个学时，理论教学48学时，实验8学时。l评分标准l平时作业实验笔试

5、长春理工大学长春理工大学7l 常见的国内自动化类杂志v理论性较强的杂志：自动化学报、控制理论与应用、系统工程理论与实践、仪器仪表学报、模式识别与人工智能、电子学报等。v介于理论与应用之间的杂志：信息与控制、控制与决策、自动化仪表、工业自动化及仪表等。v技术性或应用性文章较多一点的杂志：化工自动化及仪表、冶金自动化、计算机测量与控制、工业控制计算机等等。长春理工大学长春理工大学8l常见的国外自动化类杂志uCOMPUTING & CONTROL ENGINEERING JOURNALuIEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROLuIEEE TRANSACTI

6、ONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGYuCONTROL AND INSTRUMENTATION uCONTROL ENGINEERINGuCONTROL ENGINEERING PRACTICEuAUTOMATICAuIEEE CONTROL SYSTEMS MAGAZINE9计算机控制系统第第1 1章章 计算机控制导论计算机控制导论 长春理工大学长春理工大学10本章主要内容本章主要内容 1.1 计算机控制系统的工作原理和系统组成计算机控制系统的工作原理和系统组成 1.2 计算机控制系统结构、信号及控制方式计算机控制系统结构、信号及控制方式的特点的特点 1.3 计算

7、机控制系统的优点计算机控制系统的优点 1.4 计算机控制系统发展、应用与分类状况计算机控制系统发展、应用与分类状况 1.5 计算机控制理论与设计中的一些问题计算机控制理论与设计中的一些问题 1.6 计算机控制系统、采样系统及离散系统计算机控制系统、采样系统及离散系统的概念的概念l 本章小结本章小结长春理工大学长春理工大学111.11.1计算机控制系统的工作原理和系统组成计算机控制系统的工作原理和系统组成l 本节主要内容本节主要内容 1.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理 1.1.2 计算机控制系统基本组成计算机控制系统基本组成 长春理工大学长春理工大学12l常规控制系

8、统的工作原理模拟调节器模拟调节器执行机构执行机构被控对象被控对象测量变送器测量变送器设定值设定值reu被控参数被控参数 y单回路常规控制系统示意图单回路常规控制系统示意图ym 按偏差按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。进行控制，目的是减少或消除偏差。1.1.1 1.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理定义：定义： 计算机控制系统就是利用计算机计算机控制系统就是利用计算机( (通常称为工业通常称为工业控制计算机控制计算机) )来实现对控制对象（通常为生产过程）自来实现对控制对象（通常为生产过程）自动控制的系统。动控制的系统。长春理工大学长春理工大学131.1.11.1

9、.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理l实例实例 典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统图图1-1雷达天线指向位置跟踪系统雷达天线指向位置跟踪系统长春理工大学长春理工大学14 1.1.11.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理l精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定向。向。l天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立控制系统。控制系统。 l系统除了采用速度反馈外，系统除了采用速度反馈外，控制器还采用了滞控制器还采用了滞后后-超前等串联校正网络

10、，该校正网络利用常超前等串联校正网络，该校正网络利用常规的有源模拟运算放大器实现。规的有源模拟运算放大器实现。 l为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用模拟式部件实现将是很困难的。模拟式部件实现将是很困难的。长春理工大学长春理工大学151.1.11.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理l计算机控制系统计算机控制系统 计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装置的作用。置的作用。 图图1-2雷达天线指向位置跟踪

11、雷达天线指向位置跟踪系统原理结构图系统原理结构图长春理工大学长春理工大学161.1.11.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理l计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。l计算机系统主要包括：AD转换器转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；DA转换器转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；数字计算机数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。长春理工大学长春理工大学171.1.11.1.1 计算

12、机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理l计算机控制系统的控制过程可以归结为： 实时数据采集实时数据采集，即，即A/DA/D变换器对反馈信号及指令信号变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；的瞬时值进行检测和输入； 实时决策实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；行控制行为的决策，生成控制指令； 实时控制实时控制，即，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。控对象输出控制信号。l“实时实时”，是指信号的采集、处理及指令输出，是指信号的采集、处理及指令输出整个

13、运行过程必须在一定的时间内完成，如超整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。了意义。l 所需时间将依具体系统特性确定。所需时间将依具体系统特性确定。长春理工大学长春理工大学18l在线方式与离线方式l 在计算控制系统中，生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。1.1.1 1.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理长春理工大学长春理工大学19实时控制实时控制 所

14、谓所谓实时实时，是指信号的输入、计算和控制，是指信号的输入、计算和控制输出在工艺要求的时间范围内完成，亦即输出在工艺要求的时间范围内完成，亦即“及及时时”。实时控制的性能受一次仪表的传输延迟、。实时控制的性能受一次仪表的传输延迟、控制算法的复杂程度、微处理器或微控制器的控制算法的复杂程度、微处理器或微控制器的运算速度和控制量的输出延迟等因素影响。运算速度和控制量的输出延迟等因素影响。 实时控制的概念与工艺要求紧密相连，如实时控制的概念与工艺要求紧密相连，如对快速变化的压力（或火炮）对象控制的实时对快速变化的压力（或火炮）对象控制的实时控制时间要比缓慢变化的温度对象的实时控制控制时间要比缓慢变化

15、的温度对象的实时控制时间快。时间快。1.1.11.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理长春理工大学长春理工大学20思考两个问题l1. 在线系统是否一定是实时系统？l2. 实时系统是否一定是在线系统？l1. 不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！l2. 是。不在线肯定不能满足实时性。1.1.11.1.1 计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本工作原理长春理工大学长春理工大学211.1.21.1.2 计算机控制系统基本组成计算机控制系统基本组成计算机控制系统的典型原理结构计算机控制系统的典型原理结构1. 计算机控制系统的硬件组成计算机控

16、制系统的硬件组成 l计算机主机计算机主机：计算机控制系统的核心 -中央处理器（中央处理器（CPU） -RAM、ROM等存储器、定时器等存储器、定时器 -接口适配器，显示、打印、操纵台等接口适配器，显示、打印、操纵台等 图图1-3 计算机控制系统的典型原理结构图计算机控制系统的典型原理结构图 长春理工大学长春理工大学221.1.21.1.2 计算机控制系统基本组成计算机控制系统基本组成长春理工大学长春理工大学231.1.21.1.2 计算机控制系统基本组成计算机控制系统基本组成l过程通道：过程通道： -模数（A/D）转换器 -数模（D/A）转换器 -传感器 -信号调理电路 功能：传感器将非电量的

17、物理量变换成电功能：传感器将非电量的物理量变换成电 量，该电量并不一定适合量，该电量并不一定适合A/D直接采样转换，直接采样转换，常需通过放大、滤波等措施后，才能送入常需通过放大、滤波等措施后，才能送入A/D转换器转换器。 -数字量输入通道或数字量输出通道。 长春理工大学长春理工大学241.1.21.1.2 计算机控制系统基本组成计算机控制系统基本组成2 计算机控制系统的软件计算机控制系统的软件 软件是计算机工作程序的总称，实现信息采集、软件是计算机工作程序的总称，实现信息采集、处理及输出功能的各种程序的集合。处理及输出功能的各种程序的集合。 -系统软件系统软件：计算机的通用软件。计算机的通用

18、软件。 -应用软件应用软件：系统软件支持下实现各种应用功系统软件支持下实现各种应用功 能的专用程序。能的专用程序。 包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理程序。及信息管理程序。 通常，应用软件由控制系统设计人员根据所选用的通常，应用软件由控制系统设计人员根据所选用的硬件及软件环境和系统要求开发编写。硬件及软件环境和系统要求开发编写。l在构成系统硬件及软件时，要充分保证系统运在构成系统硬件及软件时，要充分保证系统运行的实时性及可靠性。行的实时性及可靠性。 长春理工大学长春理工大学25软件软件系统软件系统软件应用软件应用软件 操作系统

19、操作系统语言加工系统语言加工系统诊断系统诊断系统 控制程序控制程序数据采集及处理程序数据采集及处理程序巡回检测程序巡回检测程序数据管理程序数据管理程序编辑程序编辑程序编译程序编译程序连接、装配程序连接、装配程序调试程序调试程序子程序库子程序库 软件部分软件部分数据可靠性检查程序数据可靠性检查程序AD转换及采样程序转换及采样程序 数字滤波程序数字滤波程序 线性化处理程序线性化处理程序 数据采集程序数据采集程序 越限报警程序越限报警程序 事故预告程序事故预告程序 画面显示程序画面显示程序 长春理工大学长春理工大学26常用的工业控制计算机 可编程序控制器（可编程序控制器（PC/PLC） 工控机（工控

20、机（IPC） 单片机单片机 DSP 智能调节器智能调节器1.1.21.1.2 计算机控制系统基本组成计算机控制系统基本组成长春理工大学长春理工大学271.2 1.2 CCSCCS结构、信号及控制方式的特点结构、信号及控制方式的特点1. 计算机控制系统是混合信号系统，具有多种计算机控制系统是混合信号系统，具有多种信号形式信号形式： 计算机是一个数字式离散处理器计算机是一个数字式离散处理器 。 被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的 模拟与数字部件组成的混合系统。模拟与数字部件组成的混合系统。 l A/D转换器通常包含下述三种形式的变换：转换器通常包含

21、下述三种形式的变换： -模拟信号采样模拟信号采样：按一定时间间隔对连续信号采样，按一定时间间隔对连续信号采样，将其变成时间上是断续的离散信号；将其变成时间上是断续的离散信号； -信号幅值的整量化信号幅值的整量化：将采样信号幅值按有限字长的将采样信号幅值按有限字长的最小量化单位分层取整，变成幅值为离散的信号；最小量化单位分层取整，变成幅值为离散的信号； -数字编码数字编码 ：将已整量化的分层信号变换为等值的二将已整量化的分层信号变换为等值的二进制数码信号，即数字信号进制数码信号，即数字信号。 长春理工大学长春理工大学281.21.2 CCSCCS结构、信号及控制方式的特点结构、信号及控制方式的特

22、点lD/A变换器通常包含有下述两种形式的变换：变换器通常包含有下述两种形式的变换： 数字解码数字解码 把数字量转换为等值的模拟脉冲信号； 信号恢复信号恢复 把解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化信号 (有的D/A先数字解码后保持，有的先数字保持后解码)。l在计算机内，可分为 -时间连续数字信号(如在内存中保存的数字信号) ； -时间断续的数字信号(如在处理器中的信号) 。l与连续模拟系统不同，计算机控制系统中包含五种信号形式的变换，如图1-5所示，具有六种信号形式,如表1-1所示 。 长春理工大学长春理工大学291.21.2 CCSCCS结构、信号及控制方式的特点结构、信号及控制方式的特点l

23、表1-1计算机控制系统中信号形式l编码和解码仅是信号形式的改变，看作无误差的等效编码和解码仅是信号形式的改变，看作无误差的等效变换，分析时可略去变换，分析时可略去。l最重要的是采样、量化和保持变换过程最重要的是采样、量化和保持变换过程 。 -采样及保持涉及信号有、无问题，影响系统的传递采样及保持涉及信号有、无问题，影响系统的传递特性，是本质问题，分析和设计时必须考虑特性，是本质问题，分析和设计时必须考虑。 -量化使信号产生误差并影响系统的特性量化使信号产生误差并影响系统的特性. 当字长较当字长较长时影响很小，初步分析和设计时可不予考虑长时影响很小，初步分析和设计时可不予考虑。图图1-5计算机控

24、制系统中信号变换计算机控制系统中信号变换长春理工大学长春理工大学301.21.2 CCSCCS结构、信号及控制方式的特点结构、信号及控制方式的特点2. 计算机控制系统可以实现分时串行或并行控计算机控制系统可以实现分时串行或并行控制制l连续控制系统中，控制器通常都是由不同电路构成的，连续控制系统中，控制器通常都是由不同电路构成的，一台控制器仅为一个控制回路服务一台控制器仅为一个控制回路服务。l计算机控制系统中，一台计算机可同时控制多个被控计算机控制系统中，一台计算机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对象或被控量，即可为多个控制回路服务。 - 同一台计算机利用依次巡回方法可以实

25、现多路串行控制； - 为了节省巡回时间也常采用分时并行控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。 如火炮位置计算机控制系统中高低角和方位角控制器均由同一台计算机硬件实现。 如分散和集中相结合的多层次控制，在分层控制中，高层控制均采用一对多的分时控制方案。 长春理工大学长春理工大学311.31.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点1. 易实现复杂控制规律易实现复杂控制规律l计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储能力，容易实现复杂的控制规律，如各种智能控制等，能力，容易实现复杂的控制规律，如各种智能控制等，可以极大地提高系统性能可以极大地提

26、高系统性能。2. 计算机控制系统的性价比高计算机控制系统的性价比高l一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的功能控制回路，因此，它的功能/价格比值较高价格比值较高。3. 适应性强灵活性高适应性强灵活性高l控制算法是由软程序实现，通过修改或执行不同的软控制算法是由软程序实现，通过修改或执行不同的软件可使系统具有不同性能，适应性强，灵活性高件可使系统具有不同性能，适应性强，灵活性高。计计算机是一种可编程的智能元件算机是一种可编程的智能元件 。l一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的

27、控制。 长春理工大学长春理工大学321.31.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点4. 系统测量灵敏度高系统测量灵敏度高l数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度。l软件可以对传感器特性进行修正与补偿，提高了精度软件可以对传感器特性进行修正与补偿，提高了精度。5. 控制与管理容易结合实现更高层次的自动化控制与管理容易结合实现更高层次的自动化l利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产过程与经营的管理控制一体化过程与经营的管理控制一体化。6. 系统可靠性和容错能力高系统可靠性和容错能力高l计

28、算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便，提计算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便，提高了系统的可靠性和容错及维修能力高了系统的可靠性和容错及维修能力。l计算机控制系统一些缺点与不足计算机控制系统一些缺点与不足 -抗干扰能力较低； -插入数字部件，信号复杂，设计实现有一定困难。 长春理工大学长春理工大学331.41.4 CCSCCS的发展、应用与分类的发展、应用与分类l本节主要内容本节主要内容 1.4.1 计算机控制系统发展概况计算机控制系统发展概况 1.4.2 计算机控制系统应用概况计算机控制系统应用概况 1.4.3 计算机控制系统分类计算机控制系统分类长春理工大学长春理工大学341.4

29、.11.4.1 计算机控制系统发展概况计算机控制系统发展概况1. 开创时期（开创时期（19551962年）年） 难于直接参与系统的闭环控制难于直接参与系统的闭环控制。计算机的主计算机的主要任务是寻求最佳运行条件要任务是寻求最佳运行条件。 1946年世界上第一台电子计算机年世界上第一台电子计算机ENICA问世，问世，经历了十多年的研究，经历了十多年的研究，1959年世界上第一台年世界上第一台过程控制计算机在美国得克萨斯州的一个炼过程控制计算机在美国得克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行。油厂正式投入运行。基本功能：基本功能：控制反应器的压力控制反应器的压力;确定反应器进料量的最优分配确定反应器进料量

30、的最优分配;根据催化作用控制热水流量根据催化作用控制热水流量;确定最优循环。确定最优循环。长春理工大学长春理工大学352. 直接数字控制时期（直接数字控制时期（19621967年）年） 计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因而被称为直接数字控制（的模拟控制，因而被称为直接数字控制（DDC)。3. 小型计算机时期（小型计算机时期（19671972年）年） 各种类型适合工业控制的小型计算机各种类型适合工业控制的小型计算机。 许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。4. 微型计算机时期（微型计算机时期（

31、1972年至今）年至今） 微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更普及的应用到更普及的应用。 长春理工大学长春理工大学361.4.11.4.1 计算机控制系统发展概况计算机控制系统发展概况5. 集散型控制集散型控制 微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合络的发展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作负荷的系统，形成了目前广泛应用的集共同负担工作负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统成分散型控制系统。 l微型计算机的发展和普及，促

32、进发展了许多新微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。型计算机的控制方式。 如嵌入式计算机控制系统如嵌入式计算机控制系统； 网络计算机控制网络计算机控制； 专用控制器迅速的发展专用控制器迅速的发展。l依赖于计算机实时控制软件的进展依赖于计算机实时控制软件的进展。 过去的几十年软件生产的进展不大过去的几十年软件生产的进展不大。长春理工大学长春理工大学37 从本质上看，以前的过程计算机控制是自动从本质上看，以前的过程计算机控制是自动化孤岛模式，一个工段、一个车间或一个过程采化孤岛模式，一个工段、一个车间或一个过程采用计算机控制系统，而现在的目标是建设整个工用计算机控制系统，而现

33、在的目标是建设整个工厂、整个企业的综合自动化系统。厂、整个企业的综合自动化系统。长春理工大学长春理工大学381.4.11.4.1 计算机控制系统发展概况计算机控制系统发展概况l性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制系统分析、设计理论的支持。系统分析、设计理论的支持。 -采样系统的基本理论采样系统的基本理论； -现代离散控制理论现代离散控制理论； -各种智能控制理论，如模糊控制、神经网络。各种智能控制理论，如模糊控制、神经网络。 限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应用受到了限制。用受到了限制。l加强

34、先进控制理论的可行性研究，发展各种简加强先进控制理论的可行性研究，发展各种简便易行的先进控制策略，提高系统控制水平。便易行的先进控制策略，提高系统控制水平。长春理工大学长春理工大学391.4.21.4.2 计算机控制系统应用概况计算机控制系统应用概况 广泛地用于各种不同的工业生产广泛地用于各种不同的工业生产； 广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中器装备中；l迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中 -各种用途的机器人系统；各种用途的机器人系统； 长春理工大学长春理工大学401.4.21.4.2 计算机控

35、制系统应用概况计算机控制系统应用概况 -复杂飞行控制与飞行管理系统；复杂飞行控制与飞行管理系统； 图图1-8 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长春理工大学长春理工大学411.4.21.4.2 计算机控制系统应用概况计算机控制系统应用概况 -各种空间飞行器的控制；各种空间飞行器的控制； -现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统控制和集中监视系统。 长春理工大学长春理工大学421.4.21.4.2 计算机控制系统应用概况计算机控制系统应用概况图图1-10 分散控制集中管理系统结构图分散控制集中管理系统结构图长春理工大学

36、长春理工大学431.4.31.4.3 计算机控制系统分类计算机控制系统分类1. 直接数字控制直接数字控制 (Direct Digital Control，DDC) 系统系统 计算机取代常规模拟式控制器而直接对生产过程或被计算机取代常规模拟式控制器而直接对生产过程或被控对象进行控制。控对象进行控制。 要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。 图图1-11 直接数字控制系统直接数字控制系统长春理工大学长春理工大学441.4.31.4.3 计算机控制系统分类计算机控制系统分类2. 计算机监督控制计算机监督控制 (Supervise Control by Compu

37、ter，SCC) 系统系统 针对某一生产过程或被控对象，依生产过程的各种状针对某一生产过程或被控对象，依生产过程的各种状态，按生产过程的数学模型和给定指标要求，进行优化态，按生产过程的数学模型和给定指标要求，进行优化分析计算，产生最佳设定值，并将其自动地作为执行级分析计算，产生最佳设定值，并将其自动地作为执行级DDC的设定控制目标值，由的设定控制目标值，由DDC行使控制。行使控制。 图图1-12 计算机监督控制系统计算机监督控制系统 长春理工大学长春理工大学451.4.31.4.3 计算机控制系统分类计算机控制系统分类3. 分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统 (Distributed C

38、ontrol System，DCS)-应用以多台计算机应用以多台计算机为基础的分散型控为基础的分散型控制系统制系统。-分散控制基础上的分散控制基础上的又形成了集散型计算又形成了集散型计算机控制系统，又称为机控制系统，又称为分散型综合控制系统分散型综合控制系统（Total DCS）。-“控制要分散，控制要分散， 管理要集中管理要集中” 。 图图1-13 分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统长春理工大学长春理工大学46特点：特点：功能强大、性能优越、技术成熟，软件支持广泛。但系统复功能强大、性能优越、技术成熟，软件支持广泛。但系统复杂，成本高，一般适合于大型测控系统。杂，成本高，一般适合于大型

39、测控系统。长春理工大学长春理工大学471.51.5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l本节主要内容本节主要内容 1.5.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 1.5.2 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 长春理工大学长春理工大学481.5.11.5.1 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. 若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的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，它的时间响应与外作用的作计算机控制系统后，它的时

40、间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。用时刻和采样时刻是否同步有关。 图图1-14采样系统的时变特性采样系统的时变特性 长春理工大学长春理工大学491.5.11.5.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题2 众所周知，连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输众所周知，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，但对计算机控制系统而言，其出为同频率的正弦信号，但对计算机控制系统而言，其稳态正弦响应则与输入信号频率和采样周期有关稳态正弦响应则与输入信号频率和采样周期有关。 图图1-15 计算机控制系统的计算机控制系统的 正弦激励响应正弦激励响应 长春理工大学长

41、春理工大学501.5.11.5.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题3 一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限长的，它的响应是多个指数函数之和。计是无限长的，它的响应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算机控制系统，通过设计却可以实现在有限的采样间隔内（即有限时间内）达到稳态值，获得比样间隔内（即有限时间内）达到稳态值，获得比连续系统更好的性能。连续系统更好的性能。 图图1-16 有限调节时间系统有限调节时间系统 长春理工大学长春理工大学511.5.11.5.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系

42、统的理论问题4 一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统时时,若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。 如 围绕地球运动的同步卫星，其运动周期为围绕地球运动的同步卫星，其运动周期为1天，对其天，对其实现断续控制，控制间隔时间为实现断续控制，控制间隔时间为1天，则卫星是不可控的天，则卫星是不可控的。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。总之：总之： 在计算机控制系统中，由于信号的采样，所产生在计算机控制系统中，由于信号的采样，所产生的一些现象无法用连续控制理论

43、解释和说明，必的一些现象无法用连续控制理论解释和说明，必须采用与采样有关的理论进行说明和解释。须采用与采样有关的理论进行说明和解释。l在计算机控制系统中字长有限的问题。在计算机控制系统中字长有限的问题。 由于数字字长有限，在某些情况下，将会使计算机控由于数字字长有限，在某些情况下，将会使计算机控制系统响应产生极限环振荡制系统响应产生极限环振荡。 长春理工大学长春理工大学521.5.11.5.1 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1-17 字长有限引起的极限环字长有限引起的极限环 长春理工大学长春理工大学531.5.21.5.2 计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与

44、实现l计算机控制系统是一种混合信号系统。计算机控制系统是一种混合信号系统。l从从AA 两点来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以看两点来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以看成是连续系统成是连续系统。 l从从BB 两点来看，又可将其看成是纯离散信号系统两点来看，又可将其看成是纯离散信号系统。 图图1-18 计算机控制系统等效结构计算机控制系统等效结构长春理工大学长春理工大学541.5.21.5.2 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l在实际工程设计时有两种设计方法：在实际工程设计时有两种设计方法：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系统，在连续域上设计将计算机控制系统看成是连续系统，在连续域上设计得到连续控制器得到连续控制器。 -采用不同方法将其数字化（离散化采用不同方法将其数字化（离散化) 。 -目前常用的目前常用的近似近似设计方法设计方法 。2. 直接数字域直接数字域(离散域离散域)设计设计 -将系统看成是纯离散信号系统，直接在离散域