第1章 计算机控制系统导论

第1章计算机控制系统导论2026/6/121.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的发展与应用1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统的基本内容2026/6/1第1章计算机控制系统导论31.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的发展与应用1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统的基本内容2026/6/1第1章计算机控制系统导论4连续控制系统在连续控制系统中，给定值与反馈值经过比较器产生偏差，控制器根据偏差进行运算，产生控制作用驱动执行机构，达到“利用偏差消除偏差”的目的系统内的信号都是连续的模拟信号2026/6/15将连续控制系统中比较器和控制器用计算机实现，就组成一个计算机控制系统计算机控制系统是模拟信号和数字信号的混杂系统，需要模拟信号和数字信号之间的相互转换(A/D和D/A转换)属于离散控制系统离散控制系统2026/6/1研究计算机控制系统的必要性雷达：周期扫描仪器：分析时间经济系统：日、月、年分析实际的控制系统采用大量的数字控制器计算机控制系统与连续控制系统的分析和设计方法有很多不同实际系统有很多固有采样系统62026/6/17模拟式火炮位置控制系统原理图2026/6/1连续控制系统例子8火炮位置计算机控制系统原理图2026/6/1计算机控制系统例子9计算机控制系统组成被控对象：火炮炮身执行机构：直流电机测量装置：测量电位计及测速电机给定装置：高低角、方位角生成装置比较装置放大装置计算机系统A/D转换器D/A转换器数字控制计算机2026/6/110计算机控制系统的工作过程实时采集：检测并反馈被控量的瞬时值实时决策：依采集的信息，按给定的控制算法，生成控制指令实时控制：通过执行机构，向被控对象实施控制指令2026/6/1计算机控制系统结构图11计算机控制系统特点系统结构特点：是由模拟与数字部件组成的混合控制系统

信号形式特点：有多种（时间连续和离散、幅值连续和整量等）信号形式，是一种混合信号系统工作方式特点：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现控制，每个控制回路的控制方式由软件决定2026/6/112计算机控制系统优势控制灵活：控制算法通过软件编程实现控制规律实现容易：运算速度快、精度高、逻辑判断丰富、存储容量大性价比高：增加一个控制回路的费用少，可同时控制多个回路可靠性高：利用程序实现状态监测、风险预警、故障诊断、功能修复抗干扰能力强：控制算法通过软件编程实现2026/6/1131.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的发展与应用1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统的基本内容2026/6/1第1章计算机控制系统导论14计算机控制系统发展2026/6/1自动控制理论计算机技术计算机控制系统15计算机控制系统发展开创时期（1955-1962年）

代表性事件：1955年，美国TRW航空公司与一家炼油厂合作，研究计算机过程控制系统。3年后，研制成功聚合装置计算机控制系统。该系统的控制计算机采用RW-300，对26个流量和3个压力控制，以保证反应器的压力最小、供料分配最佳计算机硬件：主要使用电子管，速度慢、体积大、价格贵、可靠性低、难以直接参与系统的闭环控制

主要任务：寻求最佳运行条件、操作指导和设定值计算2026/6/116计算机控制系统发展直接数字控制(DDC)时期(1962-1967年)代表性事件：1962年，英国帝国化学工业公司研制一种装置，过程控制全部模拟仪表由一台计算机替代，可以直接控制224个变量和129个阀门主要任务：关注控制功能2026/6/117计算机控制系统发展小型计算机时期(1967-1972年)

1967年左右，计算机技术取得重大进展，体积更小、速度更快、可靠性更高、价格更低，多种适合工业过程控制小型计算机不断涌现微型计算机时期(1972年至今)

1972后，微型计算机的出现和发展，使计算机控制技术进入一个崭新阶段20世纪80年代后，微处理器得到迅速发展，且价格大幅度降低，对计算机控制的应用产生深远影响，利用微处理器参与控制，使计算机控制系统的应用更普遍2026/6/118计算机控制系统应用应用1：各种用途的机器人系统2026/6/119应用2：以计算机为核心的复杂飞行控制与管理系统2026/6/1计算机控制系统应用20应用3：工厂分散控制和集中监视系统分散控制集中管理的组成图生产管理层集中监测和控制层区域或生产线控制层设备控制层2026/6/1计算机控制系统应用

自动排水控制系统212026/6/1计算机控制系统应用应用4：自动排水控制系统计算机控制系统应用应用5：音乐喷泉222026/6/1是一种典型的计算机控制系统系统功能：自动选曲、水型和乐曲同步控制、水型的音量随动控制、水型的节奏随动控制、声音的延时控制、用电负荷的自动控制和保护231.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的发展与应用1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统的基本内容2026/6/1第1章计算机控制系统导论按计算机在控制系统的作用操作指导系统直接数字控制系统监督计算机控制系统按计算机控制系统的结构集中控制系统集散控制系统现场总线控制系统网络控制系统计算机控制系统基本类型242026/6/1操作指导控制系统（数据采集处理系统DAS）优点：结构简单，控制灵活，安全可靠缺点：人工操作，控制速度受限，不能同时控制多个回路适用场景：系统设计与调试阶段，对生产过程的模型不够清楚信息采集并显示操作指导计算机控制系统基本类型252026/6/1262026/6/1直接数字控制（DDC）系统计算机控制系统基本类型优点：灵活、低成本，同时控制多个回路缺点：对控制算法的实时性、计算机的可靠性和系统的环境适应性要求高适用场景：已知生产过程的数学模型根据生产过程信息，按照控制算法产生控制信号并输出直接参与生产过程控制272026/6/1监督计算机控制系统工作机制：是一种两级计算机控制系统

监督控制计算机根据采集的生产过程信息，利用数学模型和给定的指标优化分析，产生最佳的控制设定值，输出给直接数字控制计算机——优化

直接数字控制计算机根据设定值和生产过程信息，利用设定的控制算法，产生控制信号并输出——控制适用场景：随着生产过程复杂性的不断提高和人工智能技术的广泛应用，监督计算机控制系统在实际系统控制的应用越来越广泛，成为重要的控制方式计算机控制系统基本类型282026/6/1集中控制系统计算机控制系统基本类型优点：结构简单、易于构建、造价低廉缺点：控制功能集中、计算机负荷过重、故障产生严重后果、安全可靠性难以保障，系统结构庞大、设计与开发周期长、现场调试与布线施工费时适用场景：被控对象简单，或可靠性要求不高的场景一台计算机控制生产过程的多个设备292026/6/1集散控制系统计算机控制系统基本类型工作机制：第一级为前端计算机，也称下位机或直接控制单元，进行实时控制和前端处理

第二级为中央处理机，也称上位机，进行管理和监控优点：计算机故障不会导致整个生产过程控制瘫痪，提高了系统可靠性

控制系统的结构灵活、易于扩展集中管理、分散控制302026/6/1现场总线控制系统计算机控制系统基本类型工作机制：生产过程的各种现场智能仪表（包含控制单元）与监控/管理计算机通过现场总线网络互连，形成全分散、全数字化、全开放和可互操作的计算机控制系统优点：将处于控制室的控制单元、I/O模块置入现场设备中，现场设备具有通信能力

数字信号代替模拟信号，简化了系统结构，节约了硬件设备和连接电缆，提高了系统的开放性、互用性和可靠性

312026/6/1网络控制系统计算机控制系统基本类型工作机制：传感器与控制计算机、控制计算机与执行机构通过通信网络（如互联网）形成计算机控制系统优点：连线少、可靠性高、易于系统扩展、能够实现信息共享缺点：数据传输存在时间延迟、丢包、多包传输和抖动，控制性能下降甚至不稳定

系统建模、分析和设计具有挑战性321.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的发展与应用1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统的基本内容2026/6/1第1章计算机控制系统导论332026/6/1异质信号变换计算机控制系统的基本内容系统特点：被控对象、执行机构、测量装置是连续模拟式的，数字控制计算机的输入信号和产生的控制信号均为时间间断的数字信号需求：从测量装置的输出到数字控制计算机进行模拟信号到数字信号的变换，从数字控制计算机的输出到执行机构进行数字信号到模拟信号的变换研究内容：异质信号的变换342026/6/1被控对象建模计算机控制系统的基本内容系统特点：被控对象一般是连续动态的需求：对于连续动态的被控对象，需要采用时域的微分方程、复域的传递函数和频域的频率特性建模

将连续被控对象离散化研究内容：离散被控对象建模方法，包括：时域的差分方程、复域的脉冲传递函数和频域的频率特性352026/6/1系统性能分析计算机控制系统的基本内容系统特点：系统性能与采样周期密切相关需求：采用稳定性、静态性能和动态性能等指标分析系统性能，特别是与采样周期的关系研究内容：系统稳定性、静态性能和动态性能分析方法362026/6/1控制算法设计计算机控制系统的基本内容系统特点：左：将计算机系统看成黑箱，连续系统

右：将A/D转换、被控对象和D/A转换看成黑箱，离散系统需求：将计算机控制系统看成连续系统，在连续域设计模拟控制器之后，采用不同的方法离散化——连续域设计-离散化方法，是近似设计方法

将计算机控制系统看成离散系统，直接在离散域设计数字控制器——直接数字域设计方法，是准确的设计方法

采样周期对系统的性能均有很大影响，需要正确选择采样周期研究内容：控制算法设计方法37其它若被控对象是时不变线性系统，形成的连续控制系统也是时不变系统改成计算机控制系统后，时间响应与外作用时刻和采样时刻是否同步有关采样系统的时变特性2026/6/1138连续系统在正弦输入激励下，稳态输出为同频率的正弦信号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频率为4.9Hz的输入信号连续系统输出采样间隔为0.1s时，产生振荡周期为10s的差拍现象2026/6/12其它39计算机控制系统的特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象不能用一个连续系统是可控可观的，变成计算机控制系统后，若采样间隔选取不合适，可能变得不可控系统的稳定性也值得关注当采样周期一定时，计算机控制系统的开环放大系数仅处于一定范围系统才稳定2026/6/13其它40一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间是无限的，因为它的响应是多个指数函数之和计算机控制系统可以实现有限时间内达到稳态值，获得比连续系统更好的性能有限调节时间系统——：连续系统-----：计算机控制系统2026/6/14其它41计算机控制系统存在字长有限问题：A/D或D/A变换器、计算机内存及运算器的字长有限2026/6/15其它42计算机控制系统