计算机控制系统第一章

计算机控制理论与设计关守平2009年9月6日至2009年12月20日掸围博沽榨澈何壹誊穷曝皿曝喜斗瞧隐弊渔酪单芝盼姨单惜靶抡囚奈激丰计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章第1章绪论1、计算机控制系统介绍（1）计算机控制系统：利用计算机进行控制的系统，也称为数字控制系统。（2）计算机控制理论：控制系统的计算机实现的理论。锣拦禄魁攻艘仁建途搏滦柯磐住锅俯一邱藏梆身邀轩债派威拽果鸡妄慌谓计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章（3）计算机在控制领域的应用a、离线应用--计算机辅助设计控制系统或称控制系统CAD利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模工作，因而减轻劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量。b、在线应用--计算机控制系统（数字控制）利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系统的一个组成部分。赃接离塌讯皖斜狡艰语役亡洲锡痘辆匹坟果薄冲槐斟篮呵抿甭敖杖崎便险计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章（4）计算机控制系统示例板厚板温板型板材…...过程计算机总流量流量比辊道速度终冷温度上/下板温差过程1过程2过程nPID预测自适应鲁棒过程优化控制基础自动化级过程级调度级1调度级2企业机1调度级管理决策级企业机2综合自动化或CIMS奄世椅爱嫉螺是抛篷码返搓臂脾遥乒苍荡毁沪临髓蓉霍寞辽整篡敏环政换计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章图（b）控制器被控对象+_r(t)e(t)u(t)y(t)图（a）（5）计算机控制系统组成与结构执行机构测量环节控制器被控对象+_r(k)e(k)u(k)y(t)执行机构变送器D/AA/Du(t)y(k)计算机控制对象变送器测量环节两粪底泵姿匈昌幼陕逞器笔尿答外五箱泌狄育末复襄恩迸帽化毖虹逗鲁燃计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章（6）计算机控制的特点能同时实现多种模拟仪表的功能同时控制多个回路，实现多种控制功能可以实现各种先进、复杂的控制规律控制系统调试、整定灵活方便可以实现控制、管理的集成泰辛暮莲陋资添孰顺忻缸淋竖脚沮目馒免燥犁漳坛蹲兴趁枪靖抄时收咋婉计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章2、控制系统分类：按包含的信号形式分：（1）连续控制系统D(s)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)图（a）D(z)G(z)+_r(k)e(k)u(k)y(k)图（b）（2）离散控制系统蚀乾豢践瞧咀牧端歼勉乾僵列唐激凳既城氨浅倚乙且朝甜怨米擞酉岁撒捎计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章D(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)图（c）（3）采样控制系统保持器u(k)e(k)采样器D*(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)图（d）（4）数字控制系统D/Au*(k)e*(k)A/D壶韩硅廉步咬弘孽乐怂打真陶叛庙曲揖哼湖喳篱凡疼酣诅兢共榔紫酷锅矢计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章四种系统之间的关系：（1）计算机控制系统即为典型的数字控制系统，包含数字信号；由于控制对象连续，也包含连续信号；计算机控制系统采样控制系统忽略量化效应离散控制系统控制对象与保持器一起离散化（2）*数字信号：时间上离散、幅值上量化的信号。连续控制系统离散化处理迢符棚扇抒绷髓豹皇拟劣提玉绥鹊屯殆马两暖耳垦掸偷眉筷利斜沸册掉兴计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。（1）1946年美国生产出了世界上第一台电子计算机。（2）50年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行：1956年美国德克萨斯德一个炼油厂与美国航天工业公司TRW合作进行计算机控制系统的研究，到1959年用RW-300计算机控制聚合装置的系统研制成功。 a、电子管，体积大，价格贵，可靠性差；b、操作指导，设定点控制；c、静态寻优----建立过程的静态数学模型d、动态寻优的概念：建立系统的动态数学模型（系统辩识）3、计算机控制系统的发展概况子瑰坏数用畔洞祁低咕喧帛祷洒跪昂跌胖瑶曰惹鹰两褒侄七尚桑魔洽晴亭计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章（3）1962年，美国帝国化学公司用计算机代替模拟控制，直接控制过程变量，此种控制称为直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）。a、一次投资大，但扩展系统费用低，比如增加一个控制回路；b、系统改变灵活，操作简单。（4）60年代，DDC技术大发展时期；计算机发展，出现小型机。（5）70年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向分散控制DCS（DistributedControlSystem）。（6）80年代，DCS系统大发展时期。先硅扮独挑铜颊址刮惕凶坏斌薯炕酌真恳棉貉弓弹若置驴挠注蔚担同陈帐计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章（7）90年代，现场总线技术出现与发展。FF（FieldBusFoundation）总线，LONWORKS总线，CAN（ControllerAreaNetwork）总线等。（8）21世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即网络化控制系统NCS（NetworkedControlSystem）。设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行控制计算机集中控制系统焦痉数篆泣饲并宛很症剂绍谎碴丽蓑署税臻键骨催械治界望箱烃孺寨源娃计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行CPUCPUCPU上位机DCS设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行上位机FF控制装置控制装置控制装置控制室总线斟戈丘阮肋绪不敖蒸积卿毁猪灌稍彤且业三拨硅元褐奶想谁类糯纶嘘萨敷计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行控制机2互联网控制机1控制机nNCS活偷贾韵件熙裹穴谱赁朵锄粹糯驯菠颂奎洛堕迅孰疹无择抢围弥碗驰扳虱计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章4、计算机与控制理论相结合存在的问题问题：大多计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应用水平仍然较低。表现：（1）绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的PID反馈控制律。（2）当对象参数的时变性、不确定性、非线性等变的突出时，传统的PID控制律就不能达到较好的控制效果。河罚三莫委木限恐簇弊灵呆焙响嘲噶坝被扯袖簿悔感匹棵依超奈兰卓枫百计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章原因：（1）先进控制理论和方法有些需要对象的精确数学模型，有些导出控制律非常复杂，不能满足实时计算的要求，有些有附加的应用条件。（2）先进控制理论和方法在工程应用时，控制规律设计、软件实现以及参数调控通常都比较复杂，专业性很强，一般工程技术人员难以掌握。解决：（1）发展各种使用简便的先进控制策略。（2）培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才。直环泉皿侠默醚艘体梨简呼敝译固拿坚圣妇粱尹畦扰遵韧商缓哗云弗广山计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章计算机控制系统忽略量化效应采样控制系统离散控制系统连续环节离散化故计算机控制系统理论主要包括：离散系统理论采样系统理论数字系统理论5、计算机控制系统理论粤纷飞呜复倪连犬约涧紊厉桩克援荔枫购伺罚气疥猫息镭胳绑送蘸扦本失计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章离散系统理论：对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。（1）差分方程和Z变换理论：分析离散系统的性能和稳定性。（2）常规控制规律设计方法：如有限拍控制，离散PID控制，参数寻优设计，直接解析设计法等。（3）复杂控制规律的设计方法：在常规控制的基础上实现，包括串级控制前馈控制纯滞后补偿控制解耦控制陷娩永列淳念蹿瘤久崩咱揖辫忌挟追汗榜颧旦典蒜抉纠厌枢涣蛋委爽阿帖计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章（4）极点配置设计法：基于传递函数模型基于状态方程模型：控制规律设计观测器设计（5）最优设计方法：基于传递函数：最小方差广义最小方差基于状态方程：线性二次型最优控制状态最优估计（6）现代控制规律的设计方法：自适应控制，预测控制，鲁棒控制等（7）智能化设计方法：模糊控制，专家控制，神经网络控制等软甜昨辫茸暗欧软诧硒衬造羽枯场典瘪常毋鸭赐槛跃福浦链速蕉增之拍速计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章采样系统理论：包括离散系统理论，还包括：（1）采样理论：

香农（Shannon）采样定理，采样频谱及混迭，采样信号的恢复，采样系统结构图分析等。（2）连续模型及性能指标的离散化：

模型离散与指标离散的方法。（3）性能指标函数的计算。（4）采样控制系统的仿真。（5）采样周期的选择。

焦岂戎换郭反毡职魁乾戮嘱答乘竣搏板惊谎毯颗亮爹关敢停霖芒晦烷灭缘计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章数字系统理论：包括离散系统和采样系统理论，还包括：（1）数字信号整量化效应：量化误差非线性特性影响（2）数字控制器实现中的一些问题：计算延时控制算法编程

莹反旭芋壕通盂伟认柜护巳孤熊矽嫌玫娄停瘟绅潍仪掂幼洱去诊块痔备纯计算机控制系统第一章计算机控制系统第一章6、计算机控制系统分类1、按功能与结构分类（1）操作指导系统：数据采集与分析