计算机控制系统 模块1-计算机控制系统导学与概述

计算机控制系统所谓计算机控制系统（ComputerControlSystem）就是利用计算机来实现自动控制的系统，也就是说，如果控制系统的控制器功能由计算机来实时完成，则该控制系统就称为计算机控制系统。《计算机控制系统》这门课程讲授的主要内容：针对连续的被控对象进行离散控制器的设计，并基于计算机平台加以实现，使控制系统的性能指标达到设计要求（即控制性能接近连续系统、综合性能超过连续系统）的理论、技术和方法。计算机控制系统

模块1-计算机控制系统导学与概述

——课程导学是对学习本门课程进行引导；概述包括计算机控制系统的基本概念、基本结构、性能指标、发展历程、基本类型等。模块2-信号转换与z变换

——信号变换与分析模块3-计算机控制系统数学描述与性能分析

——系统建模与分析模块4-数字控制器的模拟化设计方法

模块5-数字控制器的直接设计方法

模块6-数字控制器实现中的关键技术——工程实现技术本课程教学内容——6个教学模块教学模块1计算机控制系统导学与概述计算机控制系统

教学单元1-计算机控制系统课程导学教学单元2-计算机控制系统概述本教学模块内容:教学模块1计算机控制系统导学与概述教学单元1计算机控制系统课程导学主要内容：学习本课程所需掌握的基础知识本课程使用的教材与参考书本课程的体系设计本课程的讲授思路教学单元1计算机控制系统课程导学1.1

学习本课程所需掌握的基础知识

数学基础知识：高等数学，复变函数，矩阵理论等专业基础知识：自动控制原理，微机原理，实时控制网络，电力电子技术，Matlab编程基础等1.2

本课程使用的教材与参考书课程教材：刘建昌，关守平，周玮等编著.《计算机控制系统》，北京：科学出版社，2009年8月第一版，2011年1月（二次印刷）。课程主要参考书：高金源，夏洁编著.《计算机控制系统》，北京：清华大学出版社，2007年9月赵邦信编著.《计算机控制技术》，北京：科学出版社，2008年8月1.3

本课程的体系设计本课程将从信号变换与分析、系统建模与性能分析、控制器设计、控制系统实现等4个方面系统讲述计算机控制系统分析和设计的基本理论和方法，其中在控制算法的工程化改进方面将进行重点阐述。（1）信号变换与分析计算机控制系统是模拟部件和数字部件共存的混合系统，系统中除有连续（模拟）信号外，还有离散模拟信号、数字信号等，是一种混合信号系统。因此，在计算机控制系统中，信号变换在所难免。信号的变换具有怎样的特性，这些特性对系统性能有哪些影响等等，这些问题成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问题，也是计算机控制系统分析和设计的基础。本课程将在教学模块2中讲述计算机控制系统的信号变换与分析问题，其中信号变换的采样、量化和信号恢复对系统性能有重要影响，是该模块的重点内容。（2）系统建模与性能分析使用时域的差分方程、复数域的z变换和脉冲传递函数、频域的频率特性以及离散状态空间方程作为系统数学描述（系统建模）的基本工具。任何控制系统都必须能稳定地工作，并满足规定的稳态和动态性能指标，所谓性能分析就是确认系统具有怎样的性能。本课程将在教学模块3中讲述计算机控制系统的数学描述和性能分析问题。（3）控制器设计在实际工程设计时，数字控制器有两种经典的设计方法，即模拟化设计方法和直接设计方法。所谓模拟化设计方法就是在一定条件下，将计算机控制系统近似成连续系统进行设计，然后用离散化方法将连续控制器变换成数字控制器。直接设计方法则是首先建立被控对象的离散模型，把整个系统变成离散系统，然后在离散域直接设计控制器。本课程将在教学模块4和教学模块5中分别讲述数字控制器的模拟化设计方法和直接设计方法，并对上述两种经典控制算法进行工程化改进。（4）控制系统实现技术在计算机控制系统中，由于采用了数字控制器而会产生数值误差，这些误差的传播，会极大的影响系统的控制精度和它的动态性能。因此计算机控制系统的工程设计与实现是一项复杂的系统工程。本课程在教学模块6中讲述计算机控制系统数字控制器工程实现中的关键技术。1.4本课程的讲授思路信号变换与分析系统建模系统性能分析数字控制器设计系统工程实现1.4本课程的讲授思路计算机闭环控制系统中的信号经历了从连续到离散、再从离散到连续的过程，信号在这一过程中由于信息的丢失（指采样点之间的信息丢失）导致了信号的时域和频域特性发生了变化（一般是向不利的方向发展），因此对信号变换过程进行深入分析，就是要定量地（不只是定性地）了解信号特性的变换过程及其对控制系统性能的影响，并据此确定计算机控制系统中一个最重要的参数—采样周期（香农采样定理），为计算机控制系统的建模、性能分析与控制器的设计奠定基础。信号变换与分析1.4本课程的讲授思路经典控制器的设计基础是基于被控对象的模型和性能指标，因此在信号分析的基础上，首先建立被控对象的数学模型，这里主要指脉冲传递函数模型；然后对计算机控制系统的稳定性、稳态性能和暂态性能进行分析，给出闭环系统的性能指标，包括稳定性指标（闭环系统的极点）、稳态指标（稳态误差）和暂态指标（超调量、过渡过程时间等）。系统建模系统性能分析1.4本课程的讲授思路基于被控对象的模型和控制系统的性能指标，就可以进行控制器的设计。控制器设计有多种方法，比如极点配置设计方法、最优化设计方法、以及各种先进的控制算法（如自适应控制、预测控制等），这里主要讲授数字控制器的两种经典设计方法—模拟化设计方法和直接离散化设计方法，一种是在连续域内进行的设计方法，一种是在离散域内进行的设计方法。数字控制器设计1.4本课程的讲授思路控制器在理论上完成设计后，还有工程上的实现问题。实际上，计算机控制系统的工程实现包括多个方面，如计算机硬件系统（包括输入、输出通道）、执行机构与测量设备、数字控制器的编程等，这里主要讲述数字控制器工程实现中的一些关键技术，如数字信号的量化效应分析，数字控制器中计算误差的处理、微分环节的工程化实现，以及系统的抗干扰与可靠性技术等。系统工程实现·教学单元1结束·教学模块1计算机控制系统导学与概述教学单元2计算机控制系统概述主要内容：计算机控制系统的基本概念

计算机控制系统的基本结构计算机控制系统的性能指标计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的基本类型教学单元2计算机控制系统概述（1）什么是计算机控制系统

定义：计算机控制系统就是利用计算机来实现自动控制的系统，即应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。计算机：指各种规模的数字计算机，如从微型到大型的通用或专用计算机；控制：使事物按照一定的规律运行(变化)。辅助部件：主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。2.1

计算机控制系统的基本概念被控对象：包括生产过程、机械装置、机器人、实验装置、仪器仪表等。与被控对象和部件之间的联系：可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。控制目的：可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。（2）计算控制系统的主要特点数字信号（时间上离散、幅值上量化）：r(k)——给定输入，y(k)——系统输出，e(k)=r(k)-y(k)——偏差信号，u(k)——控制信号；模拟信号（时间上连续、幅值上连续）：y(t)——系统输出（被控量），

u(t)—控制量；离散模拟信号（时间上离散，幅值上连续）：

y*(t)——被控量信号。数字控制器执行机构被控对象D/AA/D测量变送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k)u(t)+-计算机采样开关A/D转换器结构混合：控制器是离散的，而被控对象一般是连续的；信号混合：包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。结构混合的特点决定了计算机控制系统存在两类设计方法：离散化设计方法和模拟化设计方法。信号混合的特点使信号变换和分析问题成为计算机控制系统的基础理论问题。（2）计算控制系统的主要特点（3）计算机控制系统的基本工作原理计算机控制系统的基本工作原理可概括为：（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控物理量的瞬时值进行检测并输入；（2）实时控制决策：对采样到的被控量进行分析和处理，按给定的控制规律，决定将要采取的控制行为；（3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。实时——信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。2.2计算机控制系统的基本结构实例：电阻炉炉温计算机控制系统电阻炉温度信号经过热电偶检测后变成电信号（毫伏级），再经过变送器变成标准信号（1~5V或4~20mA），经A/D转换器采样后变成数字信号，在计算机中，与给定温度信号进行比较，得到温度偏差信号，经控制器运算得到数字控制信号，再经D/A转换器将该数字控制信号转换成模拟量，控制触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压进行PWM调制，改变加热电阻两端电压和电流，并最终达到控制温度的目。~220V计算机A/D转换器D/A转换器变送器热电偶触发器双向晶闸管电阻炉R将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统抽象化，可得到计算机控制系统典型结构：2.2计算机控制系统的基本结构数字控制器执行机构被控对象D/AA/D测量变送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k)u(t)+-计算机采样开关A/D转换器2.3

计算机控制系统的性能指标（1）稳定性稳定性是指当扰动作用消失后，系统恢复原平衡状态的能力。稳定性是控制系统最重要的性能指标。闭环系统极点（特征根）的位置决定了系统的稳定性：连续系统稳定的充分必要条件是闭环系统的极点位于s平面的左半平面；离散系统稳定的充分必要条件是闭环系统的极点位于z平面的单位圆内。（2）稳态指标稳态指标是衡量控制系统控制精度的指标，用稳态误差来表示：稳态值给定值2.3

计算机控制系统的性能指标（3）动态指标动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性。动态指标包括：超调量、调节时间ts

、峰值时间tp、震荡次数N

。用得最多的是超调量和调节时间ts（4）综合指标最优控制设计时，既要考虑到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实现,因此，经常使用综合性能指标来评价控制系统性能。常用的综合性能指标为积分型综合指标：

计算机控制系统的发展过程，是生产过程对控制系统的要求不断提高的过程，也是计算机技术不断发展和成熟的过程，这两个要素在计算机控制系统的发展过程中，起着根本性的主导和推动作用。

1946年世界第一台数字计算机在美国诞生，起初计算机主要用于科学计算和数据处理。

1950年，在航空工业领域，出现了以计算机为主要组成部件的数字微分分析器DDA（digitaldifferentialanalyser），可以将其看成是计算机用于控制领域的起点。2.4计算机控制系统的发展历程

1952年，计算机首先被用来自动检测化工生产过程参量并进行数据处理；1955年美国TRW航空公司与美国一个炼油厂合作，联合研制TRW-300计算机控制系统，1959年TRW-300计算机控制系统在美国德克萨斯州阿塞港炼油厂的聚合装置上投运成功。该系统控制26个流量、72个温度、3个压力和成分等工艺变量。

这个阶段的计算机控制系统属于操作指导型计算机控制系统OGCS（operationguidecontrolsystem）——人直接参与系统的工作过程。2.4计算机控制系统的发展历程

1962年英国的帝国化学工业集团（ICI）研制了一台用于过程控制的计算机，实现了直接数字控制（directdigitalcontrol，DDC），可直接测量224个实时变量，控制129个阀门。该系统的出现标志着直接数字控制(DDC)系统阶段的开始。1960到1965年，DDC系统在石油、化工、造纸等领域的应用取得广泛成功，是DDC的大发展时期。但因为当时计算机过程通道庞大复杂、价格昂贵，而且系统的抗干扰性和可靠性较差，许多DDC系统发生故障。2.4计算机控制系统的发展历程

1967年到1975年，随着生产规模的不断扩大，被控对象的被控参数越来越多，控制回路也越来越复杂，加之小型机的出现，人们提出了集中计算机控制系统（integratedcontrolsystem,

ICS），即把几十个甚至几百个上千个控制回路及过程变量的检测、控制、显示、操作等控制集中到一台计算机上实现。

ICS系统的运行危险高度集中（把全部鸡蛋都放在一个篮子里），系统运行过程中，潜伏着极大的不安全风险。2.4计算机控制系统的发展历程

1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了崭新的发展阶段，到20世纪70年代末，产生集散计算机控制系统，也称为分布式计算机控制系统DCS（distributedcontrolsystem），并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统，20世纪80年代，是DCS大发展时期。

20世纪80年代中后期，出现了将现场控制器和智能化仪表等现场设备用现场通信总线互连构成的新型分布式计算机控制系统——现场总线控制系统FCS

（fieldbuscontrolsystem）2.4计算机控制系统的发展历程

21世纪初期，以工业以太网为代表的网络控制系统NCS

（networkedcontrolsystem）技术在计算机控制系统中开始应用。网络控制的理论和技术都还不够成熟，但已经成为当前的研究热点2.4计算机控制系统的发展历程DCS的思想引导着计算机控制系统的发展趋势，随着计算机技术、控制技术、网络技术、软件技术、嵌入式技术、智能技术等的不断发展，以FCS、NCS为代表的新型DCS不断涌现。网络化、智能化、综合自动化将是未来计算机控制系统的主要特征。

计算机控制系统的发展趋势（1）操作指导型计算机控制系统OGCS（产生于20世纪50年代）工作原理：计算机首先通过模拟量和数字量输入通道实时采集监控的工艺参数，然后根据预先建立的数学模型和控制算法进行运算的处理，并通过显示器和打印机输出设定值等结果，作为操作指导参数，由操作人员根据这些指导参数和实际工作经验，操作各种常规的控制仪表或装置，对生产过程中被控对象进行控制。2.5

计算机控制系统的基本类型计算机生产过程模拟输入通道数字输入通道显示器打印机控制仪表人信息采集操作员（2）直接数字控制系统（DDC系统，产生于20世纪60年代初）计算机生产过程模拟输入通道数字输入通道信息采集模拟输出通道数字输出通道控制外围设备操作控制台基本工作原理：计算机首先通过模拟量和数字量输入通道采实时集生产过程参数，然后各个回路的控制算法计算相应的控制量，并通过模拟量和数字量输出通道输出到个回路的执行机构，实现各回路被控对象的控制。（3）计算机监督控制系统（SCC，产生于20世纪60年代）SCC计算机生产过程信息采集输入通道外围设备操作控制台输入输出通道DDC计算机输入输出通道DDC计算机……信息采集控制设定值信息交换这是一个二级计算机控制系统，SCC计算机根据不断变化的生产和工艺条件及环境条件等信息，按照生产过程的数学模型，计算出各控制回路的最优设定值，输出给对应的DDC系统，从而使DDC系统能适应生产过程情况的变化，始终工作在最优工作状态（最优质量、最低成本…）。（4）集中式计算机控制系统（ICS）（1967~1975年）控制计算机生产过程外围设备操作控制台输出通道…控制2设备1输出通道设备2输出通道设备n输入通道…控制1控制n信息采集高度集中的控制结构，功能过于集中，计算机的负荷过重，计算机出现的任何故障都会产生非常严重的后果，所以该系统非常脆弱，安全可抗性得不到保障。而且系统结构越庞大，系统开发周期越长，现场调试、布线施工等费时费力，很难满足用户的要求。（5）集散控制系统（DCS，产生于20世纪70年代中期）第一级为直接控制单元，也称下位机，它直接控制被控对象，完成实时控制。第二级为中央处理机，又称为上位机，完成管理、监控等功能，实现最优控制。监控计算机控制单元1控制单元2控制单元n……生产过程二级结构模式下的DCS高速数据通道设备1传感器执行机构设备2