《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課件第1章

1、1、緒論概述/發(fā)展與應(yīng)用/理論與設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容1.1 概述1.1.1 CCS組成閉環(huán)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)決策、實(shí)時(shí)控制在線、離線 模擬電路 采樣理論 數(shù)字控制 多樣形式 典型模擬式火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖 典型火炮位置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖(1) 被控對(duì)象：本例為火炮炮身；(2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：本例為直流電機(jī)；(3) 測量裝置：本例為測量電位計(jì)及測速電機(jī)；(4) 指令給定裝置：本例為火炮高低角及方位角的指令生成裝置；(5) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：包括下述主要部件：A/D變換器；D/A變換器；數(shù)字計(jì)算機(jī)（包括硬件及相應(yīng)軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換處理、工作狀態(tài)邏輯管理、按給定算法

2、產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令等）。CCS組成被控對(duì)象；測量裝置；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（主機(jī)和輸入輸出通道）； 外部設(shè)備。 （基本典型； 不同組合）被控對(duì)象；測量裝置；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)； 外部設(shè)備。系統(tǒng)軟件： 操作系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等。應(yīng)用軟件： 過程監(jiān)視程序：巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、上下限檢查及報(bào)警、操作面板服務(wù)、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換、判斷、過程分析等； 過程控制計(jì)算程序：控制算法、事故處理和信息管理（信息生成調(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示等）； 公共服務(wù)程序：基本運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式編碼等。1.1.2 CCS特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)信號(hào)：有多種（連續(xù)模擬、離散模擬

3、、離散數(shù)字等）信號(hào)形式，是一種混合信號(hào)系統(tǒng)工作方式：可同時(shí)控制多個(gè)被控對(duì)象或被控量，即可為多個(gè)控制回路服務(wù)。同一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以采用串行或分時(shí)并行方式實(shí)現(xiàn)控制，每個(gè)控制回路的控制方式由軟件來形成。避免模擬實(shí)現(xiàn)的困難，方便復(fù)雜計(jì)算。控制算法由軟件程序?qū)崿F(xiàn)，控制規(guī)律靈活多樣；可使用各種數(shù)字部件，提高系統(tǒng)測量靈敏度并可利用數(shù)字通信來傳輸信息。自動(dòng)檢測和故障診斷較為方便，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)及維修能力。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，用戶界面有效。使控制與管理更易結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)層次更高的自動(dòng)化。性能價(jià)格比高。開創(chuàng)階段(19551965)：單項(xiàng)工程試驗(yàn)。測量、開環(huán)、閉環(huán)、監(jiān)督。 主要任務(wù)是尋求最佳運(yùn)行條件，從

4、事操作指導(dǎo)和設(shè)定值的計(jì)算工作，控制計(jì)算機(jī)僅按監(jiān)督方式運(yùn)行，并要求集中承擔(dān)多種任務(wù)。 模擬常規(guī)調(diào)節(jié)儀表的調(diào)節(jié)規(guī)律，形式上由連續(xù)變?yōu)殡x散，調(diào)節(jié)效果得不到明顯改善。小型計(jì)算機(jī)時(shí)期(19651972)：實(shí)用及普及階段。 主要是計(jì)算機(jī)集中控制，即用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制盡可能多的調(diào)節(jié)回路。直接數(shù)字控制DDC系統(tǒng)關(guān)注的是控制功能。 出現(xiàn)了各種類型適合工業(yè)控制的小型計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)臺(tái)數(shù)迅速增長。1.2.1 發(fā)展概況計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展與計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展密不可分。1.2 CCS發(fā)展與應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1972現(xiàn)在)：大量推廣和分級(jí)控制階段。 微機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)得到更為普及的應(yīng)用。

5、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機(jī)的發(fā)展和普及，促進(jìn)發(fā)展了許多新型計(jì)算機(jī)的控制方式。 簡單過程裝置，單臺(tái)微機(jī)獨(dú)立控制，如單片機(jī)、工控機(jī)、可編程控制器； 復(fù)雜過程裝置，采用集散型控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)分散到生產(chǎn)裝置中去，采用多級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，既能使危險(xiǎn)分散，又能實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。1.2.1 發(fā)展概況1.2.1 發(fā)展概況計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展與計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展密不可分。 經(jīng)典控制理論 主要研究單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)，單輸入單輸出制系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型采用傳遞函數(shù)表示，系統(tǒng)的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法?，F(xiàn)代控制理論 系統(tǒng)分析的對(duì)象為多輸入多輸出線性系統(tǒng)，系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)模型主要用狀態(tài)空間描述。主要采

6、用最優(yōu)控制(二次型最優(yōu)控制、H控制等)、系統(tǒng)辨識(shí)和最優(yōu)估計(jì)、自適應(yīng)控制等分析和設(shè)計(jì)方法。智能控制理論 研究對(duì)象和系統(tǒng)越來越復(fù)雜，如(a)不確定性的模型、(b)高度非線性、(c)復(fù)雜的任務(wù)要求。智能控制包括學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。1.2.2 應(yīng)用分類操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)DAS ）優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全可靠。缺點(diǎn)是要由人工進(jìn)行操作，操作速度受到了人為的限制。也用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試階段，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測、處理及試驗(yàn)新模型等。生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視操作指導(dǎo)直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC 閉環(huán)系統(tǒng)。巡回檢測一個(gè)或多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行，與設(shè)定值進(jìn)行比

7、較，再進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 靈活性大。 主要研究對(duì)象。計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）SCC系統(tǒng)有多種形式，如：SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)； SCC+DDC控制系統(tǒng)。它是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。SCC系統(tǒng)不僅可進(jìn)行給定值控制，還可進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。集散控制系統(tǒng)（DCS）可靠性高、速度快、結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展、設(shè)計(jì)、開發(fā)、維護(hù)簡便生產(chǎn)管理級(jí)、過程管理級(jí)、過程控制級(jí)分級(jí)控制系統(tǒng)說明：1、分級(jí)控制理論角度、大系統(tǒng)基礎(chǔ)理論， 綜合優(yōu)化指標(biāo)，2、分布控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)角度、結(jié)構(gòu)與功能3、PLC、DCS， FCS； NCS4、CIMS/綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

8、5、按控制規(guī)律分類 程序控制與順序控制； PID控制； 有限拍控制； 復(fù)雜規(guī)律控制； 智能控制例: 各種用途的機(jī)器人系統(tǒng) 焊接機(jī)器人系統(tǒng)（核心為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) ）具有視覺器件的機(jī)器人示意圖 例:以計(jì)算機(jī)為核心的復(fù)雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng) 現(xiàn)代民用飛機(jī)座艙數(shù)字控制電子設(shè)備 飛機(jī)飛行高度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 例：現(xiàn)代工廠自動(dòng)化中，廣泛使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng) 1.3 CCS的理論與設(shè)計(jì)問題 (1) 若被控對(duì)象是時(shí)不變線性系統(tǒng)，通常所形成的連續(xù)控制系統(tǒng)也是時(shí)不變系統(tǒng)。但當(dāng)將其改造成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，它的時(shí)間響應(yīng)與外作用的作用時(shí)刻和采樣時(shí)刻是否同步有關(guān)。采樣系統(tǒng)的時(shí)變特性 1.3.1 理論問題(

9、2) 連續(xù)系統(tǒng)在正弦輸入信號(hào)的激勵(lì)下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的正弦信號(hào)，但計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應(yīng)與輸入信號(hào)頻率和采樣周期有關(guān)。 頻率為4.9 Hz的輸入信號(hào) 連續(xù)系統(tǒng)的輸出采樣間隔時(shí)間為0.1 s時(shí)，則會(huì)發(fā)生振蕩周期為10s的差拍現(xiàn)象。 (3)盡管計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特性可以用連續(xù)控制系統(tǒng)理論解釋，但還有很多現(xiàn)象是不能用連續(xù)系統(tǒng)理論加以解釋的。 例如，一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)是可控可觀的，將其變成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，若采樣間隔時(shí)間選取的不合適，則可能會(huì)變得不可控。 (4)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的問題。對(duì)閉環(huán)負(fù)反饋的一階、二階線性連續(xù)系統(tǒng)，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)為任意值，系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。從第4章的分析可以看到，當(dāng)采樣周

10、期一定時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)僅處于一定范圍時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定 。有限調(diào)節(jié)時(shí)間系統(tǒng) 實(shí)線表示連續(xù)系統(tǒng)，虛線是同一被控對(duì)象的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 (5)一個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)時(shí)不變系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間通常是無限的。 CCS通過設(shè)計(jì)卻可以實(shí)現(xiàn)在有限的采樣間隔內(nèi)(即有限時(shí)間內(nèi))達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系統(tǒng)更好的性能。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中還存在字長有限的問題。A/D或D/A變換器、計(jì)算機(jī)內(nèi)存及運(yùn)算器的字長有限。字長有限引起的極限環(huán)1.3.2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu) (a) 連續(xù)域設(shè)計(jì)-離散化方法 將CCS看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計(jì)得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此，采用不同方

11、法將其數(shù)字化(離散化)。 (b) 直接數(shù)字域(離散域)設(shè)計(jì) 把CCS看成是純離散信號(hào)系統(tǒng)，直接在離散域進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到數(shù)字控制器，并在計(jì)算機(jī)里實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際工程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法 (a) 連續(xù)域設(shè)計(jì)-離散化方法 將CCS看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計(jì)得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此，采用不同方法將其數(shù)字化(離散化)。 (b) 直接數(shù)字域(離散域)設(shè)計(jì) 把CCS看成是純離散信號(hào)系統(tǒng)，直接在離散域進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到數(shù)字控制器，并在計(jì)算機(jī)里實(shí)現(xiàn)。 兩種設(shè)計(jì)方法流程1.4 課程內(nèi)容特性變化，需要新的理論。 頻率特性變化。 穩(wěn)定性、可控可觀性等特性可以變化。 計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)可能達(dá)到更好的效果。 量化

12、誤差可能產(chǎn)生極限環(huán)震蕩。不同編裁內(nèi)容 基礎(chǔ)理論模型、分析與綜合（設(shè)計(jì)）； 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（硬件、軟件）； 典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)； 典型應(yīng)用實(shí)例； 課程內(nèi)容 采樣理論； 經(jīng)典模型、分析、設(shè)計(jì)： 微分方程差分方程；S傳遞函數(shù)Z傳遞函數(shù)； 穩(wěn)定性、控制特性分析； 控制器設(shè)計(jì)（間接、直接）； 狀態(tài)空間方程離散狀態(tài)空間方程；可控可觀性；狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)； CCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問題。課程內(nèi)容 第1章（概述） 2學(xué)時(shí) （組成、分類、必要性等） 第2章（信號(hào)采樣恢復(fù)） 2學(xué)時(shí) （2.12.5。信號(hào)、采樣、恢復(fù)、整量化、簡化結(jié)構(gòu)） 第3章（數(shù)學(xué)描述-經(jīng)典） 2學(xué)時(shí) （3.1和3.2提前預(yù)習(xí)，課堂作業(yè)0.5學(xué)時(shí)；3.3和3.4共1.5學(xué)時(shí)） 第4章（系統(tǒng)分析-經(jīng)典） 8學(xué)時(shí) （4.1、4.2、4.3、4.4； 4.6討論課2學(xué)時(shí)） 第5章（系統(tǒng)設(shè)計(jì)-經(jīng)典） 7學(xué)時(shí) （5.1、5.2、5.