第一章計算機控制系統

計算機控制技術主講：黃宜慶博士E-MAIL:yiqhuang@TEL氣工程學院1第1章計算機控制系統概述

計算機控制系統是計算機技術與自動控制理論、自動化技術以及檢測與傳感技術、通信與網絡技術緊密結合的產物。利用計算機快速強大的數值計算、邏輯判斷等信息加工能力，計算機控制系統可以實現常規(guī)控制以外更復雜、更全面的控制方案。計算機為現代控制理論的應用提供了有力的工具。2

本章主要介紹計算機控制系統的基本概念、結構組成、特點、分類以及計算機控制系統的發(fā)展概況和趨勢。本章主要內容：31．1計算機控制系統的基本概念

計算機控制系統就是利用計算機來實現生產過程自動控制的系統。

自動控制，是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產過程自動地按照預定的規(guī)律運行。圖1計算機控制系統基本結構41．2計算機控制系統的組成和特點計算機控制系統由硬件和軟件兩部分組成。

硬件組成：主要由計算機系統（包括主機和外部設備）和過程輸入輸出通道、被控對象、執(zhí)行器、檢測變送環(huán)節(jié)等組成。

軟件組成：系統軟件和應用軟件。

在計算機控制系統中，硬件和軟件不是獨立存在的，在設計時必須注意兩者相互間的有機配合和協調，只有這樣才能研制出滿足生產要求的高質量的控制系統。5圖2計算機控制系統的組成框圖6計算機控制系統的特點

在計算機控制系統中，被控制量通常是模擬量，而計算機本身的輸入輸出量都是數字量。因此，計算機控制系統大都具有數字—模擬混合式的結構。

7模擬信號——時間上和幅值上都連續(xù)的信號。離散模擬信號——時間上離散幅值上連續(xù)的信號。數字信號——時間上離散，幅值也離散的信號。采樣——將模擬信號抽樣成離散模擬信號的過程。量化——采用一組數碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換成數字信號。圖3

計算機控制系統中信號變換與傳遞

8模擬控數字控集散控現場總線控網絡控伴隨計算機技術、通訊技術以及控制技術的發(fā)展3.1網絡控制系統的發(fā)展1．3計算機控制系統的典型形式

91．3計算機控制系統的典型形式

1.數據采集和監(jiān)視系統

圖4數據采集和監(jiān)視系統優(yōu)點：結構簡單，控制靈活和安全。缺點:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。102.直接數字控制系統

圖5直接數字控制系統框圖

計算機閉環(huán)控制系統?？赏耆〈M調節(jié)器，實現多回路的PID控制，而且只要改變程序就可以實現復雜的控制規(guī)律。

113．監(jiān)督控制系統

圖6監(jiān)督控制系統的兩種結構形式

其作用是改變給定值，又稱設定值控制。它的任務著重在控制規(guī)律的修正與實現，如最優(yōu)控制、自適應控制等。124.分散型控制系統

采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協調的設計原則與網絡化的控制結構，形成分級分布式控制。圖7DCS結構示意圖

135.現場總線控制系統

圖8FCS控制層結構模式為：“工作站一現場總線智能儀表”二層結構，完成了DCS中的三層結構功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在統一國際標準下可實現真正的開放式互連系統結構。

146.網絡控制系統※延時；※數據包丟失；※錯序。系統不穩(wěn)定延時156.網絡控制系統161．4計算機控制系統的性能及其指標

1.計算機控制系統的穩(wěn)定性

圖9過渡過程的4種情況（a）發(fā)散振蕩（b）衰減振蕩（c）等幅振蕩（d）非周期衰減172.計算機控制系統的能控性和能觀測性

系統控制的主要目的是驅動系統從某一狀態(tài)到達指定的狀態(tài)。如果系統不能控，就不可能通過選擇控制作用，使系統狀態(tài)從初始狀態(tài)到達指定狀態(tài)。

能控性和能觀性從狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的測辨能力兩個方面揭示了控制系統的兩個基本問題。

能控性用狀態(tài)反饋構成控制規(guī)律，從它的測量輸出中獲得系統狀態(tài)的信息。如果輸出不反映狀態(tài)信息，這樣的系統被稱為是不能觀的。能觀性183.控制系統的動態(tài)指標圖10階躍信號作用下的系統動態(tài)過程動態(tài)指標能夠比較直觀地反映控制系統的過渡過程特性，動態(tài)指標包括超調量，調節(jié)時間，峰值時間，衰減比和振蕩次數。19

超調量

表示了系統過沖的程度。設輸出量的最大值為，輸出量的穩(wěn)態(tài)值為，則超調量定義為

超調量通常以百分數表示，它反映了系統動態(tài)過程的平穩(wěn)性。20調整時間

調整時間反映了過渡過程時間的長短，當時，若，則定義為調整時間，式中是輸出量的穩(wěn)態(tài)值，取0.02或0.05。反映了動態(tài)過程進行的快慢，是系統的快速性指標。214.控制系統的穩(wěn)態(tài)指標

穩(wěn)態(tài)指標是衡量控制系統精度的指標，用穩(wěn)態(tài)誤差來表征。穩(wěn)態(tài)誤差是輸出量的穩(wěn)態(tài)值與要求值的差值，定義為225.控制系統的綜合指標綜合性能指標通常有3種類型

1)積分型指標

誤差平方的積分

這種性能指標著重權衡大的誤差，而較少顧及小的誤差，但這種指標數學上易于處理，可以得到數學解析解，因此經常使用。23

這種指標較少考慮大的起始誤差，著重權衡過渡特性后期出現的誤差，有較好的選擇性。該指標反映了控制系統的快速性和精確性。時間乘誤差平方的積分24加權二次型性能指標不僅控制了動態(tài)性能指標，而且限制了控制信號的功率。對于多變量控制系統，可用：252）末值型指標

當要求系統在末值時刻具有最小穩(wěn)態(tài)誤差，最準確的定位或最大射程的末值控制中，就可采用末值型性能指標。

263）復合型指標

復合型指標是積分型和末值型指標的復合，是一個更普遍的性能指標形式。27

補充內容：泛函與變分法基礎平面上兩點連線的長度問題其弧長為28一般來說，曲線不同，弧長就不同，即弧長依賴于曲線，記為。，稱為泛函。

，稱泛函的宗量

泛函定義：x(t)是自變量t的函數，若對每個函數x(t)，有一個J值與之對應，則變量J稱為依賴于x(t)的泛函，記J(x(t))例舉：29線性泛函與連續(xù)泛函：線性泛函泛函對宗量是線性的連續(xù)泛函

若定義在線性賦范空間上的泛函又滿足連續(xù)條件，稱J(x)為連續(xù)線性泛函30泛函與函數的幾何解釋

宗量的變分

泛函的增量

泛函的變分

Jd=31定理

2.1泛函的變分為

32例

2.1求泛函的變分

33泛函的極值

定理

2.2若泛函有極值，則必有342.2歐拉方程

(1)無約束泛函極值的必要條件

定理2.3設有如下泛函極值問題：

及橫截條件35

2.2歐拉方程

變分分部積分

證明：36例

2.2求平面上兩