第一章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主講：黃宜慶博士E-MAIL:yiqhuang@TEL氣工程學(xué)院1第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制理論、自動(dòng)化技術(shù)以及檢測(cè)與傳感技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。利用計(jì)算機(jī)快速強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷等信息加工能力，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用提供了有力的工具。2

本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)、分類以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)。本章主要內(nèi)容：31．1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。

自動(dòng)控制，是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。圖1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)41．2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。

硬件組成：主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括主機(jī)和外部設(shè)備）和過程輸入輸出通道、被控對(duì)象、執(zhí)行器、檢測(cè)變送環(huán)節(jié)等組成。

軟件組成：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，硬件和軟件不是獨(dú)立存在的，在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意兩者相互間的有機(jī)配合和協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。5圖2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計(jì)算機(jī)本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字—模擬混合式的結(jié)構(gòu)。

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

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)變換與傳遞

8模擬控?cái)?shù)字控集散控現(xiàn)場(chǎng)總線控網(wǎng)絡(luò)控伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展3.1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展1．3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式

91．3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式

1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

圖4數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點(diǎn):要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。102.直接數(shù)字控制系統(tǒng)

圖5直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏耆〈M調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID控制，而且只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。

113．監(jiān)督控制系統(tǒng)

圖6監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式

其作用是改變給定值，又稱設(shè)定值控制。它的任務(wù)著重在控制規(guī)律的修正與實(shí)現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。124.分散型控制系統(tǒng)

采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級(jí)分布式控制。圖7DCS結(jié)構(gòu)示意圖

135.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

圖8FCS控制層結(jié)構(gòu)模式為：“工作站一現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，完成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

146.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)※延時(shí)；※數(shù)據(jù)包丟失；※錯(cuò)序。系統(tǒng)不穩(wěn)定延時(shí)156.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)161．4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo)

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性

系統(tǒng)控制的主要目的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從某一狀態(tài)到達(dá)指定的狀態(tài)。如果系統(tǒng)不能控，就不可能通過選擇控制作用，使系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀態(tài)到達(dá)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(cè)辨能力兩個(gè)方面揭示了控制系統(tǒng)的兩個(gè)基本問題。

能控性用狀態(tài)反饋構(gòu)成控制規(guī)律，從它的測(cè)量輸出中獲得系統(tǒng)狀態(tài)的信息。如果輸出不反映狀態(tài)信息，這樣的系統(tǒng)被稱為是不能觀的。能觀性183.控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)圖10階躍信號(hào)作用下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀地反映控制系統(tǒng)的過渡過程特性，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間，峰值時(shí)間，衰減比和振蕩次數(shù)。19

超調(diào)量

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

超調(diào)量通常以百分?jǐn)?shù)表示，它反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性。20調(diào)整時(shí)間

調(diào)整時(shí)間反映了過渡過程時(shí)間的長短，當(dāng)時(shí)，若，則定義為調(diào)整時(shí)間，式中是輸出量的穩(wěn)態(tài)值，取0.02或0.05。反映了動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的快慢，是系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。214.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)

穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是衡量控制系統(tǒng)精度的指標(biāo)，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(tǒng)的綜合指標(biāo)綜合性能指標(biāo)通常有3種類型

1)積分型指標(biāo)

誤差平方的積分

這種性能指標(biāo)著重權(quán)衡大的誤差，而較少顧及小的誤差，但這種指標(biāo)數(shù)學(xué)上易于處理，可以得到數(shù)學(xué)解析解，因此經(jīng)常使用。23

這種指標(biāo)較少考慮大的起始誤差，著重權(quán)衡過渡特性后期出現(xiàn)的誤差，有較好的選擇性。該指標(biāo)反映了控制系統(tǒng)的快速性和精確性。時(shí)間乘誤差平方的積分24加權(quán)二次型性能指標(biāo)不僅控制了動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，而且限制了控制信號(hào)的功率。對(duì)于多變量控制系統(tǒng)，可用：252）末值型指標(biāo)

當(dāng)要求系統(tǒng)在末值時(shí)刻具有最小穩(wěn)態(tài)誤差，最準(zhǔn)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(biāo)。

263）復(fù)合型指標(biāo)

復(fù)合型指標(biāo)是積分型和末值型指標(biāo)的復(fù)合，是一個(gè)更普遍的性能指標(biāo)形式。27

補(bǔ)充內(nèi)容：泛函與變分法基礎(chǔ)平面上兩點(diǎn)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(shù)，若對(duì)每個(gè)函數(shù)x(t)，有一個(gè)J值與之對(duì)應(yīng)，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(duì)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(shù)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(shè)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