計(jì)算機(jī)控制導(dǎo)論

計(jì)算機(jī)控制導(dǎo)論第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二教材及參考資料高金源等,《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》，北京：清華大學(xué)出版社，2007。薛弘曄等,《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003。第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二評分標(biāo)準(zhǔn)考查:作業(yè)10%,（每周交一次，要求A4紙，寫好名字，裝訂好）考勤10%,筆試80%十六次課,每次3個(gè)學(xué)時(shí),前14次為講課交互內(nèi)容,第15次課為總結(jié)課,第16次課為答疑課第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大綱及學(xué)時(shí)安排第一章：引論(3學(xué)時(shí))第二章：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)分析(3學(xué)時(shí))第四章：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析(6學(xué)時(shí))第三章：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述(6學(xué)時(shí))第五章：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(9學(xué)時(shí))第六章：順序與數(shù)字程序控制(3學(xué)時(shí)）第七章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組建及實(shí)現(xiàn)技術(shù)(6學(xué)時(shí))第八章：控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)(3學(xué)時(shí))第九章：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例(3學(xué)時(shí))第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二第一章計(jì)算機(jī)控制導(dǎo)論自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理（包括古典控制理論）一般控制系統(tǒng)的實(shí)例和性能要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和分類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計(jì)問題第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二宇宙航行、導(dǎo)彈制導(dǎo)、核技術(shù)以及火箭控制金屬冶煉、儀器制造及一般工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、安全生產(chǎn)自動(dòng)控制原理應(yīng)用背景第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的，直到現(xiàn)在仍然是分析、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要理論基礎(chǔ)。它在工程上應(yīng)用較普遍的是頻率法和根軌跡法。這些方法用來處理單輸入單輸出的線性自動(dòng)控制系統(tǒng)是卓有成效的。隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，控制對象越來越復(fù)雜、多樣，因此自動(dòng)控制系統(tǒng)日益復(fù)雜，出現(xiàn)了多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化的時(shí)變系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)以及最優(yōu)控制系統(tǒng)等。古典控制理論已經(jīng)難以分析和設(shè)計(jì)上述復(fù)雜的系統(tǒng)了。到60年代，逐漸形成了以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，它的形成和發(fā)展為數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。古典控制理論第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二自動(dòng)控制原理的應(yīng)用第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二控制框圖第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)被控量偏離給定值而振蕩時(shí)，系統(tǒng)抑制振蕩的能力。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，隨著時(shí)間的增長，被控量將趨近于希望值?？?/p>

見，穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。圖1(b)和(c)所示的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，這種系統(tǒng)不能工作。

圖1控制系統(tǒng)的階躍輸入和輸出系統(tǒng)基本要求：第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二快速性快速性是指被控量趨近希望值的快慢程度?？焖傩院玫南到y(tǒng)，它的過渡過程時(shí)間短，能復(fù)現(xiàn)快速變化的控制信號(hào)，因而具有較高的動(dòng)態(tài)精度。圖1―10(d)所示的系統(tǒng)1，其快速性要比系統(tǒng)2好。穩(wěn)定性和快速性是反映動(dòng)態(tài)過程好壞的尺度。精確性精確性是指過渡過程結(jié)束后，被控量與希望值接近的程度。也就是當(dāng)系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后，被控量對希望值的偏差的大小。系統(tǒng)的這一性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)精度。系統(tǒng)基本要求：第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與前面介紹的反饋控制系統(tǒng)十分相似，只是將控制器由數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)，就組成了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。圖1―11計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二控制系統(tǒng)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、邏輯判斷和記憶等功能。在這里給定量和反饋量都是二進(jìn)制數(shù)，為了信號(hào)的匹配，計(jì)算機(jī)的輸入/輸出兩側(cè)分別帶有模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器：反饋量經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收了給定量和反饋量后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)中微處理器的各種指令，就能對該偏差值進(jìn)行運(yùn)算(如PID運(yùn)算)，再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，便完成了對被控制量的控制作用。顯然，要改變控制規(guī)律，只要改變計(jì)算機(jī)的程序就可以了。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。對被控制量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測，并且將采樣結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)。實(shí)時(shí)決策。對輸入的實(shí)時(shí)給定值與被控量的數(shù)值進(jìn)行處理后，按照預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，則稱實(shí)時(shí)決策，或簡稱決策。實(shí)時(shí)控制。根據(jù)實(shí)時(shí)決策結(jié)果，適時(shí)地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號(hào)。信息管理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)之中?？刂七^程第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二典型模擬式火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖15第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二典型火炮位置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖16第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成(1)被控對象：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)的變換處理以及工作狀態(tài)的邏輯管理，按給定的算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令）。17第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二

(1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點(diǎn)，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，比例、積分和微分系數(shù)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，而且可以在整個(gè)控制范圍內(nèi)實(shí)行多參數(shù)調(diào)節(jié)。當(dāng)信號(hào)噪聲大時(shí)，數(shù)字低通濾波器與模擬濾波器相配合，對高頻的脈沖噪聲有較好的濾波效果，特別是數(shù)字濾波可抑制甚低頻的周期干擾。(2)使用靈活，便于實(shí)現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設(shè)備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設(shè)備的情況下逐步提高控制水平。(3)具有增加控制回路而不會(huì)顯著地增加費(fèi)用的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)打印、制表、報(bào)警、顯示等附加功能。計(jì)算機(jī)控制具有下述優(yōu)點(diǎn)：第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二

從控制理論上看，模擬控制系統(tǒng)是連續(xù)控制系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型用微分方程描述，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以分時(shí)方式對控制對象進(jìn)行控制的，它以定時(shí)采樣和階段控制來代替常規(guī)調(diào)節(jié)裝置的連續(xù)檢測和連續(xù)控制，所以它是離散系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型用差分方程描述。從表面上看用的理論基礎(chǔ)不一樣，但離散系統(tǒng)是在連續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。模擬控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)區(qū)別第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二硬件是指微機(jī)本身及其外圍設(shè)備，是微機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)；軟件是管理計(jì)算機(jī)的程序以及過程控制的應(yīng)用程序，是微機(jī)控制系統(tǒng)的靈魂；計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)各個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二由于被控對象不同，工業(yè)生產(chǎn)過程及被測參數(shù)也千差萬別，因此由微機(jī)組成的控制系統(tǒng)也不盡相同。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類的方法很多，可以按照系統(tǒng)的功能分類，也可以按照系統(tǒng)控制規(guī)律分類，還可以按照控制方式分類。微機(jī)控制系統(tǒng)的分類第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)離不開數(shù)據(jù)的采集和處理。計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，主要是對大量的過程參數(shù)進(jìn)行定時(shí)巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警及對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。右圖是微機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)的典型框圖。.按照功能對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl)是計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中最普遍和最基本的一種方式。DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)參加閉環(huán)控制過程，無需中間環(huán)節(jié)(調(diào)節(jié)器)。用一臺(tái)微機(jī)對多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，將檢測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再根據(jù)規(guī)定的PID規(guī)律、模糊邏輯規(guī)律或直接數(shù)字方法等進(jìn)行控制運(yùn)算，最后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。一般的直接數(shù)字控制系統(tǒng)有一個(gè)功能齊全的運(yùn)行操作臺(tái)，系統(tǒng)的給定、顯示、報(bào)警等集中在此控制臺(tái)上。其系統(tǒng)原理如圖1―13所示。在DDC系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，而且不需要改變硬件，只需要通過改變軟件就可以有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二3)微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)在DDC方法中，對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預(yù)先設(shè)定的，這個(gè)給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改，因此DDC方式無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。監(jiān)督控制SCC(SupervisoryComputerControl)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝信息和其他參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其他方法，自動(dòng)地改變模擬調(diào)節(jié)器或者DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(目標(biāo)如：最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。從這個(gè)角度上說，它的作用是改變給定值，所以又稱給定值控制SPC(SetPointComputerControl)。第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二SCC系統(tǒng)框圖第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二4)分級控制系統(tǒng)現(xiàn)代微機(jī)、通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)的巨大進(jìn)展，使得微機(jī)控制系統(tǒng)不但包含控制的功能，而且還包含生產(chǎn)管理和指揮調(diào)度的功能。除了直接數(shù)字控制和監(jiān)督控制以外，還包含了工廠級集中監(jiān)督微機(jī)和企業(yè)級經(jīng)營管理微機(jī)。下圖是一個(gè)分級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二分級控制系統(tǒng)是工程大系統(tǒng)，它所要解決的不是局部最優(yōu)化問題，而是一個(gè)工廠、一個(gè)公司乃至一個(gè)區(qū)域的總目標(biāo)或總?cè)蝿?wù)的最優(yōu)化問題，即綜合自動(dòng)化問題。最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)包括產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環(huán)境污染最小等指標(biāo)，它反映了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合性要求。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二5)集散控制系統(tǒng)20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem,或稱分布式控制系統(tǒng))，采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)從綜合自動(dòng)化角度出發(fā)，按功能分散、危險(xiǎn)分散、管理集中和應(yīng)用靈活等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高可靠性能，便于維修與更新。用于數(shù)據(jù)采集、過程控制、生產(chǎn)管理的新型控制系統(tǒng)。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)用1: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29第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二應(yīng)用2: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)30第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二應(yīng)用3：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)分散控制集中管理的組成圖31第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展概況

將數(shù)字計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)部件的思想萌生于1950年前后。在過程控制中采用數(shù)字計(jì)算機(jī)的思想出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代中期，共經(jīng)歷了以下7個(gè)發(fā)展階段：開創(chuàng)期——約1955年直接數(shù)字控制期——約1962年小型計(jì)算機(jī)控制期——約1972年微型計(jì)算機(jī)控制期——約1972年數(shù)字技術(shù)普遍應(yīng)用期——約1980年集散型控制期——約1990年開放式控制期——約20世紀(jì)末第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展

盡管采樣系統(tǒng)理論目前主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制方面，但其中的許多問題早有接觸。本節(jié)將討論發(fā)展采樣系統(tǒng)理論的某些主要思想及其代表人物，許多思想都是連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)思想的擴(kuò)展。采樣定理：香農(nóng)(Shannon)于1949年提出；差分方程奧爾登伯格(Oldenburg)、薩托里厄斯(Sartorius)舒爾(Schur)、科恩(Cohn)等第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二狀態(tài)空間理論：萊夫舍茨(Lefschetz)、龐特里亞根(Pontryagin)、貝爾曼(Bellman)、卡爾曼等最優(yōu)控制與隨機(jī)控制

貝爾曼、龐特里亞根、卡爾曼等系統(tǒng)辨識(shí)自適應(yīng)控制：參數(shù)估計(jì)（在線、離線）自動(dòng)整定：自校正PID其他現(xiàn)代控制方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊、智能第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論問題(1)若被控對象是時(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)。圖1-13采樣系統(tǒng)的時(shí)變特性35第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期二1.3.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論問題(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)，圖1-14計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的正弦激勵(lì)響應(yīng)頻率為4.9Hz的輸入信號(hào)連續(xù)系統(tǒng)的輸出采樣間隔時(shí)間為0.1s時(shí)，則會(huì)發(fā)生振蕩周期