自動控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制系統(tǒng)的基本概念第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一連續(xù)控制系統(tǒng)的基本理論知識以及計算機控制實現(xiàn)的基本程序；以經(jīng)典控制算法PID為基礎(chǔ)，介紹由連續(xù)控制器到離散控制器的設(shè)計方法，較深入地分析了PID算法性能和參數(shù)整定；講述控制器的直接設(shè)計方法，給出最少拍無波紋控制器的設(shè)計方法；計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

主要內(nèi)容第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一第1章自動控制系統(tǒng)的基本概念

第2章自動控制系統(tǒng)分析基礎(chǔ)

第3章連續(xù)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

第4章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計第5章順序與數(shù)字程序控制第6章數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計第7章離散控制系統(tǒng)設(shè)計第8章計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)主要內(nèi)容第三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一第1章自動控制系統(tǒng)的基本概念

1.1自動控制系統(tǒng)的基本原理1.2計算機控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一背景介紹

自動控制對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有越來越重要的作用。

應(yīng)用領(lǐng)域：宇宙航行、導(dǎo)彈制導(dǎo)、核技術(shù)以及火箭控制等新興學(xué)科領(lǐng)域以及金屬冶煉、儀器制造及一般工業(yè)生產(chǎn)過程中

目的：實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、安全生產(chǎn)，改善勞動條件，提高經(jīng)濟效益第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

古典控制理論是20世紀40年代發(fā)展起來的，直到現(xiàn)在仍然是分析、設(shè)計自動控制系統(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)的進步，控制對象越來越復(fù)雜、多樣，因此自動控制系統(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)隨時間變化的時變系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)以及最優(yōu)控制系統(tǒng)等。第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

因此，古典控制理論已經(jīng)難以分析和設(shè)計上述復(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)字計算機應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。狀態(tài)空間法：不僅可以描述系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系，而且還可以描述系統(tǒng)的內(nèi)部特性，是一種內(nèi)部描述，特別適用于多輸入輸出系統(tǒng)，它采用狀態(tài)空間表達式作為描述系統(tǒng)的模型。是對系統(tǒng)的一種完全描述。第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

常規(guī)的控制方法難以滿足更高的精度、更快的速度和更大的效益的要求。

計算機的特點：精度高、速度快、存儲量大，能夠進行邏輯判斷、具有強大的信息處理能力因此可以實現(xiàn)高級復(fù)雜的控制算法，獲得快速精密的控制效果、能夠把過程控制和生產(chǎn)管理有機地結(jié)合起來，從而對工廠、企業(yè)或企業(yè)體系的管理實現(xiàn)自動化。第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，為計算機控制的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。電子計算機在經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路等階段之后，現(xiàn)已到了第五代計算機研制階段。計算機的發(fā)展是異常神速的。無論在速度、性能、可靠性、能耗、性能價格比等方面，現(xiàn)在的計算機都有了突飛猛進的變化，其運算速度已經(jīng)達到了1000萬次每秒到1億次每秒。第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

計算機信息處理技術(shù)的發(fā)展，也從數(shù)字發(fā)展到文字，從黑白發(fā)展到彩色，從無聲發(fā)展到有聲，從本地發(fā)展到遠程。正如有關(guān)專家預(yù)測的，計算機將向微型化、巨型化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體以及智能化方向發(fā)展。計算機控制是以自動控制理論與計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的。計算機控制既是一門新興的學(xué)科，又與自動控制有著密切的關(guān)系。第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

本書闡述自動控制和計算機控制的基礎(chǔ)理論，概述計算機控制系統(tǒng)的分析方法，總結(jié)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和控制規(guī)律，同時，聯(lián)系實際討論計算機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法(包括硬件和軟件實現(xiàn))，并介紹了一些計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.1.1自控系統(tǒng)的工作原理

1.速度控制系統(tǒng)

1.1自動控制系統(tǒng)的基本原理

控制目標(biāo)：控制車床主軸速度①—電位器②—放大器③—直流電動機第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)電動機的負載轉(zhuǎn)矩（也稱扭矩）變化很小，系統(tǒng)元件特性比較穩(wěn)定時，所示的控制系統(tǒng)可以滿足預(yù)期的要求。否則，電動機的實際轉(zhuǎn)速與期望值相比將有較大的誤差。為了克服或減小負載轉(zhuǎn)矩變化對轉(zhuǎn)速的影響，可以采用干擾補償?shù)霓k法，但是，采用干擾補償?shù)南到y(tǒng)一般不能解決由于元件特性不穩(wěn)定所產(chǎn)生的輸出誤差。而下圖所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)則可以減小或消除由各種因素所引起的轉(zhuǎn)速變化。圖1―2直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖

第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一電動機的轉(zhuǎn)速由ug和ub共同控制Ub與實際轉(zhuǎn)速相對應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)速低于理論轉(zhuǎn)速時△u=ug-ub會增大，從而電動機轉(zhuǎn)速升高，而回復(fù)到要求值。第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一圖1―4帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)原理圖

第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.隨動系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化，由于輸入軸的位置無法預(yù)先確定(如雷達導(dǎo)引系統(tǒng))，因此該系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)。第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一系統(tǒng)工作原理如下：電位計①和②，分別把輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)角θr和θc變成相應(yīng)的電壓，然后把這兩個電壓反向串聯(lián)(相減)，即可以得到與角度偏差θe＝θr-θc成比例的電壓ue該電壓經(jīng)過放大器放大后加到電動機上，電動機的軸經(jīng)減速器和輸出軸相連，并且同時帶動電位器②的電刷移動，如果θc≠θr，則ue≠0，放大后的電壓ua驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向最終應(yīng)使θc向θr接近，使θe減小。最后，兩者取得一致，θc＝θr，則ue＝0，電機停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)進入平衡狀態(tài)。這樣就保證了輸出軸緊緊地跟隨著輸入軸變化。在隨動系統(tǒng)中，當(dāng)指令信號變化時，輸出軸便精確地復(fù)現(xiàn)著輸入軸的變化規(guī)律。這個系統(tǒng)的原理如圖1―6所示。2.隨動系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化，由于輸入軸的位置無法預(yù)先確定(如雷達導(dǎo)引系統(tǒng))，因此該系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)。第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一圖1―6隨動系統(tǒng)的原理圖第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

由上面兩種系統(tǒng)的討論可知：

(1)自動控制系統(tǒng)是由控制裝置和被控對象(或被控過程)兩大部分組成的。對被控對象(或被控過程)產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用的設(shè)備或裝置稱為控制裝置。圖1-7第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

一般的控制裝置包括如下環(huán)節(jié)：①檢測裝置。檢測裝置的任務(wù)是對系統(tǒng)被控量進行檢測，并把它轉(zhuǎn)換成與參考輸入相同的物理量后，送入比較環(huán)節(jié)。前述系統(tǒng)中的測速發(fā)電機和測量電位計等就是檢測反饋元件。②比較器。比較器的作用是將檢測反饋裝置送來的信號與參考輸入進行比較，得出兩者偏差(誤差)信號。比較器往往是由綜合電路或檢測裝置兼而完成的，一般用符號表示；“-”表示輸入信號與反饋信號相減，即負反饋；“+”表示正反饋。第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

③放大元件。將比較環(huán)節(jié)輸出的微弱信號進行放大。如電壓放大器和功率放大器。④執(zhí)行機構(gòu)。將放大元件的輸出信號轉(zhuǎn)變成機械運動，從而對受控對象施加控制調(diào)節(jié)作用。如電機構(gòu)。⑤校正裝置。校正裝置(或稱控制器、調(diào)節(jié)器)是對偏差信號進行比例、積分、微分等運算的元件，參數(shù)或結(jié)構(gòu)便于調(diào)整，用于改善系統(tǒng)性能。⑥被控對象。接受控制的設(shè)備(或過程)，如工作機械。

第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(2)自動控制系統(tǒng)含義：是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對受控對象進行控制操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的。

被控量：指系統(tǒng)的輸出，它是受控對象中被控制的一個物理量，如速度控制系統(tǒng)中工作機械的速度、隨動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)角等。

參考輸入：又稱給定值，如速度控制系統(tǒng)中的給定電壓ug、隨動系統(tǒng)中的角度θr等。第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(3)由圖可見，對系統(tǒng)參與控制或施加影響的信號可能來自三個方面，除了參考輸入量還有干擾和偏差。

干擾：指除參考輸入和反饋信號以外的對系統(tǒng)被控量產(chǎn)生影響的其他因素。干擾可能來自系統(tǒng)的內(nèi)部或外部。來自系統(tǒng)外部的干擾，是環(huán)境對系統(tǒng)的一種作用，所以它也是系統(tǒng)的一種輸入。

偏差：又稱為誤差信號，就是比較環(huán)節(jié)的輸出，即被控量經(jīng)過檢測反饋環(huán)節(jié)之后與給定參考輸入量進行比較所得的差值。第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(4)前面討論的幾種系統(tǒng)，可分別歸屬于如下類型：

①恒值系統(tǒng)。圖1―1和圖1―3所示的速度控制系統(tǒng)，它們的給定值都是恒定值，故這類系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)。②隨動系統(tǒng)。給定值(控制指令)是事先未知的時間函數(shù)的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。在隨動系統(tǒng)中，當(dāng)指令信號變化時，工作機械便精確地復(fù)現(xiàn)著指令信號的變化規(guī)律。圖1―5所示的系統(tǒng)為隨動系統(tǒng)。③程序控制系統(tǒng)?？刂浦噶钜杨A(yù)先知道的系統(tǒng)，稱為程序控制系統(tǒng)。④自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)。圖1―3所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)是根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，對系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，使被控量保持恒定的。故這類系統(tǒng)又常稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)。第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.1.2自動控制的基本方式

1.開環(huán)控制

定義：被控量(輸出)不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制。特點：不對被控量進行任何檢測在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系。信號傳遞是單向進行的。第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

開環(huán)控制方式

缺點：當(dāng)被控對象或控制裝置受到干擾，或者在工作過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時，系統(tǒng)不能進行自動補償，被控制精度難以保證。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)比較簡單

適用場合：控制精度要求不高或者元件工作特性比較穩(wěn)定而干擾又很小。第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.閉環(huán)控制

定義：被控量參與系統(tǒng)控制的控制方式稱為閉環(huán)控制。結(jié)構(gòu)特點：在給定值和被控量之間，除了有一條從給定值到被控量方向傳遞信號的前向通道外，還有一條從被控量到比較元件傳遞信號的反饋通道?？刂菩盘栄刂跋蛲ǖ篮头答佂ǖ姥h(huán)傳遞，故閉環(huán)控制又稱反饋控制。另外，只要閉環(huán)控制系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)都能自行調(diào)節(jié)以減小偏差。故閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱按照偏差調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)。偏差第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一閉環(huán)控制

優(yōu)點：從原理上提供了實現(xiàn)高精度控制的可能性，對控制元件的要求比開環(huán)控制的低。

缺點：設(shè)計比較麻煩，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因而成本較高。

適用場合：控制精度要求較高，干擾影響較大時。圖1―3所示的速度控制系統(tǒng)及圖1―5所示的隨動系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.1.3對控制系統(tǒng)的基本要求

控制系統(tǒng)工作的場合不同，對它的性能要求也就不同?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是使被控量按參考輸入保持常值或跟隨參考輸入變化。但要在任何時間做到這一點并不容易。例如，當(dāng)圖1―5所示的隨動系統(tǒng)的指令電位計①，在瞬間轉(zhuǎn)動一個單位角度時，由于系統(tǒng)慣性的存在，以及能源功率的限制，工作機械不可能立即跟隨轉(zhuǎn)動相等的角度。

第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)偏差產(chǎn)生的控制作用使工作機械轉(zhuǎn)過與給定值相等的角度時，由于慣性關(guān)系，工作機械將仍以一定速度繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因而出現(xiàn)反向偏差，控制系統(tǒng)又產(chǎn)生反向控制作用，使工作機械反向轉(zhuǎn)動。如此周而復(fù)始，出現(xiàn)了振蕩的跟蹤過程。控制系統(tǒng)的這一運動過程稱為動態(tài)過程(或瞬態(tài)過程、暫態(tài)過程、過渡過程等)。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)匹配合理時，經(jīng)過一定時間后，被控量將趨于希望值，稱為進入穩(wěn)態(tài)。圖1―10表示了在階躍輸入信號作用下，幾種系統(tǒng)的被控量的變化過程。圖中x(t)表示輸入，y(t)表示輸出。第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一系統(tǒng)要能正常工作，必須滿足如下基本要求：

(1)穩(wěn)定性。被控量偏離給定值而振蕩時，系統(tǒng)抑制振蕩的能力。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，隨著時間的增長，被控量將趨近于希望值。可見，穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。圖1―10(b)和(c)所示的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，這種系統(tǒng)不能工作。

(2)快速性。指被控量趨近希望值的快慢程度?？焖傩院玫南到y(tǒng)，它的過渡過程時間短，能復(fù)現(xiàn)快速變化的控制信號，因而具有較高的動態(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態(tài)過程好壞的尺度。

(3)精確性。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。第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一1.2計算機控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成

1.2.1一般概念

計算機控制系統(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)字控制器來實現(xiàn)，如圖所示。給定量和反饋量都是二進制數(shù)，為了信號的匹配，計算機的輸入/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)換器送入計算機，計算機接收了給定量和反饋量后，運用計算機中微處理器的各種指令，就能對該偏差值進行運算(如PID運算)，再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出到執(zhí)行機構(gòu)，便完成了對被控制量的控制作用。第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

從本質(zhì)上看，計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以歸納為以下四個方面：

(1)實時數(shù)據(jù)采集。對被控制量的瞬時值進行檢測，并且將采樣結(jié)果輸入到計算機。

(2)實時決策。對輸入的實時給定值與被控量的數(shù)值進行處理后，按照預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，則稱實時決策，或簡稱決策。

(3)實時控制。根據(jù)實時決策結(jié)果，適時地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號。

(4)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。第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

上述幾個過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)能按一定的動態(tài)(過渡過程)指標(biāo)進行工作，且可對被控制量和設(shè)備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時進行監(jiān)督并迅速做出處理，這就是計算機控制系統(tǒng)最基本的功能。

控制過程中的實時概念，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間(采樣間隔)內(nèi)完成。如果計算機能夠在工藝要求的時間范圍內(nèi)及時對被控參數(shù)進行測量、計算和控制輸出，則稱為實時控制。實時控制的概念與工藝要求緊密相連，如快速變化的壓力對象的實時控制時間要比緩慢變化的溫度對象的實時控制時間短。第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

采用計算機控制具有下述優(yōu)點：

(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，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)可以單獨調(diào)節(jié)，而且可以在整個控制范圍內(nèi)實行多參數(shù)調(diào)節(jié)。

(2)使用靈活，便于實現(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顯著地增加費用的特點，還可實現(xiàn)打印、制表、報警、顯示等附加功能。

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

計算機控制系統(tǒng)是以分時方式對控制對象進行控制的，它以定時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。離散系統(tǒng)是在連續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.2.2計算機控制系統(tǒng)的組成

計算機控制系統(tǒng)包括計算機硬件設(shè)備、控制軟件和計算機通信網(wǎng)絡(luò)三大部分。硬件是指微機本身及其外圍設(shè)備，是微機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)；軟件是管理計算機的程序以及過程控制的應(yīng)用程序，是微機控制系統(tǒng)的靈魂；計算機通信網(wǎng)絡(luò)則負責(zé)各個獨立的數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制單元之間進行數(shù)據(jù)信息交換。第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

在各種計算機控制系統(tǒng)中，幾乎都是以微處理器為核心器件，因此計算機控制一般就是指微機控制系統(tǒng)。下面對微機控制系統(tǒng)各部分的功能進行說明。

1.硬件硬件由主機、接口電路及外圍設(shè)備組成。不同的系統(tǒng)，所需硬件也不同，一般可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進行擴展?，F(xiàn)已生產(chǎn)出具有各種功能的插件板或功能模塊，可用標(biāo)準總線連接起來，使用非常方便，PC總線構(gòu)成的各種工業(yè)控制計算機、可編程邏輯控制器(PLC)等即屬此類。研華：/第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1)計算機主機

主機由CPU和存儲器構(gòu)成，是整個控制系統(tǒng)的指揮部。它自動地對系統(tǒng)的各種參數(shù)進行巡回檢測，通過過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，進行信息處理、分析和計算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，并且以信息的形式通過輸出通道及時發(fā)出有關(guān)的控制命令。第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2)接口與輸入/輸出通道在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息的傳遞和交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱過程通道，它是主機與被控對象進行信息交換的紐帶，是生產(chǎn)過程控制所特殊要求的。由于微機只能接收數(shù)字量，而一般的連續(xù)化生產(chǎn)過程大都是以模擬量為主，因此，為實現(xiàn)微機控制，還必須把模擬量變成數(shù)字量，或者把數(shù)字量變成

模擬量。過程通道一般可分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道等。

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過程通道是不能直接由主機控制的，必須由“接口”來傳送相應(yīng)的信息和命令。計算機控制系統(tǒng)的接口，根據(jù)應(yīng)用的不同，有各種不同的接口電路。這里講的接口是指通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口(包括中斷管理、直接存取DMA管理、計數(shù)/定時等)。工業(yè)接口卡按接口類型可分為PCI卡和ISA卡；按信號可分為：模擬量輸入和輸出卡、開關(guān)量輸入和輸出卡。第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

3)通用外圍設(shè)備

通用外圍設(shè)備主要是為了擴大主機的功能而設(shè)置的，通用外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。

(1)常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)等，主要用來輸入程序、數(shù)據(jù)和命令等。

(2)常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、記錄儀等。輸出設(shè)備將各種數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使其能夠了解過程控制的情況。

(3)存儲設(shè)備用來存儲數(shù)據(jù)庫和備份重要的數(shù)據(jù)，主要有磁盤、光盤等。第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

4)檢測元件及儀表

工業(yè)對象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器(又稱一次儀表)變換為等效的電信號。在微機控制系統(tǒng)中，廣泛采用了各種檢測元件和儀表。

主要功能：把被檢測的參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)換為電量，如熱電偶把溫度變成mV信號，壓力變送器把壓力變成電信號等。這些信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機標(biāo)準電平后再送入微機。

為了控制生產(chǎn)過程，還需要有執(zhí)行機構(gòu)。常用的執(zhí)行機構(gòu)有電動、液動和氣動等形式。另外還有動力電機和控制電機。

第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

5)操作臺

操作臺是人機對話的聯(lián)系紐帶。程序員使用它來輸入、修改和檢查程序。當(dāng)主機硬件發(fā)生故障時，維修人員可以利用此設(shè)備判斷故障。生產(chǎn)過程的操作人員必須了解控制臺的使用細節(jié)，否則會引起嚴重后果。計算機控制系統(tǒng)的運行操作一般具有如下設(shè)備：屏幕或數(shù)字顯示器、一組簡單的開關(guān)、數(shù)字鍵和功能鍵等。第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.軟件

軟件是指能完成各種功能的微機程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計算和自診斷程序等。因此，軟件是微機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的動作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件的質(zhì)量關(guān)系到計算機運行和控制效果的好壞，以及硬件功能是否能夠充分發(fā)揮和推廣應(yīng)用。分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫。第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

3.計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：一類稱為對等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Peertopeer)；另一類稱為客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(Client/Server)。這種分類主要是按照網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的關(guān)系確定的。我們將網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的功能分為若干層次，從硬件開始一層層向上，越往上越靠近具體的應(yīng)用。層次劃分后，就可以定義低層(靠近硬件的層次)的功能是其上一層的Server，而上層的功能是其下一層功能的Client。第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

如果在一個網(wǎng)絡(luò)中有兩個節(jié)點，這兩個節(jié)點中都具有從底層到高層的所有功能，那么這兩個節(jié)點是對等的，它們組成了一個Peertopeer結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。如果這兩個節(jié)點在功能層次上不同，就組成了一個Client/Server結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

必須指出的是，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)——現(xiàn)場總線技術(shù)，是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。現(xiàn)場總線技術(shù)使自控系統(tǒng)與分散的生產(chǎn)設(shè)備具有了通信能力，并把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.2.3微機控制系統(tǒng)的分類

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，因此由微機組成的控制系統(tǒng)也不盡相同。計算機控制系統(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。第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

1.按照功能對計算機控制系統(tǒng)分類

1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

一個微機控制系統(tǒng)離不開數(shù)據(jù)的采集和處理。計算機在數(shù)據(jù)采集和處理時，主要是對大量的過程參數(shù)進行定時巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理、參數(shù)的越限報警及對大量數(shù)據(jù)進行積累和實時分析。下圖是微機數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)的典型框圖。第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

計算機在過程參數(shù)的測量和記錄中可以代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對整個生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視。對大量的輸入數(shù)據(jù)進行必要的集中、加工和處理，可以預(yù)先存入各種工藝參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理過程中進行參數(shù)的越限報警等工作，或者按要求定時制表、打印或?qū)?shù)據(jù)處理的結(jié)果記錄在外存儲器中，作為資料保存和供分析使用。第四十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl)是計算機在工業(yè)應(yīng)用中最普遍和最基本的一種方式。DDC系統(tǒng)中的計算機參加閉環(huán)控制過程，無需中間環(huán)節(jié)(調(diào)節(jié)器)。它用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比較，再根據(jù)規(guī)定的PID規(guī)律、模糊邏輯規(guī)律或直接數(shù)字方法等進行控制運算，最后輸出到執(zhí)行機構(gòu)對生產(chǎn)過程進行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。其系統(tǒng)原理如圖所示。第五十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

優(yōu)點：計算機不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(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現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。

缺點：給定值是預(yù)先設(shè)定的，這個給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時修改，因此無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。

第五十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一3)微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)

監(jiān)督控制SCC(SupervisoryComputerControl)中，計算機根據(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)。第五十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，同時還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等.監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式，如圖1―14所示。圖1―14SCC系統(tǒng)框圖第五十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器微機的作用是對各物理量進行巡回檢測并接收管理命令，然后，按照一定的數(shù)學(xué)模型計算后，輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計算后輸出到執(zhí)行機構(gòu)，以達到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的。這樣，系統(tǒng)就可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷地改變給定值，以達到實現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。第五十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

(2)SCC+DDC系統(tǒng)

該系統(tǒng)為兩級微機控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級SCC，二級為DDC。SCC的作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計算最佳給定值，它與DDC之間通過接口進行信息聯(lián)系。直接數(shù)字控制器DDC用來把給定值與測量值(數(shù)字量)進行比較，其偏差由DDC進行數(shù)字計算，并實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)控制作用。當(dāng)DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC計算機完成DDC的控制功能。第五十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

4)分級控制系統(tǒng)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)督微機和企業(yè)級經(jīng)營管理微機。在企業(yè)經(jīng)營管理中，除了管理生產(chǎn)過程的控制，還具有生產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟信息、計劃調(diào)度、產(chǎn)品訂貨和運輸?shù)裙δ?。圖1―15是一個分級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖。第五十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一圖1―15分級控制系統(tǒng)框圖第五十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

5)集散控制系統(tǒng)

20世紀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)，靈活地將控制設(shè)備、服務(wù)器、基礎(chǔ)自動化單元等聯(lián)系在一起。從綜合自動化角度出發(fā)，按功能分散、危險分散、管理集中和應(yīng)用靈活等原則進行設(shè)計，具有高可靠性能，便于維修與更新。該系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖如圖1―16所示。第五十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

6)計算機控制網(wǎng)絡(luò)

由一臺中央計算機(CC)和若干臺衛(wèi)星計算機(SC)構(gòu)成計算機網(wǎng)絡(luò)，中央計算機配置了齊全的各類外圍設(shè)備，各個衛(wèi)星計算機可以共享資源，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備以及其他資源可以得到充分利用。。第五十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

2.按照控制規(guī)律對計算機控制系統(tǒng)分類

1)程序控制和順序控制

程序控制是指被控量按照預(yù)先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)，如加熱爐的溫度控制。

順序控制則可以看作是程序控制的擴展，在各個時期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。

2)比例―積分―微分控制(簡稱PID控制)

調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制一直是應(yīng)用最廣、最為廣大工程技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)。PID控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，因此無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器多數(shù)都使用PID控制規(guī)律。第六十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一3)有限拍控制

有限拍控制的性能指標(biāo)是調(diào)節(jié)時間最短，要求設(shè)計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動系統(tǒng)中應(yīng)用。4)復(fù)雜規(guī)律的控制

生產(chǎn)實踐中控制系統(tǒng)大量的隨機擾動,對于存在隨機擾動、純滯后對象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達到滿意的性能指標(biāo)的，因此，針對生產(chǎn)過程的實際情況可以引進各種復(fù)雜規(guī)律的控制，例如，串級控制，前饋控制，純滯后補償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制等。第六十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一

5)智能控制

智能控制理論是一種把先進的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科。智能控制理論可以看作是三個主要理論領(lǐng)域的交叉或匯合，這三個理論領(lǐng)域是人工智能、運籌學(xué)和控制理論。智能控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個大系統(tǒng)，是綜合的自動化系統(tǒng)。

當(dāng)然，還可以按照控制方式對計算機控制系統(tǒng)進行分類，這種分類方法和連續(xù)系統(tǒng)一樣，可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。本書主要討論的是閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)的理論和方法以及閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。第六十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期一1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

1.計算機控制系統(tǒng)的概念

計算機控制實質(zhì)上是自動控制技術(shù)與微機技術(shù)的結(jié)合。由于微機具有存儲大量信息的能力、強大的邏輯判斷功能以及快速運算的本領(lǐng)，使微機控制能夠解決常規(guī)控制解決不了的難題，達到常規(guī)控制達不到的優(yōu)異