計算機控制系統(tǒng) 課件 第7、8章 計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計、典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

《計算機控制系統(tǒng)》第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計狀態(tài)空間設(shè)計方法：是現(xiàn)代控制理論中的一種重要方法，該方法用一組狀態(tài)變量構(gòu)成的微分方程組來描述系統(tǒng)，既能反映系統(tǒng)外部的行為，又能揭示系統(tǒng)內(nèi)部的運動規(guī)律。模塊導(dǎo)學(xué)計算機控制系統(tǒng)由離散狀態(tài)方程進行系統(tǒng)描述、分析與設(shè)計，離散狀態(tài)空間與連續(xù)狀態(tài)空間本質(zhì)上是一致的，但系統(tǒng)特性和設(shè)計方法等均有所不同。第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計模塊導(dǎo)學(xué)本章重點討論計算機控制系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間描述，分析了離散系統(tǒng)的能控能觀性，介紹了離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計方法和觀測器設(shè)計方法，給出了帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計方法，給出了線性二次型最優(yōu)控制器和線性二次型高斯最優(yōu)控制器的設(shè)計方法，最后，基于典型案例綜合設(shè)計實踐對本章相關(guān)內(nèi)容進行應(yīng)用總結(jié)。第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計47.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性7.3離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.4離散系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計7.7典型案例分析與設(shè)計7.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述57.1.1差分方程化為狀態(tài)空間描述7.1.2脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間描述7.1.3離散系統(tǒng)狀態(tài)方程求解7.1.4連續(xù)系統(tǒng)的離散化

7.1.1差分方程化為狀態(tài)空間描述6離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述離散系統(tǒng)還可以用差分方程或脈沖傳遞函數(shù)來描述，它們都是基于系統(tǒng)輸入輸出特性的描述。根據(jù)離散系統(tǒng)的差分方程或脈沖傳遞函數(shù)，可以得到系統(tǒng)基于“輸入-狀態(tài)-輸出”的狀態(tài)空間方程。7.1.1差分方程化為狀態(tài)空間描述7n階差分方程對于單輸入單輸出離散系統(tǒng)，可用下面的n階差分方程來描述令??=??,則差分方程為7.1.1差分方程化為狀態(tài)空間描述8差分方程轉(zhuǎn)換選擇狀態(tài)變量系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程可表示為7.1.1差分方程化為狀態(tài)空間描述9

7.1.2脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間描述10

7.1.2脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間描述11

7.1.3離散系統(tǒng)狀態(tài)方程求解12

7.1.3離散系統(tǒng)狀態(tài)方程求解13例7.1.1（迭代法）解7.1.2脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間描述14Matlab程序G=[0,1;-0.16,-1];H=[1;1];x(1:2,1)=[1;-1];u=1;fori=1:3x(:,i+1)=G*x(:,i)+H*uend%%輸出x=1.000002.84000.1600-1.00001.8400-0.84001.3856Z變換法離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程可采用Z變換法求解。對狀態(tài)方程兩邊進行Z變換,則有兩邊進行Z反變換則有最后得到的狀態(tài)方程解可寫為7.1.3離散系統(tǒng)狀態(tài)方程求解15

7.1.4連續(xù)系統(tǒng)的離散化16

7.1.4連續(xù)系統(tǒng)的離散化17

7.1.4脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間描述18Matlab程序A=[01;0-2];B=[0;1];T=1;[GH]=c2d(A,B,T)G=1.00000.432300.1353H=0.28380.4323第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計197.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性7.3離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.4離散系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計7.7典型案例分析與設(shè)計7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性207.2.1離散系統(tǒng)的能控性7.2.2離散系統(tǒng)的能觀性7.2.3離散系統(tǒng)能控能觀性與采樣周期的關(guān)系能控性定義在經(jīng)典控制理論中，只討論輸入對輸出的控制，只要系統(tǒng)是穩(wěn)定的，輸出就能跟隨輸入變化。在現(xiàn)代控制理論中，把反映系統(tǒng)內(nèi)部運動狀況的狀態(tài)變量作為被控量，它不一定是能夠?qū)嶋H量測到的物理量。7.2.1離散系統(tǒng)的能控性21x2不能控

7.2.1離散系統(tǒng)的能控性22能觀性定義在現(xiàn)代控制理論中，大多采用反饋控制，但是并非所有的狀態(tài)變量都是物理上可測量的，實際能測量到的輸出量可能是某些狀態(tài)變量的線性組合。那么，系統(tǒng)的測量輸出能否包含狀態(tài)變量的全部信息，是否具有完全反映狀態(tài)變量變化情況的能力，就是系統(tǒng)的能觀性問題。7.2.2離散系統(tǒng)的能觀性23x2不能觀

7.2.2離散系統(tǒng)的能觀性24

7.2.2離散系統(tǒng)的能觀性25

7.2.2離散系統(tǒng)的能觀性26

7.2.2離散系統(tǒng)的能觀性27

7.2.3能控能觀性與采樣周期的關(guān)系28第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計297.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性7.3離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.4離散系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計7.7典型案例分析與設(shè)計7.3.1離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋307.3.1離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋7.3.2離散系統(tǒng)的極點配置

7.3.1離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋31狀態(tài)反饋閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

7.3.1離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋32

7.3.2離散系統(tǒng)的極點配置33

7.3.2離散系統(tǒng)的極點配置34例7.3.1（極點配置）設(shè)一連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：離散化后得到的狀態(tài)方程為：其中??是采樣周期。取狀態(tài)變量的反饋控制為：7.3.2離散系統(tǒng)的極點配置35例7.3.1（極點配置）于是，得到閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程為：而預(yù)期閉環(huán)系統(tǒng)特征方程：7.3.2離散系統(tǒng)的極點配置36例7.3.1（極點配置）令上面兩式對應(yīng)項的系數(shù)相等，得到兩個方程：進一步解得：7.3.2離散系統(tǒng)的極點配置37例7.3.1（極點配置）在MATLAB控制工具箱中，有極點配置子程序，可以用命令的形式，直接求取離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋增益矩陣??。該命令格式為：7.3.2離散系統(tǒng)的極點配置38Matlab程序A=[01;00];B=[0;1];T=1;[GH]=c2d(A,B,T);%將系統(tǒng)離散化M=[HG*H];rank(M)%檢驗系統(tǒng)是否可以任意配置極點p=[0.5+0.5*j0.5-0.5j];K=place(G,H,p)%配置系統(tǒng)極點Matlab程序結(jié)果是：G=1101H=0.50001.0000rank(M)＝2%系統(tǒng)可以任意配置極點K=0.50000.7500第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計397.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性7.3離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.4離散系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計7.7典型案例分析與設(shè)計7.3.1離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋407.4.1系統(tǒng)狀態(tài)的開環(huán)估計7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計7.4.3降維狀態(tài)觀測器設(shè)計

7.4.1系統(tǒng)狀態(tài)的開環(huán)估計41

7.4.1系統(tǒng)狀態(tài)的開環(huán)估計42開環(huán)估計器結(jié)構(gòu)

7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計43閉環(huán)狀態(tài)估計器結(jié)構(gòu)框圖

7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計44

7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計45當(dāng)前值觀測器當(dāng)前值觀測器的結(jié)構(gòu)如下：當(dāng)前值觀測器的誤差方程為：7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計46當(dāng)前值觀測器結(jié)構(gòu)框圖

例7.4.1（預(yù)測、當(dāng)前值觀測器）離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：解：先計算預(yù)測觀測器，有：所以，預(yù)測觀測器的特征方程為：若觀測器期望的特征方程為：由上述兩個方程對應(yīng)項系數(shù)相等，可得：7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計47

7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計48

7.4.2全維狀態(tài)觀測器設(shè)計49Matlab程序預(yù)測觀測器G=[11;01];H=[0.5;1];C=[10];p=[0.5+0.5j0.5-0.5j];K=place(G',C',p);L=K'結(jié)果為：L=1.00000.5000Matlab程序當(dāng)前觀測器G=[11;01];H=[0.5;1];C=[10];p=[0.5+0.5j0.5-0.5j];M=C*G；K=place(G',M',p);L=K';結(jié)果為：L=0.50000.5000

7.4.3降維狀態(tài)觀測器設(shè)計50

7.4.3降維狀態(tài)觀測器設(shè)計51降維觀測器與全維觀測器區(qū)別降維觀測器與全維狀態(tài)預(yù)測觀測器中各變量及矩陣的對應(yīng)關(guān)系如下：降維狀態(tài)觀測器方程：還可求得觀測誤差方程為：7.4.3降維狀態(tài)觀測器設(shè)計52第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計537.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性7.3離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.4離散系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計7.7典型案例分析與設(shè)計

7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計54誤差狀態(tài)方程若采用預(yù)測觀測器，觀測誤差的狀態(tài)方程為：聯(lián)立上述各方程，可得組合系統(tǒng)狀態(tài)方程為：該系統(tǒng)的特征方程為：7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計55

7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計56

7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計57例7.5.1（觀測器+狀態(tài)反饋控制器）又因為所以，可得下述降維狀態(tài)觀測器方程：對上面兩式做z變換，可得：于是有：進一步可以得到：7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計58Matlab程序G=[11;0.11];H=[0.005;1];C=[10];G11=1;G12=0.1;G21=0;G22=1;P=0.5L=place(G22,G12,p)；結(jié)果為：L＝5第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計597.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性7.3離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.4離散系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計7.7典型案例分析與設(shè)計607.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器7.6.2無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器7.6.3線性二次型高斯最優(yōu)控制7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計

7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器61

7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器62

7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器63

7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器64

7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器65

7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器66

7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器67例7.6.1（有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器）7.6.1有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器68Matlab程序A=[0.45,-0.21;0.28,0.95];B=[0.035;0.008];N=21;Q=10*eye(2);S=1*eye(2);R=1;x(2,N)=0;x(:,1)=[5;5];u(N-1)=0;P(2,2,N)=0;P(:,:,N)=S;K(N-1,2)=0;fori=N-1:-1:1P(:,:,i)=Q+A'*P(:,:,i+1)*A-A'*P(:,:,i+1)*B*inv(R+B'*P(:,:,i+1)*B)*B'*P(:,:,i+1)*A;K(i,:)=-inv(R+B'*P(:,:,i+1)*B)*B'*P(:,:,i+1)*A;endfori=1:N-1u(i)=K(i,:)*x(:,i);x(:,i+1)=A*x(:,i)+B*u(i);end有限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器狀態(tài)向量階躍響應(yīng)曲線

7.6.2無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器69

7.6.2無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器70

7.6.2無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器71

7.6.2無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器72例7.6.2（無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器）7.6.2無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器73Matlab程序A=[0.45,-0.21;0.28,0.95];B=[0.03;0.008];num=20;Q=10*eye(2);R=1;x(2,num)=0;x(:,1)=[5;5];u(num)=0;[K,P]=dlqr(A,B,Q,R);fori=1:numu(i)=-K*x(:,i);x(:,i+1)=A*x(:,i)+B*u(i);end無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器狀態(tài)向量階躍響應(yīng)曲線

7.6.3線性二次型高斯最優(yōu)控制74

7.6.3線性二次型高斯最優(yōu)控制75

7.6.3線性二次型高斯最優(yōu)控制76

7.6.3線性二次型高斯最優(yōu)控制77例7.6.3（線性二次型高斯最優(yōu)控制）7.6.3線性二次型高斯最優(yōu)控制78Matlab程序A=[0.45,-0.21;0.28,0.95];B=[0.03;0.008];C=[0,0.5];num=50;Q=10*eye(2);R=1;x(2,num)=0;x(:,1)=[0;0];u(num)=0;xo(2,num)=0;yo(num)=0;F=-dlqr(A,B,Q,R);Qk=0.1*eye(2);Rk=10;K(2,1)=0;P(2,2)=0;fori=1:num+1x(:,i+1)=A*x(:,i)+B*u(i);y(i)=C*x(:,i);ifi>1xo(:,i)=A*xo(:,i-1)+B*u(:,i-1);K=P*C'*inv(C*P*C'+Rk);xo(:,i)=xo(:,i)+K*(y(:,i)-C*xo(:,i));P=A*(eye(2)-K*C)*P*A'+Qk;yo(i)=C*xo(:,i);endu(i+1)=F*xo(:,i)+1*13.333;end線性二次型高斯最優(yōu)控制階躍響應(yīng)曲線第7章計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計797.1離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述7.2離散系統(tǒng)的能控性和能觀性7.3離散系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.4離散系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計7.5帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計7.6線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計7.7典型案例分析與設(shè)計

7.7典型案例分析與設(shè)計80

7.7典型案例分析與設(shè)計81

7.7典型案例分析與設(shè)計82階躍響應(yīng)曲線與MATLAB程序7.7典型案例分析與設(shè)計83伺服電機系統(tǒng)的單位階躍信號閉環(huán)跟蹤響應(yīng)Matlab程序num=[1];den=[13.60];Gp=tf(num,den);%%離散化Gz=c2d(Gp,0.01);SYS=ss(Gz);A=SYS.A;B=SYS.B;C=SYS.C;%%能控，能觀CONT=ctrb(A,B);rank(CONT)OBSER=obsv(A,C);rank(OBSER)num=1000;x(2,num)=0;x(:,1)=[0;0];u(1,num)=0;y(1,num)=0;yo(1,num)=0;xo(2,num)=0;K(2,1)=0;P(2,2)=0;Q=0.1*eye(2);R=10;%%無限時間狀態(tài)調(diào)節(jié)器Q=0.1*eye(2);R=10;[F,P]=dlqr(A,B,1,1);%LQR控制器fori=1:num+1xw(:,i)=normrnd(0,sqrt(0.0001),[2,1]);yw(i)=normrnd(0,sqrt(0.0005),[1,1]);endfori=1:numu(i)=-F*x(:,i)+105;x(:,i+1)=A*x(:,i)+B*u(i)+xw(:,i);y(i)=C*x(:,i)+yw(i);end《計算機控制系統(tǒng)》第8章典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成第8章典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成858.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)868.1模塊導(dǎo)學(xué)1、計算機控制的平臺作用與地位87計算機控制系統(tǒng)1、計算機控制的平臺作用與地位8.1模塊導(dǎo)學(xué)882、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程與趨勢1950年前的氣動信號控制PCS稱作第一代（氣動）4～20mA等模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代（模擬）數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)（DDC）和監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）稱為第三代（集中+數(shù)字控制）集散控制系統(tǒng)DCS稱作第四代（分級）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）稱為第五代（分布）網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（NCS）稱為第六代（分布和開放）8.1模塊導(dǎo)學(xué)89第二代：模擬控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)第8章典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成908.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)918.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)首先需要把控制對象的被控參數(shù)和過程狀態(tài)，通過測量單元進行參

采集,并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。計算機根據(jù)一定的控制算法進行計算,將控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量,通過功率放大后輸入給執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。8.2.1

DDC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)928.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)1）基于工業(yè)計算機的DDC系統(tǒng)

中國工控機技術(shù)的發(fā)展在經(jīng)歷了20世紀80年代的第一代STD總線（StandardDataBus）工控機，20世紀90年代的第二代工業(yè)PC機（Industrial

Personal

Computer，簡稱IPC）之后，現(xiàn)在已進入了第三代CompactPCI（簡稱CPCI）總線工控機時期。8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺

STD總線工控機開創(chuàng)了低成本工控機的先河

第二代工控機—IPC解決了PC機兼容的問題

以CPCI總線工控機技術(shù)為核心，以PXI和AdvancedTCA等技術(shù)為補充

的第三代工控機技術(shù)。938.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺IPC主機組成948.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺IPC的主要結(jié)構(gòu)：

(1)全鋼機箱:IPC的全鋼機箱是按標準設(shè)計的，抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾。

(2)無源底板：無源底板的插槽由ISA和PCI總線的多個插槽組成，ISA或PCI插槽的數(shù)量和位置根據(jù)需要有一定選擇。底板可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等。

(3)工業(yè)電源：AT電源，平均無故障運行時間達到250,000小時。

(4)CPU卡：有多種，根據(jù)尺寸分為長卡和半長卡，根據(jù)處理器分為386、486、586、PII、PIII主板，用戶可視自己的需要任意選配。

(5)其他配件：IPC的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有內(nèi)存、顯卡、硬盤、軟驅(qū)、鍵盤、鼠標、光驅(qū)、顯示器等。958.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺IPC半長卡全長卡968.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺CPCI工控機的主要結(jié)構(gòu)：

CompactPCI技術(shù)是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)之上經(jīng)過改造而成的，在結(jié)構(gòu)上具體有三個方面：

（1）繼續(xù)采用PCI局部總線技術(shù)；（2）拋棄IPC傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，改用高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件、提高了抗振動沖擊能力、符合電磁兼容性要求；（3）拋棄IPC的金手指式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，具有氣密性、防腐性，進一步提高了可靠性，并增加了負載能力。

經(jīng)過改造的CPCI工控機非常適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，由于具有熱插拔和冗余設(shè)計能力，可以構(gòu)建高可用性系統(tǒng)，滿足電信、數(shù)字通信、軍事裝備以及其它高可靠領(lǐng)域的要求。目前CompactPCI技術(shù)是國際上最先進的工業(yè)計算機技術(shù)。978.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺CPCICPU卡

988.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)2）基于PC/104總線工控機的DDC系統(tǒng)PC/104是一種專為嵌入式控制而推出的工業(yè)計算機總線標準，實質(zhì)上就是ISA工業(yè)總線標準IEEE-996的延伸PC104系統(tǒng)特點：（1）小尺寸結(jié)構(gòu)：標準模塊的機械尺寸是3.6*3.8英寸，即90*96mm；（2）堆棧式連接：去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性；（3）能耗低：由于減少了元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊1-2瓦能耗。8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺998.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)PC104模塊8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺1008.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)3）基于單片機的DDC系統(tǒng)單片機構(gòu)成的單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器示例8.2.2

DDC系統(tǒng)的硬件平臺1018.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)1）DDC系統(tǒng)的設(shè)計原則8.2.3

DDC系統(tǒng)的設(shè)計（1）安全可靠性：在設(shè)計過程中要把安全可靠放在首位。（2）實時性：工業(yè)控制計算機的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部事件和外部事件能及時地的響應(yīng)，并做出處理，不丟失信息，不延誤操作。（3）操作性：操作性好包括使用方便和容易維修兩個方面（4）通用性：盡管計算機控制的對象千變?nèi)f化，但適用于某個領(lǐng)域或行業(yè)的控制計算機應(yīng)具有通用性。（5）開放性：開放性體現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面（6）經(jīng)濟性：計算機控制應(yīng)該帶來高的經(jīng)濟效益，系統(tǒng)設(shè)計時要考慮性價比，要有市場競爭意識1028.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)2）DDC系統(tǒng)的設(shè)計步驟8.2.3

DDC系統(tǒng)的設(shè)計（1）確定系統(tǒng)總體方案：系統(tǒng)設(shè)計之前首先應(yīng)詳細了解控制對象的工作過程和控制要求，對于用于工業(yè)生產(chǎn)的系統(tǒng)還需要詳細了解各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對工藝參數(shù)的要求，充分考慮用戶的操作規(guī)律。（2）數(shù)學(xué)模型與控制算法的設(shè)計：數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達式，反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)變量和輸出之間的關(guān)系。（3）硬件設(shè)備的選擇：計算機機型的選擇；傳感器的選擇；外圍接口；執(zhí)行機構(gòu)的選擇（4）軟件設(shè)計：一般在進行計算機控制系統(tǒng)設(shè)計時都需要用到實時操作系統(tǒng)和實時監(jiān)測程序，以使系統(tǒng)設(shè)計者在最短周期開發(fā)出目標系統(tǒng)軟件（5）系統(tǒng)的調(diào)試與運行：系統(tǒng)的調(diào)試與運行分為離線仿真調(diào)試階段和在線調(diào)試運行階段第8章典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成1038.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)1048.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.1

PLC的基本架構(gòu)與特點PLC特點：

高可靠性通過綜合采用可靠性措施，可使PLC的平均故障間隔時間MTBF（MeanTimeBetweenFailures）高達幾十萬小時（30年以上）。

功能強，具有很好的可擴展性

PLC可以實現(xiàn)大規(guī)模的開關(guān)量邏輯控制，能夠方便地實現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)過程控制、數(shù)字控制等。

采用模塊化結(jié)構(gòu)由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，且各種模塊上均設(shè)有運行和故障指示，使PLC安裝性、可擴展性、可維護性好。

編程簡單易學(xué)

PLC編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖進行。。控制系統(tǒng)采用模塊配置、系統(tǒng)集成，使系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試周期短。1058.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.1

PLC的基本架構(gòu)與特點SIEMENS控制器K7M-DR40U1068.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.1

PLC的基本架構(gòu)與特點

PLC系統(tǒng)組成框圖1078.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.2

PLC的硬件和軟件平臺1）PLC的硬件組成和功能中央處理單元：可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機和雙極型位片式微處理器三種類型。存儲器：PLC通常配有ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存儲器）兩種存儲器。輸入輸出接口電路：輸入／輸出接口又稱I/O接口或I/O模塊，是PLC與外圍設(shè)備之間的連接部件擴展接口：為了提升PLC的性能、增強PLC控制功能，可以通過擴展接口給PLC增加一些專用功能模塊

電源：PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強

通訊接口：監(jiān)視器、打印機、其他PLC、計算機等設(shè)備

編程器：利用編程器可將用戶程序輸入PLC的存儲器1088.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.2

PLC的硬件和軟件平臺2）PLC的軟件結(jié)構(gòu)可編程控制器的系統(tǒng)軟件分為兩部分，一部分是固化于主機模塊的存儲器(ROM、PROM或EPROMD)中的內(nèi)核軟件，執(zhí)行輸入、輸出、運算、控制、通信和診斷等功能,并對可編程控制器的運行進行管理；另一部分安裝在編程器、操作監(jiān)視器。工程師站和操作員站的組態(tài)編程軟件及人機界面軟件，供工程師對可編程控制器進行組態(tài)編程，供操作員對被控設(shè)備進行操作監(jiān)視。1098.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.2

PLC的硬件和軟件平臺3）PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1108.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.3

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計1）PLC控制系統(tǒng)的原則步驟在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循一下四點基本原則：（1）以最大限度地滿足被控對象的控制要求；（2）保證PLC控制系統(tǒng)的安全可靠；（3）簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便；（4）適應(yīng)發(fā)展的需要。在上述原則下PLC系統(tǒng)的具體設(shè)計步驟如下：（1）分析被控對象，規(guī)劃控制系統(tǒng)的控制要求；（2）根據(jù)對系統(tǒng)控制要求的分析，確定PLC控制系統(tǒng)的輸入、輸出設(shè)備。（3）選擇PLC控制器。（4）分配PLC控制器的I/O資源，設(shè)計I/O連接圖。（5）根據(jù)控制目標，設(shè)計PLC控制程序1118.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3.3

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計2）PLC控制系統(tǒng)的主要設(shè)計內(nèi)容與流程

在整個設(shè)計過程中，PLC控制程序設(shè)計是最重要的部分，它主要包括以下工作：（1）分析控制程序的整體結(jié)構(gòu)、所要完成的功能、需要的I/O資源、各個功能模塊的功能等；（2）設(shè)計梯形圖，根據(jù)梯形圖編寫控制程序；（3）使用編程器將程序下載到PLC控制器的存儲器中，對程序進行調(diào)試和修改，直到滿足設(shè)計要求；（4）繪制技術(shù)文件。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計流程第8章典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成1128.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)1138.4集散控制系統(tǒng)8.4.1

DCS基本架構(gòu)與特點1148.4集散控制系統(tǒng)8.4.2

DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與軟件平臺1）DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輸入輸出總線：通過IOBUS與過程控制單元交換信息控制網(wǎng)絡(luò)：控制網(wǎng)絡(luò)選用國際流行的局域網(wǎng)協(xié)議，如以太網(wǎng)（Ethernet）、制造自動化協(xié)議（MAP）和TCP/IP等生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)：一般由以太網(wǎng)構(gòu)成，傳輸距離為5Km-10Km，傳輸速率為5Mbps-10Mbps，傳輸介質(zhì)為同軸電纜和光纜。決策管理網(wǎng)絡(luò)：決策管理網(wǎng)絡(luò)處于公司級，覆蓋全公司的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。一般選用局域網(wǎng)或區(qū)域網(wǎng)，采用Ethernet或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。1158.4集散控制系統(tǒng)8.4.2

DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與軟件平臺2）DCS的軟件平臺DCS的軟件和其他計算機控制系統(tǒng)的軟件一樣，也分為兩大部分：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。（1）DCS的系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件一般指通用的、面向計算機的軟件。DCS的系統(tǒng)軟件一般由以下幾個主要部分組成：實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，面向過程的編程語言，工具軟件。（2）DCS的應(yīng)用軟件DCS的應(yīng)用軟件主要包括過程控制軟件包和組態(tài)生成軟件兩大類。過程控制軟件包通常包括數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)字控制算法、順序控制、歷史數(shù)據(jù)存儲、人機接口等模塊。

組態(tài)生成軟件用于根據(jù)具體控制任務(wù)，組態(tài)生成滿足要求的過程控制軟件。1168.4集散控制系統(tǒng)8.4.3

DCS的系統(tǒng)設(shè)計1）DCS系統(tǒng)的設(shè)計原則（1）控制水平：DCS控制水平可以分為三類，第一類是采用常規(guī)控制策略；第二類是采用先進控制策略；第三類是采用控制和管理一體化策略。（2）操作方式：操作員站應(yīng)具有良好交互性的人機界面，它具有信息顯示的功能和分配系統(tǒng)信息以及收到發(fā)往任何生產(chǎn)過程的操作指令。（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：DCS采用通信網(wǎng)絡(luò)式的層次結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為三檔，第一檔為直接控制層和操作監(jiān)控層；第二檔再增加生產(chǎn)管理層；第三檔再增加決策管理層。（4）硬件部分：DCS系統(tǒng)硬件應(yīng)能滿足任何工況下的監(jiān)控要求（包括緊急故障處理），CPU負荷率應(yīng)控制在設(shè)計指標之內(nèi)并留有裕度。1178.4集散控制系統(tǒng)8.4.3

DCS的系統(tǒng)設(shè)計2）DCS系統(tǒng)的設(shè)計步驟（1）熟悉工藝流程：由于不同工廠的設(shè)備生產(chǎn)能力、精度以及工人熟練程度等因素大不相同，所以生產(chǎn)工藝流程具有不確定性和不唯一性。（2）確定輸入點和輸出點：確定工藝流程需要監(jiān)測哪些信息點，控制哪些信息點，輸入信息點如何檢測，輸出信息點如何控制。（3）DCS總體規(guī)劃：首先確定采用哪種DCS架構(gòu)產(chǎn)品，然后確定傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，最后分配硬件和軟件的功能。（4）DCS架構(gòu)確定及軟、硬件選型購買：系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖設(shè)計；節(jié)點計算機的選擇；輸入/輸出通道選擇；支撐軟件的選擇。（5）DCS軟件組態(tài)：不同的系統(tǒng)有不同的組態(tài)軟件，組態(tài)就是將軟件庫中提供的工具、模板、方法進行特定組合，實現(xiàn)特定控制目標1188.4集散控制系統(tǒng)8.4.4

DCS系統(tǒng)的典型應(yīng)用1198.4集散控制系統(tǒng)8.4.4

DCS系統(tǒng)的典型應(yīng)用第8章典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成1208.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)8.3可編程控制器系統(tǒng)8.4集散控制系統(tǒng)

8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.1模塊導(dǎo)學(xué)1218.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.1

NCS的基本架構(gòu)與特點典型網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的功能是由以下四種基本組件構(gòu)成：傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)，其中通信網(wǎng)絡(luò)負責(zé)信息交換。其主要特點如下：系統(tǒng)的開放性系統(tǒng)的互操作性系統(tǒng)的分散性系統(tǒng)的智能化與功能自治性環(huán)境的適應(yīng)性1228.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.1

NCS的基本架構(gòu)與特點思科NCS系統(tǒng)1238.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.2典型的控制網(wǎng)絡(luò)1）1533B總線1553這一最初版本主要用于F-16戰(zhàn)斗機。通過一些修訂和改進，一個三軍通用標準MIL-STD-1553A在1975年被發(fā)布。首先使用1553A協(xié)議的是美國空軍的F-16戰(zhàn)斗機和陸軍的新型攻擊直升機AH-64阿帕奇。1553B總線由于在減少電子設(shè)備的體積、重量、復(fù)雜性以及電子系統(tǒng)綜合費用諸方面的優(yōu)點，成為了機動平臺電子系統(tǒng)的主要工作支柱。它具有不同于一般電子網(wǎng)絡(luò)的鮮明特點：1553B總線是一種廣播式分布處理的計算機網(wǎng)絡(luò)1553B總線強調(diào)了實時性，傳輸碼速率為1Mbps1553B總線按指令/響應(yīng)的方式異步操作兼顧實時性的條件下，采用了合理的差錯控制措施1248.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.2典型的控制網(wǎng)絡(luò)2）工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù)。目前存在多種工業(yè)以太網(wǎng)標準，這些標準在底層協(xié)議上基本一致，核心是以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議，但在應(yīng)用層協(xié)議上存在較大區(qū)別?，F(xiàn)在影響比較大的典型的工業(yè)以太網(wǎng)標準有：EtherNet/IP、HSE和Modbus-IDA。工業(yè)以太網(wǎng)交換機1258.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標準化與發(fā)展趨勢1）控制網(wǎng)絡(luò)的標準化在控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線的發(fā)展和標準制定中有一些值得注意現(xiàn)象：（1）每種總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。（2）每種總線都力圖拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴張其勢力范圍。（3）大多數(shù)總線都成立了相應(yīng)的國際組織，力圖在制造商和用戶中創(chuàng)造影響，以取得更多方面的支持，同時也想顯示出其技術(shù)是開放的。（4）每種總線都有一個或幾個公司且多是大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān)。1268.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標準化與發(fā)展趨勢1）控制網(wǎng)絡(luò)的標準化（6）每種總線大多將自己作為國家或地區(qū)標準，以加強自己的競爭地位。（7）在激烈的競爭中出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的前景。（8）盡管單一現(xiàn)場總線標準未能實現(xiàn)，但作為開放系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，仍然應(yīng)該堅持一致通信的原則。（5）大多數(shù)設(shè)備制造商都積極參加不止一個總線組織。1278.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標準化與發(fā)展趨勢2）控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

控制網(wǎng)絡(luò)勢必向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標準規(guī)范，但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造業(yè)自動化、樓宇自動化、家庭自動化等等。而眾多領(lǐng)域的需求各異，一個現(xiàn)場總線體系下可能不只接納單一的標準。另外，幾大技術(shù)均具有自己的特點，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。多種總線標準共存的發(fā)展現(xiàn)狀1288.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標準化與發(fā)展趨勢2）控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢Ethernet進軍控制領(lǐng)域的問題和解決方案Ethernet能夠迅速進軍工業(yè)自動化的主要原因是：（1）低成本的刺激：以太網(wǎng)適配器的價格大幅度下跌以及各產(chǎn)品和標準對以太網(wǎng)的支持是其成功的重要因素。（2）速度的提高：Ethernet從最初的10Mbps發(fā)展到100Mbps，目前已有超過1000Mbps的產(chǎn)品了。FF的高速以太網(wǎng)（HSE）定義為100Mbps，因此，其根本上的因碰撞而產(chǎn)生的傳輸信息時間的隨機性問題就大大淡化了1298.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.3

控制網(wǎng)絡(luò)的標準化與發(fā)展趨勢2）控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢Ethernet進軍控制領(lǐng)域的問題和解決方案在以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正逐步滲透到控制領(lǐng)域的今天，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)正成為現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的新亮點。以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場還必須解決以下問題：（1）如何保證網(wǎng)絡(luò)的實時性以滿足工業(yè)控制的要求（2）Ethernet如何滿足現(xiàn)場環(huán)境（3）在工業(yè)控制中使用Ethernet如何獲得技術(shù)支持130裝備需求：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)要求，各種先進的武器裝備如飛機、裝甲車輛、艦船和導(dǎo)彈等各種機動平臺子系統(tǒng)需要共享、處理的數(shù)據(jù)越來越多，類型也越來越復(fù)雜。

現(xiàn)實問題：如果數(shù)據(jù)的處理、傳輸仍采用過去點對點方式的電纜網(wǎng)進行信號傳輸，將需要裝置大量的電纜線路和連接器，這對系統(tǒng)性能和維護造成不利影響。

解決方案：這一問題直接有效的方式就是引入控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將這些電子設(shè)備按一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，加以有效的綜合，使之達到資源共享和功能共享從而提高武器裝備的總體性能和作戰(zhàn)效能。1）控制網(wǎng)絡(luò)的提出—源于軍事裝備的需求8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)8.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用a.現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機本身所用的先進電子設(shè)備愈來愈多,飛機的性能明顯提高,但在飛機的初始成本、維護工作負擔(dān)與飛機可用性等方面也付出了重大代價；8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)1318.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用1）控制網(wǎng)絡(luò)的提出—源于軍事裝備的需求b.另外，由于飛機及其所掛載的懸掛物都是互相獨立或各自獨門研制的。這種研制方式常常形成各自特有的飛機／懸掛物電氣連接要求，并使懸掛物接口設(shè)計的總工作量全面增加，同時也由于沒有飛機／懸掛物電氣連接接口方面的標準，使得各軍兵種之間和各機種（包括各種飛機及其改型）之間的飛機／懸掛物互用性水平很低，并使為靈活使用各種懸掛物而需要的飛機改進、改裝和綜合保障費用大大增加。迫切需要一種標準的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)－1553B總線的誕生。8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)1328.5.4控制網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化控制的裝備應(yīng)用1）控制網(wǎng)絡(luò)的提出—源于軍事裝備的需求8.5網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)133美國軍方提出一種針對美空軍電子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的標準總線：MIL-STD