計算機控制系統(tǒng)第一章

1、計算機控制系統(tǒng)第一章第 1 1、計算機控制系統(tǒng)介紹（1）計算機控制系統(tǒng)：利用計算機進行控制的系統(tǒng)，也稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。（2）計算機控制理論：控制系統(tǒng)的計算機實現(xiàn)的理論。（3）計算機在控制領(lǐng)域的應(yīng)用a、離線應(yīng)用-計算機輔助設(shè)計控制系統(tǒng)或稱控制系統(tǒng)CAD利用計算機幫助工程設(shè)計人員對控制系統(tǒng)進行分析、設(shè)計、仿真以及建模工作，因而減輕勞動強度，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。b、在線應(yīng)用-計算機控制系統(tǒng)（數(shù)字控制）利用計算機代替常規(guī)模擬控制器，使它成為控制系統(tǒng)的一個組成部分。（4）計算機控制系統(tǒng)示例板厚板溫板型板材 .過程計算機總流量流量比輥道速度終冷溫度上/下板溫差過程1過程2過程nPID預(yù)測自適應(yīng)魯棒

2、過程優(yōu)化控制基礎(chǔ)自動化級過程級調(diào)度級1調(diào)度級2企業(yè)機1調(diào)度級管理決策級企業(yè)機2綜合自動化或CIMS圖（b）控制器被控對象+_r(t)e(t)u(t)y(t)圖（a）（5）計算機控制系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)測量環(huán)節(jié)控制器被控對象+_r(k)e(k)u(k)y(t)執(zhí)行機構(gòu)變送器D/AA/Du(t)y(k)計算機控制對象變送器測量環(huán)節(jié)（6）計算機控制的特點 能同時實現(xiàn)多種模擬儀表的功能 同時控制多個回路，實現(xiàn)多種控制功能 可以實現(xiàn)各種先進、復(fù)雜的控制規(guī)律 控制系統(tǒng)調(diào)試、整定靈活方便 可以實現(xiàn)控制、管理的集成 2、控制系統(tǒng)分類：按包含的信號形式分：（1）連續(xù)控制系統(tǒng)D(s)G(s)+_r(t)e(t)

3、u(t)y(t)圖（a）D(z)G(z)+_r(k)e(k)u(k)y(k)圖（b）（2）離散控制系統(tǒng)D(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)圖（c）（3）采樣控制系統(tǒng)保持器u(k)e(k)采樣器D*(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)圖（d）（4）數(shù)字控制系統(tǒng)D/Au*(k)e*(k)A/D四種系統(tǒng)之間的關(guān)系：（1）計算機控制系統(tǒng)即為典型的數(shù)字控制系統(tǒng)，包含數(shù)字信號；由于 控制對象連續(xù)，也包含連續(xù)信號；計算機控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)忽略量化效應(yīng)離散控制系統(tǒng)控制對象與保持器一起離散化（2）*數(shù)字信號：時間上離散、幅值上量化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)離散化處理 計算機控制技術(shù)是自

4、動控制理論與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。（1）1946年美國生產(chǎn)出了世界上第一臺電子計算機。（2）50年代末計算機控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中投入運行： 1956年美國德克薩斯德一個煉油廠與美國航天工業(yè)公司TRW合作進行計算機控制系統(tǒng)的研究，到1959年用RW-300計算機控制聚合裝置的系統(tǒng)研制成功。a、電子管，體積大，價格貴，可靠性差； b、操作指導(dǎo)，設(shè)定點控制； c、靜態(tài)尋優(yōu)-建立過程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 d、動態(tài)尋優(yōu)的概念：建立系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型（系統(tǒng)辯識）3、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況（3）1962年，美國帝國化學(xué)公司用計算機代替模擬控制，直接控制 過程變量，此種控制稱為直接數(shù)字控制DDC（Direct

5、Digital Control）。 a、一次投資大，但擴展系統(tǒng)費用低，比如增加一個控制回路； b、系統(tǒng)改變靈活，操作簡單。（4）60年代，DDC技術(shù)大發(fā)展時期；計算機發(fā)展，出現(xiàn)小型機。（5）70年代，出現(xiàn)微型機，控制方式由集中控制轉(zhuǎn)向分散控制 DCS （Distributed Control System）。（6）80年代，DCS系統(tǒng)大發(fā)展時期。（7）90年代，現(xiàn)場總線技術(shù)出現(xiàn)與發(fā)展。 FF（Field Bus Foundation）總線，LONWORKS總線，CAN（Controller Area Network）總線等。（8）21世紀初，出現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)技術(shù)，即網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) NC

6、S（Networked Control System）。設(shè)備1檢測/執(zhí)行設(shè)備2檢測/執(zhí)行設(shè)備n檢測/執(zhí)行控制計算機集中控制系統(tǒng)設(shè)備1檢測/執(zhí)行設(shè)備2檢測/執(zhí)行設(shè)備n檢測/執(zhí)行CPUCPUCPU上位機DCS設(shè)備1檢測/執(zhí)行設(shè)備2檢測/執(zhí)行設(shè)備n檢測/執(zhí)行上位機FF控制裝置控制裝置控制裝置控制室總線設(shè)備1檢測/執(zhí)行設(shè)備2檢測/執(zhí)行設(shè)備n檢測/執(zhí)行控制機2互聯(lián)網(wǎng)控制機1控制機nNCS4、計算機與控制理論相結(jié)合存在的問題問題： 大多計算機控制系統(tǒng)的控制功能并沒有得到充分的發(fā)揮，其應(yīng)用水平仍然較低。表現(xiàn)：（1）絕大多數(shù)工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)至今仍然沿用傳統(tǒng)的PID反饋控制律。（2）當(dāng)對象參數(shù)的時變性、不

7、確定性、非線性等變的突出時，傳統(tǒng)的PID控制律就不能達到較好的控制效果。原因：（1）先進控制理論和方法有些需要對象的精確數(shù)學(xué)模型，有些導(dǎo)出控制律非常復(fù)雜，不能滿足實時計算的要求，有些有附加的應(yīng)用條件。（2）先進控制理論和方法在工程應(yīng)用時，控制規(guī)律設(shè)計、軟件實現(xiàn)以及參數(shù)調(diào)控通常都比較復(fù)雜，專業(yè)性很強，一般工程技術(shù)人員難以掌握。解決：（1）發(fā)展各種使用簡便的先進控制策略。（2）培養(yǎng)更多從事計算機控制的研究、開發(fā)和應(yīng)用工作的專業(yè)人才。計算機控制系統(tǒng)忽略量化效應(yīng)采樣控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)連續(xù)環(huán)節(jié)離散化故計算機控制系統(tǒng)理論主要包括： 離散系統(tǒng)理論 采樣系統(tǒng)理論 數(shù)字系統(tǒng)理論5、計算機控制系統(tǒng)理論離散系統(tǒng)理

8、論： 對離散系統(tǒng)進行分析和設(shè)計的各種方法的研究。（1）差分方程和Z變換理論：分析離散系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。（2）常規(guī)控制規(guī)律設(shè)計方法：如有限拍控制，離散PID控制， 參數(shù)尋優(yōu)設(shè)計，直接解析設(shè)計法等。（3）復(fù)雜控制規(guī)律的設(shè)計方法：在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，包括 串級控制 前饋控制 純滯后補償控制 解耦控制（4）極點配置設(shè)計法： 基于傳遞函數(shù)模型 基于狀態(tài)方程模型：控制規(guī)律設(shè)計 觀測器設(shè)計（5）最優(yōu)設(shè)計方法： 基于傳遞函數(shù)：最小方差 廣義最小方差 基于狀態(tài)方程：線性二次型最優(yōu)控制 狀態(tài)最優(yōu)估計（6）現(xiàn)代控制規(guī)律的設(shè)計方法：自適應(yīng)控制，預(yù)測控制，魯棒控制等（7）智能化設(shè)計方法：模糊控制，專家控制，神經(jīng)網(wǎng)

9、絡(luò)控制等采樣系統(tǒng)理論：包括離散系統(tǒng)理論，還包括：（1）采樣理論： 香農(nóng)（Shannon）采樣定理，采樣頻譜及混迭，采樣信號的恢復(fù)，采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分析等。（2）連續(xù)模型及性能指標(biāo)的離散化： 模型離散與指標(biāo)離散的方法。（3）性能指標(biāo)函數(shù)的計算。（4）采樣控制系統(tǒng)的仿真。（5）采樣周期的選擇。 數(shù)字系統(tǒng)理論：包括離散系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)理論，還包括：（1）數(shù)字信號整量化效應(yīng)：量化誤差 非線性特性影響 （2）數(shù)字控制器實現(xiàn)中的一些問題：計算延時 控制算法編程 6、計算機控制系統(tǒng)分類 1、按功能與結(jié)構(gòu)分類 （1）操作指導(dǎo)系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與分析 （2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC：計算機作為數(shù)字控制器參與控制 （3）監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC：操作指導(dǎo)與DDC系統(tǒng)的綜合，對過程進行 優(yōu)化控制 （4）集散控制系統(tǒng) （5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) （6）以太網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 2、按控制規(guī)律分類 （1）程序和順序控制 （2）PID控制 （3）常規(guī)控制規(guī)律控制 （4）復(fù)雜控制規(guī)律控制 （5）高級控制規(guī)律控制 （6）智能控制 第一章結(jié)束內(nèi)容要求：（1）詳細介紹控制對象的特性（2）對象數(shù)學(xué)模型描述（3）計算機控制系統(tǒng)配置、結(jié)構(gòu)等（如PLC、DCS 或工控機等型號、類型等）（4）所應(yīng)用的控制算法（PID、預(yù)測、串級控制算法等）（5