計算機控制系統(tǒng)PPT

1、計算機控制系統(tǒng)信電學院 自動化系2012.9公共郵箱：cumtsiee_密 碼：cumtsiee123主要內(nèi)容主要內(nèi)容(1) 計算機控制的理論基礎(chǔ)計算機控制的理論基礎(chǔ) (第第2 4章章) 在前修課的基礎(chǔ)上，簡煉、系統(tǒng)、深入地介紹一些基礎(chǔ)性的在前修課的基礎(chǔ)上，簡煉、系統(tǒng)、深入地介紹一些基礎(chǔ)性的內(nèi)容。內(nèi)容。(2) 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計計算機控制系統(tǒng)設(shè)計 (第第5 6章章)遵循經(jīng)典與現(xiàn)代設(shè)計方法并重的原則，重點討論連續(xù)遵循經(jīng)典與現(xiàn)代設(shè)計方法并重的原則，重點討論連續(xù)-離散化離散化設(shè)計、離散域根軌跡、設(shè)計、離散域根軌跡、W域設(shè)計域設(shè)計 、解析設(shè)計和狀態(tài)空間設(shè)計、解析設(shè)計和狀態(tài)空間設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容。等相關(guān)內(nèi)容

2、。(3) 計算機控制系統(tǒng)工程實現(xiàn)技術(shù)計算機控制系統(tǒng)工程實現(xiàn)技術(shù)(第第7 10章章)第第7章介紹一些基本的工程實現(xiàn)技術(shù)。章介紹一些基本的工程實現(xiàn)技術(shù)。第第8、9章分別討論了嵌入式系統(tǒng)、可編程控制器、集散系統(tǒng)、章分別討論了嵌入式系統(tǒng)、可編程控制器、集散系統(tǒng)、現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制技術(shù)。現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制技術(shù)。第第10章介紹章介紹3個計算機控制系統(tǒng)實例。個計算機控制系統(tǒng)實例。 2除第除第1章緒論外，內(nèi)容可分三大部分：章緒論外，內(nèi)容可分三大部分：1.1 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概述1.1.1 計算機控制系統(tǒng)組成計算機控制系統(tǒng)組成1.1.2 計算機控制系統(tǒng)特點計算機控制系統(tǒng)特點1

3、.1.3 計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點1.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用1.2.1 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述1.2.2 計算機控制系統(tǒng)應用與分類計算機控制系統(tǒng)應用與分類1.3 計算機控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計問題計算機控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計問題1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題1.3.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 3圖圖1-1典型模擬式火炮位置控制系統(tǒng)典型模擬式火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖的原理結(jié)構(gòu)圖4圖圖1-2典型火炮位置計算機控制系統(tǒng)典型火炮位置計算機控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖的原理結(jié)構(gòu)圖51.1

4、.1 計算機控制系統(tǒng)組成計算機控制系統(tǒng)組成(1) 被控對象：本例為火炮炮身；被控對象：本例為火炮炮身；(2) 執(zhí)行機構(gòu)：本例為直流電機；執(zhí)行機構(gòu)：本例為直流電機；(3) 測量裝置：本例為測量電位計及測速電機；測量裝置：本例為測量電位計及測速電機；(4) 指令給定裝置：本例為火炮高低角及方位角的指令給定裝置：本例為火炮高低角及方位角的指令生成裝置；指令生成裝置；(5) 計算機系統(tǒng)：包括下述主要部件：計算機系統(tǒng)：包括下述主要部件：A/D變換器；變換器；D/A變換器；變換器；數(shù)字計算機（包括硬件及相應軟件，實現(xiàn)信號的變換數(shù)字計算機（包括硬件及相應軟件，實現(xiàn)信號的變換處理以及工作狀態(tài)的邏輯管理，按給定

5、的算法產(chǎn)生相處理以及工作狀態(tài)的邏輯管理，按給定的算法產(chǎn)生相應的控制指令）。應的控制指令）。6計算機控制系統(tǒng)的控制過程計算機控制系統(tǒng)的控制過程 實時數(shù)據(jù)采集實時數(shù)據(jù)采集對被控量及指令信號的瞬時值進行檢測和輸入；對被控量及指令信號的瞬時值進行檢測和輸入；實時決策實時決策按給定的算法，依采集的信息進行控制行為的按給定的算法，依采集的信息進行控制行為的決策，生成控制指令；決策，生成控制指令；實時控制實時控制根據(jù)決策實時地向被控對象發(fā)出控制信號。根據(jù)決策實時地向被控對象發(fā)出控制信號。7圖圖1-3 計算機控制系統(tǒng)的典型原理計算機控制系統(tǒng)的典型原理結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 81.1.2 計算機控制系統(tǒng)特點計算機控制系統(tǒng)

6、特點1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點：是由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)。是由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)。 2. 信號形式特點信號形式特點有多種（連續(xù)模擬、離散模擬、離散數(shù)字等）信號形有多種（連續(xù)模擬、離散模擬、離散數(shù)字等）信號形式，是一種混合信號系統(tǒng)。式，是一種混合信號系統(tǒng)。3. 系統(tǒng)工作方式特點系統(tǒng)工作方式特點可同時控制多個被控對象或被控量，即可為多個控制可同時控制多個被控對象或被控量，即可為多個控制回路服務(wù)。同一臺計算機可以采用串行或分時并行方回路服務(wù)。同一臺計算機可以采用串行或分時并行方式實現(xiàn)控制，每個控制回路的控制方式由軟件來形成。式實現(xiàn)控制，每個控制回路的控制方式由軟件來形成。 9

7、1.1.3 計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點 1. 運算速度快、精度高、具有極豐富的邏輯判斷功運算速度快、精度高、具有極豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲能力，容易實現(xiàn)復雜的控制規(guī)能和大容量的存儲能力，容易實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，極大地提高系統(tǒng)性能。律，極大地提高系統(tǒng)性能。2. 功能功能/價格的比值高。價格的比值高。3. 控制算法由軟件程序?qū)崿F(xiàn)，因此適應性強，靈活控制算法由軟件程序?qū)崿F(xiàn)，因此適應性強，靈活性高。性高。4. 可使用各種數(shù)字部件，從而提高系統(tǒng)測量靈敏度可使用各種數(shù)字部件，從而提高系統(tǒng)測量靈敏度并可利用數(shù)字通信來傳輸信息。并可利用數(shù)字通信來傳輸信息。5. 使控制與管理更易結(jié)合，并實現(xiàn)層

8、次更高的自動使控制與管理更易結(jié)合，并實現(xiàn)層次更高的自動化?；?。6. 實現(xiàn)自動檢測和故障診斷較為方便，故提高了系實現(xiàn)自動檢測和故障診斷較為方便，故提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯及維修能力。統(tǒng)的可靠性和容錯及維修能力。10缺點與不足：抗干擾能力較低。缺點與不足：抗干擾能力較低。1.1 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概述1.1.1 計算機控制系統(tǒng)組成計算機控制系統(tǒng)組成1.1.2 計算機控制系統(tǒng)特點計算機控制系統(tǒng)特點1.1.3 計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點1.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用1.2.1 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述1.2.2 計算機控制系統(tǒng)應

9、用與分類計算機控制系統(tǒng)應用與分類1.3 計算機控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計問題計算機控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計問題1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題1.3.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 111.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用1.2.1 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述1. 開創(chuàng)時期（開創(chuàng)時期（19551962年）年）主要任務(wù)是尋求最佳運行條件，從事操作指導和設(shè)定值的計主要任務(wù)是尋求最佳運行條件，從事操作指導和設(shè)定值的計算工作，控制計算機僅按監(jiān)督方式運行，并要求集中承擔多算工作，控制計算機僅按監(jiān)督方式運行，并要求集中承

10、擔多種任務(wù)。種任務(wù)。2. 直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制(DDC)時期時期(19621967年年)DDC系統(tǒng)關(guān)注的是控制功能。系統(tǒng)關(guān)注的是控制功能。 3. 小型計算機時期小型計算機時期(19671972年年)出現(xiàn)了各種類型適合工業(yè)控制的小型計算機。出現(xiàn)了各種類型適合工業(yè)控制的小型計算機。4. 微型計算機時期微型計算機時期(1972年年至今至今) 微機的出現(xiàn)和發(fā)展，使計算機控制系統(tǒng)得到更為普及的應用。微機的出現(xiàn)和發(fā)展，使計算機控制系統(tǒng)得到更為普及的應用。5. 集散型控制集散型控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機的發(fā)展和普及，促進發(fā)展了許多新型計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機的發(fā)展和普及，促進發(fā)展了許多新型計算機的控制方式。的控制方

11、式。 121.2.2計算機控制系統(tǒng)應用與分類計算機控制系統(tǒng)應用與分類應用應用1: 各種用途的機器人系統(tǒng)各種用途的機器人系統(tǒng) 13圖圖1-4 焊接機器人系統(tǒng)焊接機器人系統(tǒng)（核心為計算機控制系統(tǒng)（核心為計算機控制系統(tǒng) ）圖圖1-5具有視覺器件的機器人示意圖具有視覺器件的機器人示意圖 應用應用2:以計算機為核心的復雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng)以計算機為核心的復雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng) 14現(xiàn)代民用飛機座艙數(shù)字控制電子設(shè)備現(xiàn)代民用飛機座艙數(shù)字控制電子設(shè)備 飛機飛行高度計算機控制系統(tǒng)飛機飛行高度計算機控制系統(tǒng) 應用應用3：現(xiàn)代工廠自動化中，廣泛使用計算機實現(xiàn)：現(xiàn)代工廠自動化中，廣泛使用計算機實現(xiàn)分散控制和集

12、中監(jiān)視系統(tǒng)分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng)15圖圖1-9 分散控制集中管理的組成圖分散控制集中管理的組成圖分類：分類： 1. 直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制DDC(Direct Digital Control) 系統(tǒng)系統(tǒng) 16圖圖1-10 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) 分類：分類： 2. 計算機監(jiān)督控制計算機監(jiān)督控制SCC(Supervise Control by Computer) 系統(tǒng)系統(tǒng) 17圖圖1-11 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)分類：分類： 3. 分散型計算機控制系統(tǒng)分散型計算機控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System) 18圖圖1-12 分散型計算機控制系

13、統(tǒng)分散型計算機控制系統(tǒng) 1.1 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概述1.1.1 計算機控制系統(tǒng)組成計算機控制系統(tǒng)組成1.1.2 計算機控制系統(tǒng)特點計算機控制系統(tǒng)特點1.1.3 計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點1.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用1.2.1 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概述1.2.2 計算機控制系統(tǒng)應用與分類計算機控制系統(tǒng)應用與分類1.3 計算機控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計問題計算機控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計問題1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題1.3.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 191.3.1 計

14、算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題 (1) 若被控對象是時不變線性系統(tǒng)，通常所形成的連續(xù)控制若被控對象是時不變線性系統(tǒng)，通常所形成的連續(xù)控制系統(tǒng)也是時不變系統(tǒng)。但當將其改造成計算機控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)也是時不變系統(tǒng)。但當將其改造成計算機控制系統(tǒng)后，它的時間響應與外作用的作用時刻和采樣時刻是否同步有它的時間響應與外作用的作用時刻和采樣時刻是否同步有關(guān)。關(guān)。20圖圖1-13采樣系統(tǒng)的時變特性采樣系統(tǒng)的時變特性 1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題(2) 連續(xù)系統(tǒng)在正弦輸入信號的激勵下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率連續(xù)系統(tǒng)在正弦輸入信號的激勵下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的正弦信號，但計算

15、機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應與輸入信的正弦信號，但計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應與輸入信號頻率和采樣周期有關(guān)，號頻率和采樣周期有關(guān)， 21圖圖1-14 計算機控制系統(tǒng)的正弦激勵響應計算機控制系統(tǒng)的正弦激勵響應 頻率為頻率為4.9 Hz的輸入信號的輸入信號 連續(xù)系統(tǒng)的輸出連續(xù)系統(tǒng)的輸出采樣間隔時間為采樣間隔時間為0.1 s時，則時，則會發(fā)生振蕩周期為會發(fā)生振蕩周期為10s的差拍的差拍現(xiàn)象?，F(xiàn)象。1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題 (3)盡管計算機控制系統(tǒng)特性可以用連續(xù)控制盡管計算機控制系統(tǒng)特性可以用連續(xù)控制系統(tǒng)理論解釋，但還有很多現(xiàn)象是不能用系統(tǒng)理論解釋，但還有很多現(xiàn)象是不能

16、用連續(xù)系統(tǒng)理論加以解釋的。連續(xù)系統(tǒng)理論加以解釋的。 例如，一個連續(xù)系統(tǒng)是可控可觀的，將其例如，一個連續(xù)系統(tǒng)是可控可觀的，將其變成計算機控制系統(tǒng)時，若采樣間隔時間變成計算機控制系統(tǒng)時，若采樣間隔時間選取的不合適，則可能會變得不可控。選取的不合適，則可能會變得不可控。221.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題 (4)一個穩(wěn)定的連續(xù)時不變系統(tǒng)，達到穩(wěn)態(tài)的時間應是無限一個穩(wěn)定的連續(xù)時不變系統(tǒng)，達到穩(wěn)態(tài)的時間應是無限的，因為它的響應是多個指數(shù)函數(shù)之和。的，因為它的響應是多個指數(shù)函數(shù)之和。 計算機控制系統(tǒng)，通過設(shè)計卻可以實現(xiàn)在有限的采樣間計算機控制系統(tǒng)，通過設(shè)計卻可以實現(xiàn)在有限的采樣

17、間隔內(nèi)隔內(nèi)(即有限時間內(nèi)即有限時間內(nèi))達到穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系達到穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系統(tǒng)更好的性能。統(tǒng)更好的性能。 23圖圖1-15 有限調(diào)節(jié)時間系統(tǒng)有限調(diào)節(jié)時間系統(tǒng) 實線表示連續(xù)系統(tǒng)，實線表示連續(xù)系統(tǒng)，虛線是同一被控對象虛線是同一被控對象的計算機控制系統(tǒng)。的計算機控制系統(tǒng)。 1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題 (5)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的問題。系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的問題。對閉環(huán)負反饋的一階、二階線性連續(xù)系統(tǒng)，系對閉環(huán)負反饋的一階、二階線性連續(xù)系統(tǒng)，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)為任意值，系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)為任意值，系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。從第從第4章的

18、分析可以看到，當采樣周期一定時，章的分析可以看到，當采樣周期一定時，計算機控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)僅處于一定范計算機控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)僅處于一定范圍時，系統(tǒng)才能穩(wěn)定圍時，系統(tǒng)才能穩(wěn)定 。241.3.1 計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)的理論問題計算機控制系統(tǒng)中還存在字長有限的問題。計算機控制系統(tǒng)中還存在字長有限的問題。A/D或或D/A變換器、計算機內(nèi)存及運算器的字長有限。變換器、計算機內(nèi)存及運算器的字長有限。25圖圖1-16 字長有限引起的極限環(huán)字長有限引起的極限環(huán)1.3.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)圖圖1-17 計算機控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖計算機控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖 26計算機實際工程設(shè)計的設(shè)計方法計算機實際工程設(shè)計的設(shè)計方法 連續(xù)域設(shè)計連續(xù)