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2024/7/211计算机控制技术计算机控制技术 电子教案（工程硕士）电子教案（工程硕士）2024/7/212第第1 1章章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 计算机控制系统是计算机技术与自动控制理计算机控制系统是计算机技术与自动控制理论、自动化技术以及检测与传感技术、通信与网论、自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的络技术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。有力的工具。2024/7/213 本章主要介绍计算机控制系统的基本章主要介绍计算机控制系统的基本概念、结构组成、特点、分类以及计算机本概念、结构组成、特点、分类以及计算机控制系统的发展概况和趋势。控制系统的发展概况和趋势。本章主要内容：本章主要内容：2024/7/2141 11 1 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 计算机控制系统就是利用计算机来实现生产计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。过程自动控制的系统。自动控制，是在没有人直接参与的情况下，自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。图图1 11 1 计算机控制系统基本结构计算机控制系统基本结构 2024/7/2151 12 2 计算机控制系统的组成和特点计算机控制系统的组成和特点计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件组成：硬件组成：主要由计算机系统（包括主机和外部设主要由计算机系统（包括主机和外部设备）和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检备）和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检测变送环节等组成。测变送环节等组成。软件组成：软件组成：系统软件和应用软件。系统软件和应用软件。在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。控制系统。2024/7/216图图1 12 2 计算机控制系统的组成框图计算机控制系统的组成框图2024/7/217计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 在计算机控制系统中，被控制量通常是模在计算机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。因此，计算机控制系统大都具有数字因此，计算机控制系统大都具有数字模拟混模拟混合式的结构。合式的结构。2024/7/218模拟信号模拟信号时间上和幅值上都连续的信号。时间上和幅值上都连续的信号。离散模拟信号离散模拟信号时间上离散幅值上连续的信号。时间上离散幅值上连续的信号。数字信号数字信号时间上离散，幅值也离散的信号。时间上离散，幅值也离散的信号。采样采样将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。量化量化采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转 换成数字信号。换成数字信号。图图1 13 3 计算机控制系统中信号变换与传递计算机控制系统中信号变换与传递 2024/7/2191 13 3 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 1.1.数据采集和监视系统数据采集和监视系统 图图1 14 4 数据采集和监视系统数据采集和监视系统 优点：结构简单，控制灵活和安全。优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。2024/7/21102.2.直接数字控制系统直接数字控制系统 图图1 15 5 直接数字控制系统框图直接数字控制系统框图 计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现多回路的实现多回路的PIDPID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制规律。的控制规律。2024/7/21113 3监督控制系统监督控制系统 图图1 16 6 监督控制系统的两种结构形式监督控制系统的两种结构形式 其作用是改变给定值，又称设定值控制其作用是改变给定值，又称设定值控制 。它的任务着重。它的任务着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。2024/7/21124.4.分散型控制系统分散型控制系统 采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。图图1 17 DCS7 DCS结构示意图结构示意图 2024/7/21135.5.现场总线控制系统现场总线控制系统 图图1 18 FCS8 FCS控制层控制层 结构模式为：结构模式为：“工工作站一现场总线智作站一现场总线智能仪表能仪表”二层结构，二层结构，完成了完成了DCSDCS中的三中的三层结构功能，降低层结构功能，降低了成本，提高了可了成本，提高了可靠性，并且在统一靠性，并且在统一国际标准下可实现国际标准下可实现真正的开放式互连真正的开放式互连系统结构。系统结构。2024/7/21141 14 4 计算机控制系统的性能及其指标计算机控制系统的性能及其指标 1.1.计算机控制系统的稳定计算机控制系统的稳定性性 图图1 19 9 过渡过程的过渡过程的4 4种情况种情况（a a）发散振荡）发散振荡 （b b）衰减振荡）衰减振荡 （c c）等幅振荡）等幅振荡 （d d）非周期衰减）非周期衰减2024/7/21152.2.计算机控制系统的能控性和能观测计算机控制系统的能控性和能观测性性 系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控达指定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作用，使系统状态从初始状态到达指定状态。制作用，使系统状态从初始状态到达指定状态。能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。能控性能控性 用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样获得系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系统被称为是不能观的。的系统被称为是不能观的。能观性能观性2024/7/21163.3.控制系统的动态指标控制系统的动态指标 图图1 110 10 阶跃信号作用下的系统动态过程阶跃信号作用下的系统动态过程动态指标能够比动态指标能够比较直观地反映控较直观地反映控制系统的过渡过制系统的过渡过程特性，动态指程特性，动态指标包括超调量，标包括超调量，调节时间，峰值调节时间，峰值时间，衰减比和时间，衰减比和振荡次数。振荡次数。2024/7/2117 超调量超调量 表示了系统过冲的程度。设输出量表示了系统过冲的程度。设输出量 的最大值为的最大值为 ，输出量，输出量 的稳态值为的稳态值为 ，则超调量定义为，则超调量定义为 超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过程的平稳性。程的平稳性。2024/7/2118 调整时间调整时间 调整时间调整时间 反映了过渡过程时间的长短，当反映了过渡过程时间的长短，当 时，若时，若 ，则，则 定义为调定义为调整时间，式中整时间，式中 是输出量是输出量 的稳态值，的稳态值，取取0.02 0.02 或或0.05 0.05 。它反映了动态过程进行的快。它反映了动态过程进行的快慢，是系统的快速性指标。慢，是系统的快速性指标。2024/7/21194.4.控制系统的稳态指控制系统的稳态指标标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量态误差来表征。稳态误差是输出量 的稳态值的稳态值 与要求值与要求值 的差值，定义为的差值，定义为 2024/7/21205.5.控制系统的综合指标控制系统的综合指标 综合性能指标通常有综合性能指标通常有3 3种类型种类型 1)1)积分型指标积分型指标 u误差平方的积分误差平方的积分 这种性能指标着重权衡大的误差，而较少这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可顾及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以得到数学解析解，因此经常使用。以得到数学解析解，因此经常使用。2024/7/2121 这种指标较少考虑大的起始误差，着重这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。权衡过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该指标反映了控制系统的快速性和精确性。该指标反映了控制系统的快速性和精确性。u 时间乘误差平方的积分时间乘误差平方的积分2024/7/2122u加权二次型性能指标加权二次型性能指标 不仅控制了动态性能指标，而且限制了不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制信号的功率。控制信号的功率。对于多变量控制系统，可用：对于多变量控制系统，可用：2024/7/21232 2）末值型指标）末值型指标 当要求系统在末值时刻当要求系统在末值时刻 具有最小稳态具有最小稳态误差，最准确的定位或最大射程的末值控制中，就可误差，最准确的定位或最大射程的末值控制中，就可采用末值型性能指标。采用末值型性能指标。2024/7/21243 3）复合型指标）复合型指标 复合型指标是积分型和末值型指标的复合，是复合型指标是积分型和末值型指标的复合，是一个更普遍的性能指标形式。一个更普遍的性能指标形式。2024/7/2125第第2 2章章 线性离散系统线性离散系统 的数学描述和分析方法的数学描述和分析方法1.1.信号变换理论信号变换理论 2.2.线性离散系统的数学描述方法线性离散系统的数学描述方法3.3.线性离散系统的线性离散系统的Z Z变换分析法变换分析法 4.4.脉冲传递函数脉冲传递函数 5.5.线性离散系统的性能分析线性离散系统的性能分析 本章主要内容本章主要内容2024/7/21262 21 1 信号变换理论信号变换理论 1.1.连续信号的采样和量化连续信号的采样和量化 图图2 21 1 采样过程采样过程 采样过程采样过程2024/7/2127 在计算机控制系统中，采样信号在计算机控制系统中，采样信号 是一数字序列，可分解成一系列单脉冲之和。是一数字序列，可分解成一系列单脉冲之和。式中，式中，为为 时刻的单脉冲，脉冲的幅值为时刻的单脉冲，脉冲的幅值为 ；为为 时刻的单脉冲，脉冲的幅值为时刻的单脉冲，脉冲的幅值为 ；为为 时刻的单脉冲，脉冲的幅值为时刻的单脉冲，脉冲的幅值为 。则：则：只有在 时刻，才有 ，而在的所有 时刻，都有 。2024/7/2128图图2 22 2 对单位脉冲序列的调制对单位脉冲序列的调制 可以解释为连续时间信号可以解释为连续时间信号 被理想单位脉冲被理想单位脉冲 做了离散时间调制。做了离散时间调制。因此：因此：2024/7/2129量化过程量化过程 图图2 23 3 量化过程量化过程所谓量化，就是采用所谓量化，就是采用一组数码（如二进制一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转信号的幅值，将其转换成数字信号。这个换成数字信号。这个经量化使采样信号成经量化使采样信号成为数字信号的过程称为数字信号的过程称为量化过程。为量化过程。2024/7/21302.2.采样定理采样定理 图图2 24 4 、的频谱的频谱 及从及从 恢复恢复 （a)a)的频谱的频谱 （b b）的频谱的频谱 （c c）理想的滤波器理想的滤波器 （d d）滤波器输出信号频谱滤波器输出信号频谱 2024/7/2131 为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信号的变化规律，采样频率号的变化规律，采样频率 至少应是至少应是 的频谱的频谱 的最高频率的最高频率 的两倍，即的两倍，即 采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，但对于采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，但对于连续对象的离散控制，不易确定连续信号的最高频率。连续对象的离散控制，不易确定连续信号的最高频率。因此，采样定理给出了选择频率的准则，在实际应用中因此，采样定理给出了选择频率的准则，在实际应用中还要根据系统的实际情况综合考虑。还要根据系统的实际情况综合考虑。采样定理采样定理2024/7/21323.采样信号的复现和采样保持器采样信号的复现和采样保持器 保持器保持器 保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连续信号，实现采样点之间的插值的元件。续信号，实现采样点之间的插值的元件。零阶保持器零阶保持器。零阶保持器采用恒值外推原理，把每个采样值零阶保持器采用恒值外推原理，把每个采样值 一直保持到下一个采样时刻一直保持到下一个采样时刻 ,从而把采样信从而把采样信号号 变成了阶梯连续信号变成了阶梯连续信号 。图图2 25 5 零阶保持器的功能零阶保持器的功能 2024/7/21332 22 2 线性离散系统的数学描述方法线性离散系统的数学描述方法 1.差分方程线性离散系统的差分方程线性离散系统的差分方程图图2 26 6 连续系统和离散系统连续系统和离散系统 （a a）连续系统）连续系统 （b b）离散系统）离散系统2024/7/21342.差分方程的求解 例1 已知一个数字系统的差分方程为已知一个数字系统的差分方程为输入信号入信号 初始条件初始条件，试求解差分方程。求解差分方程。，代入差分方程，得，代入差分方程，得 解：令：令：2024/7/21352 23 3 线性离散系统的线性离散系统的Z Z变换分析法变换分析法1.Z1.Z变换变换 对上式取拉氏变换：对上式取拉氏变换：令：令：则：则：2024/7/2136（1 1）只有采样函数）只有采样函数 才能定义才能定义Z Z变换；变换；注意：注意：（2 2）比较下面两式）比较下面两式 中中，决定幅值，决定幅值，决定时间。决定时间。（3 3）Z Z变换是由采样函数决变换是由采样函数决定的，它反映不了非采样时定的，它反映不了非采样时刻的信息。刻的信息。图图2 27 7 采样值相同连续函数不同采样值相同连续函数不同2024/7/2137 例例2 2 求单位阶跃函数的求单位阶跃函数的Z Z变换变换。解解：，由，由Z Z变换定义有变换定义有 将上式两端同时乘以将上式两端同时乘以,有有 v 直接法直接法 Z Z变换的求取变换的求取式减式减式式则：则：2024/7/2138例例3 3 已知已知，求求F F（z z）。解解:v 部分分式法部分分式法 2024/7/2139 已知，具有已知，具有N N个不同的极点，有个不同的极点，有 个重极个重极点（点（=1=1，为单极点），则，为单极点），则 ，求，求 。例例4 4 已知已知解解:，v 留数法留数法 若若,2024/7/21402.Z2.Z反变换反变换 u长除法长除法 例例5 5 用长除法求函数用长除法求函数 的的Z Z反变换。反变换。解：解：2024/7/2141u部分分式法部分分式法 例例6 6 用部分分式法求用部分分式法求 的的Z Z反变换。反变换。解解：（查表（查表2 21 1）2024/7/2142u留数计算法留数计算法 例例7 7 用留数计算法求用留数计算法求 的的Z Z反变换。反变换。根据留数定理根据留数定理 2024/7/21433.3.用变换解差分方程用变换解差分方程 用变换求解差分方程主要用到变换的平移定理。用变换求解差分方程主要用到变换的平移定理。例例8 8 用用Z Z变换解下列差分方程：变换解下列差分方程：初始条件为：初始条件为：解：解：对上式进行对上式进行Z Z变换得变换得 由线性定理由线性定理:由超前定理由超前定理:2024/7/2144查表得查表得为了书写方便，通常将为了书写方便，通常将 写成写成 。代入初始条件，解得代入初始条件，解得2024/7/21452 24 4 脉冲传递函数脉冲传递函数 图图2 28 8 单输入单输出离散系统的方框图单输入单输出离散系统的方框图 为了应用脉冲传递函数的概念，通常可在输出端虚为了应用脉冲传递函数的概念，通常可在输出端虚设一采样开关，对输出的连续时间信号做假想采样，来设一采样开关，对输出的连续时间信号做假想采样，来获得输出信号的采样信号。获得输出信号的采样信号。1.1.脉冲传递函数脉冲传递函数2024/7/2146脉冲传递函数与差分方程的相互转换脉冲传递函数与差分方程的相互转换，若已知若已知n n 阶离散系统的差分方程是阶离散系统的差分方程是 在零初始条件下，进行在零初始条件下，进行Z Z变换变换得脉冲传递函数为得脉冲传递函数为 2024/7/21472.2.离散系统方框图的变换离散系统方框图的变换 l开环脉冲传递函数开环脉冲传递函数图图2 29 9 串联环节框图的两种形式串联环节框图的两种形式（a a）两环节间有采样开关）两环节间有采样开关（b b）两环节间无采样开关）两环节间无采样开关（a a）（b b）通常通常2024/7/2148l闭环脉冲传递函数闭环脉冲传递函数 例例9 9 求图所示典型计算机控制系统的闭环脉冲传递函数。求图所示典型计算机控制系统的闭环脉冲传递函数。图图2 210 10 典型计算机控制系统典型计算机控制系统 解：解：2024/7/21492 25 5 线性离散系统的稳定性分析线性离散系统的稳定性分析 闭环脉冲传递函数的所有极点位于闭环脉冲传递函数的所有极点位于Z Z平面的单平面的单位圆内。位圆内。在单位圆上有重极点或者在单位圆外有一在单位圆上有重极点或者在单位圆外有一个以上的极点，系统是不稳定的；个以上的极点，系统是不稳定的；在单位圆上有一对复数极点或一个实极点，在单位圆上有一对复数极点或一个实极点，系统是临界稳定的。系统是临界稳定的。线性定常离散系统是渐近稳定的充分必要条件是：线性定常离散系统是渐近稳定的充分必要条件是：2024/7/2150朱利（朱利（JuryJury）稳定性判据）稳定性判据 朱利稳定性判据可以根据系统的特征方程的系朱利稳定性判据可以根据系统的特征方程的系数判断系统的稳定性。数判断系统的稳定性。设离散系统的特征多项式为设离散系统的特征多项式为 其中，其中，为实数，通常为实数，通常取取 。构造朱利表构造朱利表 其中：其中：2024/7/2151朱利表朱利表 *直到表中的同一行中只有三个元素时为止。偶数行的元素直到表中的同一行中只有三个元素时为止。偶数行的元素是奇数行元素的倒置。是奇数行元素的倒置。2024/7/2152 多项式多项式 所有根都在所有根都在Z Z平面单位圆内的平面单位圆内的充分必要条件是：充分必要条件是：（1）（2）（3）（4）2024/7/2153例例1010 已知二阶离散系统特征多项式为已知二阶离散系统特征多项式为 试确定使系统渐近稳定的试确定使系统渐近稳定的K K值范围。值范围。解：系统渐近稳定的条件是解：系统渐近稳定的条件是 ，系统渐近稳定的系统渐近稳定的K K值是值是2024/7/2154 2 26 6 线性离散系统的稳态误差分析线性离散系统的稳态误差分析 离散系统的采样时刻的稳态误差离散系统的采样时刻的稳态误差 假设所有的极点都在平面单位圆内，根据终值定理，假设所有的极点都在平面单位圆内，根据终值定理，系统的稳态误差为系统的稳态误差为图图2 211 11 离散控制系统离散控制系统 2024/7/2155 当离散系统的结构和参数已知时，在输入信号给定的当离散系统的结构和参数已知时，在输入信号给定的情况下，得到输出量的情况下，得到输出量的 变换变换 ，经过，经过 反变换，反变换，就能得到系统输出的时间序列就能得到系统输出的时间序列 。根据过渡过程。根据过渡过程曲线，可以分析系统的动态特性如曲线，可以分析系统的动态特性如 、等。等。2 27 7 线性离散系统的动态响应分析线性离散系统的动态响应分析 1 1已知离散系统的结构和参数，分析系统的动态已知离散系统的结构和参数，分析系统的动态响应特性响应特性 2024/7/2156例例1111 如图所示的线性离散系统，输入为单位阶跃序列。试如图所示的线性离散系统，输入为单位阶跃序列。试分析系统的过渡过程。（其中：分析系统的过渡过程。（其中：）解：解：被控对象脉冲传递函数被控对象脉冲传递函数代入已知参数，可得系统闭环脉冲传递函数代入已知参数，可得系统闭环脉冲传递函数 图图2 212 12 例例1111图图2024/7/2157得到输出时间序列为得到输出时间序列为 图图2 213 13 离散系统输出时间序列离散系统输出时间序列 2024/7/21582 2已知离散系统的脉冲传递函数零、极点在平面中已知离散系统的脉冲传递函数零、极点在平面中的分布情况，分析系统的动态响应特性的分布情况，分析系统的动态响应特性图图2 214 14 闭环极点分布与过渡分量的关系闭环极点分布与过渡分量的关系(a)闭环实数极点闭环实数极点 (b)闭环复数极点闭环复数极点人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
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