1、計算機控制系統第一章第 1 1、計算機控制系統介紹（1）計算機控制系統：利用計算機進行控制的系統，也稱為數字控制系統。（2）計算機控制理論：控制系統的計算機實現的理論。（3）計算機在控制領域的應用a、離線應用-計算機輔助設計控制系統或稱控制系統CAD利用計算機幫助工程設計人員對控制系統進行分析、設計、仿真以及建模工作，因而減輕勞動強度，縮短設計周期，提高設計質量。b、在線應用-計算機控制系統（數字控制）利用計算機代替常規模擬控制器，使它成為控制系統的一個組成部分。（4）計算機控制系統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預測自適應魯棒

2、過程優化控制基礎自動化級過程級調度級1調度級2企業機1調度級管理決策級企業機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）計算機控制系統組成與結構執行機構測量環節控制器被控對象+_r(k)e(k)u(k)y(t)執行機構變送器D/AA/Du(t)y(k)計算機控制對象變送器測量環節（6）計算機控制的特點 能同時實現多種模擬儀表的功能 同時控制多個回路，實現多種控制功能 可以實現各種先進、復雜的控制規律 控制系統調試、整定靈活方便 可以實現控制、管理的集成 2、控制系統分類：按包含的信號形式分：（1）連續控制系統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D(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)圖（c）（3）采樣控制系統保持器u(k)e(k)采樣器D*(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)圖（d）（4）數字控制系統D/Au*(k)e*(k)A/D四種系統之間的關系：（1）計算機控制系統即為典型的數字控制系統，包含數字信號；由于 控制對象連續，也包含連續信號；計算機控制系統采樣控制系統忽略量化效應離散控制系統控制對象與保持器一起離散化（2）*數字信號：時間上離散、幅值上量化的信號。連續控制系統離散化處理 計算機控制技術是自

4、動控制理論與計算機技術相結合的產物。（1）1946年美國生產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在工業生產中投入運行： 1956年美國德克薩斯德一個煉油廠與美國航天工業公司TRW合作進行計算機控制系統的研究，到1959年用RW-300計算機控制聚合裝置的系統研制成功。a、電子管，體積大，價格貴，可靠性差； b、操作指導，設定點控制； c、靜態尋優-建立過程的靜態數學模型 d、動態尋優的概念：建立系統的動態數學模型（系統辯識）3、計算機控制系統的發展概況（3）1962年，美國帝國化學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字控制DDC（Direct

5、Digital Control）。 a、一次投資大，但擴展系統費用低，比如增加一個控制回路； b、系統改變靈活，操作簡單。（4）60年代，DDC技術大發展時期；計算機發展，出現小型機。（5）70年代，出現微型機，控制方式由集中控制轉向分散控制 DCS （Distributed Control System）。（6）80年代，DCS系統大發展時期。（7）90年代，現場總線技術出現與發展。 FF（Field Bus Foundation）總線，LONWORKS總線，CAN（Controller Area Network）總線等。（8）21世紀初，出現了基于網絡的控制系統技術，即網絡化控制系統 NC

6、S（Networked Control System）。設備1檢測/執行設備2檢測/執行設備n檢測/執行控制計算機集中控制系統設備1檢測/執行設備2檢測/執行設備n檢測/執行CPUCPUCPU上位機DCS設備1檢測/執行設備2檢測/執行設備n檢測/執行上位機FF控制裝置控制裝置控制裝置控制室總線設備1檢測/執行設備2檢測/執行設備n檢測/執行控制機2互聯網控制機1控制機nNCS4、計算機與控制理論相結合存在的問題問題： 大多計算機控制系統的控制功能并沒有得到充分的發揮，其應用水平仍然較低。表現：（1）絕大多數工業過程計算機控制系統至今仍然沿用傳統的PID反饋控制律。（2）當對象參數的時變性、不

7、確定性、非線性等變的突出時，傳統的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學模型，有些導出控制律非常復雜，不能滿足實時計算的要求，有些有附加的應用條件。（2）先進控制理論和方法在工程應用時，控制規律設計、軟件實現以及參數調控通常都比較復雜，專業性很強，一般工程技術人員難以掌握。解決：（1）發展各種使用簡便的先進控制策略。（2）培養更多從事計算機控制的研究、開發和應用工作的專業人才。計算機控制系統忽略量化效應采樣控制系統離散控制系統連續環節離散化故計算機控制系統理論主要包括： 離散系統理論 采樣系統理論 數字系統理論5、計算機控制系統理論離散系統理

8、論： 對離散系統進行分析和設計的各種方法的研究。（1）差分方程和Z變換理論：分析離散系統的性能和穩定性。（2）常規控制規律設計方法：如有限拍控制，離散PID控制， 參數尋優設計，直接解析設計法等。（3）復雜控制規律的設計方法：在常規控制的基礎上實現，包括 串級控制 前饋控制 純滯后補償控制 解耦控制（4）極點配置設計法： 基于傳遞函數模型 基于狀態方程模型：控制規律設計 觀測器設計（5）最優設計方法： 基于傳遞函數：最小方差 廣義最小方差 基于狀態方程：線性二次型最優控制 狀態最優估計（6）現代控制規律的設計方法：自適應控制，預測控制，魯棒控制等（7）智能化設計方法：模糊控制，專家控制，神經網

9、絡控制等采樣系統理論：包括離散系統理論，還包括：（1）采樣理論： 香農（Shannon）采樣定理，采樣頻譜及混迭，采樣信號的恢復，采樣系統結構圖分析等。（2）連續模型及性能指標的離散化： 模型離散與指標離散的方法。（3）性能指標函數的計算。（4）采樣控制系統的仿真。（5）采樣周期的選擇。 數字系統理論：包括離散系統和采樣系統理論，還包括：（1）數字信號整量化效應：量化誤差 非線性特性影響 （2）數字控制器實現中的一些問題：計算延時 控制算法編程 6、計算機控制系統分類 1、按功能與結構分類 （1）操作指導系統：數據采集與分析 （2）直接數字控制系統DDC：計算機作為數字控制器參與控制 （3）監督控制系統SCC：操作指導與DDC系統的綜合，對過程進行 優化控制 （4）集散控制系統 （5）現場總線控制系統 （6）以太網絡控制系統 2、按控制規律分類 （1）程序和順序控制 （2）PID控制 （3）常規控制規律控制 （4）復雜控制規律控制 （5）高級控制規律控制 （6）智能控制 第一章結束內容要求：（1）詳細介紹控制對象的特性（2）對象數學模型描述（3）計算機控制系統配置、結構等（如PLC、DCS 或工控機等型號、類型等）（4）所應用的控制算法（PID、預測、串級控制算法等）（5