1、計算機控制原理計算機控制原理胡玉琦 1 第一章第一章 控制概論控制概論1-1 1-1 控制系統的發展史控制系統的發展史1-21-2 自動控制的一般概念自動控制的一般概念1-3 1-3 開環控制和閉環控制開環控制和閉環控制1-4 1-4 控制系統的分類控制系統的分類1-5 1-5 對控制系統的基本要求對控制系統的基本要求1-61-6 計算機控制計算機控制1-7 1-7 傳統控制系統的研究方法傳統控制系統的研究方法1-8 1-8 自動控制理論的發展史自動控制理論的發展史1-9 1-9 智能控制論智能控制論2控制系統的發展史控制系統的發展史 前期控制(1400BC-1900) 經典控制(1935-1

2、950) 現代控制(1950-Now) 前期控制(1400 BC-1900) 中國，埃及和巴比倫出現自動計時漏壺 (1400 BC-1100BC)； 希臘Philon發明了采用浮球調節器來保持燃油液面高度的油燈（BC250）；中國東漢時期天文學家，研制出自動測量地震的候風地動儀；世界上第一架測驗地震的儀器。是中國古代一項重要的科學發明，它比歐洲出現地震儀的時間要早1500年左右。成功地記錄了138年發生在甘肅的一次強烈地震. 中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車 (235年)， “車雖回運而手常指南” ；中國明代宋應星所著天工開物記載了有程序控制思想的提花織機結構圖（1637）； 英

3、國 J. Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度 (1788年)。 控制進氣閥的開啟程度來控制蒸汽機速度。經典控制（ 1915-1950） 美國 N. Minorsky 研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法 (1922)；美國 E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器 (1929)；現代控制（1950-Now ） 美國MIT 的Servomechanism Laboratory 研制出第一臺數控機床(1952)； 美國George Devol研制出第一臺工業機器人樣機(1954) ，兩年后，被稱為機器人之父的Joseph Engelber

4、ger創立了第一家機器人公司，Unimation； 美國 M. E. Merchant 提出計算機集成制造的概念(1969)； 日本Fanuc 公司研制出由加工中心和工業機器人組成的柔性制造單元(1976)； 中國批準 863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統和智能機器人兩個主題 (1986)。日本安川公司娛樂機械狗 (2001)；日本SONY公司二足步行機械人SDR-4X(2002)；n神州號發射、返回神州號發射、返回15嫦娥一號嫦娥一號16樓宇自動控制系統樓宇自動控制系統（Building Automation SystemBuilding Automation System）

5、是建筑智能化的重要組成部分。對整座建筑是建筑智能化的重要組成部分。對整座建筑的空調系統、風機組、制冷機組、冷卻塔、的空調系統、風機組、制冷機組、冷卻塔、水箱水位、給排水、變配電、照明回路等系水箱水位、給排水、變配電、照明回路等系統進行信號采集和控制，實現大廈設備管理統進行信號采集和控制，實現大廈設備管理自動化，起到集中管理、分散控制、節能降自動化，起到集中管理、分散控制、節能降耗的作用。耗的作用。1718例1. 人工控制爐溫人工控制爐溫控制過程：控制過程：1 1 觀測爐溫（觀測爐溫（被控量被控量）2 2 與要求的溫度（與要求的溫度（給定給定值值）進行比較得到溫度）進行比較得到溫度偏差的大小和方

6、向偏差的大小和方向3 3 根據偏差大小和方向根據偏差大小和方向調節調壓器，控制加熱調節調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節溫電阻絲的電流以調節溫度回復到要求的溫度度回復到要求的溫度自動控制的基本概念自動控制的基本概念人工爐溫控制框圖人工爐溫控制框圖20控制的實質控制的實質：檢測偏差和糾正偏差檢測偏差和糾正偏差爐溫自動控制爐溫自動控制21控制過程：控制過程：1 爐溫由熱電偶轉換為對應的電壓爐溫由熱電偶轉換為對應的電壓u22期望的爐溫由電壓期望的爐溫由電壓u1給定，并與實際溫度給定，并與實際溫度u2比比較得到溫度偏差信號較得到溫度偏差信號uu1u23 3 溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅溫度偏

7、差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動動執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電壓的方觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電壓的方向運動，反之加大電壓，直到溫度達到給定值向運動，反之加大電壓，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差為止，此時，偏差 u=0u=0，電機停止轉動。，電機停止轉動。22爐溫自動控制流程爐溫自動控制流程23buu+_實際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機、減速器、調壓器期望溫度ru控制的實質控制的實質：檢測偏差和糾正偏差檢測偏差和糾正偏差從從爐溫爐溫控制系統工作過程定義變量：控制系統工作過程定義變量：系統輸入

8、量、參考輸入量系統輸入量、參考輸入量（信號）（信號）系統輸出量系統輸出量偏差偏差信號信號反饋、反饋信號反饋、反饋信號顯然：顯然： 反饋控制反饋控制建立在建立在偏差基礎偏差基礎上，其控制上，其控制方式是方式是“檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差”。控制系統的工作原理控制系統的工作原理：n檢測輸出量（被控制量）的實際值；檢測輸出量（被控制量）的實際值；n將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；較得出偏差；n用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。輸出量維持期望的輸出。n系統能在存在無

9、法預計擾動的情況下，自動系統能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統的輸出量與參考輸入量之間的偏差減少系統的輸出量與參考輸入量之間的偏差，故稱之為，故稱之為反饋控制反饋控制。ug12uaijn3ugn功 率放 大 器直 流電 動 機工 作機 械例例2. 2. 車床主軸的直流電動機轉速控制系統車床主軸的直流電動機轉速控制系統功 率放大器uguaijnub測速發電機 n干擾轉矩n功 率放大器直 流電動機工作機械加法器ug測 速發電機l例例3. 3. 雷達導引隨動控制系統雷達導引隨動控制系統uaijnuecuur12ri減 速 器控制目標：輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化。由于輸入軸的位置無法預先確定

10、隨動系統。 隨動系統的原理圖 輸 入 軸輸 出 軸rue電 位 器(比 較 器 )放 大 器電 動 機減 速 器uac31自動控制要解決的基本問題自動控制要解決的基本問題 如何使被控制量按照給定量的變化規律變化，就是一個控制系統要解決的基本問題。解決方法解決方法小結自動控制系統自動控制系統在沒有人直接參與的情在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對被控對象進行控制況下，利用控制裝置對被控對象進行控制操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或者跟隨參考輸入的變化規律而變化的系統。者跟隨參考輸入的變化規律而變化的系統。自動控制理論自動控制理論研究自動控制共同規律研究自

11、動控制共同規律的一門科學，包括：工程控制論、生物、的一門科學，包括：工程控制論、生物、經濟、社會控制論。經濟、社會控制論。32一.開環控制 控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制。 開環控制系統二. 閉環控制 開環和閉環：開環和閉環：實際的控制系統按有無反饋作用來界定實際的控制系統按有無反饋作用來界定反饋反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋：負反饋：反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小三.開環控制與反饋控制的比較開環優點: 系統結構簡單，調試容易，當輸入信號和擾動能預先知道

12、時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統的元件參數變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大，抗干擾能力差。閉環 優點：具有自動修正被控制量出現偏離的能力，可以修正元件參數變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高，抗干擾能力強。缺點：被控量可能出現振蕩，甚至發散（）。四四. 自動控制技術的作用自動控制技術的作用1. 自動控制技術的應用不僅使生產過程實現了自動化，極大地提高了勞動生產率，而且減輕了人的勞動強度。2. 自動控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰斗力，例如火炮自動跟蹤系統必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機。3. 某些人們不能直接參與工作的場合就

13、更離不開自動控制技術了，例如原子能的生產。37ACT-DT1型電機轉速控制模型電機轉速控制模型型該模塊是一個典型的控制對象。可進行電機轉速閉環控制。在面板上安裝有1個12V工作的直流電機，可用010V的直流控制信號控制其轉速，電機轉速為01500rpm連續可調。轉速通過光電碼盤進行檢測，經過頻壓轉換后輸出110V轉速信號。在面板上設置有1只010V直流電壓表和1只轉速表，可用于電壓測量和轉速指示。1.按輸入信號分類：定值控制系統伺服系統（隨動系統）程序控制系統2.按系統是否滿足疊加原理線性系統與非線性系統3.按系統控制器是否采用計算機計算機（數字）控制系統與模擬系統4.按控制對象的范疇運動控制

14、系統與過程控制系統5.按系統參數是否隨時間變化時變系統和定常系統穩定性（前提）快速性（動態性能）準確性（穩態精度）1-5 1-5 對控制系統的基本要求對控制系統的基本要求1 穩定性 對一個能正常工作的線性定常系統來說，在動態響應過程中，可以允許產生振蕩現象，但其振幅度必須是逐漸衰減的，即系統的被控變量在圍繞其平衡位置振蕩若干次后，應能穩定到平衡位置，這種系統稱為穩定系統。(a)(b)(c)(d)x(t)10ty(t)10ty(t)10ty(t)10t12注：穩定性是控制系統正常工作的先決條件。由系統結構和參數決定，與外界因素無關。 2 快速性 系統輸出量和期望輸出量產生偏差時，系統消除這種偏差

15、的快慢程度。表征系統的動態性能。3 準確性 即穩態精度，用系統的穩態誤差來表征。 穩態誤差是控制系統響應的穩態值與期望值之差。注：1 不同性質的控制系統，對穩定性、精確性和快速性要求各有側重；2 系統的穩定性、精確性、快速性相互制約，應根據實際需求合理選擇。 計算機控制計算機控制p引言引言p系統組成系統組成p控制機與通用機區別控制機與通用機區別p系統發展概況系統發展概況44p 引言引言計算機功能：信息存儲記憶、邏輯判斷推理和快速數值計算；應用：信息處理工具等；工程控制應用：例如,工業生產制造, 軋機控制、航天器控制。在計算機控制推廣應用的實踐中，總結了系統的分析設計的理論和方法以及工程實現技術

16、，使計算機控制成為以控制理論和計算機技術為基礎的一門新的工程科學技術。45典型的計算機反饋控制系統框圖典型的計算機反饋控制系統框圖計算機給定值被控量數 字控制器模/數轉換數/模轉換執行機構被控對象檢測裝置46計算機控制系統的控制過程計算機控制系統的控制過程 (1)實時數據采集：對被控制量的瞬時值進行檢測，并且將采樣結果輸入到計算機。 (2)實時決策：對輸入的實時給定值與被控量的數值進行處理后，按照預先規定的控制規律進行運算，則稱實時決策，或簡稱決策。 (3)實時控制：根據實時決策結果，實時地對執行裝置發出控制信號。 (4) 信息管理：隨著網絡技術和控制策略的發展，信息共享和管理也介入到控制系統

17、之中。 測、算、控、管 實時47p系統組成系統組成 硬件組成硬件組成主機主機外部設備外部設備過程輸入輸出設備（過程輸入輸出設備（PIOPIO設備）設備）廣義被控對象廣義被控對象 4849外 部 接 口 及 設 備微處理機監 視 及 報警 設 備輸 入 接 口常 規 外 圍 設 備操 作 控 制 臺BUS輸 出 接 口外 存 儲 器輸 入 通 道信 號 變 換電 路輸 出 通 道信 號 變 換電 路控制監測對象p 控制機與通用機區別控制機與通用機區別結構上結構上技術性能上：技術性能上：實時響應能力實時響應能力抗干擾、可靠抗干擾、可靠MTBF(MTBF(平均無故障時間平均無故障時間) )要求要求5

18、0軟件組成軟件組成系統軟件：系統軟件：通用性軟件，數據結構通用性軟件，數據結構OSOS數據庫系數據庫系統統 公共服務軟件（各種語言編譯公共服務軟件（各種語言編譯/ /程序診斷程序診斷/ /網絡網絡通信軟件）。通信軟件）。應用軟件：應用軟件：在系統軟件支持下實現各種應用功能在系統軟件支持下實現各種應用功能的專用程序，由設計人員據硬件、軟件環境開發的專用程序，由設計人員據硬件、軟件環境開發編寫，如編寫，如PLCPLC。控制程序：控制程序：實現預先設計的控制算法，對象運實現預先設計的控制算法，對象運行狀態反映給控制程序，控制程序產生控制信行狀態反映給控制程序，控制程序產生控制信號驅動執行裝置，其優劣

19、影響控制品質號驅動執行裝置，其優劣影響控制品質過程輸入過程輸入/ /輸出接口程序：輸出接口程序：與通道硬件配合，與通道硬件配合，實現計算機與對象之間的數據信息傳遞實現計算機與對象之間的數據信息傳遞51p計算機控制系統發展史計算機控制系統發展史n隨著計算機本身而發展隨著計算機本身而發展n隨著控制理論而發展隨著控制理論而發展52n隨著計算機本身而發展隨著計算機本身而發展（1 1）19461946年第一臺電子計算機問世，人們就萌生了年第一臺電子計算機問世，人們就萌生了將計算機用于導彈和飛機控制，但當時的計算機體積、將計算機用于導彈和飛機控制，但當時的計算機體積、功耗太大，可靠性太差，不可能用于控制系

20、統；功耗太大，可靠性太差，不可能用于控制系統；（2 2）5050年代中期，美國人開始研究計算機控制能否用年代中期，美國人開始研究計算機控制能否用于化工過程，于化工過程，5959年年3 3月在德克薩斯州的煉油廠正式運行；月在德克薩斯州的煉油廠正式運行；53（3）早期的計算機是電子管計算機：性/價比低、體積大、可靠性差。1958年計算機的MTBF為50100小時，用于簡單控制功能。 60年代初半導體計算機取代了電子管計算機，MTBF約1000小時。 62年英國帝國化學工業公司就成功實現了一個DDC系統，其中數據采集量為244個，控制129個閥門。DDC(Direct Digital control

21、)系統的實現無疑是計算機控制系統的一大進步；54（5）隨著大規模集成電路（LSI）技術的突破，微型計算機于1971年問世，70年代中期出現了DCS(Distributed control Systems)，成功解決了傳統集中控制系統可靠性低的問題，使計算機控制大規模地推廣應用。75年美國Honeywell公司，日本橫河公司推出DCS產品，并都得到廣泛的工業應用。我國70年代末，一些石化、冶金、電力等大企業陸續引進一批DCS；55（4）6060年代后期，中小規模集成電路的小型計算機年代后期，中小規模集成電路的小型計算機出現，加快了計算機控制的發展，但價格貴；出現，加快了計算機控制的發展，但價格貴

22、；（6） 8080年代以后，隨著超大規模集成電路年代以后，隨著超大規模集成電路（VLSIVLSI）技術的飛速發展，計算機朝著超小型）技術的飛速發展，計算機朝著超小型化，軟件固化發展，同時計算機控制也向智能化，軟件固化發展，同時計算機控制也向智能化方向發展。化方向發展。56n 隨著控制理論而發展隨著控制理論而發展自60年代以來，控制理論上形成了最優控制/多變量控制/系統辨識/自適應控制/魯棒控制/預測控制/智能控制等，但這些先進的控制方法附加的應用條件，大多在工程上難以滿足，因而實際應用受到限制。例如：絕大多數計算機控制系統至今仍沿用傳統的PID反饋控制律，以至系統性能、功能受到較大限制。57p

23、工業控制系統發展趨勢工業控制系統發展趨勢1 1 以工業以工業PCPC為基礎的低成本工業控制自動化將成為為基礎的低成本工業控制自動化將成為主流；主流； 2 2 PLCPLC在向微型化；在向微型化；3 3 面向測控管一體化設計的集散控制系統（面向測控管一體化設計的集散控制系統（DCSDCS），），網絡化，有線和無線結合；網絡化，有線和無線結合； 現場總線（現場總線（FCSFCS：FieldbusFieldbus ControlControl SystemSystem）；）； 4 4 智能化，智能化， 先進的控制算法。先進的控制算法。58 1-7 1-7 傳統控制理論的研究方法及內容傳統控制理論的研

24、究方法及內容 建立數學模型建立數學模型系統性能分析系統性能分析控制器設控制器設計計1-81-8 控制理論控制理論的的發展發展史史（1 1）2020世紀世紀40 -6040 -60年代，經典控制理論階段。年代，經典控制理論階段。對象：單輸入單輸出的線性定常系統；對象：單輸入單輸出的線性定常系統；依賴于系統的精確數學模型；依賴于系統的精確數學模型；理論基礎和方法：傳遞函數、頻率特性、根軌跡；理論基礎和方法：傳遞函數、頻率特性、根軌跡；控制原理：負反饋控制，控制原理：負反饋控制，“自動調節原理自動調節原理”；研究目標：閉環系統達到預期的動態、靜態性能；研究目標：閉環系統達到預期的動態、靜態性能；工程

25、實用方法：工程實用方法：PIDPID調節原理、前饋補償；調節原理、前饋補償； 60（2 2） 20 20世紀世紀6060年代末，現代控制理論階段。年代末，現代控制理論階段。動力：航天器等空間技術的發展要求高性能、高精動力：航天器等空間技術的發展要求高性能、高精度的復雜控制系統；計算機發展提供了必要的技術度的復雜控制系統；計算機發展提供了必要的技術手段；手段；對象：多變量、變參數、非線性、連續的或離散的；對象：多變量、變參數、非線性、連續的或離散的；依賴于系統的精確的數學模型，但把原來直接根據依賴于系統的精確的數學模型，但把原來直接根據被控系統機理特性的建模方法，向基于參數估計和被控系統機理特性

26、的建模方法，向基于參數估計和系統辨識理論的建模方法拓展了；系統辨識理論的建模方法拓展了；描述方法：在時間域內應用狀態方程，利于計算機描述方法：在時間域內應用狀態方程，利于計算機運算；運算；系統結構：多環、自適應環、學習環等；系統結構：多環、自適應環、學習環等；控制策略：最優控制、系統辨識、自適應控制、魯控制策略：最優控制、系統辨識、自適應控制、魯棒控制，自校正控制；棒控制，自校正控制；61（3 3）復雜的任務要求：）復雜的任務要求：傳統的控制系統中，控制的任務要求輸出為定值或者跟蹤期望的運動軌跡，因此控制任務比較單一。但對于復雜的控制任務，如智能機器人系統、復雜工業過程控制系統、航空航天控制系

27、統、社會經濟管理系統等傳統的控制理論都無能為力。 （2 2）高度非線性）高度非線性：傳統控制理論中，線性系統理論比傳統控制理論中，線性系統理論比較成熟，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有較成熟，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性方法可供使用，但目前非線性控制理論還一些非線性方法可供使用，但目前非線性控制理論還很不成熟，有些方法又過于復雜，無法廣泛應用；很不成熟，有些方法又過于復雜，無法廣泛應用；（1 1）不確定性的模型）不確定性的模型：傳統控制是基于模型的控制，傳統控制是基于模型的控制，傳統控制通常認為模型是已知的或通過辨識可以得到傳統控制通常認為模型是已知的或通過辨識可以得到的，對于不確定性的模型，應用智能控制；的，對于不確定性的模型，應用智能控制；（3）20世紀世紀70年代后期，智能控制理論年代后期，智能控制理論傳統控制論面臨的挑戰：u人