计算机控制系统第一章(精品).ppt

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1、计算机控制理论与设计计算机控制理论与设计关守平关守平2002009 9年年年年9 9月月月月6 6日至日至日至日至20200909年年年年1 12 2月月月月2020日日日日第第 1 章章 绪论绪论1、计算机控制系统介绍、计算机控制系统介绍（1 1）计算机控制系统：利用计算机进行控制的系统，也称为数）计算机控制系统：利用计算机进行控制的系统，也称为数）计算机控制系统：利用计算机进行控制的系统，也称为数）计算机控制系统：利用计算机进行控制的系统，也称为数字控制系统。字控制系统。字控制系统。字控制系统。（2 2）计算机控制理论：控制系统的计算机实现的理论。）计算机控制理论：控制系统的计算机实现的理

2、论。）计算机控制理论：控制系统的计算机实现的理论。）计算机控制理论：控制系统的计算机实现的理论。（3 3）计算机在控制领域的应用）计算机在控制领域的应用）计算机在控制领域的应用）计算机在控制领域的应用a a、离线应用离线应用离线应用离线应用-计算机辅助设计控制系统或称控制系统计算机辅助设计控制系统或称控制系统计算机辅助设计控制系统或称控制系统计算机辅助设计控制系统或称控制系统CADCAD利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、仿

3、真以及建模工作，因而减轻劳动强度，缩短设计周期，提仿真以及建模工作，因而减轻劳动强度，缩短设计周期，提仿真以及建模工作，因而减轻劳动强度，缩短设计周期，提仿真以及建模工作，因而减轻劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量。高设计质量。高设计质量。高设计质量。b b、在线应用在线应用在线应用在线应用-计算机控制系统（数字控制）计算机控制系统（数字控制）计算机控制系统（数字控制）计算机控制系统（数字控制）利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系统的一个利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系统的一个利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系统的一个利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系

4、统的一个组成部分。组成部分。组成部分。组成部分。（4 4）计算机控制系统示例）计算机控制系统示例）计算机控制系统示例）计算机控制系统示例板厚板温板型板材.过程计算机总流量流量比辊道速度终冷温度上/下板温差过程1过程2过程nPID预测自适应鲁棒过程优化控制基础自动化级过程级调度级1调度级2企业机1调度级管理决策级企业机2综合自动化或综合自动化或综合自动化或综合自动化或CIMSCIMS图（b）控制器被控对象+_r(t)e(t)u(t)y(t)图（a）（5 5）计算机控制系统组成与结构）计算机控制系统组成与结构）计算机控制系统组成与结构）计算机控制系统组成与结构执行机构测量环节控制器被控对象+_r(

5、k)e(k)u(k)y(t)执行机构变送器D/AA/Du(t)y(k)计算机控制对象变送器测量环节（6 6）计算机控制的特点）计算机控制的特点）计算机控制的特点）计算机控制的特点 能同时实现多种模拟仪表的功能 同时控制多个回路，实现多种控制功能 可以实现各种先进、复杂的控制规律 控制系统调试、整定灵活方便 可以实现控制、管理的集成 2 2、控制系统分类：按包含的信号形式分：、控制系统分类：按包含的信号形式分：、控制系统分类：按包含的信号形式分：、控制系统分类：按包含的信号形式分：（1 1）连续控制系统）连续控制系统）连续控制系统）连续控制系统D(s)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)

6、图（a）D(z)G(z)+_r(k)e(k)u(k)y(k)图（b）（2 2）离散控制系统）离散控制系统）离散控制系统）离散控制系统D(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)图（c）（3 3）采样控制系统）采样控制系统）采样控制系统）采样控制系统保持器u(k)e(k)采样器D*(z)G(s)+_r(t)e(t)u(t)y(t)图（d）（4 4）数字控制系统）数字控制系统）数字控制系统）数字控制系统D/Au*(k)e*(k)A/D四种系统之间的关系：四种系统之间的关系：四种系统之间的关系：四种系统之间的关系：（1 1）计算机控制系统即为典型的数字控制系统，包含数字信号；由于）计算机控制

7、系统即为典型的数字控制系统，包含数字信号；由于）计算机控制系统即为典型的数字控制系统，包含数字信号；由于）计算机控制系统即为典型的数字控制系统，包含数字信号；由于 控制对象连续，也包含连续信号；控制对象连续，也包含连续信号；控制对象连续，也包含连续信号；控制对象连续，也包含连续信号；计算机控制系统采样控制系统忽略量化效应离散控制系统控制对象与保持器一起离散化（2）*数字信号：时间上离散、幅值上量化的信号。数字信号：时间上离散、幅值上量化的信号。数字信号：时间上离散、幅值上量化的信号。数字信号：时间上离散、幅值上量化的信号。连续控制系统离散化处理 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的

8、产物。计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。（1 1）19461946年美国生产出了世界上第一台电子计算机。年美国生产出了世界上第一台电子计算机。年美国生产出了世界上第一台电子计算机。年美国生产出了世界上第一台电子计算机。（2 2）5050年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行：年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行：年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行：年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行：1956 1956年美国德克萨斯德一个炼油厂与美国航天工业公司年美国

9、德克萨斯德一个炼油厂与美国航天工业公司年美国德克萨斯德一个炼油厂与美国航天工业公司年美国德克萨斯德一个炼油厂与美国航天工业公司TRWTRW合作进行合作进行合作进行合作进行计算机控制系统的研究，到计算机控制系统的研究，到计算机控制系统的研究，到计算机控制系统的研究，到19591959年用年用年用年用RW-300RW-300计算机控制聚合装置的系统计算机控制聚合装置的系统计算机控制聚合装置的系统计算机控制聚合装置的系统研制成功。研制成功。研制成功。研制成功。a a、电子管，体积大，价格贵，可靠性差；电子管，体积大，价格贵，可靠性差；电子管，体积大，价格贵，可靠性差；电子管，体积大，价格贵，可靠性差

10、；b b、操作指导，设定点控制；操作指导，设定点控制；操作指导，设定点控制；操作指导，设定点控制；c c、静态寻优静态寻优静态寻优静态寻优-建立过程的静态数学模型建立过程的静态数学模型建立过程的静态数学模型建立过程的静态数学模型 d d、动态寻优的概念：建立系统的动态数学模型（系统辩识）动态寻优的概念：建立系统的动态数学模型（系统辩识）动态寻优的概念：建立系统的动态数学模型（系统辩识）动态寻优的概念：建立系统的动态数学模型（系统辩识）3 3、计算机控制系统的发展概况、计算机控制系统的发展概况、计算机控制系统的发展概况、计算机控制系统的发展概况（3 3）19621962年，美国帝国化学公司用计算

11、机代替模拟控制，直接控制年，美国帝国化学公司用计算机代替模拟控制，直接控制年，美国帝国化学公司用计算机代替模拟控制，直接控制年，美国帝国化学公司用计算机代替模拟控制，直接控制 过程变量，此种控制称为直接数字控制过程变量，此种控制称为直接数字控制过程变量，此种控制称为直接数字控制过程变量，此种控制称为直接数字控制DDCDDC（Direct Digital ControlDirect Digital Control）。）。）。）。a a、一次投资大，但扩展系统费用低，比如增加一个控制回路；一次投资大，但扩展系统费用低，比如增加一个控制回路；一次投资大，但扩展系统费用低，比如增加一个控制回路；一次投

12、资大，但扩展系统费用低，比如增加一个控制回路；b b、系统改变灵活，操作简单。系统改变灵活，操作简单。系统改变灵活，操作简单。系统改变灵活，操作简单。（4 4）6060年代，年代，年代，年代，DDCDDC技术大发展时期；计算机发展，出现小型机。技术大发展时期；计算机发展，出现小型机。技术大发展时期；计算机发展，出现小型机。技术大发展时期；计算机发展，出现小型机。（5 5）7070年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向分散控制年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向分散控制年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向分散控制年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向分散控制 DCSDCS （Dist

13、ributed Distributed Control SystemControl System）。）。）。）。（6 6）8080年代，年代，年代，年代，DCSDCS系统大发展时期。系统大发展时期。系统大发展时期。系统大发展时期。（7 7）9090年代，现场总线技术出现与发展。年代，现场总线技术出现与发展。年代，现场总线技术出现与发展。年代，现场总线技术出现与发展。FFFF（Field Bus FoundationField Bus Foundation）总线，总线，总线，总线，LONWORKSLONWORKS总线，总线，总线，总线，CANCAN（Controller Controller A

14、rea NetworkArea Network）总线等。总线等。总线等。总线等。（8 8）2121世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即网络化控制系统世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即网络化控制系统世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即网络化控制系统世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即网络化控制系统 NCSNCS（Networked Control SystemNetworked Control System）。）。）。）。设备设备1 1检测检测/执行执行设备设备2 2检测检测/执行执行设备设备n n检测检测/执行执行控制计算机控制计算机集中控制系统集中控制系统集中控制系统集中控

15、制系统设备设备1 1检测检测/执行执行设备设备2 2检测检测/执行执行设备设备n n检测检测/执行执行C CP PU UC CP PU UC CP PU U上位机上位机DCSDCS设备设备1 1检测检测/执行执行设备设备2 2检测检测/执行执行设备设备n n检测检测/执行执行上位机上位机FFFF控制装置控制装置控制装置控制装置控制装置控制装置控制室控制室总线总线设备设备设备设备1 1检测检测检测检测/执行执行执行执行设备设备设备设备2 2检测检测检测检测/执行执行执行执行设备设备设备设备n n检测检测检测检测/执行执行执行执行控制机控制机控制机控制机2 2互联网互联网互联网互联网控制机控制机控

16、制机控制机1 1控制机控制机控制机控制机n nNCSNCS4 4、计算机与控制理论相结合存在的问题、计算机与控制理论相结合存在的问题、计算机与控制理论相结合存在的问题、计算机与控制理论相结合存在的问题问题：问题：问题：问题：大多计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应大多计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应大多计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应大多计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应用水平仍然较低。用水平仍然较低。用水平仍然较低。用水平仍然较低。表现：表现：表现：表现：（1 1）绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的）绝大多数工业

17、过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的）绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的）绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的PIDPID反反反反馈控制律。馈控制律。馈控制律。馈控制律。（2 2）当对象参数的时变性、不确定性、非线性等变的突出时，传统）当对象参数的时变性、不确定性、非线性等变的突出时，传统）当对象参数的时变性、不确定性、非线性等变的突出时，传统）当对象参数的时变性、不确定性、非线性等变的突出时，传统的的的的PIDPID控制律就不能达到较好的控制效果。控制律就不能达到较好的控制效果。控制律就不能达到较好的控制效果。控制律就不能达到较好的控制效果。原因：原因：原因：原因：

18、（1 1）先进控制理论和方法有些需要对象的精确数学模型，有些导出控制）先进控制理论和方法有些需要对象的精确数学模型，有些导出控制）先进控制理论和方法有些需要对象的精确数学模型，有些导出控制）先进控制理论和方法有些需要对象的精确数学模型，有些导出控制律非常复杂，不能满足实时计算的要求，有些有附加的应用条件。律非常复杂，不能满足实时计算的要求，有些有附加的应用条件。律非常复杂，不能满足实时计算的要求，有些有附加的应用条件。律非常复杂，不能满足实时计算的要求，有些有附加的应用条件。（2 2）先进控制理论和方法在工程应用时，控制规律设计、软件实现以及）先进控制理论和方法在工程应用时，控制规律设计、软件

19、实现以及）先进控制理论和方法在工程应用时，控制规律设计、软件实现以及）先进控制理论和方法在工程应用时，控制规律设计、软件实现以及参数调控通常都比较复杂，专业性很强，一般工程技术人员难以掌握。参数调控通常都比较复杂，专业性很强，一般工程技术人员难以掌握。参数调控通常都比较复杂，专业性很强，一般工程技术人员难以掌握。参数调控通常都比较复杂，专业性很强，一般工程技术人员难以掌握。解决：解决：解决：解决：（1 1）发展各种使用简便的先进控制策略。）发展各种使用简便的先进控制策略。）发展各种使用简便的先进控制策略。）发展各种使用简便的先进控制策略。（2 2）培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的

20、专业人才。）培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才。）培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才。）培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才。计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统忽略量忽略量忽略量忽略量化效应化效应化效应化效应采样控制系统采样控制系统采样控制系统采样控制系统离散控制系统离散控制系统离散控制系统离散控制系统连续环节连续环节连续环节连续环节离散化离散化离散化离散化故计算机控制系统理论主要包括：故计算机控制系统理论主要包括：故计算机控制系统理论主要包括：故计算机控制系统理论主要包括：离散系统理论离散系统理论离散系统理论离散

21、系统理论 采样系统理论采样系统理论采样系统理论采样系统理论 数字系统理论数字系统理论数字系统理论数字系统理论5 5、计算机控制系统理论、计算机控制系统理论、计算机控制系统理论、计算机控制系统理论离散系统理论：离散系统理论：离散系统理论：离散系统理论：对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。（1 1）差分方程和）差分方程和）差分方程和）差分方程和Z Z变换理论：分析离散系统的性能和稳定性。变换理论：分析离散系统的性能和稳定性。变换理论：分析离散系统的性能和稳定性。变换理

22、论：分析离散系统的性能和稳定性。（2 2）常规控制规律设计方法：如有限拍控制，离散）常规控制规律设计方法：如有限拍控制，离散）常规控制规律设计方法：如有限拍控制，离散）常规控制规律设计方法：如有限拍控制，离散PIDPID控制，控制，控制，控制，参数寻优设计，直接解析设计法等。参数寻优设计，直接解析设计法等。参数寻优设计，直接解析设计法等。参数寻优设计，直接解析设计法等。（3 3）复杂控制规律的设计方法：在常规控制的基础上实现，包括）复杂控制规律的设计方法：在常规控制的基础上实现，包括）复杂控制规律的设计方法：在常规控制的基础上实现，包括）复杂控制规律的设计方法：在常规控制的基础上实现，包括 串

23、级控制串级控制串级控制串级控制 前馈控制前馈控制前馈控制前馈控制 纯滞后补偿控制纯滞后补偿控制纯滞后补偿控制纯滞后补偿控制 解耦控制解耦控制解耦控制解耦控制（4 4）极点配置设计法：）极点配置设计法：）极点配置设计法：）极点配置设计法：基于传递函数模型基于传递函数模型基于传递函数模型基于传递函数模型 基于状态方程模型：控制规律设计基于状态方程模型：控制规律设计基于状态方程模型：控制规律设计基于状态方程模型：控制规律设计 观测器设计观测器设计观测器设计观测器设计（5 5）最优设计方法：）最优设计方法：）最优设计方法：）最优设计方法：基于传递函数：最小方差基于传递函数：最小方差基于传递函数：最小方

24、差基于传递函数：最小方差 广义最小方差广义最小方差广义最小方差广义最小方差 基于状态方程：线性二次型最优控制基于状态方程：线性二次型最优控制基于状态方程：线性二次型最优控制基于状态方程：线性二次型最优控制 状态最优估计状态最优估计状态最优估计状态最优估计（6 6）现代控制规律的设计方法：自适应控制，预测控制，鲁棒控制等）现代控制规律的设计方法：自适应控制，预测控制，鲁棒控制等）现代控制规律的设计方法：自适应控制，预测控制，鲁棒控制等）现代控制规律的设计方法：自适应控制，预测控制，鲁棒控制等（7 7）智能化设计方法：模糊控制，专家控制，神经网络控制等）智能化设计方法：模糊控制，专家控制，神经网络

25、控制等）智能化设计方法：模糊控制，专家控制，神经网络控制等）智能化设计方法：模糊控制，专家控制，神经网络控制等采样系统理论：包括离散系统理论，还包括：采样系统理论：包括离散系统理论，还包括：采样系统理论：包括离散系统理论，还包括：采样系统理论：包括离散系统理论，还包括：（1 1）采样理论：）采样理论：）采样理论：）采样理论：香农（香农（香农（香农（ShannonShannon）采样定理，采样频谱及混迭，采样信号的恢复，采样定理，采样频谱及混迭，采样信号的恢复，采样定理，采样频谱及混迭，采样信号的恢复，采样定理，采样频谱及混迭，采样信号的恢复，采样系统结构图分析等。采样系统结构图分析等。采样系统

26、结构图分析等。采样系统结构图分析等。（2 2）连续模型及性能指标的离散化：）连续模型及性能指标的离散化：）连续模型及性能指标的离散化：）连续模型及性能指标的离散化：模型离散与指标离散的方法。模型离散与指标离散的方法。模型离散与指标离散的方法。模型离散与指标离散的方法。（3 3）性能指标函数的计算。）性能指标函数的计算。）性能指标函数的计算。）性能指标函数的计算。（4 4）采样控制系统的仿真。）采样控制系统的仿真。）采样控制系统的仿真。）采样控制系统的仿真。（5 5）采样周期的选择。）采样周期的选择。）采样周期的选择。）采样周期的选择。数字系统理论：包括离散系统和采样系统理论，还包括：数字系统理

27、论：包括离散系统和采样系统理论，还包括：数字系统理论：包括离散系统和采样系统理论，还包括：数字系统理论：包括离散系统和采样系统理论，还包括：（1 1）数字信号整量化效应：量化误差）数字信号整量化效应：量化误差）数字信号整量化效应：量化误差）数字信号整量化效应：量化误差 非线性特性影响非线性特性影响非线性特性影响非线性特性影响 （2 2）数字控制器实现中的一些问题：计算延时）数字控制器实现中的一些问题：计算延时）数字控制器实现中的一些问题：计算延时）数字控制器实现中的一些问题：计算延时 控制算法编程控制算法编程控制算法编程控制算法编程 6 6、计算机控制系统分类、计算机控制系统分类、计算机控制系

28、统分类、计算机控制系统分类 1 1、按功能与结构分类、按功能与结构分类、按功能与结构分类、按功能与结构分类 （1 1）操作指导系统：数据采集与分析）操作指导系统：数据采集与分析）操作指导系统：数据采集与分析）操作指导系统：数据采集与分析 （2 2）直接数字控制系统）直接数字控制系统）直接数字控制系统）直接数字控制系统DDCDDC：计算机作为数字控制器参与控制：计算机作为数字控制器参与控制：计算机作为数字控制器参与控制：计算机作为数字控制器参与控制 （3 3）监督控制系统）监督控制系统）监督控制系统）监督控制系统SCCSCC：操作指导与：操作指导与：操作指导与：操作指导与DDCDDC系统的综合，

29、对过程进行系统的综合，对过程进行系统的综合，对过程进行系统的综合，对过程进行 优化控制优化控制优化控制优化控制 （4 4）集散控制系统）集散控制系统）集散控制系统）集散控制系统 （5 5）现场总线控制系统）现场总线控制系统）现场总线控制系统）现场总线控制系统 （6 6）以太网络控制系统）以太网络控制系统）以太网络控制系统）以太网络控制系统 2 2、按控制规律分类、按控制规律分类、按控制规律分类、按控制规律分类 （1 1）程序和顺序控制）程序和顺序控制）程序和顺序控制）程序和顺序控制 （2 2）PIDPID控制控制控制控制 （3 3）常规控制规律控制）常规控制规律控制）常规控制规律控制）常规控制规律控制 （4 4）复杂控制规律控制）复杂控制规律控制）复杂控制规律控制）复杂控制规律控制 （5 5）高级控制规律控制）高级控制规律控制）高级控制规律控制）高级控制规律控制 （6 6）智能控制）智能控制）智能控制）智能控制 第一章结束第一章结束第一章结束第一章结束