第1章 计算机控制

计算机控制ComputerControl航天学院控制科学与工程系金晶主楼602139364451921课程安排讲课32学时——金晶实验6学时上机6学时上机、实验如下：实验一数字滤波器的设计与仿真实验二数字PID控制器设计与仿真实验三数字输入/输出实验实验四模拟滤波与数字滤波实验实验五数字PID控制实验实验六直流电机闭环调速实验2——王艳参考书盛珣华，李润梅编著.计算机控制系统.清华大学出版社.2007绪方胜彦著，刘君华译.离散时间控制系统.西安交通大学出版社，1990.袁本恕编著.计算机控制系统.中国科学技术大学出版社，1988.KatsuhikoOgata.现代控制工程.电子工业出版社，2000.施保华,杨三青,周凤星.计算机控制技术.华中科技大学出版社.2007.教材《数字控制》徐丽娜编著，科学出版社《计算机控制实验指导书》王艳主编，教材科印刷3成绩记载方法闭卷考试70%作业和出勤10%实验20%4第1章绪言——数字控制（又称计算机控制）课程为自动控制及相关专业学生讲授线性定常数字控制系统分析与综合的一些基本方法，其理论基础为线性离散时间系统理论。数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象（或过程）的闭环控制，也称为计算机控制系统。5控制理论发展历史20世纪40~60年代，“古典控制理论”时代。主要针对线性定常系统，解决单输入单输出问题。采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。对非线性系统，分析采用的相平面法一般不超过两个变量。20世纪60~70年代，“现代控制理论”。随着计算机的飞速发展，推动了状态空间法的应用，其可以解决多输入多输出问题。系统可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。集中控制理论阶段620世纪70年代至今，向“大系统理论”和“智能控制”方向发展。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的协调、控制方法，包括大系统的建模、模型降阶、递阶控制、分散控制和稳定性等内容；大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制仿人智能控制。分散控制理论阶段7动力学系统连续系统离散系统线性系统非线性系统确定性系统随机系统正常系统奇异系统单变量系统多变量系统定常系统时变系统确知系统不确知系统动力学系统分类图8计算机控制的发展历史（一）数据采集与监视控制系统DA&SCS（DataAcquisitionandSupervisoryControlSystem）计算机控制系统在20世纪50年代开始出现，由于当时计算机硬件条件的限制，控制系统是基于模拟控制器实现的，计算机只是作为控制系统的监控设备，负责对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，此时的计算机控制系统称为数据采集系统或监视控制系统。由于这种系统中计算机并不直接参与系统控制，因此系统结构简单，安全可靠。9（二）直接数字控制系统DDC（DirectDigitalControl）随着计算机硬件技术的日益提高，出现了直接数字控制系统，传统的模拟控制器被计算机构成的数字控制器所取代。在DDC控制系统里，传感器和执行机构与计算机是点对点的连接方式，传感器和执行机构通过模拟输入/输出通道与计算机构成的数字控制器之间进行模拟/数字信号转换，计算机直接参与系统的控制及信息处理。DDC是计算机控制技术中最常用的方法之一，其优点是灵活性大、可靠性高，可以实现较复杂的控制规律，如最优控制、鲁棒控制、模糊控制等。生产过程模拟输入通道模拟输出通道数控计算机键盘、显示器打印机等外部设备直接数字（DDC）控制系统示意图10具有两级计算机控制系统的计算机监督系统SCC，其底层计算机控制系统为执行实时控制任务的DDC系统，高层计算机控制系统为具有强大数据处理能力的计算机监督系统。（三）计算机监督系统SCC（SupervisoryComputerControl）计算机监督系统直接数字控制系统11（四）分布式控制系统DCS(DistributedControlSystems)随着控制系统规模的日益扩大，在20世纪70年代又出现了分布式控制系统DCS，又称集散控制系统。其特点是采用层次化的多级计算机系统进行分散控制、管理集中。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是应用于大规模复杂系统或生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。12分布式控制系统结构示意图局域网LAN操作员工作站1#过程控制站N#过程控制站传感器执行器传感器执行器被控对象/生产工程工程师工作站监控工作站网间连接器第一代DCS或PLC等13（五）网络控制系统(NetworkedControlSystems，NCS)“NetworkedControlSystems，NCSs”最早于1998年出现在马里兰大学G.C.Walsh的论著中。随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗透，控制系统已由封闭的集中体系逐渐向开放分布式体系发展。很多复杂的控制系统如无线网络机器人、远程遥控操作、基于Internet的远程教学和实验、远程医疗、航空航天系统以及现场总线和工业以太网技术等，其本质上都可归结为基于网络的控制系统，或者称为网络控制系统。网络控制系统强调在通信网络上建立闭环控制回路，因此NCS中的网络是一个广义的范畴，包括了现场总线，工业以太网、无线通信网络、甚至Internet等。141.1数字控制系统概述数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象（或过程）的闭环控制，因此也称为计算机控制系统。本书阐述如下几部分内容：数字控制系统建模与分析；数字控制系统的设计（或称综合）；数字控制系统的实现；高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。15传统的模拟闭环控制系统如下图所示，其控制器由模拟器件构成。模拟控制器执行机构被控对象或过程测量元件（传感器）期望输入r(t)_误差e(t)控制量u(t)输出y(t)反馈量b(t)数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器，单回路计算机控制系统如下图所示。数字控制器执行机构被控对象或过程测量元件（传感器）期望输入r(t)_误差e(t)控制量u(t)输出y(t)反馈量b(t)A/D转换D/A转换e(kT)u(kT)161.1.1系统组成与功能数字控制系统由硬件与软件两大部分组成。如果将执行机构和测量元件的对象特性并入被控对象或过程，则单输入单输出单位反馈数字控制系统的硬件框图如图1-1-1所示。A-AnalogueD-Digital采样开关A/D数字控制器D/A保持器对象或过程r(t)e(t)u(t)y(t)实时时钟模拟输入通道模拟输出通道离散状态连续状态产生脉冲序列作采样信号连续信号离散信号离散信号连续信号图1-1-1单位反馈数字控制系统硬件框图e*(t)[e(kT)][u(kT)]u*(t)171硬件部分数字控制系统硬件部分由五部分组成：（1）连续被控对象（或过程）：工作于连续状态，输入输出是连续量。（2）数字控制器：工作于离散状态，输入输出是数字量，由数字计算机实现。（3）模拟输入通道：由采样开关、A/D转换器两个环节组成，完成由连续量到数字量的转换。（4）模拟输出通道：由D/A转换器、保持器两个环节组成，完成由数字量到连续量的转换。（5）实时时钟：产生脉冲序列，定时控制采样开关的闭合，控制A/D、D/A转换器的输出。18需要说明的是：数字控制系统的闭环控制与连续系统的闭环控制相同点是数字控制系统也采用反馈控制，可以使系统的响应对外部干扰和系统内部参数变化不敏感，这一点与连续系统闭环反馈控制相同；不同的是：系统只根据采样时刻，即离散时间点上的过程变量值进行工作，也就是说数控系统只是在采样时刻处为闭环控制；在采样时刻之间，数控系统处于开环控制。由于数控计算机的离散时间性质，故采样是数字控制系统的基本特征。数字（计算机）控制系统又称为采样数据系统。192软件部分（在计算机上实现控制规律）主程序：系统初始化设置；控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量的输出和存储。数控系统的功能为：在数字计算机控制下，每隔一个采样周期T，对连续偏差信号e(t)进行采样，经由模拟输入通道转换成数字量送入计算机中，计算机（数字控制器）根据控制规律进行运算，求得控制量输出，由模拟输出通道转换成连续量去控制被控对象（或过程），使系统的动态、稳态特性达到预期的指标。20控制子程序控制量的输出和存储YN开始主程序：初始化设置数据采集控制算法采样?图1-1-2数字控制系统软件流程211.1.2数控系统的优点程序控制：易于修改，改变控制规律不需修改硬件，通过修改控制子程序就可以满足不同的控制要求。因此相对于连续控制系统更具有灵活性。精度高：模拟控制器的精度由硬件决定，同一批次的元器件可能具有不同的性能，例如电阻、电容的标称值和实际测量值会有不同，达到高精度很不容易，元器件的价格随精度不同变化很大；而数字控制器的精度与计算机的控制算法和字长有关，在系统设计时就已经决定了。稳定性好：数控计算机只有“0”、“1”状态，抗干扰能力强，不象电阻、电容等受外界环境影响较大。22软件复用：硬件不能复用，子程序却可以，所以具有可重复性。而且计算机系统和软件都可以更新换代。分时控制：可同时控制多系统、多通道。而模拟控制器只能完成单通道控制。图1-1-4多路模拟输入/输出通道示意图模拟输出模拟输入多路开关反多路开关A/DD/A数字计算机控制23数控系统的缺点、局限性实时性：数控系统由计算机运行速度、A/D与D/A采样速度、控制算法等多种因素决定其采样频率上限。信号的处理：离散系统的采样频率下限受到采样定理的限制，在输入信号频率不满足采样定理时得到的采样信号会产生频率混迭现象。数控系统一般需要进行连续信号与数字信号之间的转换，因此系统性能受到A/D与D/A性能的影响，包括实时性、精度等。最后需要指出的是，连续控制系统与数控系统各有优缺点，应用时采用何种控制方式需考虑价格比、使用环境、可靠性、体积等多种实际情况。24可作为数控系统实时控制器的微计算机种类越来越多，如：台式机、PLC、单片机、嵌入式计算机、ARM、PLD、DSP等。设计和实现实时系统，需要从以下几个指标来选择微型机：速度、字长、指令系统、输入/输出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护性、微型化要求等等。多种微计算机举例25（一）通用计算机（台式机）软、硬件通用，多种软、硬件支持，配套设备完善。但作为数字控制器整体的实时处理速度不是很快，决定于所有部件的速度。26（二）单片机单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。当前使用的单片机种类繁多，如Intel公司的51系列单片机；早期的单片机都是8位或4位的,随着技术的发展，单片机从16位增加到目前的32位，目前高端的32位单片机主频已经超过300MHz。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的微机。27（三）PLC可编程序控制器（Programmablelogiccontroller）适用于工业自动化控制，安全可靠，比较完善，但价格较贵，体积较大。28（四）DSP芯片（Digitalsignalprocessor）——专门的可编程数字信号处理芯片DSP芯片是专门的可编程数字信号处理芯片，采用哈佛总线结构，程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，结构复杂，但数据处理能力大大提高，有可以实现特处用途（如FFT、FIR滤波、卷积）的专门DSP