第一章 计算机控制系统概述

1、1主讲：黄宜庆 博士E-MAIL: TEL气工程学院2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论、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、通信与网络技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数值术紧密结合的产物。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，计算机控制系计算、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、更全面的控制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有力方案

2、。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。的工具。 3 本章主要介绍计算机控制系统的基本概本章主要介绍计算机控制系统的基本概念、结构组成、特点、分类以及计算机控制念、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。系统的发展概况和趋势。 41 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过程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。自动控制的系统。 自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制，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。控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行

3、。 图图1 1 计算机控制系统基本结构计算机控制系统基本结构 51 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

4、机配合和在的，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协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。的控制系统。6图图2 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7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。 8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

5、。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3 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 93.1 3.1 网络控制系统的发展网络控制系统的发展1 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 101 13 3 计算机控制系统的典型形式计

6、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4 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。 112. 2. 直接数字控制系统直接数字控制系统 图图5 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，实现计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现多回路的多回路的PIDPID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制

7、规律。控制规律。 123 3监督控制系统监督控制系统 图图6 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。 134. 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设计采用分散控制、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。原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。 图图7 DCS7 DCS结构示意图结构示意图 1

8、45. 5. 现场总线控制系统现场总线控制系统 图图8 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。 156. 6. 网络控制系统网络控制系统 延时；延时； 数据包丢失；数据包丢失； 错序。错序。166. 6. 网络控制系统网络控制系统 171 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

9、能及其指标 1. 1. 计算机控制系统的稳定性计算机控制系统的稳定性 图图9 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182 . 2 . 计算机控制系统的能控性和能观测性计算机控制系统的能控性和能观测性 系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指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制作定的状态。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。用，使系统状态从初始状态到达指定状态。 能控性和能

10、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，从它的测量输出中获得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，这样的系系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系统被称为是不能观的。统被称为是不能观的。能观性能观性193. 3. 控制系统的动态指标控制系统的动态指标 图图10 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

11、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。 20 超调量超调量 p %100p yyym 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 p ymy)(ty)(ty 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。21 调整时间调整时间 st 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

12、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0.050.05。 反映了动态过程进行的快慢，反映了动态过程进行的快慢，是系统的快速性指标。是系统的快速性指标。 ststt yty )(st)(ty yst224 . 4 . 控制系统的稳态指标控制系统的稳态指标 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 )(ty y0y yyess0235. 5.

13、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 ttteJ02d)( 这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾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，可以及小的误差，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。得到数学解析解，因此经常使用。 24 这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡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。该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

14、确性。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ttteJtd)(02 25u加权二次型性能指标加权二次型性能指标tRuueQeJtd)(T0T tururteqeqttd)(d)(22202112222101 不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制信号的功率。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：262 2）末值型指标）末值型指标 ff),(SttxJ 当要求系统在末值时刻当要求系统在末值时刻 具有最小稳态误差，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，就可采用末最准确的定位

15、或最大射程的末值控制中，就可采用末值型性能指标。值型性能指标。 ft273 3）复合型指标）复合型指标 tttxFttxJtd, )(),(Sf0ff 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。28 补充内容：补充内容： 泛函与变分法基础泛函与变分法基础平面上两点连线的长度问题平面上两点连线的长度问题 其弧长为其弧长为1211( )dJx tt29一般来说，曲线不同，弧长就不同，即弧长依赖一般来说，曲线不同，弧长就不同，即弧长依赖于曲线，记为于曲线，记为 。( ( )J x( ( )J x，称为泛函。称为

16、泛函。 )(tx，称泛函的宗量称泛函的宗量 泛函定义泛函定义：x(t)x(t)是自变量是自变量t t的函数，若对的函数，若对每个函数每个函数x(t)x(t)，有一个，有一个J J值与之对应，则值与之对应，则变量变量J J称为依赖于称为依赖于x(t)x(t)的泛函，记的泛函，记J(x(t)J(x(t)例举：例举：10( )( )J xx t dt0( ) ( ), ( ), fttJ xL x tx tt dt30线性泛函与连续泛函：线性泛函与连续泛函：线性泛函线性泛函 泛函对宗量是线性的泛函对宗量是线性的连续泛函连续泛函 若定义在线性赋范空间上的泛函又满足连续条件，称J(x)为连续线性泛函 1

17、21212()()(),()( )nJ xxJ xJ xx xJxJ x0n0n0( )( ),( )xlimJ()()J;J xD JD JxJ xxn中点列x 收敛到点, 有称 在 处连续31泛函与函数的几何解释泛函与函数的几何解释 ( )( )( )x tx tx t宗量的变分宗量的变分 泛函的增量泛函的增量 ( ( )( ( )( ( )( ,)( ,)J xJ xxJ xL xxr xx 泛函的变分泛函的变分 ( ,)L xxJ32定理定理 2.1 2.1 泛函的变分为泛函的变分为0()JJ xx 0()J xx00()( )limlimJJ xxJ x 01lim( ()()L x

18、xr xx ),()(lim),(0 xxLxxxxrxxL33例例 2.1 2.1 求泛函的变分求泛函的变分 f0tL( , , )dtJx x tt f0f0t0t()L(, )dLL()dttJJ xxxx xx ttxxtxx1202100010010 J=x (t)()()d2()d2ddtJJ xxxxtxxxtx x t例：求的变分34泛函的极值泛函的极值00 xxJJ定理定理 2.2 2.2 若泛若泛函函)(xJ 有极值，则必有有极值，则必有0J*0 x| x-x |J(x)J(x )J(x)xx，满足，同号则在处有极值35 2.2 欧拉方程欧拉方程(1)无约束泛函极值的必要条

19、件定理2.3 设有如下泛函极值问题：f0tx(t)min ( ( )L( , , )dtJ xx x ttLdL0 xdt x0f0fn*00ff L(x,x,t)x(t)t ,t ttx(t )x ,x(t )x ,x(t),x (t)其中，及在上连续可微，及 给定。已知则极值轨线满足如下欧拉方程及横截条件及横截条件f0TTtft0LL|x(t )|x(t )0 xx36 2.2 2.2 欧拉方程欧拉方程LdL0dxtx 0LL()dTtJxx txx变分变分 f0ttf0tLdLL()ddtJx txxtxx分部积分分部积分 xf0t0tf0tLdL()d0dtJx txtx证明：证明：f0TTtft0LL|x(t )|x(t )0 xx37例例 2.2 2.2 求平面上两固定点间连线最短的曲线求平面上两固定点间连线最短的曲线 0t2( ( )1( )dftJ xxtt21( )Lx t ， dd0ddLLLxtxtx 2d20d1xtxcxx21atx)(