2 计算机控制系统概述(二)、控制系统信号类型.
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计算机控制技术第2章 计算机控制系统数学描述与分析
~
f
m
范围
ax
内变化的采样信号 f *(t) 通过字长为 n 的A/D转换器，变换
成 0 ~ 2n 1 范围内的某个数字量。
量化单位定义为：
q
f max f min 2n 1
q是二进制数的最低有效位对应的整量单位 整量化方法：“只舍不入”和“有舍有入”
2020/1/31
15
2.1 信号的采样与恢复
解： f (t)wenku.baidu.com 1(t) 在所有采样时刻上的采样值均为1
即 f (kT) 1 k 0,1, 2,...,
对应的离散时间函数：
f * t f kT t kT k 0
t t T t 2T ... t kT ...
2.1.2 信号的恢复与采样保持器
信号的恢复是指将采样信号恢复到原连续信号，它是 采样过程的逆过程。将数字信号序列恢复成连续信号的装 置称为采样保持器。
信号的理想恢复需要具备3个条件：
① 原连续信号的频谱具有有限带宽，即 max
② 满足采样定理
③ 具有理想的低通滤波器
H(
j)
T , ０，
0
t t0 t t0
10
2.1 信号的采样与恢复
2.1.1 连续信号的采样和量化 采样定理
第2章 计算机控制课件
传感器
2019/9/7
18
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
孔板式流量传感器： HZKL-M型孔板式流量计 ： 基本测量精度： 1%
传感器
2019/9/7
19
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
4.液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
传感器： 测量范围：0.2～5m 基本测量精度：0.05%
传感器
2019/9/7
2019/9/7
5
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
一、传感器（自学）
传感器的作用：主要是将物理信号转变为电信号。
工业过程中主要的物理参数有： 温度 压力 流量 物位（液位） 机械量 成分
传感器
2019/9/7
6
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
传感器
1.温度传感器
热电偶：测温范围宽，一般为-50℃ ~+1600 ℃，常用于高温 测量或精度要求不高的场合，此外由于材料较柔软，便于折 弯，因此可以对物体表面温度进行测量。用热电偶测温时， 要对其进行冷端补偿。其常用型号有：K、J、T型等
常见的标准信号：
0～10V 0～5V 4～20mA 1～5V
2019/9/7
22
§§第第二二章章输入过输程出接通口道与技过程术通道技术
模拟信号调理的功能
低电压信号
计算机控制技术第二章1
n阶后向差分:
▽ne(k)=▽n-1[▽e(k)]=▽n-1e(k) - ▽n-1e(k-1)]=
n！ e( k i ) ( 1) i 0 i！ i )！ (n
n i
2.
线性常系数差分方程
对于单输入单输出线性定常离散系统，在某一采样时刻的输
出值 y(k) 不仅与这一时刻的输入值 r(k)有关，而且与过去时刻 的输入值r(k-1)、 r(k-2)…有关，还与过去的输出值y(k-1)、 y(k-2)…有关。可以把这种关系用n阶后向差分方程描述：
f *(t) f (0)
f (T) f (2T )
f (3T)
f (4T) f (5T )
f *(t) f (0)
f (T)
f (2T ) f (3T)
f (4T) f (5T )
O
T
2T
3T 4T (a)
5T
6T
7T
t
O
T
2T 3T 4T (b)
5T
t
图2-8
1．采样过程 把连续信号转换成离散信号的过程，叫做采样。实 现采样的装置叫做采样器或采样开关。
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
第二章计算机控制系统的设计方法的介绍-文档资料
y (t )
D(z)
D/A
G(s)
A/D
(d) 数字控制系统
图2-3 四种类型控制系统的典型结构图
D/A
r(k)
E D 计算机 F 解码 G 保持 H
被控对象
y (t )
C
B
编码
量化
A/D
A
传感器 I
A，I 0 T 2T 3T t
B 0 T 2T 3T t
D，F
011 010
001
0 T 2T 3T t
z 1 1 sT
可得s 与 z的关系为 s 1 z1
T
则有
D(z) D(s) s1z1 T
(2-14) (2-15) (2-16)
在时域分析时，后向差分法就是用一阶差分近似一阶微 分，即用一个采样周期内的平均导数近似瞬时导数，也 等价于数值积分中的后向矩形法，如图2-8所示。
e(kT ) e(t)
（2）将D(s)的零极点映射到Z平面
（3）在 z 1 处加上足够的零点，使D(z)零极点个数相同。 （4）在低频段，使D(z)的增益与 D(s) 的增益相匹配。
4．加零阶保持器的 Z 变换方法
带有零阶保持器的 Z 变换方法就是将零阶保持器与模
拟控制器串联，然后对其进行 Z 变换，离散化成为数字控
6．从执行机构的响应速度方面考虑
1 计算机控制系统概述
⑶状态、数据显示 ⑷管理功能
走信息路 读北邮书 第十二页，共四十八页。
本书的 封面
5 计算机控制系统的工作原理
计算机控制过程可归结为如下四个步骤：
⑴实时数据采集：对来自(lái zì)测量变送装置的被控量的瞬时值进行 检测并输入。
⑵实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已 定的控制规律，决定将要采取的控制行为。
计算机控制系统由硬件和软件两个基本部分组成。硬件指计算 机本身及其外部设备，软件指管理计算机的程序及生产过程应用程 序。只有软件和硬件有机的结合，计算机控制系统才能正常运行。 计算机控制系统的构成如图1.2所示。
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给定值 ＋ －
控制器
微型机
被控量
D/A
⑶实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控制信号，完 成控制任务。
⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计 算机控制系统必须完成的功能。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作, 并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理
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走信息路 读北邮书 第十三页，共四十八页。
走信息路 读北邮书 第十一页，共四十八页。
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3 控制方法特征
计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信号，因而 (yīn ér)计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不同，需采 用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两种：模拟调节 规律离散化设计法，直接设计法。
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5 计算机控制系统的工作原理
计算机控制过程可归结为如下四个步骤：
⑴实时数据采集：对来自(lái zì)测量变送装置的被控量的瞬时值进行 检测并输入。
⑵实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已 定的控制规律，决定将要采取的控制行为。
计算机控制系统由硬件和软件两个基本部分组成。硬件指计算 机本身及其外部设备，软件指管理计算机的程序及生产过程应用程 序。只有软件和硬件有机的结合，计算机控制系统才能正常运行。 计算机控制系统的构成如图1.2所示。
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给定值 ＋ －
控制器
微型机
被控量
D/A
⑶实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控制信号，完 成控制任务。
⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计 算机控制系统必须完成的功能。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作, 并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理
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3 控制方法特征
计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信号，因而 (yīn ér)计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不同，需采 用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两种：模拟调节 规律离散化设计法，直接设计法。
计算机控制系统 第2版 李正军 第4章
〔2〕泄漏电流：如果信号源内阻很大，传输的是个电流 量，此时就更要考虑多路开关的泄漏电流，一般希望泄漏 电流越小越好。
〔3〕切换速度：对于需传输快速变化信号的场合，就要 求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采保和 A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的 切换速度。
〔4〕开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零， 而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法到达这个要 求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为 低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。
=常量〔T〕(k0,1,2, 〕。T为采样周期。
多阶采样：在这种形式下，(tk+r tk ) 是周期性重复，即
tk+r tk =常量r， 1 。
随机采样：采样周期是随机的，不固定的，可在任意时刻 进行采样。
模拟信号采样或离散化的示意图如图4-2所示。
x(t)
x* (t)
0 a）模拟信号
D7
D6
D5
未用为0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
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1
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1
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1
〔3〕切换速度：对于需传输快速变化信号的场合，就要 求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采保和 A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的 切换速度。
〔4〕开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零， 而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法到达这个要 求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为 低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。
=常量〔T〕(k0,1,2, 〕。T为采样周期。
多阶采样：在这种形式下，(tk+r tk ) 是周期性重复，即
tk+r tk =常量r， 1 。
随机采样：采样周期是随机的，不固定的，可在任意时刻 进行采样。
模拟信号采样或离散化的示意图如图4-2所示。
x(t)
x* (t)
0 a）模拟信号
D7
D6
D5
未用为0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
第2章计算机控制系统理论基础PPT课件
6、初值定理
f(0)lim F(z) z
注意：初值定理给定了初值的求法；
7、终值定理
limf(t)lim (1z1)F(z)
t
z 1
注意：终值定理是研究离散系统稳态误差的重要工具。
24
例4 已知 F(z)11.2z1 10.2，z2求终值f(∞)。
解
f( )li(1 m z 1)
1
z 1
1 1 .2 z 1 0 .2 z 2
2 f ( k ) f ( k ) f ( k 1 ) f ( k ) f ( k 1 ) f ( k )
f ( k 2 ) f ( k 1 ) f ( k 1 ) f ( k )
f( k 2 ) 2 f( k 1 ) f( k )
n阶前向差分 n f(K ) n 1 f(k 1 ) n 1 f(k 3) 2
故 ： F(z) (1(0.5k)zk k0
所 以 ： f(k T ) 1 0 .5 k k 0 ,1 ,
t
f(t) (10.5T)(tkT)
h0
28
2、留数法
根据洛朗展开系数和留数的关系可知：
f( k T ) F ( z ) z k 1 在 各 极 点 的 留 数
例7
已知
F(z)
G h (j) 1 e j j T e j 2 T (e j 2 jT e j 2 T ) T siT T /n 2 /2 )( e j 2 T
f(0)lim F(z) z
注意：初值定理给定了初值的求法；
7、终值定理
limf(t)lim (1z1)F(z)
t
z 1
注意：终值定理是研究离散系统稳态误差的重要工具。
24
例4 已知 F(z)11.2z1 10.2，z2求终值f(∞)。
解
f( )li(1 m z 1)
1
z 1
1 1 .2 z 1 0 .2 z 2
2 f ( k ) f ( k ) f ( k 1 ) f ( k ) f ( k 1 ) f ( k )
f ( k 2 ) f ( k 1 ) f ( k 1 ) f ( k )
f( k 2 ) 2 f( k 1 ) f( k )
n阶前向差分 n f(K ) n 1 f(k 1 ) n 1 f(k 3) 2
故 ： F(z) (1(0.5k)zk k0
所 以 ： f(k T ) 1 0 .5 k k 0 ,1 ,
t
f(t) (10.5T)(tkT)
h0
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2、留数法
根据洛朗展开系数和留数的关系可知：
f( k T ) F ( z ) z k 1 在 各 极 点 的 留 数
例7
已知
F(z)
G h (j) 1 e j j T e j 2 T (e j 2 jT e j 2 T ) T siT T /n 2 /2 )( e j 2 T
计算机控制系统概述
多。目前，计算机控制系统主要向智能化、网络化。集成
化反面发展。
第十章 计算机控制系统概述
1.智能化 人工智能技术的出现和发展使自动控制向高层次的智能控制 发展变为可能。智能控制是用计算机模拟人类的智能，无 需人的干预就能够自主地驱动智能机器并实现其目标的过 程。几年来，学习控制、模糊控制、人工智能网络等智能 控制方法为智能化自动控制的发展提供了理论基础。 2.网络化 以现场总线等先进网络通信技术为基础的现场总线控制系统 越来越受到人们的青睐，将成为今后微型计算机控制系统 发展的主要方向，并最终取代传统的分布式控制系统。 3.集成化 基于制造技术、信息技术、管理技术、自动化技术、系统工 程技术的计算机集成制造技术是多种技术的综合与信息的 集成，这种综合自动化系统是信息时代企业自动化发展的 总方向，有非常广阔的应用前景。
第十章 计算机控制系统概述
目录
10.1 计算机控制系统组成 10.2 计算机控制系统特点 10.3计算机控制系统的优点 10.4计算机控制系统的典型形式 10.5计算机控制系统的发展方式
第十章 计算机控制系统概述
随着科学技术的进步，人们越来越多地利用计算机来实现控 制系统，近几年来，计算机技术，自动控制技术，检测与 传感技术，CRT显示技术，通信与网络技术等给计算机控 制技术带来了巨大的变革。人们利用这种技术可以完成常 规控制技术无法完成的任务，达到常规控制技术无法达到 的性能指标。随着计算机技术，高级控制策略，现场总线 智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大 大提高。采用计算机对系统进行控制，不仅在工业、交通、 农业、军事等部门得到了广泛应用，而且在经济管理等领 域得到应用。与常规模拟控制系统相比，计算机控制系统 具有许多的有点。计算机参与控制，对控制系统的性能、 系统的结构以及控制理论等多方面都产生了极为深刻的影 响。
5.2计算机控制系统概述-1个小时
从模拟控制系统发展到计算机控制系统，控制器结构、控 制器中的信号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、 控制系统的组成观念均发生了重大变化。计算机控制系统在系 统结构方面有自己独特的内容；在功能配置方面呈现出模拟控 制系统无可比拟的优势。
将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现， 就可构成典型的计算机控制系统，系统框图如图1.1所示。
3 控制方法特征
计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信号， 因而计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不同， 需采用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两种： 模拟调节规律离散化设计法，直接设计法。
4 功能特征
⑴以软件代替硬件 ⑵数据存储 ⑶状态、数据显示 ⑷管理功能
5 计算机控制系统的工作原理
1.2.1
操作指导控制系统
操作指导控制系统（Operational Information System——OIS） 指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程 参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些 数据进行必要的操作。(离散 PID控制算法最常用)
1.2.2
直接数字控制系统
4 检测元件与执行机构
传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变为电学 量，变送器的作用是将传感器得到的电信号转换成适合于 计算机接口使用的电信号（如0—10mA DC）。 此外，为了控制生产过程，还必须有执行机构。常用的执 行机构有电动、液动、气动调节阀、开关，交、直流电动 机，步进电动机等。
将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现， 就可构成典型的计算机控制系统，系统框图如图1.1所示。
3 控制方法特征
计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信号， 因而计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不同， 需采用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两种： 模拟调节规律离散化设计法，直接设计法。
4 功能特征
⑴以软件代替硬件 ⑵数据存储 ⑶状态、数据显示 ⑷管理功能
5 计算机控制系统的工作原理
1.2.1
操作指导控制系统
操作指导控制系统（Operational Information System——OIS） 指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程 参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些 数据进行必要的操作。(离散 PID控制算法最常用)
1.2.2
直接数字控制系统
4 检测元件与执行机构
传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变为电学 量，变送器的作用是将传感器得到的电信号转换成适合于 计算机接口使用的电信号（如0—10mA DC）。 此外，为了控制生产过程，还必须有执行机构。常用的执 行机构有电动、液动、气动调节阀、开关，交、直流电动 机，步进电动机等。
计算机控制系统概述
主要内容：
计算机控制系统特征和组成
计算机控制系统的分类
计算机控制系统的发展概况及发展趋势
计算机控制技术
计算机控制技术
1.1
计算机控制系统特征与组成
模拟自动控制系统
设定量
控制器 (模拟调节器)
+
—
反 馈 量
执行 机构
被控 对象
被 控 量
检测装置
计算机控制技术
计算机控制技术
典型的计算机控制系统：将模拟自动控制系统中的控制器的 功能用计算机来实现
计算机控制技术
计算机控制技术
⒊控制方法特征 常用的设计方法有两种： 模拟调节规律离散化设计法
是采用连续系统的分析和设计方法，先设计出连续的控制器，再将它离 散化转换成差分方程，最后编程实现。缺点是只有当采样周期很短时，才能 达到原设计的连续系统的性能指标。
直接设计法
是基于线性离散系统理论，直接设计数字控制器，它存在的问题是忽视 了两采样点之间系统的动态过程，可能导致在各采样点系统满足性能指标要 求，而实际系统的输入/输出特性很差。
•I/O接口I/O接口与I/O通道是主机与外部连接的桥梁
I/O接口是主机与外围器件或设备的连接接口，有并行、串行等。 I/O通道是过程通道，通过模拟量Ｉ／Ｏ通道将生产过程参量传送给计算机 输出模拟信号控制执行机构 通过数字量Ｉ／Ｏ通道将生产过程开关量传送给计算机 输出开关信号控制执行机构
计算机控制系统特征和组成
计算机控制系统的分类
计算机控制系统的发展概况及发展趋势
计算机控制技术
计算机控制技术
1.1
计算机控制系统特征与组成
模拟自动控制系统
设定量
控制器 (模拟调节器)
+
—
反 馈 量
执行 机构
被控 对象
被 控 量
检测装置
计算机控制技术
计算机控制技术
典型的计算机控制系统：将模拟自动控制系统中的控制器的 功能用计算机来实现
计算机控制技术
计算机控制技术
⒊控制方法特征 常用的设计方法有两种： 模拟调节规律离散化设计法
是采用连续系统的分析和设计方法，先设计出连续的控制器，再将它离 散化转换成差分方程，最后编程实现。缺点是只有当采样周期很短时，才能 达到原设计的连续系统的性能指标。
直接设计法
是基于线性离散系统理论，直接设计数字控制器，它存在的问题是忽视 了两采样点之间系统的动态过程，可能导致在各采样点系统满足性能指标要 求，而实际系统的输入/输出特性很差。
•I/O接口I/O接口与I/O通道是主机与外部连接的桥梁
I/O接口是主机与外围器件或设备的连接接口，有并行、串行等。 I/O通道是过程通道，通过模拟量Ｉ／Ｏ通道将生产过程参量传送给计算机 输出模拟信号控制执行机构 通过数字量Ｉ／Ｏ通道将生产过程开关量传送给计算机 输出开关信号控制执行机构
计算机控制系统概述
信息，以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反
应或进行控制， 超出了这个时间，就失去了控制的时机， 控制也就失去了意义。为此，工控机必须配有实时时钟和完 善的中断系统。
第一章 计算机控制系统概述 (4) 较完善的输入输出通道：为了对生产装置和生产过程 进行控制，计算机要经常不断地与被控制的工业对象交换信息。
在计算机控制系统中，由于计算机的输入和输出信号都是数字
信号，而大部分被控对象的被控参数和控制量都是模拟信号， 因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号 的A／D转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的D／A转换 器。
第一章 计算机控制系统概述
图1-2 计算机控制系统基本框图
第一章 计算机控制系统概述
将有专门章节叙述。
输入输出通道与工业对象通过各种仪表发生联系。自动化
仪表则包括测量元件、 检测仪表、 显示仪表、 调节仪表、 执
行机构等。
第一章 计算机控制系统概述 4. 操作台——人机接口 操作台是操作人员用来与微型机控制系统进行“对话”的， 其基本功能如下： (1) 有显示装置， 如显示屏幕或荧光数码显示器， 以显
简称SCC，系统结构图如图1-6 所示。
图1-6 监督计算机控制系统结构图
第一章 计算机控制系统概述 SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微机 完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机则根据生产过程的 工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化给定
计算机控制系统
1.DDC系统的体系结构：1硬件结构分为主机单元，输入输出单元和人机接口单元，结构方式有模版式
和模块式，安装方式有盒式台式柜式。软件结构分为系统软件，控制运算软件，输入输出软件，人机接口软件和监控组态软件。3网络结构分为I/O总线和通信网络。
2.DDC系统类型及发展：从单板机，STO总线模版机，PC总线工业控制机发展到工业PC机，即PCI总线
和CompactPCI总线工业控制机。
3.PID算法的改进措施：积分项的改进，积分作用是消除残差，提高控制性能，包括积分分离，抗积分饱
和，梯形积分和消除积分不敏感区。2微分项的改进，尽量减少数据误差和噪声，以消除不必要的扰动。包括偏差平均和测量值微分。3变PID控制，对被控对象的自平衡能力，可以分段采用P,PI控制，其优点是减少超调，缩短调节时间，包括设定值改变的变PID控制和负荷改变的变PID控制
4.无扰动切换：指在进行PID控制方式切换之前，例如从手动或者自动或者自动到手动的切换，无需人
工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，保证切换无扰动。1，手动自动aPID控制块处于手动方式，尽管不进行PID计算，但在每个控制周期应使设定值跟踪被控量，同时要使PID差分算式中的历史数据E（n-1），E（n-2）,Ud(n-1)等清零，并将输出控制量赋给UC（n-1）b，PID控制块处于自动方式，为了实现从自动到手动的无平衡无扰动切换，在自动方式下，每个控制周期应将COV值赋给MOV 2输出跟踪a手动操作器处于手动HM工作状态PID控制块处于输出跟踪YT 状态，为了实现从输出跟踪到正常工作NT状态的无扰动切换，在每个控制周期应使设定值跟踪被控量，同时要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)..等清零，还要将OTV值赋给UC（n-1）3,输出安全当PID 控制块处于输出安全YS状态时，在每个控制周期应使设定值跟踪被控量，同时要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)..等清零，还要将输出安全值SOV赋给UC（n-1）4，输出保持当PID控制器处于输出保持状态，副条极限保持状态和PV坏保持PBH状态时，在每个周期应使设定值跟踪被控量，清零，还要使UC（n-1）保持不变5，回算输出和回算输入后级功能块的回算输出端和前级功能块的回算输入端连接，向前级功能块传送有关参数，是这2个功能块相互匹配，从而保证功能块工作方式的无扰动切换
计算机控制系统
信号变换 与分析
系统建模
系统性能 分析
系统工程 实现
数字控制 器设计
1.4 本课程的讲授思路
信号变换 与分析
计算机闭环控制系统中的信号经历了从连续到离散、再 从离散到连续的过程，信号在这一过程中由于信息的丢 失（指采样点之间的信息丢失）导致了信号的时域和频 域特性发生了变化（一般是向不利的方向发展），因此
（1） 信号变换与分析
计算机控制系统是模拟部件和数字部件共存的混合系统， 系统中除有连续（模拟）信号外，还有离散模拟信号、 数字信号等，是一种混合信号系统。因此，在计算机控 制系统中，信号变换在所难免。信号的变换具有怎样的 特性，这些特性对系统性能有哪些影响等等，这些问题 成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问题， 也是计算机控制系统分析和设计的基础。
程化实现，以及系统的抗干扰与可靠性技术等。
· 教学单元1结束·
统都必须能稳定地工作，并满足规定的稳态和动态 性能指标，所谓性能分析就是确认系统具有怎样的 性能。
本课程将在教学模块Байду номын сангаас中讲述计算机控制系统的数学
描述和性能分析问题。
（3） 控制器设计
在实际工程设计时，数字控制器有两种经典的设计方 法，即模拟化设计方法和直接设计方法。所谓模拟化 设计方法就是在一定条件下，将计算机控制系统近似
种是在离散域内进行的设计方法。
【第二版】计算机控制系统(康波 李云霞)第2章
零阶保持器允许采样信号的高频分量通过 ，不过它的幅值是逐渐衰减的。
相频特性：零阶保持器是一个相位滞后环
节，相位滞后的大小与信号频率及采样周
期T成正比。
为降低高频噪声的影响，在零阶保 持器后，加入模拟低通滤波器，滤 除不必要的高频 分量，称为后置 滤波器。该滤波器对波形起平滑作 用，也称平滑滤波器。
零阶保持器的时域表达 时域方程： 数学表达式：
零阶保持器的频域表达
传递函数： 频率特性：
Gh
(s)
1
eTs s
幅频特性： 相频特性：
频率特性图分析
理想滤波器的截止频率为c=s /2，在≤c 时，采样信号无失真地通过，在>c时锐
截止；而零阶保持器有无限多个截止频率
c＝ns(n＝1，2，…)，在0s内，幅值随 增加而衰减。
1
1
δ(t-t0)
0
t
0 Δt t
(t
)
0
(t)dt
1
t0 t0
延迟t0
0
t
0 t0 t
用长度为1的箭头表示
(t
t0
)
0
t t0 t t0
(t t0 )dt
相频特性：零阶保持器是一个相位滞后环
节，相位滞后的大小与信号频率及采样周
期T成正比。
为降低高频噪声的影响，在零阶保 持器后，加入模拟低通滤波器，滤 除不必要的高频 分量，称为后置 滤波器。该滤波器对波形起平滑作 用，也称平滑滤波器。
零阶保持器的时域表达 时域方程： 数学表达式：
零阶保持器的频域表达
传递函数： 频率特性：
Gh
(s)
1
eTs s
幅频特性： 相频特性：
频率特性图分析
理想滤波器的截止频率为c=s /2，在≤c 时，采样信号无失真地通过，在>c时锐
截止；而零阶保持器有无限多个截止频率
c＝ns(n＝1，2，…)，在0s内，幅值随 增加而衰减。
1
1
δ(t-t0)
0
t
0 Δt t
(t
)
0
(t)dt
1
t0 t0
延迟t0
0
t
0 t0 t
用长度为1的箭头表示
(t
t0
)
0
t t0 t t0
(t t0 )dt
控制技术基础_项目五_过程控制系统_任务二
模拟量输入通道——采样保持电路
Usr
K
R C
－ ＋
Usc
采样/保持指令
采样/保持电路有两种工作方式：先处于跟踪方式 （采样方式），然后是保持方式。
过 程 参 数 变 送 器 信 号 处 理 器 多 路 开 关 信 号 放 大 器 采 样 保 持 器 A/D 转 换 器 接口 及 逻辑 控制 电路
. . .
. . .
PC
总 线
模拟量输入通道
模拟量输入通道——多路开关
INH 6 16 9 C B 10 A 11
VDD ＋15V
电平转换电路
GND
t
(b) X(nT)
001001 001011 001110 001101 001010 001001 001000 000111 000111 000111 001000
0
T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T
9T 10T 11T
t
(c) 图2 1 采样前后信号波形的变化 模拟信号 b 离散模拟售号 (c)数字信号
模拟量输入通道 AI（Analog Input）
模拟量输入通道用于输入如 温度（T）、压力（P）、流 量（Q）、液位（H）、成份 等模拟量信号
输入设备
数字量输入通道 DI（Digital Input）
数字量输入通道用于输入开 关量/数字量
计算机控制系统中的信号类型
计算机控制系统中的信号类型
连续模拟信号:时间和信号的幅值都是连续的。
阶梯模拟信号:时间是连续的，信号的幅值是阶梯形的。
采样信号:时间是离散的，信号的幅值是连续的脉冲信号。
数字信号:信号的时间以及幅值都是离散的，且幅值经过了量化处理。
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FCS（Fieldbus Control System）
于20世纪90年代兴起，将网络通信与管理的观念引 入工业控制领域，改变了传统的信息传送方式。 是DCS的更新换代产品。
特点
数字化的信息传输
• DCS（Distributed Control Systems）中，底层到控制站之 间用4—20mA电流传送信息
专门为工业现场而设计的计算机，也叫“工控机”、 “产业电脑”或“工业电脑”
技术特点
采用全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力 采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块 皆使用插板式结构，可视需要选配I/O模板 机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网 配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护 吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应 用软件 可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行
特征
系统内核小、专用性强、系统精简、实时操作系统、 需要专门的开发工具和开发环境
嵌入式系统（EMS）
嵌入式微处理器特点
对实时多任务有很强的支持能力 具有很强的存储区保护功能 可扩展的处理器结构 功耗低
嵌入式计算机分类
嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式DSP处理器 嵌入式片上系统
嵌入式系统（EMS）
工业PC机
工业PC机
工业PC与一般PC机比较
计算机控制系统的发展趋势
大力推广应用成熟的先进技术
普及应用可编程控制器 广泛使用智能化调节器 采用新型的 DCS 和 FCS FPGA将成为微型计算机控制技术的新宠
大力研究和发展智能控制系统
分级递阶智能控制系统——可用于自主控制 模糊控制系统——隶属函数、模糊关系 专家控制系统——专家经验的获取、知识表示 学习控制系统——辨识、自组织
嵌入式系统（EMS）
嵌入式系统（EMS）
嵌入式DSP处理器
适用于执行DSP算法的处理器
对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执 行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高 数字滤波、FFT、谱分析等 DSP 算法正大量进入嵌入 式领域
嵌入式片上系统
通用处理器内核将作为标准器件，用VHDL语言描述， 存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统， 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。 系统PCB简洁，功耗小，体积小，可靠性高
计算机控制技术
第2讲 计算机控制系统概述（二） 控制系统信号类型
计算机控制系统的分类（续）
嵌入式系统（EMS）
定义和组成
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
单片机特点
集成度高，功能强 结构合理——哈佛结构（相对于冯诺依曼结构） 抗干扰能力强 指令丰富 低功耗
可编程控制器（PLC）
PLC
是继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的 产物 主控制器：微处理器 存储器和I/O接口：大规模集成电路
特点
可靠性高 编程容易 输入／输出功能模块齐全 安装方便 运行速度快
嵌入式系统（EMS）
现场总线控制系统（FCS）
控制器与现场的输入输出器件之间采用一对一的 I/O 接线方 法，传递4-20mA（模拟量）或 24VDC（开关量）信号。
现场总线控制系统（FCS）
主要特征是采用数字式通信方式取代现场的420mA/24VDC信号，使用一根电缆连接所有设备
现场总线控制系统（FCS）
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的 具有32位以上的处理器，具有较高的性能 去除通用CPU冗余功能部分，以最低的功耗和资源实 现应用要求 典型芯片：ARM
嵌入式微控制器
典型代表——单片机 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单 片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。
信号类型多种多样
系统工作方式
同一计算机Байду номын сангаас以同时控制多个回路
计算机控制系统的优点
易实现复杂控制规律
计算机控制系统的性价比高
适应性强、灵活性高
系统测量灵敏度高
控制与管理容易结合并实现层次更高的自动化 系统可靠性和容错能力高
计算机控制系统的缺点
抗干扰能力较低 信号复杂，给设计实现带来困难
计算机控制系统的发展概 况及趋势
分散的系统结构
• DCS中采用“操作站-控制站-现场仪表”的三层主从结构 • FCS中把I/O单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表， 每个仪表都含有CPU，具有测量、校正、调节、诊断等 功能
计算机控制系统的特点及优缺点
计算机控制系统的特点
系统结构
通常是由模拟部件与数字部件组成的混合系统
信号形式
计算机控制系统的发展概况及趋势
主要用于工业控制领域
根据被控对象的规模
• 数据通信要求 • 被控变量数量 微型机控制系统
单片微型计算机 可编程逻辑控制器 现场可编程门阵列 工业PC机
选用方法
根据控制算法的复杂程度
• 回路多少 • 计算复杂度
单片微型计算机
微型计算机
单片机 多片机——普通PC、工控机…
可编程控制器（PLC）
可编程控制器
Programmable Controller
可编程逻辑控制器
Programmable Logic Controller
工作过程
现场可编程门阵列
Field Programmable Gate Array，FPGA
工业PC机
Industrial Personal Computer，IPC
计算机控制系统的发展趋势
应该了解的几种先进控制方法
• • • • 模糊控制 神经网络控制 自适应控制 鲁棒控制
单片机的应用将更加深入
单片机的功能将更加完善 单片机的应用将深入到更多领域
于20世纪90年代兴起，将网络通信与管理的观念引 入工业控制领域，改变了传统的信息传送方式。 是DCS的更新换代产品。
特点
数字化的信息传输
• DCS（Distributed Control Systems）中，底层到控制站之 间用4—20mA电流传送信息
专门为工业现场而设计的计算机，也叫“工控机”、 “产业电脑”或“工业电脑”
技术特点
采用全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力 采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块 皆使用插板式结构，可视需要选配I/O模板 机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网 配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护 吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应 用软件 可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行
特征
系统内核小、专用性强、系统精简、实时操作系统、 需要专门的开发工具和开发环境
嵌入式系统（EMS）
嵌入式微处理器特点
对实时多任务有很强的支持能力 具有很强的存储区保护功能 可扩展的处理器结构 功耗低
嵌入式计算机分类
嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式DSP处理器 嵌入式片上系统
嵌入式系统（EMS）
工业PC机
工业PC机
工业PC与一般PC机比较
计算机控制系统的发展趋势
大力推广应用成熟的先进技术
普及应用可编程控制器 广泛使用智能化调节器 采用新型的 DCS 和 FCS FPGA将成为微型计算机控制技术的新宠
大力研究和发展智能控制系统
分级递阶智能控制系统——可用于自主控制 模糊控制系统——隶属函数、模糊关系 专家控制系统——专家经验的获取、知识表示 学习控制系统——辨识、自组织
嵌入式系统（EMS）
嵌入式系统（EMS）
嵌入式DSP处理器
适用于执行DSP算法的处理器
对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执 行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高 数字滤波、FFT、谱分析等 DSP 算法正大量进入嵌入 式领域
嵌入式片上系统
通用处理器内核将作为标准器件，用VHDL语言描述， 存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统， 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。 系统PCB简洁，功耗小，体积小，可靠性高
计算机控制技术
第2讲 计算机控制系统概述（二） 控制系统信号类型
计算机控制系统的分类（续）
嵌入式系统（EMS）
定义和组成
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
单片机特点
集成度高，功能强 结构合理——哈佛结构（相对于冯诺依曼结构） 抗干扰能力强 指令丰富 低功耗
可编程控制器（PLC）
PLC
是继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的 产物 主控制器：微处理器 存储器和I/O接口：大规模集成电路
特点
可靠性高 编程容易 输入／输出功能模块齐全 安装方便 运行速度快
嵌入式系统（EMS）
现场总线控制系统（FCS）
控制器与现场的输入输出器件之间采用一对一的 I/O 接线方 法，传递4-20mA（模拟量）或 24VDC（开关量）信号。
现场总线控制系统（FCS）
主要特征是采用数字式通信方式取代现场的420mA/24VDC信号，使用一根电缆连接所有设备
现场总线控制系统（FCS）
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的 具有32位以上的处理器，具有较高的性能 去除通用CPU冗余功能部分，以最低的功耗和资源实 现应用要求 典型芯片：ARM
嵌入式微控制器
典型代表——单片机 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单 片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。
信号类型多种多样
系统工作方式
同一计算机Байду номын сангаас以同时控制多个回路
计算机控制系统的优点
易实现复杂控制规律
计算机控制系统的性价比高
适应性强、灵活性高
系统测量灵敏度高
控制与管理容易结合并实现层次更高的自动化 系统可靠性和容错能力高
计算机控制系统的缺点
抗干扰能力较低 信号复杂，给设计实现带来困难
计算机控制系统的发展概 况及趋势
分散的系统结构
• DCS中采用“操作站-控制站-现场仪表”的三层主从结构 • FCS中把I/O单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表， 每个仪表都含有CPU，具有测量、校正、调节、诊断等 功能
计算机控制系统的特点及优缺点
计算机控制系统的特点
系统结构
通常是由模拟部件与数字部件组成的混合系统
信号形式
计算机控制系统的发展概况及趋势
主要用于工业控制领域
根据被控对象的规模
• 数据通信要求 • 被控变量数量 微型机控制系统
单片微型计算机 可编程逻辑控制器 现场可编程门阵列 工业PC机
选用方法
根据控制算法的复杂程度
• 回路多少 • 计算复杂度
单片微型计算机
微型计算机
单片机 多片机——普通PC、工控机…
可编程控制器（PLC）
可编程控制器
Programmable Controller
可编程逻辑控制器
Programmable Logic Controller
工作过程
现场可编程门阵列
Field Programmable Gate Array，FPGA
工业PC机
Industrial Personal Computer，IPC
计算机控制系统的发展趋势
应该了解的几种先进控制方法
• • • • 模糊控制 神经网络控制 自适应控制 鲁棒控制
单片机的应用将更加深入
单片机的功能将更加完善 单片机的应用将深入到更多领域