计算机控制系统复习总结

计算机控制系统复习总结
计算机控制系统复习总结
李元春王德军于在河高巍
第一章绪论
一、计算机控制过程的步骤：
1、实时数据采集及处理：即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输入计算机进行处理;
2、实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。

二、什么是在线方式，什么是离线方式
1、计算机直接与生产过程连接，并直接受计算机控制的方式；
2、生产过程不直接与计算机相连，并不计算机控制
三、实时：
是指信号的输入、计算和输出都要在一定时间（采样时间）内完成。

四、计算机控制系统的类型
1、操作指导控制系统：
操作指导计算机是指计算机的输出不直接控制被控对象，只是每隔一段时间，计算机进行一次数据采集，将系统的一些参数经A/D转换器转入计算机后进行计算及处理，然后进行报警、显示、打印。

2、直接数字控制系统
计算机通过检测元件对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经过输入通道将检测数据送入计算机。

计算机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

3、监督计算机控制系统
由计算机按着描述产生过程的数学模型，计算出最佳给定值送入模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC 计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳状态。

两种不同结构：一种是SCC加模拟调节器的控制系统，另一种是SCC加DDC的控制系统。

4、分级计算机控制系统
第二章计算机控制系统设计的硬件基础
一、四个通道及其作用
开关量输入通道：使用计算机控制系统通过开关量输入通道获取系统的运行状态或设定信息
开关量输出通道：通过计算机开关输出通道实现控制执行机构的开/关或启/停和一些控制算法需要控制执行机构在一定时间T内全负荷工作一段时间t（0≤t≤T）
模拟量输入通道：生产过程中随时间连续变化的物理量（如温度、压力、流量、液位等）由传感器检测并转换为模拟量的电信号通过模拟输入通道输入计算机系统，最终经A/D转换器转换为数字量，由计算机处理。

模拟量输出通道：在计算机控制系统中，有些被控对象或执行机构需要模拟量输入，则通过模拟量输出通道把计算机计算好的数字控制量转换为模拟量输出。

二、光电耦合器的作用及原理
1、作用：实现电气隔离
2、原理：采用光作为输入信号的媒介，实现电气隔离
三、信号调理电路
在模拟量输入传感器和AD转换传感器之间加信号调理电路才能将信号送到AD转换器。

四、香农采样定理
如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为ω，则对f(t)进行周期采样且采样角频率ω≥ω时，连续信号f(t)可以由信号采样(t)唯一确定，亦即可以从(t)无失真地恢复f(t)。

五、信号重构
采样保持器并不是一定要加的
此处的临界保持器是通过硬件实现的，实现硬件的重构。

作用：1、低通滤波：滤去高频留下低频；
2、将离散模拟信号转换成连续信号，实现采样点
间差值问题。

第三章计算机控制系统的数学基础
脉冲传递函数的定义：零初始条件下，系统式环节的输出
采样函数Z变换和输入采样函数Z变化之比。

第四章计算机控制系统特性
第五章计算机系统控制的间接设计法
一、计算机控制系统设计方法
1、直接设计法（离散化设计方法）
2、间接设计法（模拟化设计方法）
二、模拟控制器的六种离散化方法
差分法：前向差分法、后向差分法、双线性变化法
Z变化法：脉冲响应不变法、阶跃响应不变法、零极点匹配映射法
三、数字PID控制器的设计（P、I、D的作用及对系统性能的影响）
1、比例调节器（P）u(t)=
①作用：P对偏差及时反应的，偏差一旦出现，P立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数；
②对系统性能的影响：对于系统响应为有限值的控制对象存在静差，加大可以减小静差，但过大时，会使系统的动态特性变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。

2、积分调节器（I）u(t)=[+∫]
①作用:在P的基础上加入I，可以消除P产生的残余静差。

I具有积累成分，只要偏差e不为零，它将通过积累作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零；
②对系统性能的影响：增大将减缓消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性，引入I的代价是降低系统的快速性。

3、微分调节器（D）
①作用:加快控制过程
②对系统性能的影响：有助于减小超调。

克服振荡，使系统趋于稳定。

但系统对干扰的抑制能力减弱，对扰动有敏感的响应，过大会使系统的稳定性变差。

四、增量型控制算式具有以下优点：
①计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；
②在i时刻的输出此时刻的偏差，以及前一时刻、前两时刻的偏差、和前一时刻的输出值，这大大的节约了内存和计算时间；
③在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑的过渡。

五、标准PID算法中存在什么问题：
积分项控制作用过大将出现积分饱和，增量型PID控制算法中微分项和比例控制作用过大将出现比例或微分饱和，这些都会使执行机构进入非线性区，从而使系统出现过大的超调或持续震荡，动态品质变坏。

主要针对哪几项进行改进
1、什么是积分饱和与积分饱和效应
①积分饱和：如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，
②积分饱和效应：
2、抑制积分饱和的两种方法
1.积分分离法
2.变速积分
3.超限削弱积分法
4.有效偏差法
5.抗积分饱和积分分离法
五、为什么采用不完全微分PID的算法
1、微分作用容易引起微分干扰；
2、微分作用只作用在第一周期，不能按照偏差调节趋势在整个周
期起作用；
3、微分作用在第一采样周期过强，短时间内易产生较大控制量，超过执行机构开度，易引起积分饱和。

第六章计算机系统控制的直接设计法
一、直接设计方法的设计步骤、优点
1、设计步骤：
①根据已知的被控对象，针对控制系统的性能指标要求及
其它约束条件，确定理想的脉冲传递函数φ
②确定数字控制器的脉冲传递函数D(Z)= φ
φφ
③根据D(z)编制控制算法程序
2、优点：
①采样周期的选取只取决于被控对象本身，而与系统的设计方法无关，因此，不需要采样周期必须足够小的限制；
②可以考虑采样点之间的性能。

因此，可以保证系统的时域控制指标，采样周期的选择也较为灵活。

③直接设计法是根据给定的性能指标直接得到Z域的数字控制器，控制规律及算法可以针对不同的控制对象的具体特征来确定。

因此，可以得到比相应的相应的连续系统更好的性能。

二、最小拍控制：
1、定义：最小拍控制系统是指系统在典型输入信号（如单位阶跃输入信号、单位速度输入信号、单位加速度输入信号等）作用下，经过最小拍（有限拍），使系统输出的稳定误差为零，实质上是时间最优控制系统。

2、最小拍控制缺点：
①对不同输入信号类型适应性差
②对参数的变化过于敏感
③在采样点之间有纹波
④控制作用容易超出线性范围
三、大林算法
①振铃现象：数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。

②如何抑制、消除振铃现象：
a、先找出D(Z)中引起振铃现象的因子（Z=-1附近的极点）然而后其中的Z=1，根据中值定理，这样处理不影响输出量的稳态值；
b、从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T 及系统闭环时间常数T c，使数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。

第八章计算机控制系统的设计步骤
计算机控制系统的设计原则：
1、安全、可靠；
2、操作简单、维修方便；
3、实时性强；
4、通用性强、灵活性高；
5、经济效益高。