数字技术控制概论
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开环控制与闭环控制各有优缺点，应对其优缺点有所了解。本课主要讨 论和研究闭环控制系统。
复合控制 ？
反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生 影响之后才能做出相应的控制。尤其当控制对象具有较大延迟 时间时，反馈控制不能及时地影响输出的变化，会影响系统输 出的平稳性。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在 偏差即将产生之前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结 合起来，构成复合控制，可以有效提高系统的控制精度。
➢
引言
➢ 1.1 计算机控制系统组成
➢ 1.2 计算机控制系统分类
➢ 1.3 计算机控制装置种类
➢
本章小结
➢
思考题
h
22
引言
计算机控制技术--是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的 一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控 制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一 个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要 的实现手段。本课程立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普 通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。 下图为一个制药车间的自动化生产流程。
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1
开课目的和任务
本课程是自动化专业的专业主干课程之一。 自动控制理论，计算机硬件技术基础，现代控制
理论，运动控制系统，过程控制系统。
h
2
自动控制
在无人直接参与的情况下， 利用控制装置，使工作机械、或 生产过程（被控对象）的某一个 物理量（被控量）按预定的规律 （给定量）运行。
h
ห้องสมุดไป่ตู้
3
自动控制理论发展简史
其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希 望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。
这是一个按干扰补偿的复合控制系统。
h
16
控制系统的组成 (1)
被控对象
控制系统
控制装置
h
测量元件 比较元件
放大元件 执行机构 校正装置 给定元件
17
控制系统的组成 (2)
h
18
控制系统的分类
1. 按给定信号的形式
h
9
例 1 炉温控制系统
h
10
炉温控制系统方框图
炉温控制系统方框图
h
11
方框图中各符号的意义
方框（块）图 中的符号
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 表示负反馈
h
12
例 2 函数记录仪
h
13
函数记录仪方框图
h
14
?
水温调节系统
水温调节系统工作原理?图
h
15
工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在 温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽 阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为 零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通 过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷 水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。
开课目的和任务
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正 是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。
它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工 业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
目的在于使学生了解和掌握以微机为核心组成的控制系 统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。
（2）开环控制系统
r
给定值
控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
(b) 开环控制系统
开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被控
对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执 行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向 的。开环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间 的偏差，其控制性能不如闭环系统。
★闭环控制系统：不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统 内部的变化，只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除 偏差。因此，闭环控制抑制干扰能力强，与开环控制相比，系统对参数 变化不敏感，可以选用不太精密的元件构成较为精密的控制系统，获得 满意的动态特性和控制精度。但是采用反馈装置需要添加元部件，造价 较高，同时也增加了系统的复杂性，如果系统的结构参数选取不适当， 控制过程可能变得很差，甚至出现振荡或发散等不稳定的情况，因此， 如何分析系统，合理选择系统的结构参数，从而获得满意的系统性能， 是自动控制理论必须研究解决的问题。
经典控制理论 ( 19世纪初 )
时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 )
线性系统
自适应控制
最优控制
鲁棒控制
最佳估计
容错控制
系统辨识
集散控制
大系统复杂系统
智能控制理论 ( 20世纪70年代 )
专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法
h
4
基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
h
5
（1）闭环控制系统
f 干扰
r+ e 给定值 _ 偏差
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
2. 准：（稳态要求） 系统响应达到稳态，
输出跟踪精度要高
3. 快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡
过程要快速
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20
第一章 计算机控制概述
本章要点
1.了解计算机控制系统的构成原理 2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。 3. 初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类
h
21
本章主要内容
开环控制系统与闭环控制系统的比较 ?
★开环控制系统：结构比较简单，成本较低。缺点是控制精度不高，抑 制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。一般用于可以不考虑外界 影响或精度要求不高的场合，如洗衣机、交通灯的控制等。
开环控制系统不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。控制系 统中产生的误差全部反映在被控参数上。与闭环控制系统相比，它的控制 性能较差。
? 2. 按系统是否满足叠加原理
3. 按系统参数是否随时间变化 4. 按信号传递的形式 5. 按输入输出变量的多少
?
恒值系统 / 随动系统 线性系统 / 非线性系统 定常系统 / 时变系统
连续系统 / 离散系统 单变量系统 / 多变量系统
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19
对控制系统的基本要求
1. 稳：（基本要求） 要求系统要稳定
复合控制 ？
反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生 影响之后才能做出相应的控制。尤其当控制对象具有较大延迟 时间时，反馈控制不能及时地影响输出的变化，会影响系统输 出的平稳性。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在 偏差即将产生之前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结 合起来，构成复合控制，可以有效提高系统的控制精度。
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引言
➢ 1.1 计算机控制系统组成
➢ 1.2 计算机控制系统分类
➢ 1.3 计算机控制装置种类
➢
本章小结
➢
思考题
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引言
计算机控制技术--是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的 一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控 制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一 个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要 的实现手段。本课程立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普 通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。 下图为一个制药车间的自动化生产流程。
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1
开课目的和任务
本课程是自动化专业的专业主干课程之一。 自动控制理论，计算机硬件技术基础，现代控制
理论，运动控制系统，过程控制系统。
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2
自动控制
在无人直接参与的情况下， 利用控制装置，使工作机械、或 生产过程（被控对象）的某一个 物理量（被控量）按预定的规律 （给定量）运行。
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ห้องสมุดไป่ตู้
3
自动控制理论发展简史
其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希 望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。
这是一个按干扰补偿的复合控制系统。
h
16
控制系统的组成 (1)
被控对象
控制系统
控制装置
h
测量元件 比较元件
放大元件 执行机构 校正装置 给定元件
17
控制系统的组成 (2)
h
18
控制系统的分类
1. 按给定信号的形式
h
9
例 1 炉温控制系统
h
10
炉温控制系统方框图
炉温控制系统方框图
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11
方框图中各符号的意义
方框（块）图 中的符号
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 表示负反馈
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12
例 2 函数记录仪
h
13
函数记录仪方框图
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水温调节系统
水温调节系统工作原理?图
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工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在 温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽 阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为 零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通 过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷 水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。
开课目的和任务
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正 是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。
它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工 业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
目的在于使学生了解和掌握以微机为核心组成的控制系 统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。
（2）开环控制系统
r
给定值
控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
(b) 开环控制系统
开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被控
对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执 行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向 的。开环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间 的偏差，其控制性能不如闭环系统。
★闭环控制系统：不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统 内部的变化，只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除 偏差。因此，闭环控制抑制干扰能力强，与开环控制相比，系统对参数 变化不敏感，可以选用不太精密的元件构成较为精密的控制系统，获得 满意的动态特性和控制精度。但是采用反馈装置需要添加元部件，造价 较高，同时也增加了系统的复杂性，如果系统的结构参数选取不适当， 控制过程可能变得很差，甚至出现振荡或发散等不稳定的情况，因此， 如何分析系统，合理选择系统的结构参数，从而获得满意的系统性能， 是自动控制理论必须研究解决的问题。
经典控制理论 ( 19世纪初 )
时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 )
线性系统
自适应控制
最优控制
鲁棒控制
最佳估计
容错控制
系统辨识
集散控制
大系统复杂系统
智能控制理论 ( 20世纪70年代 )
专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法
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基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
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（1）闭环控制系统
f 干扰
r+ e 给定值 _ 偏差
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
2. 准：（稳态要求） 系统响应达到稳态，
输出跟踪精度要高
3. 快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡
过程要快速
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第一章 计算机控制概述
本章要点
1.了解计算机控制系统的构成原理 2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。 3. 初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类
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本章主要内容
开环控制系统与闭环控制系统的比较 ?
★开环控制系统：结构比较简单，成本较低。缺点是控制精度不高，抑 制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。一般用于可以不考虑外界 影响或精度要求不高的场合，如洗衣机、交通灯的控制等。
开环控制系统不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。控制系 统中产生的误差全部反映在被控参数上。与闭环控制系统相比，它的控制 性能较差。
? 2. 按系统是否满足叠加原理
3. 按系统参数是否随时间变化 4. 按信号传递的形式 5. 按输入输出变量的多少
?
恒值系统 / 随动系统 线性系统 / 非线性系统 定常系统 / 时变系统
连续系统 / 离散系统 单变量系统 / 多变量系统
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19
对控制系统的基本要求
1. 稳：（基本要求） 要求系统要稳定