第四章计算机控制系统的控制算法(第八讲)解读
控制算法
1、自动控制技术及其应用
所谓自动控制，是指没有人直接参与的情况下，利 用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、 设备或生产过程（统称被控量）的某个工作状态或参数 （即被控量）自动地按照预定的规律运行。 如：
飞机导航
2、反馈控制原理
反馈控制是这样的一种控制过程，它能构在存 在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输 入量（也称参据量）之间的偏差，而其工作正是基 于这一偏差基础之上的，这就是反馈控制的原理。 如人取桌上书的过程（见下图）：
改写为：
u(k ) K p K I K D ek K p 2K D ek 1 K Dek 2
令三个动态参数为中间变量：
A K p K I K D B K p 2K D
则有： u(k )
C KD
Aek Bek 1 Cek 2
K
P
[ E (k ) E (k 1)] K I E (k )
（6-7）
K D [ E (k ) 2 E (k 1) E (k 2)]
式中 KP 、KD同式（6-6）。
式（7-7）差系数控制算法)
将增量型PID控制算法：
u(k ) K p (ek ek 1 ) K I ek K D (ek 2ek 1 ek 2 )
3. 比例微分调节器
微分调节器的微分方程 为：
de (t ) y TD dt
微分作用响应曲线如图所示。
PD调节器的阶跃响应曲线如图所示。
4. 比例积分微分调节器
为了进一步改善调节品质，往往把比例、积 分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。 理想的PID微分方程为：
控制算法知识点总结大全
控制算法知识点总结大全控制算法是指通过对系统进行监测和调节，以便使系统输出满足特定要求的一种算法。
控制算法应用于实际生活中的各个领域，包括工业控制、交通控制、航空航天、自动化等。
在本文中，我们将对控制算法的一些基本概念、方法和应用进行总结，希望能对读者有所帮助。
一、基本概念1. 控制系统控制系统是由一系列组成的可以实现特定控制目标的设备、结构和方法。
根据系统的不同，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统只根据输入控制信号来执行操作，而不对输出信号进行监测和反馈。
闭环控制系统通过对输出信号进行监测和反馈，来调整输入控制信号，以达到期望的输出效果。
2. 控制器控制器是控制系统中的核心部件，它接收来自传感器的监测信号，根据事先设计好的控制策略，计算出相应的控制信号，通过执行机构来调整系统的运行状态，以达到预期的目标。
3. 传感器传感器用于监测系统的状态和性能参数，并将监测到的信号转化为可处理的电信号或数字信号，从而为控制器提供所需的输入信息。
4. 执行机构执行机构是控制系统中用来执行控制信号的部件，常见的执行机构包括电动机、气缸、阀门等，它们根据控制信号的变化来实现相应的行为。
5. 控制策略控制策略是指控制系统为了实现某一目标而采取的特定手段和方法。
常见的控制策略包括比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。
6. 控制目标控制系统的控制目标是指系统需要达到的期望状态或性能要求，如稳定性、鲁棒性、灵敏性等。
二、控制算法方法1. PID控制PID控制是一种广泛应用的经典控制方法，它通过比例、积分、微分三个部分的组合，来调节控制器的输出信号。
其中比例项用于消除静态误差，积分项用于消除积分误差，微分项用于抑制振荡。
2. 模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它通过将模糊规则和模糊推理运算应用于控制系统中，以实现对非线性和复杂系统的控制。
3. 神经网络控制神经网络控制是一种基于人工神经网络的控制方法，它通过神经元之间的连接和激活函数的作用，来实现对复杂系统的自适应建模和控制。
机械设备计算机控制原理及应用教案
机械设备计算机控制原理及应用教案第一章：机械设备计算机控制概述1.1 教学目标1. 了解机械设备计算机控制的基本概念。
2. 理解机械设备计算机控制的发展历程。
3. 掌握机械设备计算机控制的应用领域。
1.2 教学内容1. 机械设备计算机控制的概念。
2. 机械设备计算机控制的发展历程。
3. 机械设备计算机控制的应用领域。
1.3 教学方法1. 讲授法：讲解机械设备计算机控制的基本概念、发展历程。
2. 案例分析法：分析机械设备计算机控制的应用领域。
1.4 教学评价1. 检查学生对机械设备计算机控制概念的理解。
2. 评估学生对机械设备计算机控制发展历程的掌握。
3. 考察学生对机械设备计算机控制应用领域的了解。
第二章：机械设备计算机控制系统的组成2.1 教学目标1. 掌握机械设备计算机控制系统的组成。
2. 理解各个组成部分的功能。
3. 学会分析机械设备计算机控制系统的结构。
2.2 教学内容1. 机械设备计算机控制系统的组成。
2. 各个组成部分的功能。
3. 机械设备计算机控制系统的结构分析。
2.3 教学方法1. 讲授法：讲解机械设备计算机控制系统的组成。
2. 互动教学法：引导学生分析各个组成部分的功能。
3. 实例分析法：分析机械设备计算机控制系统的结构。
2.4 教学评价1. 检查学生对机械设备计算机控制系统组成的掌握。
2. 评估学生对各个组成部分功能的理解。
3. 考察学生对机械设备计算机控制系统结构分析的能力。
第三章：机械设备计算机控制技术基础3.1 教学目标1. 掌握机械设备计算机控制技术的基础知识。
2. 理解模拟量和数字量的概念。
3. 学会分析机械设备计算机控制系统的输入输出信号。
3.2 教学内容1. 机械设备计算机控制技术的基础知识。
2. 模拟量和数字量的概念。
3. 机械设备计算机控制系统的输入输出信号分析。
3.3 教学方法1. 讲授法：讲解机械设备计算机控制技术的基础知识。
2. 互动教学法：引导学生理解模拟量和数字量的概念。
计算机控制技术知识点总结前4章
计算机控制技术知识点总结前4章计算机控制技术知识点总结前4章第一章：计算机控制基础知识计算机控制技术是一门研究如何将计算机应用于系统控制的学科。
在计算机控制技术的学习过程中，首先需要了解计算机控制的基础知识。
计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件包括输入设备、输出设备、中央处理器、存储器以及总线等组成。
软件主要分为系统软件和应用软件两部分。
系统软件包括操作系统和通信软件等，应用软件包括各种具体的控制算法和控制策略等。
计算机控制系统的设计流程通常包括需求分析、系统设计、硬件设计、软件设计和系统测试等步骤。
需求分析是对系统的功能需求和性能需求进行分析和确定。
系统设计是根据需求分析的结果，确定系统的总体结构和模块划分等。
硬件设计是根据系统的需求和设计要求，选择适当的硬件设备，进行电路设计和硬件平台的搭建等。
软件设计则涉及编写控制算法和策略，进行软件的开发和测试等。
系统测试是对整个系统进行功能和性能的测试和验证。
在计算机控制技术中，还需要了解一些基本的控制理论，如PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
PID控制是一种广泛应用的控制方法。
它通过对误差、误差的变化率和误差的积分进行加权组合，得到输出信号，控制被控对象达到期望值。
PID控制器具有稳定性好、调节性能好和鲁棒性强等优点。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法。
它通过定义模糊规则和模糊集合，将模糊推理应用于控制系统中。
模糊控制具有对非线性和复杂系统的适应能力强的优点。
神经网络控制是一种基于神经网络的控制方法。
它通过训练神经网络，使之具有学习和适应能力，从而实现对被控对象的控制。
神经网络控制具有对非线性系统和时变系统的建模能力强的优点。
第二章：传感器与执行器传感器是计算机控制系统中常用的输入设备，用于采集环境和系统状态信息。
常见的传感器有光敏电阻、温度传感器、压力传感器等。
传感器的选择需要根据被控对象的特性和实际应用需求进行合理选择。
执行器是计算机控制系统中常用的输出设备，用于根据控制信号实现对被控对象的控制动作。
计算机控制系统的控制算法
• 另一途径是根据数字控制器用直接程序设计法、 串联实现法等将其变为差分方程。
D(z)
b0 b1z1 b2 z2 L 1 a1z1 a2 z2 L
bn zm an zn
U (z) (a1z1 a2 z2 L an zn )U (z) (b0 b1z1 b2 z2 L bn zm )E(z)
❖
●PID算法比较简单，计算工作量小，容易实现多回路控制
●现场工程技术人员较熟悉，较易掌握，并已积累了丰富 的经验，但使用中要根据对象特性，负载情况，合理选择 控制规律以达到较佳效果。
4.2.1 PID控制规律及基本作用
❖ 1. 比例控制规律 ❖ 比例调节器的微分方程为：
u(t) Kp e(t) u0
s 2 z 1 T z 1
D(z) D(s) s 2 z1 T z1
双线性变换的特点：
(1)应用方便。可用计算机算出D(z)的系数。 (2)双线性变换不会引起高频混迭现象。 (3)如果D(s)稳定，则D(z)亦稳定。 (4)它不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
i
2) 前向差分法
z esT 0 sT L 1 sT
分代替微分，这样就可以化连续的PID控制为数字 PID控制。
t e(t)dt ≈ k Te( j) 0 j0
de(t) ≈ e(k) e(k 1)
dt
T
Tk
e(k) e(k 1)
u(k)
Kp
e(k
)
TI
e( j) TD
❖ S平面和Z平面的差分变换
❖ 根据A.本茨和M.普里斯勒的研究可知最好的 离散化方法是双线性变换法.
4. 求出与对应的差分方程
为了用计算机实现数字控制器，必须求出相应的
《计算机控制技术》课程教学大纲
计算机控制技术课程教学大纲Techno1ogyofMicrocomputercontro1学时数：40其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业或其它相关专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化类各专业的“主干专业课程”，属工程技术类课程。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识，以及基本的应用技术。
并具备独立设计计算机控制系统的能力，为今后从事工业自动化方面的工作打下一个基础。
二、课程教学的基本要求（一）熟练掌握计算机控制系统的组成与接口技术；（二）掌握和理解计算机控制系统的常用控制算法；（H）熟练掌握计算机控制系统的设计方法和实现过程；（四）了解计算机控制技术的发展趋势及前沿课题。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章微型计算机控制系统概述（4学时）基本内容：计算机控制系统的概念、组成，计算机控制系统的分类以及发展。
基本要求：1、熟悉微机控制系统的组成（硬件结构和软件组成）。
2、了解微机控制技术的发展趋势。
重点：计算机控制系统的发展概况。
难点：计算机控制系统的分类。
第二章计算机控制系统的过程通道接口技术（6学时）基本内容：数字量输入、输出通道的设计，模拟量输入通道的设计，模拟量输出通道的设计。
基本要求：1、掌握模拟量输入、输出通道的设计。
2、掌握数字量输入、输出通道的设计。
3、了解过程通道的结构形式。
能够根据控制系统要求选择输入输出通道中所用到的各种器件，掌握工作原理和使用方法。
能正确地绘制出系统的硬件电路原理图。
重点：采样/保持器、D/A转换器、A/D转换器接口设计难点：采样定理与数据采集第三章人机交互接口技术（4学时）基本内容：人机交互输入接口技术，人机交互输出接口技术。
基本要求：1、掌握常用键盘和常用1ED显示器的工作原理及接口设计方法。
2、能够根据控制系统要求正确的设计出键盘和显示器的接口电路，以及接口程序设计。
计算机控制技术课程讲义讲解课件
智能家居控制系 统
总结词
智能家居控制系统是计算机控制技术在家庭生活中的应用， 通过智能家居设备和互联网技术实现对家庭环境的智能化管 理和控制。
详细描述
智能家居控制系统利用传感器、控制器和执行器等设备，实 现对家庭照明、空调、门窗、安防等系统的智能化管理，提 高居住舒适度和便利性。常见的智能家居控制系统包括智能 音箱、智能插座和智能门锁等。
传感器
输入输出接口
根据控制信号执行相应的动作， 如电机、阀门等。
检测被控对象的参数，如温度、 压力、流量等，并将检测到的 信号转换为电信号传送给控制 器。
连接控制器与外部设备，实现 数据交换和控制信号的输出。
软件组成
控制算法
根据被控对象的数学模型和性能要求， 设计合适的控制算法，如PID控制、 模糊控制等。
交通控制系 统
总结词
交通控制系统是计算机控制技术在交通管理中的重要应用，通过信号灯、监控 设备和控制系统实现对交通流量的智能化管理和优化。
详细描述
交通控制系统利用传感器、摄像头和信号灯等设备，实现对交通流量的监测、 控制和优化，提高道路通行效率和安全性。常见的交通控制系统包括智能信号 灯控制系统、交通监控系统和交通诱导系统等。
智能家居
实现家庭设备的智能化控制，提高生活便利性和 舒适度。
交通管理
实现交通信号的智能化控制，提高交通效率和安 全性。
医疗设备
实现医疗设备的自动化控制，提高医疗效率和诊 断精度。
02
计算机控制系统组成
硬件组成
01
02
03
04
控制器
负责接收输入信号，根据程序 要求产生控制信号，驱动执行 机构。
执行机构
开环控制系统的优点是结构简单，不存在稳定性问 题，但抗干扰能力较弱。
第4章 计算机控制系统的控制算法
(2)热电偶的热电势与温度 热电偶的热电势与温度 T=a4E4+a3E3+a2E2+a1E+a0 用多段折线代替非线性函数。 用多段折线代替非线性函数。 (4—8)
计算机控制技术
2.标度变换 标度变换 (1)线性参数的标度变换 线性参数的标度变换
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
计算机控制技术
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
第4章 计算机控制系统的控制算法 章 4.1 数字滤波和数据处理 4.1.1 数字滤波 数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理。 数字滤波， 就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理。 以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。 以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。 常用的数字滤波方法： 常用的数字滤波方法： 限幅滤波法、 限幅滤波法、 中位值滤波法、 中位值滤波法、 平均值滤波法和惯性滤波法。 平均值滤波法和惯性滤波法。
Ax =
＝
Nx (A m − A0 ) + A0 Nm
205 (800—200)十200＝682(℃) 十 ＝ ℃ 255
计算机控制技术
(2)非线性参数的标度变换 非线性参数的标度变换 差压变送器信号△ 与流量 与流量Q的关系为 差压变送器信号△P与流量 的关系为 据此， 据此，可得测量流量时的标度变换式为
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
Q = K
∆P
Q x − Q0 K N x − K N 0 = Q m − Q0 K N m − K N 0
式中： 式中： Qx——被测量的流量值； 被测量的流量值； 被测量的流量值 Qm——流量仪表的上限值； 流量仪表的上限值； 流量仪表的上限值 Q0——流量仪表的下限值； 流量仪表的下限值； 流量仪表的下限值 Nx——差压变送器所测得的差压值 数字量 ； 差压变送器所测得的差压值(数字量 差压变送器所测得的差压值 数字量)； Nm——差压变送器上限所对应的数字量； 差压变送器上限所对应的数字量； 差压变送器上限所对应的数字量 N0——差压变送器下限所对应的数字量。 差压变送器下限所对应的数字量。 差压变送器下限所对应的数字量 对于流量测量仪表，一般下限为取0，此时Q 对于流量测量仪表，一般下限为取 ，此时 0＝0，N0＝0，故上式变为 ， ，
计算机控制技术：4.8 常规及复杂控制技术(八)
2．施密斯预估控制原理
（1）原理分析：对于一个单回路系统
若没有纯滞后，G（s）=GP（s）
若有纯滞后，G(s) GP (s)es ，其中τ为纯滞后时间
则，闭环传递函数的结构是
(s)
1
D (s)GP (s)es D (s)GP (s)es
2．施密斯预估控制原理
那么，我们可以得到闭环传递函数的特征方程
3．具有纯滞后补偿的数字控制器
施密斯预估器的输出可按下图的顺序计算。
从图中可知，必须先计算传递函数Gp(s)的输出m(k)后， 才能计算预估器的输出
yτ(k)=m(k)-m(k-N)。
在本模块中，学生将学习算法初步、统计、概率的基础知识。1．算法是数学及其应用的重要组成部分，是计算科学的重要基础。随着现代信息技术飞速发展，算法在科学技术、社会发展中发挥着越来越大的作用，并日益融入社会生活的许多方面，算法思想已经成为现代人应具备的一种数学素养。中学数学中的算法内容和其他内容是密切联系在一 起的，比如线性方程组的 求解、数列的求和等。具体来说，需要通过模仿、操作、探索，学习设计程序框图表达解决问题的过程，体会算法的基本思想和含义，理解算法的基本结构和基本算法语句，并了解中国古代数学中的算法。在本教科书中，首先通过实例明确了算法的含义，然后结合具体算法介绍了算法 的三种基本结构：顺序、条件和循环，以及基本的算法语句，最后集中介绍了辗转相除法 与更相减损术、秦九韶算法、排序、进位制等典型的几个算法问题，力求表现算法的思想，培养学生的算法意识。2．现代社会是信息化的社会，人们面临形形色色的问题，把问题用数量化的形式表示，是利用数学工具解决问题的基础。对于数量化表示的问题，需要收集数据、分析数据、解答问题。统计学是研究如何合理收集、整理、分析数据的学科，它可以为人们制定 决策提供依据。本教科书主要介绍最基本的获取样本数据的方法，以及几种从样本数据中提取信息的统计方法，其中包括用样本估计总体分布及数字特征和线性回归等内容。本教科书介绍的统计内容是在义务教育阶段有关抽样调查知识的基础上展开的，侧重点放在了介绍获得高质量样 本的方法、方便样本的缺点以及随机样本的简单性质上。教科书首先通过大量的日常生活 中的统计数据，通过边框的问题和探究栏目引导学生思考用样本估计总体的必要性，以及样本的代表性问题。为强化样本代表性的重要性，教科书通过一个著名的预测结果出错的案例，使学生体会抽样不是简单的从总体中取出几个个体的问题，它关系到最后的统计分析结果是否可靠。 然后，通过生动有趣的实例引进了随机样本的概念。通过实际问题情景引入系统抽样、分 层抽样方法，介绍了简单随机抽样方法。最后，通过探究的方式，引导学生总结三种随机抽样方法的优缺点。3．随机现象在日常生活中随处可见，概率是研究随机现象规律的学科，它为人们认识客观世界提供了重要的思维模式和解决问题的模型，同时为统计学的发展提供了理论基础。因此，统计与概率的基础知识已经成为一个未来公民的必备常识。在本模块中，学生将 在义务教育阶段学习统计与概率的基础上，结合具体实例，学习概率的某些基本性质和简单的概率模型，加深对随机现象的理解，能通过实验、计算器（机）模拟估计简单随机事件发生的概率。教科书首先通过具体实例给出了随机事件的定义，通过抛掷硬币的试验，观察正面朝上的次 数和比例，引出了随机事件出现的频数和频率的定义，并且利用计算机模拟掷硬币试验， 给出试验结果的统计表和直观的折线图，使学生观察到随着试验次数的增加，随机事件发生的频率稳定在某个常数附近，从而给出概率的统计定义。概率的意义是本章的重点内容。教科书从几方面解释概率的意义，并通过掷硬币和掷骰子的试验，引入古典概型，通过转盘游戏引入几何 概型。分别介绍了用计算器和计算机中的Exc el软件产生（取整数值的）随机数的方法， 以及利用随机模拟的方法估计随机事件的概率、估计圆周率的值、近似计算不规则图形的面积等。教科书首先通过具体实例给出了随机事件的定义，通过抛掷硬币的试验，观察正面朝上的次数和比例，引出了随机事件出现的频数和频率的定义，并且利用计算机模拟掷硬币试验，给出试 验结果的统计表和直观的折线图，使学生观察到随着试验次数的增加，随机事件发生的频 率稳定在某个常数附近，从而给出概率的统计定义。概率的意义是本章的重点内容。教科书从几方面解释概率的意义，并通过掷硬币和掷骰子的试验，引入古典概型，通过转盘游戏引入几何概型。分别介绍了用计算器和计算机中的Excel软件产生（取整数值的）随机数的方法，以及利用随机模拟的方法估计随机事件的概率、估计圆周率的值、近似计算不规则图形的面积等。
第四章 计算机控制系统的控制算法(第八讲).讲述
2021-04-17
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计算机控制系统
4.1 数字控制器的间接设计方法 4.2 数字PID控制算法 4.3 数字控制器的直接设计方法 4.4 纯滞后控制技术 4.5 控制算法Matlab仿真举例 4.6 小 结
即当D(s)的极点位于左半平面以(-1/T,0)为圆心，1/T
为半径的圆内，D(z)才在单位圆内，稳定。
2021-04-17
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计算机控制系统
结论：稳定的系统经前向差分法转换后可能不稳定。
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前向差分法(一阶前向差分)置换公式
u(k) e(k 1) e(k) T
Tz1U (z) E(z) z1E(z)
得D(s)离散化后的脉冲传递函数为：
2021-04-17
信息与电气工程学院
D(z)
U (z) E(z)
z 1 T
D(s)
s z1 T
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计算机控制系统
映射关系：
前向差分法(泰勒级数)置换公式
s
z
1
把 s j 代入， 取模的平方有： T
令|z|=1，则对应到s平面上是一个圆，有：
离散化设计：适于采样周期长或控制复杂的 系统。直接使用采样控制理论设计数字控制器。
2021-04-17
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计算机控制系统
数字控制理论基础
1. 计算机只能接受和处理二进制代码0和1及其组合， 这些二进制数可以表示某一物理量的大小，称之为离散量 或数字量。但实际系统中的被控量是在时间上连续的信号， 一般称之为连续量或模拟量。模拟量进行离散化并转换成 数字量后，才能由计算机处理。
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
第4章 计算机控制系统的控制算法
(1) 孔板差压与流量
用孔板测量气体或液体的流量，差压变送 器输出的孔板差压信号△P同实际流量Q之间 是平方根关系，即
Q K P
式中，K 是流量系数。 当计算机内没有开方函数时，则软件开发 者用数值分析的方法计算平方根，可采用牛 顿(Newton)迭代法。
32
(2) 热电偶的热电势与温度
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6. 一阶惯性滤波法
在模拟量输入通道等硬件电路 中，常用一阶惯性 RC 模拟滤波器 来抑制干扰，当用这种模拟方法来 实现对低频干扰的滤波时，首先遇 到的问题是要求滤波器有大的时间 常数和高精度的 RC网络。时间常数 T 越大，要求 RC 值越大，其漏电流 也随之增大，从而使RC网络的误差 增大，降低了滤波效果。
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(1) 线性参数的标度变换
线性参数：指一次仪表测量值与 A／D转换结果具有线性关系，或者 说一次仪表是线性刻度的。其标度 变换公式为
N x N0 Ax A0 ( Am A0 ) Nm N0
A0 Am Ax 一次测量仪表的下限 一次测量仪表的上限 实际测量值(工程量)
N0 仪表下限对应的数字量 Nm 仪表上限对应的数字量 Nx 测量值所对应的数字量
8
中位值滤波能有效地克服因偶然因
素引起的波动或采样器不稳定引起 的误码等造成的脉冲干扰。 对缓慢变化的过程采用中位值滤波 有良好的效果。 n 越大，排序算法所占的时间越长。
9
中位值滤波法
y1 y2 y3 y4 y5 y1 y2 y3 y4 y5 y1 y2 y3 y4 y5
kT
(k+1)T
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线性参数的标度变换
A Am Ax A0
0
N0
Nx
计算机控制系统知识点
计算机控制系统知识点计算机控制系统是指利用计算机作为中央控制器来控制工业过程、交通运输、机械制造等领域中的各种控制系统的一种系统。
计算机控制系统知识点众多，其中包括计算机控制系统的基本组成、控制系统的分类、控制系统的特点、控制系统的控制方法、控制系统的优化等诸多内容。
一、计算机控制系统的基本组成计算机控制系统由输入、输出、控制器、执行机构四个部分组成。
其中输入部分通常包括传感器、信号调理电路、模数转换器等；输出部分通常包括数字信号输出器、模拟信号输出器、执行机构等。
控制器一般是指由微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）或船用控制器等构成的控制模块，执行机构一般指各种电动机、泵、阀门等用来控制操作对象的机构。
二、控制系统的分类根据控制对象的特点，控制系统可以分为连续型系统和离散型系统。
连续型系统是指控制对象运动过程中的时间是连续的，例如温度、压力、流量等都是连续的；离散型系统指控制对象运动过程中的时间是离散的，例如工艺流程、机具动作等都是离散的。
根据控制系统的算法，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统是指没有反馈信号或反馈信号量不参与控制算法的控制系统。
例如，定时器就是一个开环控制器。
闭环控制系统是指反馈信号量参与控制算法的控制系统，也称为反馈控制系统。
三、控制系统的特点控制系统的特点包括：系统的控制目标明确、控制精度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高、可编程性强等特点。
四、控制系统的控制方法根据控制系统的特点和用途不同，控制系统的控制方法也各有不同。
常见的控制方法包括：1、比例控制：比例控制是指控制输出量与输入量呈比例关系的控制方法。
比例控制在工业生产中广泛应用，例如机床加工中的主轴脉冲控制就采用了比例控制技术。
2、积分控制：积分控制是指控制器对偏差信号进行积分运算后输出控制信号的控制方法。
积分控制常用于工业自动化中的流量控制、温度控制等方面。
3、微分控制：微分控制是指控制器对偏差信号进行微分运算后输出控制信号的控制方法。
第4章 计算机控制系统的常规控制策略
U I (s)
+
U ( s)
E ( s) e(t )
e(t )
+ u (t ) +
1 1+ Tf s
KP TI s K PTD s
+
+ U (s) 1 +
U ( s) 1 u1 (t ) 1 + T f s u (t )
U D ( s)
（a）低通滤波器加在微分环节上
（b）低通滤波器加在整个PID控制器之后
4．数字PID参数的整定
1）PID控制器参数对控制性能的影响
（1）比例系数Kp对系统性能的影响
1）对动态特性的影响。比例系数 Kp加大，使系统的动作灵敏提高，速度 加快。Kp偏大，会使系统振荡次数增多，调节时间加长。当Kp太大时，系 统会趋于不稳定。若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。
2）对稳态特性的影响。在系统稳定的情况下，加大比例系数Kp，可以减 小稳态误差，提高控制精度；但是加大Kp只是减少稳态误差，却不能完全消 除稳态误差。
（4-6）
经过化简整理得到，
∆u (k ) = K P [ Ae(k ) − Be( k − 1) + Ce(k − 2)]
式中
A = 1 + T / TI + TD / T
B = 1 + 2TD / T
C = TD / T
与位置式PID算法相比，增量式PID算法的优点：
（1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去 偏差的累加值，容易产生较大的累计计算误差；而增量式算法中由于 消去了累加项，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易 取得较好的控制效果。 （2）利用增量式算法容易实现从手动到自动的无扰切换。这是因为 ，若采用位置式算法，在切换瞬间，计算机的输出值应设置为原始阀 门开度；若采用增量式算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即 算式中不出现原始阀门的开度项，能够较平滑地过渡。 （3）采用增量式算法时，所用的执行器本身都具有寄存作用，所以 即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产过程造成 恶劣影响。此外，增量式算法控制量的计算只需用到当前时刻、前一 时刻以及前两时刻的偏差，大大节约了内存和计算时间。
计算机控制系统的控制算法
计算机控制系统的控制算法计算机控制系统是指利用电脑进行自动控制的系统。
其中，控制算法是控制系统的核心部分。
控制算法通过对输入值进行处理，控制输出值，从而完成对被控制对象的控制。
本文将从控制算法的分类以及常用算法的特点和应用方面探讨计算机控制系统的控制算法。
控制算法的分类控制算法可分为开环控制和闭环控制两大类，其中闭环控制又可分为模型控制和自适应控制。
开环控制是通过对被控制对象的输出进行改变，使其达到期望值的方法。
其控制过程中没有反馈机制，容易受到被控制对象参数和环境的影响，控制精度较低。
通常适用于要求控制精度不高的场合，如电风扇的控制等。
闭环控制是指控制器需要通过反馈的方式对输出进行修正，以实现闭环控制的目的。
闭环控制可分为模型控制和自适应控制两类。
模型控制是利用被控制对象的数学模型进行控制的方法。
模型控制对被控制对象的动态特性和外部干扰具有一定的影响，精度相对较高。
通常适用于需要较高控制精度的场合，如工业生产中的控制。
自适应控制是通过对被控制对象的监测和评估，实时调整控制器参数，以适应系统变化的方法。
自适应控制能自动适应系统不确定性和非线性因素，能够应对变化较快的系统，具有较好的灵活性和稳定性。
通常适用于需要适应环境变化的场合，如无人驾驶汽车等。
常用的控制算法PID控制是目前最常用的控制算法之一。
其由三部分组成：比例控制、积分控制和微分控制。
PID控制适用范围广泛，控制精度高，容易实现。
其应用场合包括：温度控制、流量控制等领域。
Fuzzy控制是一种模糊逻辑控制算法，适用于对非线性、模糊等特殊对象的控制。
其能够自动适应环境变化，对控制对象的动态特性有很好的适应性。
其应用场合包括：空调、电机、灯光等领域。
神经网络控制是一种基于人工神经网络进行控制的算法，具有很强的学习和适应能力。
其应用范围广泛，包括：模型预测控制、自适应控制等领域。
总体上来讲，不同的控制算法各有其特点和适用范围。
在实际生产或工程中，应基于实际情况选择最合适的控制算法。
第4章 计算机控制系统的控制算法--解耦控制
(4—41)
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
计算机控制技术
2．单位矩阵综合法 ． 可以设想，如果能使对象的传递矩阵与解耦补偿矩阵的乘积为单位矩阵I， 可以设想，如果能使对象的传递矩阵与解耦补偿矩阵的乘积为单位矩阵 ， 即: Wd11 (s) Wd12 (s) Wf 11 (s) Wf 12 (s) 1 0 W (s) W (s) W (s) W (s) = 0 1 (4—46) d 22 f 22 d 21 f 21
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
计算机控制技术
4.4.1解耦的条件 解耦的条件
多变量控制系统方框图如图4.29所示。 所示。 多变量控制系统方框图如图 所示
R (s)
+
E (s)
U (s) Wk(s) Wd(s)
Y (s)
-
图 4.29 多变量控制系统
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
(4—39)
使得系统的输出向量为
∗ 0 U1 (S) Y1 (s) Wd11 (s) Y (s ) = 0 Wd 22 (s) U ∗ (S) 2 2
(4—40)
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
计算机控制技术
第 4章 计算机控制系统的控制算法 计算机控制系统的控制算法
计算机控制技术
Wk (s)
—
Wf (s) U1*(s) U1(s) Wf11(s)
Wd (s)
R1(s)
+
Wk1(s) E1(s)
+ +
计算机控制技术杨鹏计算机控制系统的控制策略
计算机控制技术：计算机控制系统的控制策略1. 引言计算机控制技术是指利用计算机硬件和软件对各类系统进行控制和管理的技术手段。
计算机控制系统的控制策略是指根据系统特点和控制需求，设计和选择合适的算法和控制方法来实现对系统的控制。
本文将介绍计算机控制系统的控制策略，并探讨其在工业自动化领域的应用。
2. 控制策略的分类计算机控制系统的控制策略可以分为开环控制和闭环控制两大类。
2.1 开环控制开环控制是指根据系统的输入信号，预先设定好的控制算法，直接输出控制信号，而不考虑系统的实际状态和反馈信息。
这种控制策略适用于系统模型简单、稳定性要求不高的情况。
常见的开环控制算法包括比例控制、积分控制和微分控制。
2.2 闭环控制闭环控制是指在开环控制的基础上加入反馈信息，通过对系统输出信号进行监测和比较，根据误差进行修正控制。
闭环控制可以提高系统的稳定性、鲁棒性和精度。
常见的闭环控制策略包括PID控制、自适应控制和模糊控制等。
3. 控制策略的选择在实际应用中，选择合适的控制策略需要综合考虑以下几个因素：3.1 系统特点不同的系统具有不同的动态特性和稳定性要求，选择合适的控制策略需要对系统的特点进行全面分析和评估。
例如，对于快速响应、高精度的系统，可以采用PID控制策略；对于具有非线性和不确定性的系统，可以考虑使用模糊控制或自适应控制策略。
3.2 控制目标不同的控制目标需要不同的控制策略来实现。
例如，对于追求系统的快速响应和抗干扰能力的控制目标，可以选择自适应控制策略；对于追求系统的精度和稳定性的控制目标，可以选择PID控制策略。
3.3 控制成本在选择控制策略时，还需要考虑控制成本的因素。
不同的控制策略可能需要不同的硬件和软件资源，以及人力和物力的投入。
因此，在满足控制要求的前提下，需要综合考虑成本效益，选择最合适的控制策略。
4. 控制策略的应用计算机控制技术的控制策略在工业自动化领域有广泛的应用。
以工业生产过程的控制为例，常见的控制策略包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
计算机控制系统算法
计算机控制系统算法1. 计算机控制系统理论利用计算机实现采样系统，对连续系统的采样得到计算机便于处理的离散系统，其中包括状态模型和输入输出模型。
然后对离散系统进行研究，对离散系统的稳定性、监控性以及鲁棒性等进行分析。
还讨论了基于状态空间和基于多式方法的极点配置问题。
计算机控制算法中，还讨论了控制系统设计的一般方法，包括大系统的结构及由底向上及自顶向下技术。
介绍了连续控制器的离散等效（基于传递函数和状态方法、频率响应设计方法、数字PID控制器）。
另外还介绍了一些优化设计方法（干扰模型、基于状态空间的优化设计方法、基于传递函数的优化设计方法等）。
一般计算机控制理论课程中均包括以下一些内容：●计算机控制理论基础⏹连续系统、离散系统概念⏹Z变换基本定理⏹离散系统的差分方程表示及用Z变换来求解该方程⏹离散系统的脉冲传递函数●状态空间分析方法研究⏹状态方程的建立和求解⏹线性系统和离散系统的能控性和可观察性●计算机的数值控制算法●计算机PID控制算法（比例、积分和微分控制算法）⏹PID算法的数字化及编程方法⏹PID参数的设定●微机直接数字控制系统算法（DDC）⏹脉冲传递函数⏹最小拍随动系统⏹大林算法、数字控制器D(z)算法实现●最优控制（极限）⏹连续和离散系统的最优控制⏹动态规划方法●计算机控制系统的设计⏹总体规划⏹系统硬件系统设计●系统控制软件的设计具体内容参见参考书目2. 计算机智能控制算法路由搜索算法，属于状态空间搜索和优化的一种智能算法，包括在人工智能课程中。
在交通运输、工业物流控制和计算机网络设计等领域中已被广泛应用。
人工智能实际上是一种人类思维与现代数学和控制技术等相结合的一门学科。
主要研究了知识的获取、表达和存储；智能行为的产生和学习；动机、情绪和优先权等的发展变化以及应用；信号的转换和逻辑运算；利用已有信息推理将来的行为。
该学科课程主要包括对神经网络、机器进化、代理机制(Agent)、机器人、空间状态搜索算法（盲目搜索、启发式搜索（比如A*算法，人工智能P86-94）、知识的表示和推理（谓词演算和归结）、基于逻辑的归纳方法（通信中的代理方法）等内容。
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4.1 数字控制器的间接设计方法 4.2 数字PID控制算法
4.3 数字控制器的直接设计方法
4.4 纯滞后控制技术
4.5 控制算法Matlab仿真举例
4.6 小 结
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间接设计方法得以实现的重要依据是： (1) 采样周期要满足香农采样定理；
(2) 采样周期足够小，达到零阶保持器的相位 滞后可以忽略不计的程度。
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4.1.2 模拟化设计步骤
第一步：设计假想的模拟控制器D(S)
第二步：正确地选择采样周期 第三步：将模拟控制器D(S)离散化为数字控 制器D(Z) 第四步：求出与D(z)对应的差分方程
计算机控制系统
信号通过零阶保持器后存在幅值衰减和相位滞后。 但如果采样周期T足够小，即采样频率足够高时，可以 忽略这一影响。对于小的采样周期，用幂级数展开，用 T/2的时间滞后环节来近似：
பைடு நூலகம்
设相位裕量减少5-15度，则采样周期应选为：
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4.1 数字控制器的间接设计方法
数字控制器的间接设计技术，是立足于连续控制 系统控制器的设计，然后在计算机上进行数字模拟来 实现的。
实质：在采样周期足够短的情况下，把数字控制 器(A/D、计算机、D/A)看作一个整体，其输入和输 出为模拟量，将其等效为连续传递函数。
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2. 正确地选择采样周期
实际应用中工程技术人员通常综合考虑来选择
采样周期T：
(1) 从调节品质上考虑，希望T短以减少系统纯滞后
的影响，提高控制精度。
(2) 从快速性和抗干扰性方面考虑，希望T短使系统 快速跟随输入的变化。
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由计算机构成的控制系统，在本质上是一个离散系统。
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计算机控制系统
传递函数的定义
1. 线性连续系统中传递函数的定义是：零初始条件 下，一个线性环节(系统)的输出量的拉氏变换与输入量 的拉氏变换之比。 2. 线性离散(数字)控制系统中脉冲传递函数的定义： 零初始条件下，一个线性环节(系统)的输出脉冲序列的Z 变换与输入脉冲序列的Z变换之比。
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1. 模拟化设计方法(间接法)
先设计连续系统的校正环节的传递函数 D(s)， 然后将其离散化为D(z) ，进而设计数字控制器。
典型代表为PID算法。
(结构简单，各环节并联互相独立，调参方便)
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2. 离散化设计方法(直接法)
第四章 计算机控制系统的 控制算法
第八讲-第十三讲
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概 述
第八讲
计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能 指标的条件下，设计控制器的控制规律和相应的数 字控制算法。 数字控制器的设计方法按其设计特点分为三大类：
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4.1.1 采样周期与模拟化设计
香农采样定理是使数字控制器进行模拟化设 计的最基本的前提条件。
s 2max
零阶保持器是由D/A转换器的输出保持来实 现的。
频率特性：
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离散化设计：适于采样周期长或控制复杂的 系统。直接使用采样控制理论设计数字控制器。
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计算机控制系统
数字控制理论基础
1. 计算机只能接受和处理二进制代码0和1及其组合， 这些二进制数可以表示某一物理量的大小，称之为离散量 或数字量。但实际系统中的被控量是在时间上连续的信号， 一般称之为连续量或模拟量。模拟量进行离散化并转换成 数字量后，才能由计算机处理。 因此，计算机控制系统也可以称为数字控制系统、离 散控制系统或采样控制系统。 模拟控制系统称为连续控制系统。
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信号采样 +A/D转换
D/A转换+ 信号保持
图4.1 计算机控制系统的典型结构图
工作过程：e(t)经A/D转换器后变成数字量e(k)，计算 机(数字调节器)按照一定的控制规律对e(k)进行计算处
理，将所得结果u(k)经D/A转换器转换得到连续的控制 量u(t)作用到被控对象上，实现对被控参数y(t)的调节。
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2. 离散(数字)控制系统与连续(模拟)控制系统的本质 区别在于：模拟系统中的给定量、反馈量和被控量都是连 续型的时间函数，而在离散系统中，通过计算机处理得给 定量、反馈量和被控量是在时间上离散的数字信号。
把计算机引入连续控制系统中作为控制器使用，便 构成了计算机控制系统。
第五步：编制计算机程序，实现计算机控制
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1. 设计假想的模拟控制器
零阶保持 器
解决方案：首先将计算机与零阶保持器合在一 起看作一个模拟环节，输入为e(t)，输出为u(t)，等 效传递函数为D(s)；然后根据自控原理中的连续系 统的频域设计法、根轨迹法等校正方法设计D(s)。
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(3) 从计算机的工作量和回路成本考虑，希望T长
使每回路有足够的计算时间。当被控对象的纯滞 后时间 较大时，常选 T 。 大于执行器的调节时间。
已知被控对象的传递函数或特性G(z)，根据 所要求的性能指标，直接设计数字控制器D(z)。 常用方法有最少拍有纹波设计、最少拍无纹 波设计和达林算法。 3. 状态空间设计法 能处理多输入-多输出(MIMO)系统
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模拟化设计：适于采样周期短、控制算法简 单的系统。忽略零阶保持器和采样器，求出系统 的连续控制器，以近似方式离散化为数字控制器。