第四章计算机控制系统的特性分析讲解
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
计算机控制系统是由计算机技术和控制技术相结合的一种系统。
它的组成和特点如下：
一、组成
1. 控制对象：被控制的物理系统，例如机器人、流水线、钢铁生产线等
2. 传感器：采集控制对象的状态信息，例如温度、压力、位置等
3. 执行器：控制对象的执行部件，例如电机、气缸等
4. 控制器：根据传感器采集的信息，对执行器进行控制，保持控制对象的稳定状态
5. 通信网络：传输控制信息，例如以太网、CAN总线等
二、特点
1. 灵活性高：计算机控制系统具有程序可调性、参数配置性、功能扩展性等特点，可以快速适应控制对象的变化
2. 控制精度高：由于采用数字控制方式，控制精度较高，且控制精度可根据需要进行调整
3. 自适应性强：可以根据传感器的反馈信号自动调整控制算法，实现自适应控制
4. 控制逻辑复杂：计算机控制系统采用程序控制方式，控制逻辑往往比较复杂，需要良好的编程技能和系统设计能力
5. 抗干扰能力强：数字控制方式可以有效抵御外部干扰，保证系统稳定性和可靠性
6. 技术含量高：计算机控制系统涉及电子技术、计算机科学、控制理论等多个领域，技术含量较高
总之，计算机控制系统在工业自动化、机器人技术等领域有广泛的应用，是现代工业控制技术的重要组成部分。
控制系统的特性分析
为了提高控制系统的鲁棒性，可以采用多种措施，例如引入滤波器、采 用鲁棒控制算法等。这些措施能够减小不确定因素对系统性能的影响， 提高系统的鲁棒性。
03 控制系统的性能指标
调节时间
总结词
调节时间是指控制系统达到稳定状态所需的时间。
详细描述
调节时间是评估控制系统性能的重要指标，它反映了系统对外部扰动或变化响应 的快慢。较短的调节时间意味着系统能够更快地达到稳定状态，从而提高生产效 率。在分析调节时间时，通常采用系统的阶跃响应曲线来评估其性能。
02 控制系统的基本特性
稳定性
稳定性的定义
稳定性是控制系统的重要特性，指系统在受到扰动后能否回到原始平衡状态的能力。如果系统受到扰动后能回到原始 平衡状态，则称系统是稳定的。
稳定性的分类
根据系统回到平衡状态的快慢，稳定性可以分为超调和欠调。超调是指系统在达到新的平衡状态之前，其输出值超过 其新的平衡值；欠调则是指系统在达到新的平衡状态之前，其输出值低于其新的平衡值。
稳定性的判定方法
判定系统稳定性的方法有多种，包括劳斯判据、赫尔维茨判据、奈奎斯特判据等。这些方法通过分析系 统的极点和零点，可以判定系统的稳定性。
动态特性
动态特性的定义
动态特性的描述
动态特性的优化
动态特性是指系统在输入信号的作用 下，其输出信号随时间变化的特性。 动态特性反映了系统的响应速度、超 调和调节时间等性能指标。
能源管理
工业控制系统可以对工厂或车间的能源使用进行 监控和调节，通过实时数据采集和反馈控制，实 现能源的有效利用和节约。
质量检测
工业控制系统集成各种传感器和检测设备，对生 产过程中的产品进行实时检测，确保产品质量符 合标准。
计算机控制系统知识点讲解
（一）基本概念第一章1、什么是计算机控制系统？与传统的控制系统相比，计算机控制系统的优点是什么？答：计算机控制系统：用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制的系统。
优点：具有精度高速度快、存储容量大和逻辑判断功能，看完实现高级复杂的控制方法，获得快速静谧的控制效果。
2、简述计算机控制系统的硬件组成和各自的功能。
答：计算机控制系统的硬件一般由主机、接口和输入/输出通道、通用外部设备、执行机构、检测元件、仪表、操作台等部分组成。
主机：采用一台或多台计算机，通过接口和I/O口通道，接收检测设备传来的信息并向控制系统的各个部件发出命令，同时计算机对系统的各个参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、分析报警、逻辑判断等。
接口与I/O通道：主机与被控对象之间进行信息交换的纽带。
通用外部设备：扩大计算机的功能，是计算机系统与操作人员的交互界面，用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。
检测元件、仪表、执行机构：检测元件和仪表用来测量生产对象的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量表示；执行机构接受CPU的命令使被控对象完成规定的控制动作。
操作台：用来实现人机之间的交互功能。
3、计算机控制系统应当有哪些主要特征？答：1.实时性 2.良好的输入/输出能力 3.标准化和系列化 4.模块化的系统结构 5.可靠性（平均无故障时间、抗干扰能力强、具有定时自动启动功能和硬件自检功能）4、计算机控制系统大致可分为哪几类？简述各类计算机控制系统的结构和特点。
答：计算机控制系统大致可分为以下五类：1）数据采集系统（DAS，Data Acquision System）2）直接数字控制系统（DDC，Direct Digital Control）3）计算机监督系统（SCC，Supervisory Computer Control）4）分布式控制系统（DCS，Distributed Control System）5）现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）1）数据采集系统简称：DAS计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，并将处理后的数据输出。
计算机控制系统概述课件
02
计算机控制系统硬件
输入输出接口
输入接口
负责将外部设备或传感器产生的 信号传输给计算机，例如键盘、 鼠标、触摸屏等。
输出接口
将计算机处理后的信号传输给外 部设备或执行机构，例如显示器 、打印机、伺服电机等。
控制器
01
控制器是计算机控制系统的核心 ，负责协调各个硬件设备的工作 ，根据程序指令对输入信号进行 处理并输出控制信号。
05
计算机控制系统发展趋势与挑战
网络化与智能化
总结词
随着物联网、云计算和大数据等技术的发展 ，计算机控制系统正朝着网络化和智能化方 向发展，以提高系统的实时性、可靠性和自 适应性。
详细描述
网络化使得计算机控制系统能够实现远程监 控、数据共享和协同工作，提高了系统的可 扩展性和灵活性。智能化则通过引入人工智 能、机器学习等技术，使系统能够自主决策
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智能家居
总结词
智能家居是计算机控制系统在家庭生活中的 应用，通过智能化控制家电设备，提高生活 便利性和舒适度。
详细描述
智能家居利用计算机控制系统实现对家电设 备的智能化控制。通过中央控制器或智能音 箱等设备，用户可以远程控制家电设备的开 关、调节温度、照明亮度等，实现智能化生 活。这不仅提高了生活便利性，还能有效节 约能源，降低能源消耗。
计算机控制系统概述课件
目录
• 计算机控制系统简介 • 计算机控制系统硬件 • 计算机控制系统软件 • 计算机控制系统应用领域 • 计算机控制系统发展趋势与挑战
01
计算机控制系统简介
定义与组成
总结词
计算机控制系统是由计算机和被控对 象组成的整体，通过计算机对被控对 象进行自动控制。
第4章 计算机控制系统特性分析
4.2 计算机控制系统的稳定性分析
4.2.1 Z变换与拉氏变换的对比 变换与拉氏变换的对比
• Z变换的定义
Χ( z ) =
k =−∞
∑ x(k ) z
+∞
−k
称为双边Z变换。 +∞ • 若表达为
k =0
Χ ( z ) = ∑ x(k ) z − k
则称为单边Z变换。 • 对于大多数工程问题，Z变换是单边的，且是有理函数， 这样，Z变换的收敛区间就与的零极点分布有关。
若认为采样编码过程瞬时完成，并用理想脉冲来等 效代替数字统）。
4.1 离散系统
4.1.4 离散控制系统的特点
（1）由数字计算机构成的数字控制器，控制规律 由软件实现，因此，与连续式控制装置相比，控 制规律修改调整方便，控制灵活。 （2）数字信号的传递可以有效地抑制噪声，从而 提高了系统的抗干扰能力。 （3）可以采用高灵敏度的控制元件，提高系统的 控制精度。 （4）可用一台计算机分时控制若干个系统，提高 设备的利用率，经济性好。
4.2 计算机控制系统的稳定性分析
4.2.3 离散系统的稳定域
连续系统极点分布与脉冲响应的关系
4.2 计算机控制系统的稳定性分析
• 当极点分布在Z平面的单位圆上或单位圆外时，对应 的输出分量是等幅的或发散的序列，系统不稳定。 • 当极点分布在Z平面的单位圆内时，对应的输出分量 是衰减序列，而且极点越接近Z平面的原点，输出衰 减越快，系统的动态响应越快。反之，极点越接近 单位圆周，输出衰减越慢，系统过渡时间越长。
建立Routh行列表 w2 w1 w0
2.632 0.736 0.632
0.632 0
Routh行列表的第1列各元素均为正，由Routh判据 可知该系统稳定。
第4章 控制系统的特性分析
A 2 B ⋯ A n -1B = n
]
其中
A 为 n × n的系统矩阵； 的系统矩阵； B为 n × r的控制矩阵； 的控制矩阵； X是 n × 1的向量 ; u是 r × 1的控制向量 ;
式成立时， 当(2)式成立时，称矩阵对 [A
B ]为能控。 为能控。
例 3 .设多输入线性定常离散 系统的状态方程为 1 2 X [(k + 1)T 0 ] = 0 1 1 0 试分析该系统的能控性 。 - 1 0 X(kT 0 ) + 3 1 0 0 0 1 u(kT 0 ) 0
B 为 n × 1的控制矩阵； 的控制矩阵； AB
A 2 B ⋯ A n -1 B 是 n × n 的能控性矩阵。 的能控性矩阵。 B ]为能控。 为能控。
]
例1.设线性定常离散系统的 状态方程为 1 X [(k + 1)T0 ] = 0 - 1 试分析该系统的能控性 0 0 1 2 - 2 X(kT0 ) + 0 u(kT0 ) 1 1 0 。
四、线性系统的能观测性的概念
1、定义：如果根据在有限的时间 间隔(t f ~ t 0 ) 定义：
的量测值， 内取得的输出 y (t )的量测值，能够确定系 统的 的每一个分量。 初始状态 X(t 0 )的每一个分量。则称 t 0时刻的初 上是能观测的； 始状态 X(t 0 )在时间间隔 ( t f ~ t 0 )上是能观测的； 若系统在 t 0时刻的所有状态都是能 观测的则称 状态 X(t)是完全能观测的 ,简称系统是能观测的 或者系统具有能观测性 .
定理1 定理1
单输入 n 阶离散系统 X [(k + 1)T0 ] = AX(kT0 ) + Bu(kT0 ) rank B
计算机控制系统第4章第2部分
Dn (s)G(s) Gn (s) 0
Dn
(
s)
Gn ( s) G(s)
说明：常采用前馈＋反馈控制相结合的控 制方案。反馈为主：抑制各种扰动。前馈为辅： 完全补偿指定扰动。
4.6.2 前馈－反馈控制结构
1、系统结构 如图4.6所示。在反馈控制的基础上，增加
一个扰动的前馈控制。
D(s)：反馈控制器 Dn(s)：前馈控制器
(T (T
T2 T1
))；Bm1
K f
T1 T T1
3、计算机前馈－反馈控制的算法步骤 (1) 计算反馈控制的偏差e(k)=r(k)-y(k)； (2) 计算反馈控制器PID的输出u1(k)；
u1(k) u1(k 1) Δu1(k)
u1(k) K pe(k) K I e(k) K D e(k) e(k 1)
系统对负荷变化的适应能力更强。
对具有纯滞后的对象和具有非线性的对象，采用 串级控制可以改善系统的控制性能。
3、系统组成特点 有主、副回路之分。主回路只有一个，而
副回路可以有多个。 主回路调节器的控制输出，就是副回路的
输入设定值。 副回路调节器的控制输出，作为系统的控
制输出，直接作用于生产过程。
4、串级控制系统的应用范围 (1) 抑制控制系统的扰动
路中，由于副回路是随动系统，能适应操作条 件和负荷的变化，自动改变副控调节器的给定 值，使系统具有良好的控制性能。
注意：设计此类系统应尽可能把主对象和 副对象的时间常数拉开，以减少副回路参数波 动对主回路的影响，从而取得良好的控制效果。
5、串级控制系统的设计原则
1）系统中主要扰动应包含在副控回路之中。这样可以再 扰动影响到主控被调参数之前，已经由于副控回路的调 节使扰动的影响大大削弱。
计算机控制系统：介绍计算机控制系统的组成、特点和设计
计算机控制系统：介绍计算机控制系统的组成、特点和设计介绍大家好！今天我们谈论的是计算机控制系统。
在现代化的工业生产中，计算机控制系统扮演着至关重要的角色。
它们被广泛应用于各种行业，如制造业、交通运输、能源等，用于监控、控制和优化工业过程和设备。
在这篇文章中，我们将探讨计算机控制系统的各个方面，包括其组成、特点和设计。
组成计算机控制系统由多个组件构成，每个组件都有特定的功能。
下面是计算机控制系统的主要组成部分：传感器传感器是计算机控制系统中至关重要的组件之一。
它们用于收集来自工业过程和设备的实时数据。
传感器可以感知物理量，如温度、压力、湿度等，并将其转换为计算机可以理解的数字信号。
这些传感器可以放置在生产线上的多个位置，并提供准确的测量数据，以帮助确定工业过程的状态和性能。
执行器执行器是计算机控制系统中另一个关键组件。
它们用于执行控制系统的指令。
常见的执行器包括电动机、阀门、传动装置等。
当计算机控制系统根据传感器输入做出决策时，执行器将执行相应的动作，从而实现对工业过程的控制。
控制器是计算机控制系统的核心，负责处理传感器输入并生成适当的输出信号以控制执行器。
控制器通常由计算机芯片和相关的软件组成。
它们根据预定的算法和逻辑进行运算，以实现对工业过程的监控和控制。
控制器可以是单独的硬件设备，也可以以集成电路的形式嵌入到其他设备中。
人机界面人机界面是计算机控制系统中与用户交互的组件。
它们提供了一种直观的方式，使操作人员能够监控和控制工业过程。
人机界面通常是一个显示屏，上面显示了实时数据、报警信息和操作面板。
通过人机界面，操作人员可以执行各种操作，如调整参数、启动/停止设备和生成报告。
通信网络通信网络是计算机控制系统中用于传输数据和信号的关键部分。
它们可以是有线的或无线的，用于将传感器、执行器、控制器和人机界面连接起来。
通过通信网络，不同的组件可以实时地交换信息，从而实现对工业过程的协调和控制。
特点计算机控制系统具有以下几个显著特点：计算机控制系统需要在实时环境下工作，以保证对工业过程的即时监控和控制。
【第二版】计算机控制系统(康波 李云霞)第4章
＝ 0, 9 0 0 ：S平面的虚轴，Z平面单位圆上。
z e
T
e
d T cot
z d T
cot
2 T ws
z e
T
e
n
ws
2
z n
2 1 ws
2
1 2
, wd wn 1 2
等自然频率轨迹映射
s平面上的等值线在z平面的映射: s平面实轴平行线的映射
j
A
0
[s ]
Im
[z]
AT 1
0
Re
4.1.1 S平面与Z平面的映射关系
s平面上等值线在z平面的映射: s平面虚轴平行线的映射
j
[s ]
Im
[z]
AT
A
0
e 1
0
Re
4.1.1 S平面与Z平面的映射关系
： 阻 尼 比 ， n： 无 阻 尼 自 然 振 荡 频 率 2 s1 , s2 , s1,2 n n 1 设系统的根为：
离散劳斯阵列：
前两行，各n项
wn
w n-2 w n-3 w
n 1
an
an2
an4
an6
...
... 0 w
... ...
an1 an3 an5 b1 b2 b3 c1 c2 c3
... ...
... ...
an 7 b4 c4
... ...
... ... ...
n+1
... ...
4.1.2 计算机控制系统稳定性的判别
计算机控制系统稳定性的判别方法： 离散劳斯判据： 因Z-W的变换是线性变换，故是一一对应的关系。 对应关系推导：略 Im [z] jy [w]
第4章 计算机控制系统特性分析
z
1
3zY(
Y(z)
z)
z2
y(0)
z 3z 2
2Y
(
z)
0
③求z反变换
Y(z)
z
z z
z2 3z 2 (z 1) (z 2)
差分方程的解为 y(k) (1)k (2)k
4.1计算机控制系统的数学模型
6. 脉冲传递函数
（1）定义： 回忆传递函数： 线性定常连续系统，0初始条件下，G(s) Y (s)
计算机控制技术
第4章 计算机控制系统特性分析
范立南 李雪飞 编著 机械工业出版社
导入新课
实时决策
实时控制
实时数据采集
计算机控制系统的特性分析是从给定的计算机控制系统的 数学模型出发，对计算机控制系统在稳定性、快速性和准 确性等方面的特性进行分析。通过分析，可以指导计算机 控制系统设计，并评价相应控制系统性能的优劣。
4. Z反变换
（1）Z反变换的定义
求与z变换相对应的采样函数f*(t)的过程，表示为：
Z 1 F(z) f *(t)
f (kT )
4.1计算机控制系统的数学模型
（2） 求Z反变换方法
a.长除法
分子、分母写成负幂的形式并以z-1升幂排列，然后分子除 以分母得到无穷级数展开式，不易写出f(kT)的通式
（4）写法
F(z) Z f (t) Z f *(t)
Z f (s) Z f *(s)
无论括号内是采样信号还是连续信号， 都理解为采样信号的拉氏变换。
4.1计算机控制系统的数学模型
（5）注意事项
① 只有采样信号才可以定义z变换 ② 在F(z)的定义式中，f(kT)表示信号的幅值，
第4章 控制系统的特性分析
若系统状态空间表达式为对约旦标准型 系统能控充要条件为： 控制矩阵B中与每个约旦块最后一行相对应 的行，其元素不全为零； 系统能观的充要条件为： 输出矩阵C中，对应每个约旦块开头的一列， 其元不素全为零。
MATLAB中，提供了可将连续或离散系统状态表达式 化为对角线标准型或约旦标准型的jordan()函数。 调用格式为： [v,j]=jordan(A) 其中， v为化A为对角线或约旦标准型的非奇异变换矩阵； j为所得的对角线或约旦标准型； j=inv(v)*A*v（MATLAB中j=inv(v)为矩阵v的逆）
例4-1 已知单位负反馈系统的开环传递函数为
1 G(s) 4 2s 3s 3 s 2 5s 4
试判定系的稳定性。
MATLAB 程序如下：
numo=[0 0 0 0 1] deno=[2 3 1 5 4] numc=numo denc=numo+deno %求特征方程 [z,p]=tf2zp(numc,denc) ii=find(real(p)>0) %求闭环极点实部大于0的个数 n=length(ii) if(n>0),disp('system is unstable') else,disp('system is stable') end
统能控性和能观性的分析将十分方便
对于系统的状态反馈则将状态空间表达式
化成能控标准型是比较方便的；
对系统状态观测器的设计及系统辨识，则 将系统状态空间表达式化成能观标准型研究起 来比较方便。
若系统状态空间表达式为对角线标准型
系统能控充要条件为： 控制矩阵B中没有元素全为零的行； 系统能观的充要条件为： 输出矩阵C中没有元素全为零的列。
0.6667 0.8889 -0.6667 -0.2222 0.6667 -0.4444 0 1 -1
《计算机控制及网络技术》-第4章 计算机控制系统分析
d 2 z exp 1 2 s
d z 2 s
s域到z域的映射
由于左半平面的σ为负值，所以左半s平面对 应于 ｜z｜=eTσ<1 s平面的虚轴表示实部σ=0和虚部ω从-∞变到+∞， 映射到z平面上，表示｜z｜=eTσ=e0=1，即单位圆 上，和θ=Tω也从-∞变到+∞，即z在单位圆上逆时 针旋转无限多圈。简单地说，就是s平面的虚轴 在z平面的映射为一单位圆, 如图4.2所示。
第四章 计算机控制系统分析
计算机控制系统要想正常工作，首先要满足稳定性 条件，其次还要满足动态性能指标和稳态性能指标，这 样才能在实际生产中应用。对计算机控制系统的稳定性、 动态特性和稳态性能进行分析是研究计算机控制系统必 不可少的过程。
4.1 计算机控制系统的稳定性分析
4.2 计算机控制系统的动态过程 4.3 计算机控制系统的稳态误差 4.4 离散系统根轨迹
修尔—科恩稳定判据
该判据提供了一种用解析法判断离散系统稳定性的 途径。设离散控制系统的特征方程为
1 G( z ) 0
其中G(z)一般为两个多项式之比，用W(z)表示特征方程 的分子，即
W ( z ) a n z n a n1 z n1 a1 z a0 0
把系数写成如下所示的行列式形式
s域到z域的映射
将s平面映射到z平面，并找出离散系统稳定时其闭 环脉冲传递函数零、极点在z平面的分布规律，从而获得 离散系统的稳定判据。令
s j
则有
S平面内频率相差采样频率 整数倍的零点、极点都映 射到Z平面同一位置
z e e
Ts
T ( j )
e e e e
T
简述计算机控制系统的特点
简述计算机控制系统的特点1. 计算机控制系统那可太牛啦！你想想看，工厂里的那些大型设备，它能精准地控制着每一个动作，就好像有一双无形的大手在稳稳地操控着一切。
比如说自动生产线，计算机控制系统让整个生产过程有条不紊地进行着，这效率多高啊！2. 它的反应速度简直绝了呀！当出现问题时，它能迅速响应，比你眨眼还快呢！就像你在玩游戏时，它能立马察觉并做出应对，保障整个系统的顺畅运行。
比如一些智能交通系统，能快速处理各种情况，是不是超厉害？3. 计算机控制系统的准确性那是没得说！简直像个一丝不苟的数学家，分毫都不会差。
比如在医疗设备中，它可以精确地控制药物的投放剂量，这可关系到病人的生命安全呀，能不厉害吗？4. 哇塞，它还很智能呢！可以像个聪明的小精灵一样不断学习和进化。
比如智能家居系统，能越来越了解你的生活习惯，给你提供更加贴心的服务，这难道不神奇吗？5. 计算机控制系统的适应性超强的哟！不管在啥环境下，它都能顽强地工作着。
就如同一个坚强的战士，不惧任何艰难险阻。
像一些恶劣环境下的监控系统，不照样稳定运行嘛！6. 它的可扩展性也很棒呀！能像搭积木一样不断增加新的功能和模块。
比如说我们的电脑系统，可以根据需要添加各种软件和硬件，多方便呀！7. 嘿，计算机控制系统还超级稳定呢！就如同磐石一般，稳稳地保障着一切。
在一些关键领域，比如航空航天，它的稳定可是至关重要的呀，这多让人安心！8. 它还能进行远程控制呢！就好像你有了千里眼和顺风耳，可以在很远的地方掌控一切。
比如远程控制家里的电器，这也太酷了吧！9. 总之呀，计算机控制系统真的是厉害得不得了！在我们的生活中无处不在，给我们带来了巨大的便利和进步。
它就是现代科技的神奇产物，我们真应该好好利用它呀！。
计算机控制系统的特点及其应用领域
第一章计算机控制系统的特点及其应用领域。
1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入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并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
计算机控制系统的特点
第一章绪论计算机控制系统的特点、组成、分类和开展趋势。
(1)计算机控制的一般概念及其开展(2)计算机控制系统的特点、组成和分类(3)计算机控系统的开展趋势课程重点：计算机控制系统的特点、组成和分类课程难点：计算机控制系统的信号变换特点解决方法：从计算机控制系统的根本构造入手，分析计算机控制系统是一个模拟-离散混和系统，引出计算机控制系统的信号转换过程，掌握计算机控制系统的特点。
第二章数字控制理论根底计算机控系统的数学根底、离散系统数字控制理论和性能指标分析。
(1)信号变换理论(2)离散系统数字描绘(3)脉冲传递函数(4)线性离散系统稳定性、稳态性能和暂态性能分析课程重点：线性离散系统的稳定性、稳态性能和暂态性能分析课程难点：线性离散系统的零极点对系统性能的影响解决方法：纯熟掌握线性离散系统的分析方法，借助MATLAB仿真工具，充分利用图解分析方法，直观方便。
第三章开环数字程序控制直线和圆弧逐点比较法插补原理，计算机控制步进电机的实现方法。
(1)运动轨迹插补的根本原理(2)直线逐点比较法插补原理(3)圆弧逐点比较法插补原理(4)步进电机控制原理(5)计算机与步进电机接口实现方法课程重点：逐点比较法插补原理〔直线与圆弧〕、步进电机控制课程难点：四个象限圆弧逐点比较法插补运算解决方法：以第一象限为主，掌握圆弧插补运算。
在此根底上考虑四个象限的符号变化以及顺弧和逆弧进给的走步区别。
第四章计算机控制系统的常规控制技术数字PID控制原理、控制器的设计、控制参数的整定及其PID控制新技术。
(1)数字PID控制标准型算法(2)数字PID控制改进型算法(3)控制参数的工程整定方法(4)PID控制算法的开展最少拍控制原理、控制器的设计及其系统的改进。
(1) 最少拍控制的根本原理的构造设计(2) 闭环脉冲传递函数)(z(3) 最少拍有纹波控制器的设计(4) 最少拍无纹波控制器的设计(5) 最少拍系统的改进措施Smith控制器工作原理和设计，Dalin控制器的设计及振铃的消除。
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an wn an1wn1 an2 wn2 ..... a1w a0 0
3、采用修正劳斯判据判断系统的稳定性
17
第一列 元素为正 系统稳定
18
劳斯—胡尔维茨稳定判据
• 若劳斯行列表第一列各元素严格为正， 则所有特征根均分布在左半平面，系统 稳定。 • 若劳斯行列表第一列出现负数，系统不 稳定。且第一列元素符号变化的次数， 即右半平面上特征根个数。
第四章 计算机控制系统的特性分析
4.0 概述 4.1 计算机控制系统的稳定性 4.2 计算机控制系统的动态特性 4.3 计算机控制系统的稳态误差 4.4 离散系统的根轨迹和频率特性
1
• 计算机控制系统要想正常工作，首先要 满足稳定性条件，其次还要满足动态性 能指标和稳态性能指标，这样才能在实 际生产中应用。对计算机控制系统的稳 定性、动态特性和稳态误差进行分析是 研究计算机控制系统必不可少的过程。
w( z) an z an1z
n
n1
an2 z
n 2
..... a1z a0 0
1
21
22
朱利判据稳定性条件
23
(4)修尔-科恩稳定判据 该判据提供了一种用解析法判断离散系统稳定性的途 径。设离散控制系统的特征方程为
w( z) an z an1z
n
n1
4
s 域到 z 域的映射关系
s j ze
T
sT
e
( j ) T
e e
T
jT
e (cosT j sin T )
z的模为z e 其相角为z T
5
T
s 平面的左半部对应于z 平面的单位圆内
s 平面的右半部分对应于z 平面单位圆外 s 平面的虚轴对应于z 平面的单位圆
19
二次特征方程稳定性的z域直接判定法
系统的特征方程为
w( z ) z a1 z a0
2
a1和a0均为实数 稳定性判据为： （ 1 ） W (0) a0 1 （2）W (1) 1 a1 a0 0 （3）W (1) 1 a1 a0 0
20
朱利判据
分析或设计一个控制系统，稳定性历来是 一个首要问题。对于连续系统和离散系统，所 谓稳定，就是指在有界输入作用下，系统的输 出也是有界的。如果一个线性定常系统是稳定 的，那么其对应的微分方程的解必须是收敛和 有界的。 在分析连续系统的稳定性时，主要根据是 系统传递函数的极点是否都在 S 平面的左半部 分布。若有极点出现在平面的右半部，则系统 不稳定。
2
4.1
计算机控制系统的稳定性
1. 线性离散控制系统的稳定性条件
s域到z域映射关系 线性离散控制系统稳定的充要条件
2. 线性离散控制系统的稳定性判据
修正劳斯-胡尔维兹稳定判据 二次特征方程稳定性的z域直接判定法 朱利判据 修尔—科恩稳定判据
3
1. 线性离散控制系统的稳定性条件
2
9
10
s 域到 z 域的映射关系例题
如图，在S平面上有3个点，分别为
s1 1, s2,3 1 j10若采样角频率 s 10
试求它们影射到Z平面上的点
11
解：采样周期
2 T S 10
2
z1 e
s1T
e
1*
2 10
0.5330
2 j ) 10 2 j ) 10
16
修正劳斯一胡尔维茨稳定判据
1、系统分析
求出系统开环传递函数G（Z） 求出系统闭环传递函数 ( z ) 求出系统特征方程
1 w (T / 2) w 2、采用双线性变换 z 1 w 或 z 1 1 (T / 2) w 到w域
w( z) an z n an1z n1 an2 z n2 ..... a1z1 a0 0
an2 z
n 2
..... a1z a0
1
把系数a0 , a1,…an写成如下所示的行列式形式:
24
an 是 an 的共轭值，△ k(k=1，2，3，…) 是一个有 2k 行和 2k 列的行列式。
25
修尔一科恩稳定判据稳定条件:
修尔一科恩稳定判据的两个特例： 2 2 a z a 0 a a 1、当系统特征方程为 1 判据为 0 1 0 2 2、当系统特征方程为 w( z ) z a1 z a0 判据为 二次特征方程稳定性的z域直接判定法
z2 e z3 e
s 2T
e e
( 110
0.5332 0.533 2
12
s3T
( 110
(2)线性离散控制系统稳定的充要条件
线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程 的所有根的模|z|<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于 z平面的单位圆内。
13
2.线性离散系统的稳定性判据 (1)修正劳斯一胡尔维茨稳定判据
双线性变换1
z 1 1 w w z z 1 1 w
14
z平面与w平面映射关系
15
双线性变换2 1 (T / 2) w z 1 (T / 2) w
2 z 1 2 1 z 1 w T z 1 T 1 z 1
z e j T
2 e j T 1 2 e j T / 2 e j T / 2 j T T e 1 T e j T / 2 e j T / 2 2 T j t an T 2 w平面频率和 s平面频率转换 2 T w t an T 2 s平面频率和 w平面频率转换 wT 2 arct an T 2
6
S 平面垂直直线对应于z 平面的圆周， s 平面 的虚轴对应于z 平面的单位圆
7
S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的直线 s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
8
S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
对于二阶振荡系统 s 2 2n s n 0 ，在S平面上等 阻尼线为通过原点的射线且 cos ，在z 平面上为螺 旋线。
26
控制系统稳定性判断实例
1、利用稳定性判据判定系统在不同T及k时的稳定性、并 讨论系统开环放大系数K及采样周期T对系统稳定性的影 响。 2、确定在不同采样周期T时使系统稳定的临界放大倍数K