计算机控制系统的控制算法
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：
第四章 计算机控制系统的控制算法
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。对于小的采用周期，用幂级数展开，用T/2 的时间滞后环节来近似：
设相位裕量减少5-15度，则采样周期应选为：
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信息与电气工程学院
山东科技大学
12
计算机控制系统
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
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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5
计算机控制系统
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。
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. 连续系统中传递函数的定义是：零初始条件下， 一个环节(系统)的输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变 换之比。
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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信息与电系统
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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1 T ( 0.15 ~ 0.5 ) ωc
第3章 计算机控制系统的控制算法
（3）将D(S)离散化为D(Z)
数字控制器D(Z)的一般形式为下式，其中n≥m,各系数ai,bi为实 数，且有n个极点和m
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第3章 计算机控制系统的控制算法
2.模拟化设计具体步骤
（1）假想的连续控制器D(S) 设计的第一步就是找一种近似的结构，来设计一种假想的连 续控制器D(S)，这时候我们的结构图可以简化为：
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第3章 计算机控制系统的控制算法
一、数字控制器的概念
1.什么是控制器？
按照给定的系统性能指标和系统的原始数学模型，依据闭环
控制结构，设计出的使原有系统满足控制要求的功能模块。
设定值 +
矩形面积为Te(k)，后向差分累加的是矩形面积Te(k-1)。
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第3章 计算机控制系统的控制算法
2.双线性变换法
离散化公式：
D( Z ) D( s )
s
2 z 1 T z 1
第3章 计算机控制系统的控制算法
常用方法：差分变换法、Z变换法、零极点匹配法、双线性变换法 1.差分变换法： 主要用于对模拟控制器的离散化 （1）基本的差分方法：——前向差分和后向差分
计算机控制系统常用的控制规律
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 PID控制 串级控制 前馈控制 史密斯（Smith）预估控制 比值控制 模糊控制
PID控制
4.1 PID调节器的控制作用 4.2 PID控制器的离散化 4.3 数字PID调节中的几个实际问题 4.4 数字PID控制算法的改进 4.5 数字PID控制器参数的整定
4.1 PID调节器的控制作用
1. PID调节器的优点： 为什么要用数字模拟PID
技术成熟 易被人们熟悉和掌握 不需要建立数学模型 控制效果好
4.1.1 比例（P）调节器 1. 比例（P）调节规律 比例（P）调节器的微分方程： y(t) = Kpe(t)
பைடு நூலகம்
(8-1)
其中： y——调节器输出 Kp——比例系数 e(t)——调节器输入，为偏差值，e(t)=r(t)-m(t)。其中，r(t)为给定值， m(t)为被测参数测量值。 2. 比例（P）调节的作用 调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生 与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
第一节 PID控制
PID控制方式：采用比例、积分、微分的控制方式。 P I D 1. 模拟PID控制算法：用于模拟控制系统 模拟系统过程控制：被测参数（模拟量：温度、压力、流量）由传感器 变换成统一的标准信号后输入调节器。在调节器中与给定值进行比较， 再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动 调节的目的。 2. 数字PID控制算法：用于数字控制系统 数字系统过程控制：先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将 模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处 理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过 执行机构去控制生产，以达到给定值。
自动控制算法
自动控制算法随着科技的发展，自动控制算法在各个领域得到了广泛应用。
自动控制算法是指通过计算机程序来实现对系统的自动控制，实现系统的稳定、精确和高效运行。
本文将从算法的基本原理、应用领域和未来发展等方面来探讨自动控制算法的相关内容。
一、算法的基本原理自动控制算法的基本原理是通过传感器获取系统的状态信息，然后根据预设的控制目标和控制策略，计算出控制信号，通过执行器对系统进行控制。
常见的自动控制算法包括比例积分控制器（PID控制器）、模糊控制、神经网络控制等。
比例积分控制器是最常用的自动控制算法之一。
它根据系统的误差和误差的变化率来调节控制信号，使系统能够快速、准确地达到稳定状态。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过模糊化输入和输出以及模糊规则的推理来实现对系统的控制。
神经网络控制利用人工神经网络的学习能力和逼近能力，通过对系统的建模和训练，实现对系统的自动控制。
二、应用领域自动控制算法广泛应用于工业自动化、交通运输、航空航天、机器人等领域。
在工业自动化中，自动控制算法能够实现对生产过程的自动化控制，提高生产效率和产品质量。
在交通运输领域，自动控制算法可以实现交通信号的自动控制和交通流的优化调度，提高道路的通行能力和交通效率。
在航空航天领域，自动控制算法可以实现飞行器的自动驾驶和姿态控制，提高飞行安全和飞行性能。
在机器人领域，自动控制算法可以实现机器人的自主导航和任务执行，实现人机协作和智能化生产。
三、未来发展随着人工智能和大数据技术的发展，自动控制算法将迎来更广阔的应用前景。
人工智能技术可以为自动控制算法提供更丰富的决策能力和学习能力，使系统的控制更加智能化和自适应。
大数据技术可以为自动控制算法提供更多的数据支持和决策依据，使系统的控制更加准确和精细化。
同时，自动控制算法也将与其他技术相结合，如虚拟现实、云计算等，实现更加复杂和高效的控制任务。
总结起来，自动控制算法是实现系统自动化控制的重要工具，通过传感器获取系统的状态信息，根据预设的控制目标和控制策略计算控制信号，实现对系统的稳定、精确和高效运行。
《计算机控制技术》计算机控制系统的常规控制技术
在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模拟 PID调节器。
连续生产过程中,设计数字控制器的两种方法: 1．用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用计算机进行数字 模拟，这种方法称为模拟化设计方法。 2．应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一种直接设计方法 （或称离散化设计）
(z)
R(s) +
R(z)
T
e(s) E(z)
_
T
D(z)
U(z)
T
G h0 (s)
图12 典型计算机控制系统结构框图
G(z) G0 (s)
G(s)
Y (z) T
Y (s)
其中： G(z)＝Z Gho (s)G0 (s)
1 e Ts
Gh0 ( s )
s
广义对象脉冲传递函数
系统的闭环脉冲传递函数 系统的误差脉冲传递函数
① 断开数字PID控制器，使系统在手动 1
状态下工作，给被控对象一个阶跃输入
信号；
0
y(t )
y()
② 用仪表记录下在阶跃输入信号下的对 象阶跃响应曲线；
p•
0 a
Tm
t b
c
t
图11 对象阶跃响应曲线
③ 在响应曲线上的拐点处作切线，得到对象等效的纯滞后时间和 对象等效的时间常数 ；
④ 选择控制度；
不完全微分PID控制器结构
e(t )
PID 调节器
u(t )
Df (s)
u(t )
不完全微分的PID算法的基本思想是：在PID控制中的微分环节串联上一
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 ， ，
计算机控制技术课后习题详解答案
第一章计算机控制系统概述习题参考答案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。
(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。
图微机控制系统组成框图(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。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
第七章--数字PID控制及其算法
式中：
KI
KP
T TI
KD
KP
TD T
增量控制算式
整理得：Yn KP KI KD en KP 2KD en 1 KDen 2
d0en d1en 1 d2en 2
式中：
d0
K
P
1
T TI
TD T
d1
KP
1
2TD T
一开始： 比例调节作用→比例输出Y1
随后： 积分作用→在同一方向，在Y1 的根底上输出值不断增大
最后： PI调节器的输出趋于稳定值 KIKPe(t)
第七章 数字PID控制及其算法
③优缺点 优点：克服了比例调节有静差存在的缺点，又防止
了积分调节响应慢的缺点，静态和动态特性 得到了改善。 缺点：当控制对象具有较大的惯性时，无法得到很 好的调节品质。
1
KPen en
1
KP
T TI
en
KP
TD T
en
2en
1
en
2
Y n
1
KP
en
en
1
T TI
en
TD T
en
2en
1
en
2
Yn 1 KPenen 1 Ien Den 2en 1 en 2
式中：e(n)=w－u(n)：w—给定值 u(n)—第n次实际输入值
KP—比例系数 D=TD/T—微分系数
在模拟控制系统中调节器的正、反作用是靠改变模拟 调节器中的正、反作用开关的位置来实现的。
第七章 数字PID控制及其算法
7.3.1 正、反作用问题
在数字控制系统中，可用两种方法来实现正、反作用控制： 改变偏差E(K)的公式 正作用：E(K)=M(K)-R(K) 反作用：E(K)=R(K)-M(K) 其中M(K)是测量值，R(K)是给定值 对运算结果进行改变 E(K)计算公式不变，假设需要反作用时，在完成PID运算 之后，先将其结果求补，而后再送到D/A转换器进行转换， 进而输出。
计算机控制09.大林控制算法
常用控制算法>>大林控制算法
大林控制算法控制器D(z)的基本形式 的基本形式 大林控制算法控制器
Simulink仿真结构图为 仿真结构图为
Scope2 1-0.779z-1 1-0.607z-1 +-0.393z-3 controller
Scope1 1 4s+1 Zero-Order Hold Transfer Fcn Transport Delay Scope
其与零阶保持器相串联的的脉冲传递函数为： 其与零阶保持器相串联的的脉冲传递函数为：
1 − e −Ts K (C1 + C2 z −1 ) z − N −1 Ke − NTs G( z) = Z ⋅ = s (1 + T1s )(1 + T2 s ) (1 − e −T T1 z −1 )(1 − e −T T2 z −1 ) 1 C1 = 1 + (T1e−T / T1 − T2e−T / T2 ) T2 − T1 1 1 −T + C = e T1 T2 + 1 (T e −T / T2 − T e −T / T1 ) 1 2 2 T2 − T1
0.1493z−2(1+0.733z−1) G(z) = 1−0.7413z−1
选取φ(z)，时间常数为 τ=2s，纯滞后时间为 时间常数为T 纯滞后时间为τ=1s。则N=1，于是 选取 时间常数为 纯滞后时间为 。 于是
−1/ 2 (1−e−T/Tτ )z−1 )z−1 0.3935z−2 −1 (1−e ⋅ =z ⋅ = −T /T -1 −1/2 -1 τ 1−e z 1−e z 1−0.6065z−1
计算机控制08.最少拍控制算法
5.1 数字滤波与数据处理
5.2 数字控制器的设计方法
5.3 数字PID控制器的设计
5.4 最少拍控制算法
5.5 大林控制算法
5.6 模糊控制
自动化学院：李明
1
常用控制算法>>最少拍控制算法
最少拍控制的定义
R(z)
r(t)
T e(t)
E(z)
D(z)
T
(z) G(z)
U(z) T
对于加速度输入，输出永远都不会与输入曲线重合，也就是说按等 速输入设计的控制器用于加速度输入会产生误差。
自动化学院：李明
13
常用控制算法>>最少拍控制算法
最少拍系统的初步设计
最少拍控制器的局限性——对典型输入的适应性差
结论 一般来说，针对一种典型的输入函数R(z)设计，得到系统的闭环脉冲
传递函数φ(z) ，用于次数较低的输入函数R(z)时，系统将出现较大的超
R(z)
Tz 1 (1 z1)2
最少拍控制器设计时选择的闭环传递函数 (z) 1 (1 z1)2 2z1 z2
系统误差的脉冲传递函数
E(z)
R( z )e
(z)
R( z ) 1
(z)
Tz 1 (1 z1)2
(1
2z 1
z 2 )
Tz 1
系统输出 Y (z) R(z)(z) 2Tz2 3Tz3 4Tz4
E
(
z)
e
(
z
)
R(
z)
(1
z
1
)
(1
Tz 1 z1
)2
Tz1 1 z1
故稳态误差为
e()
计算机控制试题及答案
计算机控制试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 计算机控制系统中，通常使用什么类型的控制算法？A. 线性控制算法B. 非线性控制算法C. 混合控制算法D. 以上都不是2. 以下哪个不是计算机控制系统的特点？A. 实时性B. 灵活性C. 稳定性D. 可扩展性3. 在计算机控制系统中，PID控制器的P代表什么？A. 比例B. 积分C. 微分D. 比例积分4. 计算机控制系统的硬件组成不包括以下哪一项？A. 传感器B. 执行器C. 显示器D. 电源5. 计算机控制系统中的闭环控制指的是什么？A. 控制器与被控对象之间的控制B. 控制器、被控对象与反馈环节之间的控制C. 只有控制器的控制D. 只有被控对象的控制6. 计算机控制系统的软件设计中，不包括以下哪一项？A. 系统初始化B. 控制算法实现C. 数据采集D. 硬件维护7. 以下哪个不是计算机控制系统的输入设备？A. 键盘B. 鼠标C. 传感器D. 扫描仪8. 在计算机控制系统中，DCS指的是什么？A. 分布式控制系统B. 数据采集系统C. 直接数字控制系统D. 动态控制系统9. 计算机控制系统的控制算法中，模糊控制算法属于什么类型的控制？A. 线性控制B. 非线性控制C. 混合控制D. 以上都不是10. 计算机控制系统中的前馈控制指的是什么？A. 基于过去控制行为的控制B. 基于当前控制行为的控制C. 基于未来控制行为的控制D. 基于反馈控制行为的控制二、填空题（每空1分，共10分）1. 计算机控制系统的核心是________。
2. 计算机控制系统的控制方式主要有开环控制和________。
3. 在计算机控制系统中，控制算法的实现通常需要________。
4. 计算机控制系统的硬件组成主要包括传感器、执行器、________等。
5. 计算机控制系统的软件设计通常包括系统初始化、控制算法实现、________等。
三、简答题（每题10分，共20分）1. 简述计算机控制系统的基本组成及其功能。
PID控制算法
PID （Proportional Integral Differential ）控制是比例、积分、微分控制的简称。
在自动控制领域中，PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。
PID 控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差，利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。
图1是常规PID 控制系统的原理图。
其中虚线框内的部分是PID 控制器，其输入为设定值)(t r 与被调量实测值)(t y 构成的控制偏差信号)(t e :)(t e =)(t r -)(t y (1)其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合，也即PID 控制律：])()(1)([)(0⎰++=tDIP dtt de T dt t e T t e K t u (2)式中，P K 为比例系数；D T 为积分时间常数；D T 为微分时间常数。
根据被控对象动态特性和控制要求的不同，式(2)中还可以只包含比例和积分的PI 调节或者只包含比例微分的PD 调节。
下面主要讨论PID 控制的特点及其对控制过程的影响、数字PID 控制策略的实现和改进，以及数字PID 控制系统的设计和控制参数的整定等问题。
1．PID 控制规律的特点 （1）比例控制器比例控制器是最简单的控制器，其控制规律为0)()(u t e K t u P += (3)式中，Kp 为比例系数；0u 为控制量的初值，也就是在启动控制系统时的控制量。
图2所示是比例控制器对单位阶跃输入的阶跃响应。
由图2可以看到，比例控制器对于偏差是及时反应的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用使被控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Kp 。
图2 比例控制器的阶跃响应比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡性（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被控对象存在静差。
加大比例系数Kp 虽然可以减小静差，但当Kp 过大时，动态性能会变差，会引起被控量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。
计算机控制系统知识点 3篇
计算机控制系统知识点第一篇：计算机控制系统基础知识计算机控制系统是在计算机技术和控制技术的基础上，将计算机技术与传统控制技术相结合发展而来的一种新型控制系统。
其主要特点是具有高度的智能化、自适应性和自动化等特性，广泛应用于机械制造、航空航天、化工、铁路交通、能源等各个领域。
计算机控制系统由以下几部分组成：1.硬件系统：指控制计算机、输入输出设备、传感器等物理设备的总称。
2.软件系统：指控制系统使用的程序系统。
包括两种类型：系统软件和应用软件。
3.控制算法：也称控制策略。
根据被控对象以及控制的要求，设计出一套合理的控制算法。
4.人机界面：传统的控制系统主要以机器为中心，人机交互相对较少。
而计算机控制系统增加了人机交互设计，使操作人员更加方便使用。
总之，计算机控制系统是一种高科技的控制技术。
通过综合运用计算机技术、传感器技术、通讯技术、控制算法和人机界面等多种技术手段来实现对被控对象的监测、控制和调节。
是当今世界各个领域中普遍采用的控制方式之一。
第二篇：计算机控制系统分类和结构计算机控制系统分类：1.根据控制过程的性质可以分为：连续控制系统和离散控制系统。
2.根据被控对象类型可以分为：工业控制系统、农业控制系统、汽车控制系统等。
3.根据控制的方法可以分为：反馈控制系统和前馈控制系统。
4.根据系统性质又可分为：单变量控制系统和多变量控制系统。
计算机控制系统结构：1.控制环节：主要包括传感器、信号调理器、A/D转换器和控制器等。
2.执行环节：主要包括执行器、驱动器和控制阀等。
3.人机界面：主要是给操作人员提供交互界面。
4. 通讯及数据处理环节：主要是数据采集和远程控制等。
5.电源环节：包括电源及变压器等。
总之，计算机控制系统具有结构清晰、系统稳定、响应速度快、控制精度高等特点。
由于其广泛的应用和无限的扩展空间，其研究和应用前景不断拓展。
第三篇：计算机控制系统常见应用计算机控制系统具有广泛的应用领域。
以下是其中一些典型的应用方向：1.生产自动化管理：通过自动化控制技术对设备运转状态、工作质量等进行监测和控制，实现生产车间的自动化管理。
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。
计算机控制系统算法
第六章计算机控制系统算法1掌握的内容1)掌握一阶向前、向后差分及双线性变换离散化的具体作法；要求要熟悉具体的替换方法：G 何稳定(即极点在s 的左半平面)，则变换后G ⑵一定CC也稳定(因为G c &)的极点均在小园内)。
*向前差分法G C (Z)=G C (S)'=ET主要特性若连续传递函数G 何是稳定的，离散化后，G ⑵不一定稳cc定。
如要保证稳定，要求采样周期较小，这种方法应用较少。
*双线性变换法(突斯汀变换法) 主要特性(1) 若G(s )是稳定的，那么离散后G(z )也一定是稳定的CC(2) 双线性变换后环节的稳态增益不变。
G(s)l _0=G(z)l =1cs —0cz —1使用方便，有一定的精度以及好的特性，应用较为普遍。
*一阶向后差分法 主要特性GC "G C (S)I=-TG (z )=G (s )丨2’2-z ~1s -1主要用于低通环节的离散化。
2)PID 两种基本算法的计算公式：u(k)=Ke(k)+K t e(j)+K[e(k)—e(k —1)]PID位置算法：円TT(K =K,K =F K )IP T D TP I增量算法A u(k)=u(k)-u(k-1)=K P [e(k)-e(k-1)]+K I e(k)+K D [e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =K P [Ae(k)-Be(k-1)+De(k-2)]要求知道这两种算法的特点。
对积分分离算法，要求能写出它的计算公式、了解它的特点。
(3)熟记控制算法G C (Z)的三种编排实现的具体方法，能写出相应的迭代计算公式，画出相应的编排实现方块图。
了解三种编排方法的优缺点。
*直接编排结构控制器由下述脉冲传递函数表示t bz —iiE(z)i =1第一种直接编排(又称零点—极点型)nn u(k)=tbe(k —i)—t au(k —i)iii=0i=12第一种直接编排（极-零编排）n(k)(k)y(k•、u(k)=》bm(k-i)m(k)=e(k)-y am(k-i)i•;*串联编排实现(a) (b)G c(z )=c U(z)E(z)D l(z)34*并联编排实现结构将(6-50)式做部分分式展开，可得：U(z)lG(z)==0+Y D(z)1<l <ncE(z)0ii =1*并联实现量化误差较小，直接编排的量化误差最大。
计算机控制系统的组成及其工作原理
计算机控制系统的组成及其工作原理大家好，今天我要给大家讲解一下计算机控制系统的组成及其工作原理。
我们要明白什么是计算机控制系统。
简单来说，计算机控制系统就是用计算机来控制其他设备的一种方法。
它可以实现对各种设备的精确控制，提高生产效率和质量。
那么，计算机控制系统到底由哪些部分组成呢？它的工作原理又是怎样的呢？接下来，我将从以下几个方面给大家详细讲解。
一、计算机控制系统的组成1.1 控制器硬件计算机控制系统的核心是控制器，它负责接收输入信号，经过处理后输出控制信号。
控制器硬件主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出接口等部分。
其中，中央处理器是控制器的大脑，负责执行各种指令；存储器用于存储程序和数据；输入输出接口用于与被控设备进行通信。
1.2 传感器和执行器传感器是计算机控制系统的眼睛，负责感知外部环境的变化。
它可以将物理量转换成电信号，供控制器处理。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、位置传感器等。
执行器则是计算机控制系统的手和脚，负责根据控制器发出的控制信号执行相应的操作。
常见的执行器有电机、电磁阀、开关等。
二、计算机控制系统的工作原理2.1 信号采集和处理计算机控制系统的工作开始于信号采集。
传感器将外部环境的物理量转换成电信号，通过输入输出接口传输给控制器。
控制器收到信号后，进行采样、量化和编码处理，将其转化为数字信号。
这一过程需要用到一些专门的芯片和技术，如模数转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)。
2.2 控制策略设计控制策略是计算机控制系统的灵魂，它决定了系统如何根据输入信号进行控制。
常见的控制策略有PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
这些控制策略都有各自的优缺点，需要根据具体应用场景进行选择。
在设计控制策略时，需要考虑系统的稳定性、响应速度、鲁棒性等因素。
2.3 控制算法实现控制算法是将控制策略具体化为一系列指令的过程。
这些指令需要通过中央处理器来执行。
在实现控制算法时，需要注意算法的复杂度、可读性和可维护性。
计算机控制系统典型结构
计算机控制系统典型结构计算机控制系统是一种以计算机为核心的、能够实现自动化控制的系统。
它通过对外部的输入信号进行采集和处理，并通过对内部执行器的控制完成对工业过程的调节和控制。
计算机控制系统通常由硬件和软件两部分组成，其中硬件包括传感器、执行器和计算机等，而软件则包括控制算法和界面程序等。
一个典型的计算机控制系统通常由以下几个组成部分构成。
1. 传感器传感器是计算机控制系统中的输入设备，用于将外部环境或过程的物理量转变为计算机可以处理的电信号。
典型的传感器包括温度传感器、压力传感器和位置传感器等。
传感器的选择取决于被控制过程的特点和要求。
2. 信号调理电路信号调理电路用于对传感器输出的信号进行放大、滤波和模拟信号转换等处理，以确保输入到计算机的信号质量良好且稳定。
这些电路还可以进行线性化处理，将传感器输出的非线性信号转变为线性信号，以提高控制系统的性能。
3. 控制算法控制算法是计算机控制系统的核心部分，它通过对传感器信号进行分析和处理，并根据预定的控制策略生成相应的输出信号。
常见的控制算法包括比例-积分-微分(PID)控制、模糊控制和自适应控制等。
这些算法可以根据被控过程的需求进行选择和调整。
4. 执行器执行器是计算机控制系统中的输出设备，用于将计算机生成的控制信号转变为对被控对象的实际控制动作。
常见的执行器包括电动阀门、电机和气缸等。
执行器的选择取决于被控过程的性质和要求。
5. 人机界面人机界面是计算机控制系统中的交互接口，用于实现人机之间的信息交流和操作控制。
典型的人机界面包括显示屏、键盘和触摸屏等。
通过人机界面，操作人员可以监控和操作控制系统，也可以通过对系统状态和控制参数的调整来实现对系统的远程控制。
6. 数据存储和通信模块数据存储和通信模块用于存储和传输计算机控制系统中的数据。
它可以将控制系统的状态数据存储在本地的存储介质中，也可以将数据传输到远程的计算机或服务器中进行保存和分析。
通信模块可以实现控制系统与其他系统的数据交换和信息共享。
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• 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
差分方程，实现的方法有两种，
•
一是由数字控制器写出系统的微分方程，然后
进行差分处理得到相应的差分方程，
如数字PID控制算法就是由此推导出来的。
被控量
流量 压力 液位 温度
成分
采 样 周 期/s
注
1～5 3～10 6～8 15～20
15～20
优选1s 优选5s 优选7s 优选纯滞后 时间 优选18s
3. 将模拟控制器离散化为数字控制器
❖ 1) 双线性变换法
sT
z esT
e2
sT
e2
1 sT L 2
1 sT L 2
1 sT 2
1 sT 2
阶跃响应特性曲线
2. 比例-积分控制规律
1
u(t)
Kp
e(t)
TI
e(t)dt u0
KIe(t)
e(t)
u(t)
Kp e(t)
0
t
0
t
比例-积分调节的特性曲线
3. 比例-微分控制规律
u(t)
Kp
e(t)
TD
de(t) dt
e(t)
u(t)
KD
de(t) dt
Kp e(t)
0
t
0
t
比例-微分调节的特性曲线
K I
e(t)
K de( t )
D dt
Kpe(t)
0
t
0
t0
t
比例-积分-微分调节的特性曲线
#43;+ e -
Kc
P
+
+ +
u
对象
+
y
f
Kc /Ti S I
测量电路
4.2.2 基本数字PID控制算法
❖ 1. 数字PID位置型控制算法 ❖ 当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差
第4章 计算机控制系统的控制算法
数字控制器的设计方法按其设计特点分为 三大类： 1.模拟化设计方法
先设计校正传递函数D(s)，然后离散化，变 成计算机算法。 2.离散化设计方法
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，设计数字控制器D(z)。
3.状态空间设计法（能处理多输入-多输出系统）
第一、采样周期要满足香农采样定理， 第二采样周期足够小，达到零阶保持器的相位
滞后可以忽略不计的程度。
❖ 模拟化设计方法的假设是认为采样频率足 够高（相对于系统的工作频率），以至于 采样保持所引进的附加误差可以忽略，则 系统的连续部分可以用连续系统来代替。
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：求出与对应的差分方程 ❖ 第五步：编制计算机程序
4. 比例-积分-微分控制规律
u(t)
Kp
e(t)
1 TI
T 0
e(t)
dt
Td
de(t)
dt
u0
u(t)——调节器的输出信号； e(t)——调节器的偏差信号，它等于给定值与测
量值之差； KP——调节器的比例系数； TI——调节器的积分时间； TD——调节器的微分时间。
e(t)
u(t)
n
m
U (z) ajU (k j) bj E(k j)
j 1
j0
5. 根据差分方程编制相应程序，以实现计 算机控制
4.2 数字PID控制算法
❖ PID控制之所以长期以来得到广泛应用,主要有以下几个原 因: ●对于特性为 Kes /(1 Tp s) 和 Kes /(1 T1s)(1 T2 s) 的被控对象，PID控制是一种较优的控制算法，PID参数相 互独立，参数整定方便；
❖ 1. 设计假想的模拟控制器
2. 正确地选择采样周期
❖ 工程技术人员常从以下几个方面综合考虑来 选取采样周期。
❖ (1) 从调节品质上考虑。 ❖ (2) 从快速性和抗干扰性方面考虑。 ❖ (3) 从计算机的工作量和回路成本考虑。 ❖ (4) 从计算精度方面考虑，采样周期不应过短。
采样周期的经验数据表
s z 1 T
D(z) D(s) s z1 T
❖ 由此可知，s平面的jΩ轴在z平面上的映像除ΩT极小值外， 均在单位圆外，因此这种方法将不利于控制器的稳定性。
3) 后向差分法
z eTs 1 1 e Ts 1 sT
s z 1 Tz
D(z) D(s) s z1 Tz
后向差分的性质是：
(1)使用方便，而且不要求传递函数的因式分解； (2)一个稳定的D(s)变换为一个稳定的D(z)； (3)不能保持D(s)的脉冲与频率响应。
基于现代控制理论，利用离散状态空间表达 式，根据性能指标要求，设计数字控制器。
第4章 计算机控制系统的控制算法
❖ 4.1 数字控制器的间接设计方法
计算机控制系统的典型结构图
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。 fs=2fmax
❖ 间接设计方法得以实现的重要依据是：