计算机控制技术 教学课件 罗文广 计算机控制技术 第1章.pdf
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【正式版】计算机控制技术东南第一章PPT
G(s)
(s)
u(s)
1 s2
例1-2 天线方位控制伺服系统
卫星跟踪天线的仰角控制(见右图) 假设天线及其可动部分具有惯性转矩J， 由于直流驱动电机的反电势及由于轴承和 空气动力摩擦产生了阻尼，其阻尼系数为 B
JaBaTcTd
式中：Tc是驱动电机产生的纯转矩；Td是 刮风时的扰动转矩。
如果我们定义：B/J=a，u=Tc/B， w=Td/B
IMCMD
图1-7 卫星姿态控制系统框图
式中：I是卫星围绕其质量中心的惯性矩；MC是由助推器加上的控制 转矩；MD是扰动力矩；θ是卫星轴相对于基准线的角。
由运动方程求传递函数
令 uM C/I,w dM D /I
可得 u wd
上式的拉氏变换为 (s)s12[u(s)wd(s)]
如果不考虑扰动(wd(s)=0)，则其传递函数为：
图1-1 操作指导控制系统
图1-3 监督控制系统
1.2.4 分级控制系统
例 1-1 卫星姿态控制 5 分散控制系统（集散控制系统） 为图了1-7保卫持星所姿需态的控炉制温系，统将框测图得的炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。 测图得1-5的分炉散膛控压制力系送统入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。 也工可业防 炉止控当制空的气典太型少情时况，。由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。 为直了接提 数高字炉控子制的系热统效(D率DC，系还统须) 对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率， 并为用此以 ，指计导算燃机烧往控往制对。三个轴分时地进行姿态控制。 图 控1制-1过操程作中指算导法控可制以系改统变，可实现除PID以外的多种复杂控制 图测1得-5的分炉散膛控压制力系送统入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。 图例11--31监卫督星控姿制态系控统制 测为得此的 ，炉计膛算压机力往送往入对计三算个机轴，分进时而地控进制行烟姿道态出控口制挡。板的开度。 模式拟中控 ：制I是系卫统星与围计绕算其机质控量制中系心统的的惯比性较矩； 如式果中我 ：们I是定卫义星：围B绕/J其=a质，量u=中Tc心/B的，惯w性=T矩d/；B 模为拟了控 提制高系炉统子与的计热算效机率控，制还系须统对的炉比子较排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率， 计 并算用机以控 指制 导技 燃术 烧东 控南 制第 。一章 工业炉控制的典型情况。 如果不考虑扰动(wd(s)=0)，则其传递函数为：
计算机控制技术课件
计算机控制系统的离散化、模拟化设计 （第4、5章） 最小拍控制、频域设计方法、数字PID控制、Smith纯 滞后补偿、Dalin算法、串级控制、解耦控制等。
计算机控制系统设计与实现（第12章） 介绍计算机控制系统的一般设计方法与设计实例。
15
第一章 概述（Introduction）
Chapter 1 Introduction
计算机控制
Qi
H
Qo
A
About our course
计算机控制
About our course
计算机控制
About our course
RE
U
Y
D
G
计算机控制
About our course
RE
U
Y
D
G
计算机控制
控制器的设计 控制系统的实现
About our course
RE
U
2.冯培缔，计算机控制技术，杭州，浙江大学出版， 2002.10
3. Gene F. Franklin等, Digital Control of Dynamic Systems, 3rd Ed.（动态系统的数字控制），北京，清华大学出版社， 2008.2
主要内容：
计算机控制系统的分析 （第3章） 离散系统的稳定性分析、动态响应过程分析、稳态相 应分析。
计算机控制技术
Computer Control Technology
无忧P无P忧T整PP理T发整布理发布
About our course
电气工程专业的主要课程 计算机控制技术
About our course
电气工程专业的主要课程
电气工程专业核心课 程
电路理论 电机学 输电线路基础 单片机原理与应用/嵌入式系统 发电厂电气部分 自动控制原理 计算机控制技术 电气安全技术 电气控制与PLC技术 电力系统自动装置 交流调速系统 电力系统继电保护
计算机控制系统设计与实现（第12章） 介绍计算机控制系统的一般设计方法与设计实例。
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第一章 概述（Introduction）
Chapter 1 Introduction
计算机控制
Qi
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计算机控制
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计算机控制
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控制器的设计 控制系统的实现
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2.冯培缔，计算机控制技术，杭州，浙江大学出版， 2002.10
3. Gene F. Franklin等, Digital Control of Dynamic Systems, 3rd Ed.（动态系统的数字控制），北京，清华大学出版社， 2008.2
主要内容：
计算机控制系统的分析 （第3章） 离散系统的稳定性分析、动态响应过程分析、稳态相 应分析。
计算机控制技术
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计算机控制技术课件
第1讲绪论主要内容：1.1 计算机控制系统概述控制对象的复杂化→控制系统的复杂化（多输入—多输出系统、非线性系统、时变和分布参数系统等等）→常规控制方法和手段难以实现→微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。
自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应的功能，实现预定的目标。
自动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。
所定谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约来运动或变化。
如图1.1所示。
闭环控制系统是按照偏差进行的控制，较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。
计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：（1）信息的获取（2）信息的处理（3）信息的输出1.2.2计算机控制系统的硬件组成典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。
1. 主机主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。
目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。
它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。
由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU 设备和网络设备的控制。
2 过程控制通道过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：（1）模拟量输入通（2）模拟量输出通道（3）数字量输入通道（4）数字量输出通道3. 操作控制台操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备。
通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控对象的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序。
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•
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PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的 管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的 局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率 33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种， 数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCI Express数据传输率可以达到8Gbps。
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• （4）分散型控制系统
• （Distributed Control System-DCS)
• DCS采用分散控制，集中操作，分级
管理，分而自治和综合协调的设计原则， 把系统从上到下分为分散过程控制级、 集中操作监控级、综合信息管理级，形 成分级分布式控制。
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• （5）现场总线控制系统
•
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3. 基于PC总线的工业控制机常见类型 ISA 总线工控机
PCI 总线工控机
PC104 总线工控机：总线与ISA兼容的基础 上缩小模板尺寸，降低功耗，满足嵌入式系 统的要求。有104条信号线，模板尺寸为3.6 in×3.8 in (90mm×96mm)，可以层叠。
CompactPCI工控机：PCI总线＋欧式插卡结 构。
第一章 绪论
一.计算机控制系统概论 二.工业控制机的组成结构及特点 三.计算机控制系统的发展概述 •
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一 计算机控制系统概论
1.计算机控制系统及其组成 图示计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控 制计算机,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。 偏差 控制量
给定量 + r-
e
u
•
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二.工业控制机的组成结构及特点
《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》
第1章 绪论
内容提要
• 计算机控制系统概述 • 计算机控制系统的典型形式 • 工业控制机的组成结构及特点 • 计算机控制系统的发展概况及趋势
《计算机控制技术》
本章要求、重难点
• 基本要求：了解计算机控制系统及其基本组成。 • 教学重点：计算机控制系统的典型形式。 • 教学难点：计算机控制系统的工作原理。
《计算机控制技术》
1.1 计算机控制系统概述
• 自动控制
控制器
在没有人直接参与的情况下，利用外加
的设备或装置，使机器、设备或生产过程的
某个工作状态或参数自动地按照预定的规律
运行。
被控量
被控对象
《计算机控制技术》
自动控制系统的结构
给定量 + -
控制器
执行机构
检测装置
被控对象
被控量
自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工、比 较和控制。这些功能是由检测装置、控制器和执行机构来完 成的。其中控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系 统的控制性能和应用范围。
《计算机控制技术》
1.1.1 计算机控制系统及其组成
1. 计算机控制系统 （1）计算机控制系统的工作原理
给定量 + -
e
u
控制器
D/A
A/D
执行机构
被控对象
测量变送
工控机
被控对象
《计算机控制技术》
被控量
y
工作原理
实时数据采集： 实时控制决策：
对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。
键盘（功能键和数字键）
《计算机控制技术》
软件部分：
系统软件 软件 应用软件
操作系统 语言加工系统
第1章 绪论
内容提要
• 计算机控制系统概述 • 计算机控制系统的典型形式 • 工业控制机的组成结构及特点 • 计算机控制系统的发展概况及趋势
《计算机控制技术》
本章要求、重难点
• 基本要求：了解计算机控制系统及其基本组成。 • 教学重点：计算机控制系统的典型形式。 • 教学难点：计算机控制系统的工作原理。
《计算机控制技术》
1.1 计算机控制系统概述
• 自动控制
控制器
在没有人直接参与的情况下，利用外加
的设备或装置，使机器、设备或生产过程的
某个工作状态或参数自动地按照预定的规律
运行。
被控量
被控对象
《计算机控制技术》
自动控制系统的结构
给定量 + -
控制器
执行机构
检测装置
被控对象
被控量
自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工、比 较和控制。这些功能是由检测装置、控制器和执行机构来完 成的。其中控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系 统的控制性能和应用范围。
《计算机控制技术》
1.1.1 计算机控制系统及其组成
1. 计算机控制系统 （1）计算机控制系统的工作原理
给定量 + -
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控制器
D/A
A/D
执行机构
被控对象
测量变送
工控机
被控对象
《计算机控制技术》
被控量
y
工作原理
实时数据采集： 实时控制决策：
对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。
键盘（功能键和数字键）
《计算机控制技术》
软件部分：
系统软件 软件 应用软件
操作系统 语言加工系统
《计算机控制技术》第1章
微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更
普及的应用。
第二十页，编辑于星期五：点 十八分。
（5）. 集散型控制
微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发 展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作 负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统
（DCS）。 • 微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新
本章小结
• 注意以下几点： • 计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和
A/D及D/A转换器来实现的。 • 计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统
是一个混合信号系统。 • 计算机控制系统具有许多优点．是一种柔性和智
能化的系统 。广泛用于国民经济各个领域中不可 替代的各种系统。 • 计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同 的特点 。（第二章介绍）
（1）. 开创时期（1955－1962年） 难于直接参与系统的闭环控制。 计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。
（2）. 直接数字控制时期（1962－1967年）
计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因
而被称为直接数字控制（DDC)。 （3）. 小型计算机时期（1967－1972年）
各种类型适合工业控制的小型计算机。 许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。 （4）. 微型计算机时期（1972年至今）
和生产过程两大部分组成。
第十五页，编辑于星期五：点 十八分。
图1-3 计算机控制系统原理图
第十六页，编辑于星期五：点 十八分。
1.硬件组成
（1）计算机
控制系统的核心。
（2）接口
计算机与被控对象进行信息交换的纽带。
（3）输入和输出通道
信息传输和转换的连接通道 （4）通用外部设备
普及的应用。
第二十页，编辑于星期五：点 十八分。
（5）. 集散型控制
微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发 展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作 负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统
（DCS）。 • 微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新
本章小结
• 注意以下几点： • 计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和
A/D及D/A转换器来实现的。 • 计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统
是一个混合信号系统。 • 计算机控制系统具有许多优点．是一种柔性和智
能化的系统 。广泛用于国民经济各个领域中不可 替代的各种系统。 • 计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同 的特点 。（第二章介绍）
（1）. 开创时期（1955－1962年） 难于直接参与系统的闭环控制。 计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。
（2）. 直接数字控制时期（1962－1967年）
计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因
而被称为直接数字控制（DDC)。 （3）. 小型计算机时期（1967－1972年）
各种类型适合工业控制的小型计算机。 许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。 （4）. 微型计算机时期（1972年至今）
和生产过程两大部分组成。
第十五页，编辑于星期五：点 十八分。
图1-3 计算机控制系统原理图
第十六页，编辑于星期五：点 十八分。
1.硬件组成
（1）计算机
控制系统的核心。
（2）接口
计算机与被控对象进行信息交换的纽带。
（3）输入和输出通道
信息传输和转换的连接通道 （4）通用外部设备
计算机控制技术课件第1讲绪论
3
可靠性
数字控制系统具有较高的可靠性和稳定性。
监督计算机控制系统
监督功能
对被控对象和控制器进行监督，确保系统正常运 行。
故障诊断
能够检测和诊断系统故障，提高系统可维护性。
优化控制
根据系统性能指标进行优化控制，提高系统性能。
分级计算机控制系统
分级结构
采用多级计算机控制，实现不同级别的控制功能。
分布式控制
软硬件协同设计方法的应用，提 高了控制系统的整体性能和效率。
面临的挑战与机遇
安全性挑战
实时性挑战
随着计算机控制技术的广泛应用，安全性 问题日益突出，如何保障控制系统的安全 性成为重要挑战。
对于许多应用场景，控制系统的实时性至 关重要，如何提高控制系统的实时性能是 另一重要挑战。
人才短缺挑战
创新发展机遇
控制算法的种类
计算机控制系统中常用的控制算法包括PID控制算法、模糊控 制算法、神经网络控制算法等，每种算法都有其适用的场景 和优缺点。
控制算法的实现步骤
实现控制算法需要首先确定被控对象的数学模型，然后选择 合适的控制算法并确定算法参数，最后编写控制程序并加载 到控制器中执行。在实现过程中需要注意算法的实时性、稳 定性和精度等方面的要求。
02
随着数字计算机的出现，控制技术开始应用于工业领域，如过
程控制和运动控制等。
计算机控制技术的飞速发展
03
随着微处理器、传感器和执行器等技术的飞速发展，计算机控
制技术不断取得新的突破，应用领域也不断扩展。
计算机控制技术的定义与特点
定义
计算机控制技术是一种利用计算机对 生产过程或运动过程进行自动检测、 数据处理和自动控制的技术。
计算机控制技术 第1章
f ( kT ) ( t kT ) t kT
k 0
•
对于实际系统，当t<0 时，f(t)=0，故有：
f( t ) f ( kT ) ( t kT ) t kT
* k
采样信号的恢复
•
计算机控制系统是利用离散的信号进行控制运算， 这就带来一个问题：采用离散信号能否实施有效的控 制，或者连续信号所含的信息能否由离散信号表示， 或者从离散信号能否一定能代表原来的连续信号。 • 例如：有两个不同的连续信号f1(t)和f2(t)，假设选 择采样周期都为T，如图2.4所示，从图中可以看出， f1(t)和f2(t)具有相同的采样信号f *(t)，这说明f *(t)未必能 完全反映或近似的反映连续信号。
•
r(t)
e(t)
e(kT)
T
* e (t )
数字控制 器 (计算机)
u(kT) T
* u (t )
保 u(t) 持 器
被控 对象
y(t)
图2.2 计算机控制系统结构简化框图
采样过程的数学表示
– 信号的基本形式
– 控制系统中信号的基本形式分为5种类型。
• 1）连续信号
– 连续信号是指时间上连续的、幅值上连续的信号。
f (t) T (a) 采样开关 f(t)
f *(t)
f *(t)
0 T …
2T 3T 4T 5T … t
0 T 2T 3T 4T 5T … t … (c) 采样信号 (b) 连续信号 图2.3 信号的采样过程
•
f(t)为被采样的连续信号，f *(t)是经采样后 的脉冲序列，采样开关的采样周期为 T 。若采 样开关的接通时间为无限小，则采样信号f *(t) 就是f(t)在开关合上瞬时的值，即脉冲序列 f(0)， f(T)，f(2T)，…，f(KT)，… • 可用理想脉冲函数将采样后的脉冲序列f*(t) 表示成： f* ( t ) f ( 0 ) ( t ) f ( T ) ( t T ) f ( 2 T ) ( t 2 T )
k 0
•
对于实际系统，当t<0 时，f(t)=0，故有：
f( t ) f ( kT ) ( t kT ) t kT
* k
采样信号的恢复
•
计算机控制系统是利用离散的信号进行控制运算， 这就带来一个问题：采用离散信号能否实施有效的控 制，或者连续信号所含的信息能否由离散信号表示， 或者从离散信号能否一定能代表原来的连续信号。 • 例如：有两个不同的连续信号f1(t)和f2(t)，假设选 择采样周期都为T，如图2.4所示，从图中可以看出， f1(t)和f2(t)具有相同的采样信号f *(t)，这说明f *(t)未必能 完全反映或近似的反映连续信号。
•
r(t)
e(t)
e(kT)
T
* e (t )
数字控制 器 (计算机)
u(kT) T
* u (t )
保 u(t) 持 器
被控 对象
y(t)
图2.2 计算机控制系统结构简化框图
采样过程的数学表示
– 信号的基本形式
– 控制系统中信号的基本形式分为5种类型。
• 1）连续信号
– 连续信号是指时间上连续的、幅值上连续的信号。
f (t) T (a) 采样开关 f(t)
f *(t)
f *(t)
0 T …
2T 3T 4T 5T … t
0 T 2T 3T 4T 5T … t … (c) 采样信号 (b) 连续信号 图2.3 信号的采样过程
•
f(t)为被采样的连续信号，f *(t)是经采样后 的脉冲序列，采样开关的采样周期为 T 。若采 样开关的接通时间为无限小，则采样信号f *(t) 就是f(t)在开关合上瞬时的值，即脉冲序列 f(0)， f(T)，f(2T)，…，f(KT)，… • 可用理想脉冲函数将采样后的脉冲序列f*(t) 表示成： f* ( t ) f ( 0 ) ( t ) f ( T ) ( t T ) f ( 2 T ) ( t 2 T )
《计算机控制技术》第1章
WebField JX-300X
WebField ECS-100X
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云南昭通卷烟厂 动力锅炉计算机控制系统
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自动化科技与社会进步
自动化是人类文明进步和社会现代化的标志。 自动化是关于一切人造系统自动、智能、自主、高效 和安全运行的科学与技术。 计算机控制技术是实现自动化的主要方法和手段。
• 随着自动化技术、计算机技术、通信技术 、网 络技术、管理技术等的发展,计算机控制技术将 这些技术融合起来,呈现开放性、集散性 、智能 化 、网络化等特点,并以日新月异的速度发展.
• 以计算机控制技术为基础的控制系统在军事 、航 天技术 、工业 、农业、交通运输 、经济管理 、 能源开发与利用等各个领域都获得了广泛的应用. （小到CD player、disk driver, 大到航空航天领 域，无处不在）
以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的 控制指令。
• 计算机控制系统的控制过程可以归结为：
．实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬 时值进行检测和输入；
．实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制 行为的决策，生成控制指令；
． 实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对 象输出控制信号。
• 不同的应用场合
– 工业生产、农业生产、日常生活等
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• 广泛地用于各种不同的工业生产； • ---各种用途的机器人系统；
各种用途的机器人系统
焊接机器人系统 （核心为计算机控制系统 ）
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具有视觉器件的机器人示意图
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数控机床
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广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中；