第一章思考题与习题讲解

第一章思考题与习题1.1 典型的计算机控制系统与常规控制系统之间有哪些区别？答：控制的首要任务就是设计控制器，并使之能实现。

即控制器是控制系统中的核心部件，它从质和量两个方面决定了控制系统的性能和应用范围。

常规控制系统的控制器由硬件模拟电路来实现控制器，方法、潜力却是有限的，难以满足如此高的性能要求。

由于电子计算机出现并应用于自动控制，才使得自动控制发生了巨大的飞跃。

计算机具有精度高、速度快、存储量大等特点，并且能够进行逻辑判断，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。

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。

使之完成对被控制量的控制作用。

显然，要改变控制规律，只要改变计算机的程序就可以了。

从本质上看，计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四个方面：（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

（3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

（4）信息管理。

随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统之中。

上述测、算、控、管的过程不断重复，使整个系统能按一定的动态(过渡过程)指标进行工作，且可对被控制量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理，这就是计算机控制系统最基本的功能。

1.采用计算机控制具有下述优点：(1)可以消除常规模拟调节器的许多难以克服的缺点，如不存在模拟调节器的漂移问题，参数整定范围宽，比例、积分和微分系数可以单独调节，而且可以在整个控制范围内实行多参数调节。

当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器相配合，对高频的脉冲噪声有较好的滤波效果，特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰(2)使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬件设备，甚至可以在线改变控制方案。

因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步提高控制水平。

(3)具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附加功能。

从控制理论上看，模拟控制系统是连续控制系统，数学模型用微分方程描述，而计算机控制系统是以分时方式对控制对象进行控制的，它以定时采样和阶段控制来代替常规调节装置的连续检测和连续控制，所以它是离散系统，数学模型用差分方程描述。

从表面上看用的理论基础不一样，但离散系统是在连续系统的基础上发展起来的。

2.计算机控制系统的特点：计算机控制系统与常规模拟系统相比，在工作方式上有如下特点：(1)由程序实现的灵活控制作用。

控制规律灵活、多样，改动方便，可实现复杂的控制规律，提高控制质量，增加产品数量。

常规的模拟调节器只能实现比例―积分―微分调节规律，计算机机控制不仅具有比例―积分―微分调节功能，而且能够实现复杂的控制规律，例如纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制等。

(2)采样控制方式。

能有效地克服随机扰动。

系统运行过程中，多数扰动是难以预知的，因此模拟调节器很难保证控制质量。

计算机参与控制后，可根据实时检测到的数据，用自动校正算法估计过程状态，进而自动调整控制信号，保证在扰动出现时仍能达到满意的控制效。

(3)数字信号处理。

在计算机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。

因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混合式的结构。

(4)综合处理与控制。

在传统控制系统中，一个控制回路配备一个控制器，而在计算机控制系统中，由于计算机所具有的能力，可实现多回路、多对象多工况综合处理和控制；且控制与管理结合，自动化程度进一步提高。

现代化生产中，计算机不仅担负着生产过程的控制任务，而且也肩负着工厂、企业的管理任务。

特别是计算机通信技术的发展，从收集商品信息、情报资料、制定生产计划、产品销售到生产调度、仓库管理都实现微机化，使得工厂的自动化程度进一步提高。

(5)在线系统与实时系统。

在线方式和离线方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式，反之称为离线方式。

实时系统：工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性，超过了允许的时间，就失去了控制时机，控制也就失去了意义。

“实时”不等于“同时”实时性包括4个内容：实时时机采集、实时决策运算、实时控制、实时报警2个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。

计算机控制系统与常规模拟系统相比，在性能上有如下特点：（1）精度高；（2）稳定性好；（3）可靠性高；（4）灵活性好；（5）（6）存储能力强；（7）逻辑运算能力强；（8）具有自诊断的功能；（9）便于扩充；（10）抗干扰能力强；（11）多功能等。

1.2 典型计算机控制系统有哪些主要组成部分？试用框图表示系统的硬件结构。

答：计算机控制系统由硬件、软件、网络、被控对象、检测传感器、执行机构等部分构成计算机控制系统的硬件一般是由计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如图所示。

硬件组成（1）主机（微型计算机）：包括CPU和内存储器（RAM和ROM）通过系统总线连接而成，是整个系统的核心。

（2）外部设备：输入设备、输出设备、外存储器和网络通信设备。

（3）输入输出通道（过程通道）:是计算机与工业生产过程交换信息的通道，是计算机控制系统按特殊要求设置的部分，包括：模拟量、数字量、开关量输入输出通道和接口（4）人—机联系设备（操作台）软件组成软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。

它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。

软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。

1.3 计算机控制系统结构有哪些分类?并指出主要的应用场合。

答：根据计算机在计算机控制系统中的功能和目的分为：1)数据采集和监视系统一个微机控制系统离不开数据的采集和处理。

计算机在数据采集和处理时，主要是对大量的过程参数进行定时巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。

在这种应用方式中，计算机虽然不直接参与生产过程的控制，对生产过程不直接产生影响，但其作用还是很明显的。

首先，由于计算机具有速度快等特点，故在过程参数的测量和记录中可以代替大量的常规显示和记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。

同时，由于微处理器具有运算、逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行必要的集中、加工和处理，进行参数的越限报警等工作，或者按要求定时制表、打印或将数据处理的结果记录在外存储器中，作为资料保存和供分析使用2)操作指导控制系统（Operational Information System 简称OIS）该控制系统属于开环控制结构。

系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。

缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。

3)直接数字控制系统（Direct Digital Control,简称DDC）计算机直接参加闭环控制过程。

计算机通过测量元件对一个或多个系统参数进行巡回检测和采样，对开关量信号直接采集输入，对模拟信号经A/D转换变成数字量输入，然后按一定的控制规律计算处理，发出控制信号，经过D/A转换器变成模拟信号，去驱动执行机构动作，或者由开关量通道直接进行控制，使各被控量达到预定的要求。

该控制系统的特点是实时性好、可靠性高和适应性强。

实现集中控制，代替常规控制仪表控制算法,单回路及常用复杂控制系统,由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低,未能普及。

4)监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control，简称SCC）计算机按照被控的生产过程工况和数学模型，计算出最佳给定值或最优控制量，提供给DDC计算机或模拟调节器，最后由DDC计算机或模拟调节器来控制生产过程，使生产过程始终处于最佳工况。

(1)SCC+模拟调节器。

在该系统中，微机的作用是对各物理量进行巡回检测并接收管理命令，然后，按照一定的数学模型计算后，输出给定值到模拟调节器。

此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的。

这样，系统就可以根据生产情况的变化，不断地改变给定值，以达到实现最优控制的目的。

一般的模拟系统是不能随意改变给定值的。

因此，这种系统特别适合老企业的技术改造工程，以便能够充分利用原有的模拟调节器。

(2) SCC+DDC系统。

该系统为两级微机控制系统，一级为监督级SCC，二级为DDC。

SCC的作用与SCC+模拟调节器中的SCC一样，用来计算最佳给定值，它与DDC之间通过接口进行信息联系。

直接数字控制器DDC用来把给定值与测量值(数字量)进行比较，其偏差由DDC进行数字计算，并实现对各个执行机构的调节控制作用。

当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算机完成DDC的控制功能。

它显然提高了控制系统的可靠性。

与SCC＋模拟调节器系统相比，其控制规律可以改变，使用更加灵活。

总之，SCC系统比DDC系统有更大的优越性，可以接近于生产的实际情况。

当系统中模拟调节器或DDC控制器出现故障时，可用SCC系统代替调节器进行调节，因此大大提高了系统的可靠性。

但是，由于生产过程很复杂，其数学模型建立比较困难，所以此系统要达到理想的最优化控制是不容易的。

5)分级控制系统（HCC）现代微机、通信技术和CRT显示技术的巨大进展，使得微机控制系统不但包含控制的功能，而且还包含生产管理和指挥调度的功能。

除了直接数字控制和监督控制以外，还包含了工厂级集中监督微机和企业级经营管理微机。

在企业经营管理中，除了管理生产过程的控制，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度、产品订货和运输等功能。

分级控制系统是工程大系统，它所要解决的不是局部最优化问题，而是一个工厂、一个公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题，即综合自动化问题。

最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。

分级控制系统的理论基础是大系统理论。

智能控制机器人可以看作是一个大系统，智能控制的结构之一就是分级控制。

6)分布式控制系统（Distributed Control System,简称DCS）该系统有代替集中控制系统的趋势，其特点是将控制任务分散，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能实现管理。

采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。