计算机控制系统第四章剖析
合集下载
计算机控制附第4章 44页PPT文档
（4）在没有附加控制器的情况下，输出反馈的效果没有状态 反馈好。
极点：
系统的极点的形式有实数和复数两种。 对于实数的极点，在微分方程的解中就会有一个指数项
与它相对应。这个指数是以e为底的，它可以是不断减少的， 也可以是不断增大的。对于复数形式的极点，微分方程的解 就会有一个振荡的项同它对应，并且振幅会根据复数极点的 实部的大小不停的变化。
G a b ( s ) ( s I A ) 1 B [ I K ( s I A ) 1 B ] 1
于是，从 v 到 y 的传递函数矩阵 G(s;K, L)
即为
G (s； K ， L)C (sIA )1B [IK (sIA )1B ]1L G (s)[IK (sIA )1B ]1L
传统的输出反馈方法虽然也能改变系统极点的位置，但有很 大的局限性。对于单输入单输出情况，输出反馈只能使极点在 根轨迹曲线上变动，而不能把它们移到其他位置上去。采用状 态反馈方法可以实现极点的任意配置。
极点配置： 定常线性系统的动态特性取决于它的传递函数矩阵的极点在
复数平面上的位置。给定定常线性系统 (A，B，C)，则在采用 反馈增益矩阵K实现状态反馈后，闭环系统就变成为(A-BK， B，C)。极点配置问题就归结为对于指定的 n个期望极点s1， s2，…,sn，确定一个适当的反馈增益矩阵K。
de 0 0 t
s 0
01 s 0
1 1
00k1
1 0
k2
k3
s 3 2 k 1 s 2 2 k 1 k 2 1 s k 1 k 2 k 3
根据要求的闭环期望极点，可求得闭环期望特征 多项式为
状态观测器的出现，不但为状态反馈的技术实现提供 了可能性，而且在控制工程中也得到了实际应用。
极点：
系统的极点的形式有实数和复数两种。 对于实数的极点，在微分方程的解中就会有一个指数项
与它相对应。这个指数是以e为底的，它可以是不断减少的， 也可以是不断增大的。对于复数形式的极点，微分方程的解 就会有一个振荡的项同它对应，并且振幅会根据复数极点的 实部的大小不停的变化。
G a b ( s ) ( s I A ) 1 B [ I K ( s I A ) 1 B ] 1
于是，从 v 到 y 的传递函数矩阵 G(s;K, L)
即为
G (s； K ， L)C (sIA )1B [IK (sIA )1B ]1L G (s)[IK (sIA )1B ]1L
传统的输出反馈方法虽然也能改变系统极点的位置，但有很 大的局限性。对于单输入单输出情况，输出反馈只能使极点在 根轨迹曲线上变动，而不能把它们移到其他位置上去。采用状 态反馈方法可以实现极点的任意配置。
极点配置： 定常线性系统的动态特性取决于它的传递函数矩阵的极点在
复数平面上的位置。给定定常线性系统 (A，B，C)，则在采用 反馈增益矩阵K实现状态反馈后，闭环系统就变成为(A-BK， B，C)。极点配置问题就归结为对于指定的 n个期望极点s1， s2，…,sn，确定一个适当的反馈增益矩阵K。
de 0 0 t
s 0
01 s 0
1 1
00k1
1 0
k2
k3
s 3 2 k 1 s 2 2 k 1 k 2 1 s k 1 k 2 k 3
根据要求的闭环期望极点，可求得闭环期望特征 多项式为
状态观测器的出现，不但为状态反馈的技术实现提供 了可能性，而且在控制工程中也得到了实际应用。
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。
计算机操作系统第四章-存储器管理
第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。
但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等多方面，同时满足用户的需求。
实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。
2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：少量的、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：若干(千)兆字节、中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：存在于主存中；•磁盘：数千兆或数万兆字节、低速、价廉、不需要电源维持、CPU 不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。
二、存储管理的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在成本、速度和规模之间获得较好的权衡。
(注意cpu和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。
●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。
这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。
2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存单元(字节)的地址。
●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。
四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；地址映射分静态和动态两种方式。
1、静态地址重定位是程序装入时集中一次进行的地址变换计算。
物理地址= 重定位的首地址+ 逻辑地址•优点：简单，不需要硬件支持；•缺点：一个作业必须占据连续的存储空间；装入内存的作业一般不再移动；不能实现虚拟存储。
计算机控制系统特性分析
z 2 + 2 z + 0.9267 = 0
进行w变换后得到：
例4.2 在例4.1中，设T=1s，求使系统稳定的K的变化范 围？并求s平面和w平面的临界频率。 解：采用双线性变换Ⅱ，此时系统的特征方程为
1 + KG ( z ) z =1+ 0.5w = 1 +
1− 0.5 w
−0.2932 w2 + 0.0733w + 3.9267 = 0
则系统是稳定的。
w = ± j1.549
故w平面的临界频率为 s平面的临界频率为
ω w = 1.549
ω= 2 ωT tan −1 w = 1.32 T 2
（3）朱利判据
例4.3 在例4.1中，设T=1s，试用z域直接判别法确定满足系 统稳定的K值范围。 解：系统的特征方程为
W ( z ) = z + (0.368 K − 1.368) z + (0.264 K + 0.368) = 0
n
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
（3） （4）
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
S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的 直线, ω = ω s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
2 对于二阶振荡系统 s + 2ξωn s + ω n = 0 ，在S平面上等 阻 尼线为通过原点的射线且 cos β = ξ ，在Z 平面上为螺旋 线。 2
计算机控制系统-4-数据采集与处理技术 (2)
+Vs -Vs VIN OFFSET CH LF398 IN OUT IN +
V EE Vcc V DD REF OFF DB11 BIF OUT P0.7 REF IN AD574 VIN STS 12/8 DG AG DB 0 CE R/C A0 CS P 0.0 RD WR A0 P2.7 P2.6 A1 A2
3）、平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号， 但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。
中位值滤波法
中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m 次(m≥3)且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间 值作为本次采样的有效数据。
特点: 中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发 的干扰有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化 缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果； 对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位 值滤波法。
4.2.3 模拟量数据采集的预处理方法
包括：有效性检查与数字滤波技术
1、有效性检查
检查被测量是否 在信号标准的上 下限值范围内。
2、 数字滤波技术
所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干 扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。 与模拟滤波器相比，有以下几个优点:
(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定 性好。 (2)数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波，克服了模拟滤 波器的缺陷。 (3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数， 具有灵活、方便、功能强的特点。
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。
对1、2、3次采样中位值滤波后值：24
对4、5、6次采样中位值滤波后值：27
对7、8、9次采样中位值滤波后值：25
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 ， ，
《计算机控制及网络技术》-第4章 计算机控制系统分析
z x y 1
2 2
z x y 1
2 2
z平面与w平面映射关系
由此可见，变换把z平面上的单位圆映射为w平面 上的虚轴；把z平面上的单位圆内区域映射为w平面上 的左半部；把z平面上的单位圆外区域映射为w平面上 的右半部。
2 z 1 2 e jT 1 2 e jT / 2 e jT / 2 w jT T z 1 z e jT T e 1 T e jT / 2 e jT / 2 2 T j tan T 2
1
0.368 z 0.264 2 z 1.368 z 0.368
闭环脉冲传递函数为
( z )
系统特征方程为
0.368 z 0.264 z 2 z 0.632
z z 0.632 0
2
采用双线性变换，即 z 1 wT / 2 ，则可得w平面的特征 1 wT / 2 方程为
1 0.5 w
K (0.368 z 0.624) 1 2 z 1.368 z 0.368 z 10.5 w
1 0.5 w
(1 0.0381K ) w2 (0.924 0.386 K ) w 0.924 K w( w 0.924)
即特征方程为
(1 0.0381K )w2 (0.924 0.386K )w 0.924K 0
jT
T
j (T 2k )
, k 0, 1, 2,
极座标形式
于是，s域到z域的基本映射关系式为
z eT , T
模大小
S平面等衰减线
s平面左半平面的垂直线（等衰减线）对应
于z平面半径小于1的圆
s平面右半平面的垂直线对应于z平面半径 大于1的圆
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
所以， Ti也要根据对象选择。 注意：加入积分控制时，比例控制量要适当降低，为
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
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
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。
【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]
第四章 控制系统的软件和常用控制程序设计
断和处理。
4、良好的界面 软件应当有友好的界面，以利于参数的调整和操作人员的 操作。 第一节 控制系统的软件分类 计算机控制系统的软件分为系统软件和应用软件两大类。 一、系统软件 系统软件包括操作系统，编辑、编译软件，各类工具软件 及诊断系统等；其核心是操作系统。 操作系统是一组程序的集合，它控制计算机系统中用户程 序的执行次序，为用户程序与系统硬件之间提供软件接口，并 允许程序之间的信息交换。 根据计算机控制系统的结构、控制功能情况选用不同的操 作系统。
第二节 常用控制程序设计 生产对象种类繁多，要求各异，常用控制程序的类型和内 容也十分丰富。本节仅选择一些最基本和常用的程序进行简单 的介绍： （1）查表法实现数值计算 （2）数字滤波程序
（3）标度变换程序
（4）非线性参数补偿方法 （5）报警程序 用软件实现常用控制功能的优点是：灵活性好，精度高， 稳定可靠，不受外界干扰。
l 程序设计步骤如下：
（1）设R2 中存放元素表中下限元素的序号（R2=0），R3 存放 上限元素的序号（R3=n）
（2） 计算中点元素序号
R4 = ( R3 + R2 ) / 2 （3） 计算中点元素的地址 （MIADR）= 表首地址+字节数* R4 （4）要查找的元素与中点元素比较，若X<[MIADR]，R2
（1）表的起始位置送PC和DPTR
（2）表格的长度存放在某个寄存器中 （3）要查找的关键字放在某一内存单元 （4）用CJNE A，direct, rel指令进行查找 把A当中的值和直接地址中的值比较， 若相同则继续执行。
例6-1 以DATA为首地址的存储单元中，存放一长度为100个字节的无序表 格，要寻找的关键字存放在HWORD单元。编程进行查找，若找到，则将 关键字所在内存单元地址存到R2、R3中，若未找到，将R2、R3清零。 解： 顺序查表 （CHE） 关键字 （R4） 表长度
4、良好的界面 软件应当有友好的界面，以利于参数的调整和操作人员的 操作。 第一节 控制系统的软件分类 计算机控制系统的软件分为系统软件和应用软件两大类。 一、系统软件 系统软件包括操作系统，编辑、编译软件，各类工具软件 及诊断系统等；其核心是操作系统。 操作系统是一组程序的集合，它控制计算机系统中用户程 序的执行次序，为用户程序与系统硬件之间提供软件接口，并 允许程序之间的信息交换。 根据计算机控制系统的结构、控制功能情况选用不同的操 作系统。
第二节 常用控制程序设计 生产对象种类繁多，要求各异，常用控制程序的类型和内 容也十分丰富。本节仅选择一些最基本和常用的程序进行简单 的介绍： （1）查表法实现数值计算 （2）数字滤波程序
（3）标度变换程序
（4）非线性参数补偿方法 （5）报警程序 用软件实现常用控制功能的优点是：灵活性好，精度高， 稳定可靠，不受外界干扰。
l 程序设计步骤如下：
（1）设R2 中存放元素表中下限元素的序号（R2=0），R3 存放 上限元素的序号（R3=n）
（2） 计算中点元素序号
R4 = ( R3 + R2 ) / 2 （3） 计算中点元素的地址 （MIADR）= 表首地址+字节数* R4 （4）要查找的元素与中点元素比较，若X<[MIADR]，R2
（1）表的起始位置送PC和DPTR
（2）表格的长度存放在某个寄存器中 （3）要查找的关键字放在某一内存单元 （4）用CJNE A，direct, rel指令进行查找 把A当中的值和直接地址中的值比较， 若相同则继续执行。
例6-1 以DATA为首地址的存储单元中，存放一长度为100个字节的无序表 格，要寻找的关键字存放在HWORD单元。编程进行查找，若找到，则将 关键字所在内存单元地址存到R2、R3中，若未找到，将R2、R3清零。 解： 顺序查表 （CHE） 关键字 （R4） 表长度
计算机控制系统-第4章-王万成
i 0 i j 0 j
N
M
来描述，则在上式两边取 Z 变换并利用 Z 变换时移性质得
j a z C ( z ) b z i j R( z ) i i 0 j 0 N M
因此脉冲传递函数可以表示为两个 z 的多项式之比
1
C ( z) G( z) R( z )
b z
j 0 N j i 0
4.2.1 开环系统脉冲传递函数 4.2.2 闭环系统脉冲传递函数 4.2.3 扰动信号对系统输出的影响
4.3由脉冲传递函数绘制系统模拟框图 4.4信号流图 4.5离散系统频率特性
2
4.1 脉冲传递函数定义
与连续系统的传递函数类似,定义离散系统的脉冲传递函数 G ( z ) 为,在零初始条件下,系 统或环节的输出量 Z 变换 C ( z ) 与输入量 Z 变换 R ( z ) 之比,即
（4-6）
G( z )
比较式（4-6）和式（4-7） ，得
C ( z) R( z )
（4-7）
G( z) G1 ( z)G2 ( z)
（4-8）
14
同理，当有 n 个环节串联，且每两个环节间均有同步采样开关隔开时，总的等效脉冲传 递函数 G ( z ) 可以表示为
G( z ) G1 ( z )G2 ( z ) Gn ( z ) Gi ( z )
M
j
i a z i
（4-2）
可见，脉冲传递函数和差分方程可以相互转化。式（4-2）表明，脉冲传递函数只与系统的 差分方程的系数有关，即只与系统的结构、参数有关，与系统输入无关。与差分方程一样， 脉冲传递函数表征了系统或环节的输入输出之间的关系。
4
例 4.1 若某离散系统的单位脉冲序列响应为
N
M
来描述，则在上式两边取 Z 变换并利用 Z 变换时移性质得
j a z C ( z ) b z i j R( z ) i i 0 j 0 N M
因此脉冲传递函数可以表示为两个 z 的多项式之比
1
C ( z) G( z) R( z )
b z
j 0 N j i 0
4.2.1 开环系统脉冲传递函数 4.2.2 闭环系统脉冲传递函数 4.2.3 扰动信号对系统输出的影响
4.3由脉冲传递函数绘制系统模拟框图 4.4信号流图 4.5离散系统频率特性
2
4.1 脉冲传递函数定义
与连续系统的传递函数类似,定义离散系统的脉冲传递函数 G ( z ) 为,在零初始条件下,系 统或环节的输出量 Z 变换 C ( z ) 与输入量 Z 变换 R ( z ) 之比,即
（4-6）
G( z )
比较式（4-6）和式（4-7） ，得
C ( z) R( z )
（4-7）
G( z) G1 ( z)G2 ( z)
（4-8）
14
同理，当有 n 个环节串联，且每两个环节间均有同步采样开关隔开时，总的等效脉冲传 递函数 G ( z ) 可以表示为
G( z ) G1 ( z )G2 ( z ) Gn ( z ) Gi ( z )
M
j
i a z i
（4-2）
可见，脉冲传递函数和差分方程可以相互转化。式（4-2）表明，脉冲传递函数只与系统的 差分方程的系数有关，即只与系统的结构、参数有关，与系统输入无关。与差分方程一样， 脉冲传递函数表征了系统或环节的输入输出之间的关系。
4
例 4.1 若某离散系统的单位脉冲序列响应为
计算机控制系统第四章
这个反馈由下式给出：
u(k)L(xk)
其中：L p 1 a 1 p 2 a 2 p n a n W ~ c W c 1 0 0 1 W C 1 P ( )
(4.14)
W c 和 W~C 分别为(4.2)式和（4.5）式所是系统的能达矩阵。
证 根据凯莱-哈密顿定理得：
P ~ ~np1 ~n 1 pnI
根据 4.12 有： 即：
enW ~C1en en enW ~C
注 1 ： 称方程 (4.14) 为阿克曼（Ackermann）公式。
注 2： 极点配置问题：给定矩阵 和 ，寻找一个矩阵 以便
矩阵 L 有规定的特征值。
注 3： 根据 (4.11)式和(4.12)式，可得：
T 1 a 1 n 1 a 1 n 2 a n 1 (4.15)
可编辑ppt
11
例 4.2 双重积分器
考虑例（4.1）的对象，假设希望的特征多项式为：
P (z)z2p1zp2
原系统得： 和
Wc h2h2 3hh2 2
Wc111hh22 10.5.5hh
原系统的特征多项式为：
z22z1
因此：
P ( ) 2p 1 p 2 I 1 p 1 0 p 2 1 2 h p 1 p 1 p h 2
由阿克曼公式得：
L 0 1 W c 1 P ( ) 1 h 2 0 . 5 h P ( ) 1 p h 1 2 p 23 p 2 1 h p 2
确定变换矩阵T的一个简单方法是基于能达性矩阵的特性。
系统 (4.2) 式的能达矩阵 W c 为：
W c n 1
(4.10)
系统 (4.5) 式的能达矩阵 W~c 为：
W~c TWc
得到变换矩阵T：
u(k)L(xk)
其中：L p 1 a 1 p 2 a 2 p n a n W ~ c W c 1 0 0 1 W C 1 P ( )
(4.14)
W c 和 W~C 分别为(4.2)式和（4.5）式所是系统的能达矩阵。
证 根据凯莱-哈密顿定理得：
P ~ ~np1 ~n 1 pnI
根据 4.12 有： 即：
enW ~C1en en enW ~C
注 1 ： 称方程 (4.14) 为阿克曼（Ackermann）公式。
注 2： 极点配置问题：给定矩阵 和 ，寻找一个矩阵 以便
矩阵 L 有规定的特征值。
注 3： 根据 (4.11)式和(4.12)式，可得：
T 1 a 1 n 1 a 1 n 2 a n 1 (4.15)
可编辑ppt
11
例 4.2 双重积分器
考虑例（4.1）的对象，假设希望的特征多项式为：
P (z)z2p1zp2
原系统得： 和
Wc h2h2 3hh2 2
Wc111hh22 10.5.5hh
原系统的特征多项式为：
z22z1
因此：
P ( ) 2p 1 p 2 I 1 p 1 0 p 2 1 2 h p 1 p 1 p h 2
由阿克曼公式得：
L 0 1 W c 1 P ( ) 1 h 2 0 . 5 h P ( ) 1 p h 1 2 p 23 p 2 1 h p 2
确定变换矩阵T的一个简单方法是基于能达性矩阵的特性。
系统 (4.2) 式的能达矩阵 W c 为：
W c n 1
(4.10)
系统 (4.5) 式的能达矩阵 W~c 为：
W~c TWc
得到变换矩阵T：
计算机控制系统PPT_4 (2)
第三章 计算机控制系统中的控制策略 16
2015/8/24
—计算机控制系统—
4-1-4 软测量简介（1）
问题的提出背景
实际生产过程中，一些重要质量指标变量如 精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体 浓度等都难以直接测量，以前的解决方法： （1）采用间接的质量指标：如温度控制 （2）采用在线分析仪表
5
—计算机控制系统—
4-1-1 采样数据的合理性判别及报警(1)
越限的限幅与报警
设某通道当前采样值为y(k) yL ≤y(k)≤yH 时; y(k)为当前采样有效值 y(k)>yH , 取 y(k)= yH (上限值)，报警 y(k)<yL , 取 y(k)= yL (下限值)，报警
2015/8/24
2015/8/24 第三章 计算机控制系统中的控制策略 27
—计算机控制系统—
4-2-1 标准数字PID控制算法（5）
PID增量算式的另一种形式
u(k ) K c [e(k ) e(k 1)] Ki e(k ) K d [e(k ) 2e(k 1) e(k 2)]
软测量模型精 度保证机制： 在线自校正和 不定期的模型 更新
2015/8/24
20
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
数字PID控制算法 Data PID Control Arithmetic
2015/8/24
第三章 计算机控制系统中的控制策略
21
—计算机控制系统—
本节主要内容
标准数字PID控制算法
9
—计算机控制系统—
4-1-2 数字滤波—平均值滤波法（2）
实现方法
–可以在一个采样瞬间对一个测点多次
2015/8/24
—计算机控制系统—
4-1-4 软测量简介（1）
问题的提出背景
实际生产过程中，一些重要质量指标变量如 精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐中菌体 浓度等都难以直接测量，以前的解决方法： （1）采用间接的质量指标：如温度控制 （2）采用在线分析仪表
5
—计算机控制系统—
4-1-1 采样数据的合理性判别及报警(1)
越限的限幅与报警
设某通道当前采样值为y(k) yL ≤y(k)≤yH 时; y(k)为当前采样有效值 y(k)>yH , 取 y(k)= yH (上限值)，报警 y(k)<yL , 取 y(k)= yL (下限值)，报警
2015/8/24
2015/8/24 第三章 计算机控制系统中的控制策略 27
—计算机控制系统—
4-2-1 标准数字PID控制算法（5）
PID增量算式的另一种形式
u(k ) K c [e(k ) e(k 1)] Ki e(k ) K d [e(k ) 2e(k 1) e(k 2)]
软测量模型精 度保证机制： 在线自校正和 不定期的模型 更新
2015/8/24
20
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
数字PID控制算法 Data PID Control Arithmetic
2015/8/24
第三章 计算机控制系统中的控制策略
21
—计算机控制系统—
本节主要内容
标准数字PID控制算法
9
—计算机控制系统—
4-1-2 数字滤波—平均值滤波法（2）
实现方法
–可以在一个采样瞬间对一个测点多次
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
于是，有
x (k 1) Fx (k) Gu(k) y(k) Cx (k)
（9） （10）
计算机控制系统第四章剖析
（二）当 m 0 时：
由（5）式： x(k 1) eAT x(k) T eA Bu(kT T lT m )d 0
当 0 m 时， 0 m T
u(kT lT T m ) u(kT lT T ) u(k l 1)
Ga
T e A dB
m
T m e A(m )dB e Am
0
T m eA dB F (m)G(T m)
0
Gb
m eA dB G(m)
0
（13）
上式说明， F、Ga、Gb 的求解最终归结为计算矩阵指数及其积分。
计算机控制系统第四章剖析
通过增广矩阵将（11）式写成标准离散状态方程的形式：
u T
K-l
K-l+1
t
x(k 1) eAT x(k) T eAdBu(k l) 0 Fx(k) Gu(k l)
计算机控制系统第四章剖析
（6）
写成标准形式：
xn1(k) u(k l)
令
xn2
(k
)
u
(k
l
1)
xnl (k) u(k 1)
令增广状态
x(k)
x
(k
)
两边积分，有： t d [eA x( )]d t eA Bu( )d
t0 d
t0
其中
t d [eA x( )]d t d [eA x( )] eA x( ) t
t0 d
t0
t0
eAt x(t) eAt0 x(t0 )
计算机控制系统第四章剖析
因此，有：
eAt x(t) eAt0 x(t0 )
令 t kT T ，（4）式化为：
x(k 1) Fx(k) Gu(k)
其中 F eAT , G T eAtdtB 0
式（1）中，输出方程的离散形式为：
y(k) Cx(k)
故连续模型等效离散状态方程是：
x(k 1) Fx(x) Gu(k)
y(k
)
Cx(k
)
（5） （6）
（7）
（8）
设 kT T , 0 T ，并将（2）式代入，有
x(k 1) eAT x(k) T eA Bu(kT T )d 0 eAT x(k) T eA Bu(kT T lT m )d 0
计算机控制系统第四章剖析
（3） （4）
（5）
（一）当 m 0 时：
u(kT lT T ) u(kT lT ) u(k l)
（2）
将控制对象与保持器一起进行离散化处理，得到离散系统模型。
计算机控制系统第四章剖析
对式（1）求解：
x Ax Bu 两边同乘 e At ，得到 eAt (x Ax) eAt Bu 由于 eAt (x Ax) d [eAt x(t)]
dt
于是 d [eAt x(t)] eAt Bu dt
设计
4.1 连续控制对象模型的离散化
一、不带延时的连续控制对象模型的离散化
设连续控制对象的模型可用如下的状态方程描述：
x(t) Ax(t) Bu(t)
y(t)
Cx(t)
（1）
其中设 x 为 n 维状态向量，u 为 m 维控制向量，y 为 r 维输出向量。 设在连续的对象前面有零阶保持器，即
u(t) u(k) kT t (k 1)T
第4章 基于状态空间模型的极点配置设计方法
基于状态空间模型设计控制系统方法： 1、极点配置方法*-----设计控制规律 设计观测器 2、最优设计方法-----最优控制和最优估计，即LQG（Linear Quadratic Gaussian）设计问题。
*设计方法基本思路：
模型
指标（极点）
计算机控制系统第四章剖析
0
m
Fx(k) Gau(k l) Gbu(k l 1)
（11）
其中 F e AT
Ga
T e A dB
m
Gb
m e A dB
0
（12）
计算机控制系统第四章剖析
若令： F(t) eAt , G(t) t eA dB 0
则式（12）可以写成：
令 ( m )
F eAT F (T )
xn1
(k
)
xnl
(k
)
则（6）式变为： x(k 1) Fx(k) Gu(k)
F G 0 0
0
0
0
I 0
0
其中 F
G
0
0
0
I
0
0 0 0 0
I
计算机控制系统第四章剖析
（7） （8）
式（1）中的输出方程离散化为：
y(k) Cx(k) Cx(k)
其中 C C 0
u T
K-l
K-l+1
k-l+2 t
计算机控制系统第四章剖析
当 m T 时，0 T m T
u(kT lT T m ) u(kT lT ) u(k l)
u
T
K-l
K-l+1
k-l+2 t
计算机控制系统第四章剖析
所以，有
x(k 1) eAT x(k) m eAdBu(k l 1) T eAdBu(k l)
t eA Bu( )d
t0
两边同乘 e At ，有：
x(t) eA(tt0 ) x(t0 )
t e A(t ) Bu ( )d
t0
令 t0 kT, t (k 1)T ，由（2）式，得
x(k 1) eAT x(k) (k1)T eA(kT T )dBu(k) kT
（3） （4）
计算机控制系统第四章剖析
计算机控制系统第四章剖析
二、包含延时的连续控制对象模型的离散化
设连续控制对象的模型为：
x(t) Ax(t) Bu(t )Βιβλιοθήκη y(t)Cx(t)
（1）
其中设 x 为 n 维状态向量，u 为 m 维控制向量，y 为 r 维输出向量， 是
控制作用的延迟时间（即：各控制量延时时间相等）。
设 lT m 0 m T l 0 的整数
（1）l = 1时：
式（11）变为： x(k 1) Fx(k) Gau(k 1) Gbu(k)
含义：延迟时间不一定是采样周期的整数倍。 零阶保持器：
u(t) u(k) kT t (k 1)T
（2）
计算机控制系统第四章剖析
式（1）解为：
x(t) eA(tt0 ) x(t0 )
t e A(t )Bu ( )d
t0
上式中，令 t0 kT, t (k 1)T ，则
x(k 1) eAT x(k) (k1)T eA(kT T )Bu( )d kT