计算机控制技术---课件

（3）计算机闭环控制系统原理组成
控制计算机 生产过程
r +
给定值
e
偏差
-
计算机
D/A
u
控制 作用
执行器
q
操纵 变量
被控对象
y
被控量
A/D
z
测量值
测量变送器
图1-3 计算机控制系统原理框图
图1-2 计算机控制系统原理图
计算机闭环控制系统的原理组成--是把图1-1中的控制 器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A （数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递， 而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模 拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字量 转换为模拟量作为其输出信号。
硬件组成
计算机控制系统硬件一般包括：
主机--CPU ＋RAM＋ROM＋系统总线 常规外部设备--输入/输出设备、外存储器等 过程输入输出通道—AI、AO、DI、DO 操作台—CRT、LED、LCD 等 通信设备—交换机、modem、集线器等 图 1-3所示硬件组成框图

计算机基本系统 CPU 主机 RAM ROM 统 输入设备 常规 外部 设备 输出设备 外存储器 通信设备 操作台 接口 接口 接口 接口 接口 线 接口 总 接口 接口 系 接口



1.3.3 计算机控制理论
1、采样控制系统： 模拟信号采样、香农（Shannon）采样定理 2、离散时间控制系统： 信号在时间上不连续、数字化 3、经典控制论： 在连续系统中采用拉氏变换、传递函数等分析工具，在离散系统 中采用 Z 变换。 4、状态空间理论： 将控制信号、系统输出及输入信号等时域信号以向量形式描述， 并分析他们之间的相互关系。 5、最优控制： 以最快速度、最高产量、最佳效益等为目标来设计控制系统 （大林算法、振铃现象及消除、最少拍控制） 6、系统辩识与自适应控制： 具有自动识别系统模型、自动适应环境变化的控制系统
操作面板
通讯接口
变频调速器
工作频率
电 动 机
速度 V
速度表
控制目标：转速 V
变频调速器：
可根据设定输出不同频率的交流电，从而达到驱动交流电 动机实现不同的转速。 控制过程： 设定值增加 ===> 接口命令参数加大 ===> 变频器输出频率 增加 ===> 电机转速增加
5
例2：水位控制系统
阀门 给水 测量
1.1 机电系统
机械 + 电气 的 组合系统
机械部分：系统的功能部件，与工艺相关的机
器设备及其传动组件 电气部分：系统的动力源，包括各种驱动和执 行设备。
自动控制系统的工作目标：机电系统
机电系统的物理结构图
U（t）
线性驱动器 脉冲驱动器
线性执行器 脉冲执行器
U（nT）
机 械 设 备
Y（t）
1.3 计算机控制系统
以计算机实现运算元件的控制系统。

以机电系统性能指标为目标 适当的现场信息测量采集装置---传感器 适当的现场设备驱动装置---执行器 计算机接口---A/D、D/A、数字I/O 计算机主机或多台计算机网络系统 一定的控制规则---控制算法 适当的可靠性保障---自检、备份、容错
1.3.1 控制计算机的工作任务
实时采集：收集系统的各种运行参数、状态 实时决策：对采集信息进行处理，得出控制值 实时控制：输出控制值，对系统进行控制 实时：在一定时间限度内完成
1.3.2 控制计算机的构成 1.3.2.1 硬件
标准主机、标准外设、专用接口、现场接口、 可靠性组件
控制用计算机的硬件组成
p(t )
n
C e
n
jn s t
（8-2）
电 子
第五节 采样－保持电路
采样－保持电路的功能是对连续变化的模拟信号等间 隔地采样，在两次采样之间的时间间隔内则保持着前一次 采样结束那一瞬间时的信息。 工作原理
(1)开关到S端为采样阶段，uC跟踪输入信号，使uO=uI (2)开关到H端为保持阶段，uO保持在上一次采样结束时 输入电压的瞬时值上。
控制系统的输出量：存在于机电系统中、被控制系统
所调节的物理量。（例1：转速、例2：水位）
控制系统的输入量：在控制系统之外产生、作用于控 开环控制系统：控制系统的输出量不参与控制运算的
系统。（ 例1 ）
制系统之上的物理量。 （例1：设定值、例2：用水量）
闭环控制系统：控制系统的输出量参与控制运算的系
机电系统的计算机控制

参考书目： 《计算机控制技术》张桂香、王辉 －－－－－－电子科技大学出版社 《计算机控制系统》何克忠、李伟 －－－－－－电子科技大学出版社 《控制工程与信号处理》罗抟翼、程佳芬、付家才 《信号与系统》奥本.海姆 《信号与系统》胡光锐
授课人：戴强
1、 概论


闭环控制系统框图
前 向 通 道
（系统输入）
（系统输入） 设定值 控制输出 控制输出 调节信号 干扰信号
运算元件
放大元件
执行机构
检测元件
检测信号 被控物理量
被 控 对 象
（系统输出）
反 馈 通 道
9
（1）闭环控制系统
f 干扰 + e 给定值 _ 偏差 z 测量值 r u
控制作用 控制器 执行器
统。（ 例2 ）
闭环控制系统的构成
检测元件：对系统的输出、输入量进行测量。（例1：
转速表、例2：水位测量） 运算元件：对系统中各种信号、信息进行综合处理， 按一定控制算法给出控制信号。 （例1：操作面板、 例2：比较器） 放大元件：对控制信号进行功率放大。（ 例1 ：变频 器、例2：放大器） 执行元件：执行控制信号所代表的控制含义。（例1 ： 变频器、例2：阀门 ） 被控对象：控制系统的作用对象，其中包含被控物理 量---即系统的输出量。（ 例1 ：电动机、例2：水槽）
H
uI
uO
u
SHSHSHSH
性能衡量标志
采样精度
O
S
C
t
保持精度
第五节
例
A1、A2接成电压跟随器形式
u
-
+
A +
I
1
u
T
O1
R
C
A +
C
2
u
u+
O
-
控制端
工作过程 T导通 ①栅极为高电位 uO=uC=uO1=uI
场效应管作为开关 元件，采样脉冲加 在它的栅极。 相当于开关接通，为采样阶段。
②栅级为低电位
（2）开环控制系统
r
给定值 控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
(b) 开环控制系统
开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被
控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动 执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方 向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间 的偏差，其控制性能不如闭环系统。
内部总线
CPU
标准主机
模拟显示屏 记录仪… 操作台
专用接口
内存 …
外存：硬盘…
CRT
标准外设
A/D D /A
现场接口
键盘鼠标 打印机
数字 I / O
可靠性组件
14
1.3.2.2 软件

系统操作管理软件 --- 实时操作系统
控制运算软件 --- 输入/输出接口驱动、数据采 集、控制算法、结果输出 数据组织 --- 各种操作数据、参数 可靠性软件 --- 自检、报警、恢复程序

（8-3）
f (t )

n
Cn f (t )e

jn s t
（8-4）
若连续信号的Fourier变换为 F ( j ) 则采样信号的 Fourier变换为
，
F ( j )

n
C

n
F ( j jn s )
（8-5）
连续信号 f (t )与离散信号f 线如图所示。
C
R
比较
X
放大
H
用水
水槽
控制目标：水位 H 比较算法： X = R – C 运动及控制过程：用水量增加 ===> 水位下降 ===> 测量值 C 减小 ===> 给定值 R 不变时则 X 增加 ===> X 经放大驱动阀门开度增加 ===> 给水增加 ===> 水位回升 ===> ……
6
自动控制系统中的相关概念
T截止
相当于开关断开，为保持阶段。
uO=uC保持在T导通最后的瞬时值上。
s 为采样频率，Fourier系数C 其中， n 由下式给出
1 T 1 sin(n s / 2) n s / 2 jn s t Cn p(t )e dt e T 0 T n s / 2
则采样信号 f (t )可以表示为
1.2.2 自动控制系统的分类
（依据控制系统输入、输出信号的特点进行分类）

恒值控制系统：系统的设定值恒定不变。 定值控制系统：系统的设定值按给定规律变化。 程序控制系统：系统的控制输出值按给定规律变化。 随动控制系统：控制系统输入、输出信号的变化没有 固定规律，但要求系统输出按某种规则随系统输入的 变化而变化。

f (t ) 0
f (t ) f (t ) T (t ) f (t ) (t kT )
k 0
此时，采样过程如图所示。
（8-8）
理想采样开关的输出是一个理想脉冲序列。
过程输入输出通道 A / D转换 测量变送 工
DLeabharlann BaiduA 转换
驱动执行
业
开关输入
对
象 开关输出
图1-3
计算机控制系统硬件组成框图 图1-4 计算机控制系统硬件组成框图 链接动画
2、 采样过程与采样定理 基本要求
正确理解采样过程，采样定理，信号恢复和零阶保
持器的作用, 了解采样系统与连续系统的区别与联 系。
Y（nT）
t : 时间 T : 控制周期 n : 整数 U（t） 、 Y（t） : 连续信号 U（nT） 、 Y（nT） : 离散信号
3
1.2 自动控制系统

基本概念 基本部件 组成结构 分类
1.2.1 自动控制系统的构成
（通过 2 个例子来了解自动控制系统）
例1：电机调速系统
设定值
（4）计算机控制系统的监控过程步骤
a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的
瞬时值进行采集和输入 ；
b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、
比较和处理，按一定的控制规 律运算，进行控制决策；
c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行
器发出控制信号，完成监控任 务；
1.1.2


s 2 max
（8-6）
二、理想采样过程
为了简化采样过程的数学描述，引入如
下理想采样开关的概念 。 载波信号 p (t )可以近似成如下理想脉冲 序列（ 0）
T (t )
k
(t kT )

（8-7）
再设当 t 0 时，
则采样过程的数学描述为
解终值定理的使用条件、积分环节与系统的型别的 关系。
熟练掌握瞬态响应与极点分布的对应关系。 掌握最小拍采样系统的设计步骤。
机载火力控制系统原理图
一、采样过程
——将连续信号转换成离散信号的过程
该过程可以看成是一个信号的调制过程，如图 所示， 其中载波信号 p(t ) 是一个周期为T，宽度为 ( T)， 幅值为 1的脉冲序列，如图（b）所示。
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器 图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。

(t )的频谱曲
图8-4
香农（Shannon）采样定理
若存在一个理想的低通滤波器，其频率
特性如图所示，便可以将采样信号完全 恢复成原连续信号。由此可得如下著名 的香农（Shannon）采样定理：
如果采样频率 s满足以下条件 式中 max 为连续信号频谱的上限 频率 则经采样得到的脉冲序列可以 无失真地恢复为原连续信号。

调制后得到的采样信号是一个周期为T，宽度为

幅值正比于采样瞬时值的脉冲序列，如图（c）所示。
信号的采样过程
f (t ) p(t ) f (t )

（8-1）
实现上述采样过程的装置称为采样开关 可用图（d）所示的符号表示。
由于载波信号
p(t ) 是周期函数，

故可以展成如下Fourier级数
Z变换和Z反变换，熟练掌握几种典型信号的Z变换和
通过部分分式分解进行反变换.
正确理解脉冲传递函数的概念，熟练掌握简单采样
系统开环脉冲传递函数和闭环脉冲传递函数的计算 方法, 掌握典型闭环采样系统输出的Z变换表达式。
熟练掌握Z域稳定性的判别方法。
熟练掌握采样瞬时的稳态误差的计算方法，正确理