计算机控制系统第一章
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16
5、计算机控制系统理论
计算机控制系统
忽略量 化效应
采样控制系统
连续环节 离散化
离散控制系统
故计算机控制系统理论主要包括： 离散系统理论 采样系统理论 数字系统理论
17
离散系统理论： 对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。
（1）差分方程和Z变换理论：分析离散系统的性能和稳定性。 （2）常规控制规律设计方法：如有限拍控制，离散PID控制，
（8）21世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即网络化控制系统 NCS（Networked Control System）。
控制计算机
集中控制系统
检测/执行 检测/执行
检测/执行
设备1
设备2
设备n
12
上位机 控制室 DCS
CC
C
PP
P
UU
U
检测/执行
设备1
检测/执行
设备2
检测/执行
设备n
上位机
FF
总线
控制装置
检测/执行
设备1
控制装置
检测/执行
设备2
控制装置
检测/执行
设备n
13
控制机1
控制机2
控制机n
NCS
互联网
检测/执行 设备1
检测/执行 设备2
检测/执行 设备n
14
4、计算机与控制理论相结合存在的问题
问题： 大多计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应
用水平仍然较低。 表现： （1）绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的PID反 馈控制律。 （2）当对象参数的时变性、不确定性、非线性等变的突出时，传统 的PID控制律就不能达到较好的控制效果。
参数寻优设计，直接解析设计法等。 （3）复杂控制规律的设计方法：在常规控制的基础上实现，包括
串级控制 前馈控制 纯滞后补偿控制 解耦控制
18
（4）极点配置设计法： 基于传递函数模型 基于状态方程模型：控制规律设计 观测器设计
（5）最优设计方法： 基于传递函数：最小方差 广义最小方差 基于状态方程：线性二次型最优控制 状态最优估计
（6）现代控制规律的设计方法：自适应控制，预测控制，鲁棒控制等 （7）智能化设计方法：模糊控制，专家控制，神经网络控制等
_
采样器
图（c）
（4）数字控制系统
r(t) +
e(t)
e*(k)
u*(k)
A/D
D*(z)
D/A
u(t) G(s)
y(t)
_
图（d）
8
四种系统之间的关系：
（1）计算机控制系统即为典型的数字控制系统，包含数字信号；由于 控制对象连续，也包含连续信号； *数字信号：时间上离散、幅值上量化的信号。
（2）
r(t) +
e(t) 控制器 u(t) 执行机构
被控对象 y(t)
_
变送器
测量环节
计算机
图（a）
控制对象
r(k) + _
e(k) 控制器 u(k) D/A
y(k)
A/D
u(t) 执行机构 变送器
被控对象 y(t) 测量环节
图（b）
5
（6）计算机控制的特点 • 能同时实现多种模拟仪表的功能 • 同时控制多个回路，实现多种控制功能 • 可以实现各种先进、复杂的控制规律 • 控制系统调试、整定灵活方便 • 可以实现控制、管理的集成
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原因： （1）先进控制理论和方法有些需要对象的精确数学模型，有些导出控 制律非常复杂，不能满足实时计算的要求，有些有附加的应用条件。 （2）先进控制理论和方法在工程应用时，控制规律设计、软件实现以 及参数调控通常都比较复杂，专业性很强，一般工程技术人员难以掌 握。
解决： （1）发展各种使用简便的先进控制策略。 （2）培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才。
工程硕士课程
计算机控制理论与设计
关守平
1
第 1 章 绪论
1、计算机控制系统介绍
（1）计算机控制系统：利用计算机进行控制的系统，也称为数 字控制系统。
（2）计算机控制理论：控制系统的计算机实现的理论。
2
（3）计算机在控制领域的应用 a、离线应用--计算机辅助设计控制系统或称控制系统CAD 利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、 仿真以及建模工作，因而减轻劳动强度，缩短设计周期，提 高设计质量。 b、在线应用--计算机控制系统（数字控制） 利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系统的一个 组成部分。
6
• 2、控制系统分类：按包含的信号形式分：
（1）连续控制系统
r(t) +
e(t)
D(s)
u(t)
G(s)
_
图（a）
来自百度文库
（2）离散控制系统
r(k) +
e(k)
D(z)
u(k)
G(z)
_
y(t) y(k)
图（b）
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（3）采样控制系统
r(t) +
e(t)
e(k)
D(z)
u(k)
保持器
u(t)
G(s)
y(t)
计算机控制系统
忽略量化效应
采样控制系统
连续控制系统
离散化处理
控制对象与保持器 一起离散化
离散控制系统
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3、计算机控制系统的发展概况
计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。
（1）1946年美国生产出了世界上第一台电子计算机。 （2）50年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行：
1956年美国德克萨斯德一个炼油厂与美国航天工业公司TRW合作进行 计算机控制系统的研究，到1959年用RW-300计算机控制聚合装置的系统 研制成功。
a、电子管，体积大，价格贵，可靠性差； b、操作指导，设定点控制； c、静态寻优----建立过程的静态数学模型 d、动态寻优的概念：建立系统的动态数学模型（系统辩识）
10
（3）1962年，美国帝国化学公司用计算机代替模拟控制，直接控制 过程变量，此种控制称为直接数字控制DDC（Direct Digital Control）。 a、一次投资大，但扩展系统费用低，比如增加一个控制回路； b、系统改变灵活，操作简单。
（4）60年代，DDC技术大发展时期；计算机发展，出现小型机。 （5）70年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向分散控制 DCS
（Distributed Control System）。 （6）80年代，DCS系统大发展时期。
11
（7）90年代，现场总线技术出现与发展。
FF（Field Bus Foundation）总线，LONWORKS总线，CAN（Controller Area Network）总线等。
3
（4）计算机控制系统示例
管理决策级
企业机1
综合自动化或CIMS
企业机2
调度级
过程级
基础自
总 流
动化级 量
板厚 板温 板型 板材
… ...
过程计算机
流 量 比
调度级1
过程1
过程优化控制
辊 PID 道 预测 速 自适应 度 鲁棒
终冷温度 上/下板温差
调度级2
过程2
过程n
4
（5）计算机控制系统组成与结构
5、计算机控制系统理论
计算机控制系统
忽略量 化效应
采样控制系统
连续环节 离散化
离散控制系统
故计算机控制系统理论主要包括： 离散系统理论 采样系统理论 数字系统理论
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离散系统理论： 对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。
（1）差分方程和Z变换理论：分析离散系统的性能和稳定性。 （2）常规控制规律设计方法：如有限拍控制，离散PID控制，
（8）21世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即网络化控制系统 NCS（Networked Control System）。
控制计算机
集中控制系统
检测/执行 检测/执行
检测/执行
设备1
设备2
设备n
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上位机 控制室 DCS
CC
C
PP
P
UU
U
检测/执行
设备1
检测/执行
设备2
检测/执行
设备n
上位机
FF
总线
控制装置
检测/执行
设备1
控制装置
检测/执行
设备2
控制装置
检测/执行
设备n
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控制机1
控制机2
控制机n
NCS
互联网
检测/执行 设备1
检测/执行 设备2
检测/执行 设备n
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4、计算机与控制理论相结合存在的问题
问题： 大多计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应
用水平仍然较低。 表现： （1）绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的PID反 馈控制律。 （2）当对象参数的时变性、不确定性、非线性等变的突出时，传统 的PID控制律就不能达到较好的控制效果。
参数寻优设计，直接解析设计法等。 （3）复杂控制规律的设计方法：在常规控制的基础上实现，包括
串级控制 前馈控制 纯滞后补偿控制 解耦控制
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（4）极点配置设计法： 基于传递函数模型 基于状态方程模型：控制规律设计 观测器设计
（5）最优设计方法： 基于传递函数：最小方差 广义最小方差 基于状态方程：线性二次型最优控制 状态最优估计
（6）现代控制规律的设计方法：自适应控制，预测控制，鲁棒控制等 （7）智能化设计方法：模糊控制，专家控制，神经网络控制等
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采样器
图（c）
（4）数字控制系统
r(t) +
e(t)
e*(k)
u*(k)
A/D
D*(z)
D/A
u(t) G(s)
y(t)
_
图（d）
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四种系统之间的关系：
（1）计算机控制系统即为典型的数字控制系统，包含数字信号；由于 控制对象连续，也包含连续信号； *数字信号：时间上离散、幅值上量化的信号。
（2）
r(t) +
e(t) 控制器 u(t) 执行机构
被控对象 y(t)
_
变送器
测量环节
计算机
图（a）
控制对象
r(k) + _
e(k) 控制器 u(k) D/A
y(k)
A/D
u(t) 执行机构 变送器
被控对象 y(t) 测量环节
图（b）
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（6）计算机控制的特点 • 能同时实现多种模拟仪表的功能 • 同时控制多个回路，实现多种控制功能 • 可以实现各种先进、复杂的控制规律 • 控制系统调试、整定灵活方便 • 可以实现控制、管理的集成
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原因： （1）先进控制理论和方法有些需要对象的精确数学模型，有些导出控 制律非常复杂，不能满足实时计算的要求，有些有附加的应用条件。 （2）先进控制理论和方法在工程应用时，控制规律设计、软件实现以 及参数调控通常都比较复杂，专业性很强，一般工程技术人员难以掌 握。
解决： （1）发展各种使用简便的先进控制策略。 （2）培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才。
工程硕士课程
计算机控制理论与设计
关守平
1
第 1 章 绪论
1、计算机控制系统介绍
（1）计算机控制系统：利用计算机进行控制的系统，也称为数 字控制系统。
（2）计算机控制理论：控制系统的计算机实现的理论。
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（3）计算机在控制领域的应用 a、离线应用--计算机辅助设计控制系统或称控制系统CAD 利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、 仿真以及建模工作，因而减轻劳动强度，缩短设计周期，提 高设计质量。 b、在线应用--计算机控制系统（数字控制） 利用计算机代替常规模拟控制器，使它成为控制系统的一个 组成部分。
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• 2、控制系统分类：按包含的信号形式分：
（1）连续控制系统
r(t) +
e(t)
D(s)
u(t)
G(s)
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图（a）
来自百度文库
（2）离散控制系统
r(k) +
e(k)
D(z)
u(k)
G(z)
_
y(t) y(k)
图（b）
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（3）采样控制系统
r(t) +
e(t)
e(k)
D(z)
u(k)
保持器
u(t)
G(s)
y(t)
计算机控制系统
忽略量化效应
采样控制系统
连续控制系统
离散化处理
控制对象与保持器 一起离散化
离散控制系统
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3、计算机控制系统的发展概况
计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。
（1）1946年美国生产出了世界上第一台电子计算机。 （2）50年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行：
1956年美国德克萨斯德一个炼油厂与美国航天工业公司TRW合作进行 计算机控制系统的研究，到1959年用RW-300计算机控制聚合装置的系统 研制成功。
a、电子管，体积大，价格贵，可靠性差； b、操作指导，设定点控制； c、静态寻优----建立过程的静态数学模型 d、动态寻优的概念：建立系统的动态数学模型（系统辩识）
10
（3）1962年，美国帝国化学公司用计算机代替模拟控制，直接控制 过程变量，此种控制称为直接数字控制DDC（Direct Digital Control）。 a、一次投资大，但扩展系统费用低，比如增加一个控制回路； b、系统改变灵活，操作简单。
（4）60年代，DDC技术大发展时期；计算机发展，出现小型机。 （5）70年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向分散控制 DCS
（Distributed Control System）。 （6）80年代，DCS系统大发展时期。
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（7）90年代，现场总线技术出现与发展。
FF（Field Bus Foundation）总线，LONWORKS总线，CAN（Controller Area Network）总线等。
3
（4）计算机控制系统示例
管理决策级
企业机1
综合自动化或CIMS
企业机2
调度级
过程级
基础自
总 流
动化级 量
板厚 板温 板型 板材
… ...
过程计算机
流 量 比
调度级1
过程1
过程优化控制
辊 PID 道 预测 速 自适应 度 鲁棒
终冷温度 上/下板温差
调度级2
过程2
过程n
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（5）计算机控制系统组成与结构