1、1,1.1 计算机控制系统概述1.2 计算机控制系统的发展与应用1.3 计算机控制系统的理论与设计问题,计算机控制导论,2,1.1.1 计算机控制系统组成 1.1.2 计算机控制系统特点 1.1.3 计算机控制系统优点,1.1 计算机控制系统概述,3,1.2.1 计算机控制系统发展概述 1.2.2 计算机控制系统应用与分类,1.2 计算机控制系统的发展与应用,4,1.3.1 计算机控制系统的理论问题 1.1.2 计算机控制系统特点 1.1.3 计算机控制系统优点,1.3 计算机控制系统的理论与设计问题,5,图1-1 典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图,6,图1-2 典型火炮位置计算机控制系
2、统的原理结构图,7,1.1.1 计算机控制系统组成,(1) 被控对象：本例为火炮炮身； (2) 执行机构：本例为直流电机； (3) 测量装置：本例为测量电位计及测速电机； (4) 指令给定装置：本例为火炮高低角及方位角的指令生成装置； (5) 计算机系统：包括下述主要部件： A/D变换器； D/A变换器； 数字计算机（包括硬件及相应软件，实现信号的变换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相应的控制指令）。,8,计算机控制系统的控制过程,实时数据采集 对被控量及指令信号的瞬时值进行检测和输入； 实时决策 按给定的算法，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 根据决策实时
3、地向被控对象发出控制信号。,9,图1-3 计算机控制系统的典型原理结构图,10,1.1.2 计算机控制系统特点,1. 系统结构特点： 是由模拟与数字部件组成的混合系统。 2. 信号形式特点 有多种（连续模拟、离散模拟、离散数字等）信号形式，是一种混合信号系统。 3. 系统工作方式特点 可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制回路服务。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。,11,1.1.3 计算机控制系统优点,1. 运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力，容易实现复杂的控制规律，极大地提高系统性能。 2. 功能/价格的
4、比值高。 3. 控制算法由软件程序实现，因此适应性强，灵活性高。 4. 可使用各种数字部件，从而提高系统测量灵敏度并可利用数字通信来传输信息。 5. 使控制与管理更易结合，并实现层次更高的自动化。 6. 实现自动检测和故障诊断较为方便，故提高了系统的可靠性和容错及维修能力。,缺点与不足：抗干扰能力较低。,12,1.2.1 计算机控制系统发展概述 1. 开创时期（19551962年） 主要任务是寻求最佳运行条件，从事操作指导和设定值的计算工作，控制计算机仅按监督方式运行，并要求集中承担多种任务。 2. 直接数字控制(DDC)时期(19621967年) DDC系统关注的是控制功能。 3. 小型计算
5、机时期(19671972年) 出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。 4. 微型计算机时期(1972年至今) 微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。 5. 集散型控制 网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。,13,1.2.2计算机控制系统应用与分类,应用1: 各种用途的机器人系统,图1-4 焊接机器人系统 （核心为计算机控制系统 ）,图1-5具有视觉器件的机器人示意图,14,应用2:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统,现代民用飞机座舱数字控制电子设备,飞机飞行高度计算机控制系统,15,应用3：现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散控制和集中
6、监视系统,图1-9 分散控制集中管理的组成图,16,分类：,1. 直接数字控制DDC(Direct Digital Control) 系统,图1-10 直接数字控制系统,17,分类：,2. 计算机监督控制SCC(Supervise Control by Computer) 系统,图1-11 计算机监督控制系统,18,分类：,3. 分散型计算机控制系统DCS(Distributed Control System),图1-12 分散型计算机控制系统,19,1.3.1 计算机控制系统的理论问题,(1) 若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统后
7、，它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。,图1-13采样系统的时变特性,20,1.3.1 计算机控制系统的理论问题,(2) 连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率的正弦信号，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信号频率和采样周期有关。,图1-14 计算机控制系统的正弦激励响应,频率为4.9 Hz的输入信号,连续系统的输出,采样间隔时间为0.1 s时，则会发生振荡周期为10s的差拍现象。,21,1.3.1 计算机控制系统的理论问题,(3)尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的。例如，一个连续系统是可控可观的，将其变
8、成计算机控制系统时，若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。,22,1.3.1 计算机控制系统的理论问题,图1-15 有限调节时间系统,实线表示连续系统，虚线是同一被控对象的计算机控制系统。,23,1.3.1 计算机控制系统的理论问题,(5)系统的稳定性也是值得关注的问题。 对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的。 从第4章的分析可以看到，当采样周期一定时，计算机控制系统的开环放大系数仅处于一定范围时，系统才能稳定 。,(4)一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限的，因为它的响应是多个指数函数之和。计算机控制系统，通过设计却可以实现在有
9、限的采样间隔内(即有限时间内)达到稳态值，从而可以获得比连续系统更好的性能。,24,1.3.1 计算机控制系统的理论问题,计算机控制系统中还存在字长有限的问题。 A/D或D/A变换器、计算机内存及运算器的字长有限。,图1-16 字长有限引起的极限环,25,1.3.2 计算机控制系统的设计与实现,图1-17 计算机控制系统等效结构能,26,计算机实际工程设计的设计方法,连续域设计-离散化方法 将计算机控制系统看成是连续系统，在连续域上设计得到连续控制器。由于它要在数字计算机上实现，因此，采用不同方法将其数字化(离散化)。 直接数字域(离散域)设计 把系统看成是纯离散信号系统，直接在离散域进行设计，得到数字控制器，并在计算机里实现。,图1-18 两种设计方法流程,
