《_计算机控制技术》教案_计算机控制技术教案

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《 计算机控制技术》教案

一 教学目的和基本要求

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制是为适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。本课程的目的是简明、系统地向学生介绍关于工业计算机控制系统的设计和实现的基本原理与技术，以提高本专业学生应用计算机的能力，为今后从事计算机控制系统的研究和开发工作打下一个良好的基础。

基本要求：掌握工业计算机控制系统的基本组成原理及特点，了解计算机控制系统的发展概况及趋势； 2 熟悉计算机控制系统的性能指标；数字程序控制：熟练掌握逐点比较法插补原理和步进电机的控制技术； 4 熟练掌握数字PID控制器的设计及其参数的整定； 5 熟练掌握最少拍无纹波控制器的设计；现代控制技术：掌握采用状态空间的输出反馈设计法和极点配臵设计法；掌握常用的几种复杂控制的原理：纯滞后控制，串级控制，前馈-反馈控制和解耦控制； 8 掌握模糊控制的基本概念和模糊控制器的设计方法； 9 了解分散型测控网络的简单技术；熟练掌握计算机控制系统中测量数据的预处理技术； 11 掌握计算机系统中的抗干扰技术。

二 内容提要

本课程从工程技术的观点介绍工业计算机控制系统的组成原理和系统的设计与实现技术。主要内容如下：绪论

主要介绍计算机控制系统的组成原理，特点，指标要求，发展概况和趋势。2 数字程序控制

重点介绍逐点比较插补法原理和步进电机的控制技术。3 常规控制技术

1）数字控制器的连续化设计：重点介绍目前应用广泛的数字PID控制器的工程实现和参数的整定：

2）离散化设计技术

重点介绍最少拍无纹波控制器的设计。4 模糊控制技术

1）模糊控制技术的数学基础：主要包括模糊集合及其运算，模糊关系，模糊逻辑和模糊推理。2）模糊控制原理：主要包括模糊化，知识库，模糊推理和清晰化。

3）模糊控制器的设计：包括模糊控制器的结构设计，模糊规则的选择和推理，模糊控制器论域及比例因字的确

定，模糊控制器程序的编写。

5现代控制技术

主要介绍采用状态空间的输出反馈设计法，极点配臵设计法和最优化设计法。6 复杂控制技术

简单介绍纯滞后补偿控制，串级控制，前馈-反馈控制和解耦控制。7 应用程序设计与实现

包括程序设计技术，测量数据的预处理技术，数字控制器的工程实现和软件抗干扰技术。8 分散型测控网络技术

简单介绍工业网技术，分散型控制系统和现场总线技术。9 计算机控制系统设计与实现

以实例说明计算机控制系统的设计与实现全过程。

三 教案的主要内容

第1章 绪论

1.概述

随着科学技术的进步,人们越来越多地用计算机来实现控制。近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的发展，使自动控制技术正向着深度和广度两个方向发展。在广度方面，国民经济的各个领域----从工业过程控制、农业生产和国防技术到家用电器已广泛使用计算机控制；控制对象也从单一对象的局部控制发展到对整个工厂、整个企业等大规模复杂对象的控制。在深度方面则向智能化发展，出现了自适应、自学习等智能控制方法。

本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制计算机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。2 重点与难点

2.1 控制系统的几个重要概念

1.自动控制一般是指应用控制器自动地、有目的地控制或操纵控制对象，使之能够达到所要求的性能。控制对象是被控制的机器、物体及其所处的外部环境等。控制器是为达到系统要求的性能所使用的控制装臵，它可采用电气、机械或液压等技术来完成控制操作。

2.控制系统由控制器和控制对象两大部分组成，控制器是控制系统中

最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。一个控制系统一般应满足以下两个基本要求：(1)跟随输入

对一个控制系统通常都要求其输出量随输入量的变化而变化，输入量可能是常数或随时间变化的轨迹，对于前者通常把输入称为给定值或期望值，而后者常称为参考输入或期望输入。

(2)系统输出尽量不受干扰的影响

3．开环和闭环控制系统

若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。

凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。

2．2计算机控制系统

1．采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为 数字控制系统。若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。进一步，若将连续的控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统的理论基础

2．计算机控制系统的控制过程可以归结为一下三步：

（1）实时数据采集：对来自测量变送装臵的被控量的瞬 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数据分析和处理，并按已定的控制规律决定进一步的的控制过程。

（3）实时控制：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。

3．“实时“的含义是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，以及计算机对输入信息以足够快的速度进行控制，超出了这个时间就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线系统不一定是一个实时系统，但是一个实时控制系统必定是一个在线系统。

2．3 计算机控制系统的典型形式

计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。它们是：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC），DDC 2 系统属于计算机闭环控制系统，是计算机工业生产过程中最普遍的一种应用方式；监督控制系统；分散控制系统和现场总线控制系统。

2．4 计算机控制系统的性能及其指标

计算机控制系统的性能跟连续系统类似，可以用稳定性、能控性、能观性、稳态特性、动态特性来表征，相应地用稳态裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个系统的好坏和优劣。

第2章 数字程序控制技术

2．1概述

数字程序控制主要用于机床的控制，如用于铣床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等自动控制系统中。采用数字程序控制的机床叫做数控机床，数控机床具有能加工形状复杂的另件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等许多特点，它是实现机床自动化的一个重要发展方向。本章介绍数字程序控制基础、逐点比较法插补原理以及步进电机控制技术。

2．2 重点与难点

2．2．1 逐点比较法插补原理

逐点比较法插补就是刀具或画笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，从而决定下一步的进给方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，…。如此走一步看一看，比较一次，决定下一步的走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点逼近插补

2．2．2 步进电机控制技术

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器。在开环数字控制系统中，输出控制部分常采用步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接受计算机发来的指令脉冲，控制步进电机做相应的转动，步进电机驱动数控系统的工作台或刀具。指令脉冲的总数决定了数控系统的工作台或刀具的总移动量，指令脉冲的频率就决定了移动的速度。因此指令脉冲能否被可靠地执行，基本上取决与步进电机的性能。

第3章 常规及复杂控制技术

3.1概述 计算机控制系统的设计,是指在给定系统性能指标的条件下,设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。本章主要介绍计算机控制系统的常规和复杂控制技术。常规控制技术介绍数字控制器的连续化设计技术和离散化设计技术；复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制等技术。对大多数统，采用常规控制技术均可达到满意的控制效果，但对于复杂及有特殊控制要求的系统，采用常规控制难以达到目的，在这种情况下，则需要采用复杂控制技术，甚至采用现代控制和智能控制技术。3.2重点与难点

3．2．1数字PID控制器的设计 1．控制算法

PID控制是一种应用最广泛的控制规律，它是根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制的。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。图3.1示出了PID控制的示意图。其中D（Z）为PID控制器的Z传递函数，H（S）为保持器，G（S）为控制对象的传递函数。

（1）数字（PID）的位臵型算法

u(k)=KP(e(k)+T/TIi0e(i)+T/T(e(k)-e(k-1)))

Dk其中 u(k)为控制器的输出，e(k)为偏差，KP为比例增益，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。由于上述算法提供了执行机构的位臵u(k)（如阀门的开度），所以被称为数字PID的位臵型控制算法。

（2）数字PID增量控制算法

为了消除位臵型算法中的累加误差e(i)，减少存储单元，便于程序的编写，我们引入PID的增量型算法。值得注意的是增量型算法仅仅是计算方法上的改进，并没有改变位臵型算法的本质。在实现增量控制时必须采用具有保持历史位臵功能的执行机构，如步进电机等。增量算法为

u(k)

=u(k)-u(k-1)=KP(e(k)-e(k-1))+KIe(k)+KD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))其中 KP为比例增益，KI=KPT/TI称为积分系数，KD=KP TD/T 称为微分系数。2．数字PID控制器的参数整定

数字PID控制系统必须通过参数整定才能正常运行。需要整定的参数为采样周期T、KP、KI 和TD。由于计算机技术的发展，一般可选较小的采样周期T，它相对于被空对象的时间常数来说就更短了，所以数字PID参数的整定过程是先按模拟PID控制参数整定的方法来选择，然后再调整，并考虑采样周期对整定参数的影响。常用的方法有：扩充临界比例度法、归一参数整定法、优选法等。

3．2．2 数字控制器的离散化设计技术

当把图3.1中的控制对象和保持器一起离散化后它就变成了一个纯离散系统，这时可以直接根据计算机控制理论来设计控制器D（Z），通常我们把这种方法称为离散化设计方法。设计D（Z）的基本公式为

D（Z）=1/G（Z）*(z)/(1(z))（3。1）其中G（Z）为广义对象，(z)为计算机控制系统的闭环传递函数。有限拍控制器的设计步骤：

1． 根据控制系统的性能指标要求和约束条件确定所需的(z)； 2． 求广义对象的脉冲传递函数G（Z）； 3． 根据式（3.1）算出D（Z）；

4． 由D（Z）求出控制算法的递推公式，进而导出计算机控制算法。第4章 模糊控制技术

4．1 概述

数字控制器的连续化设计法、离散化设计法以及状态空间设计法都要求有精确的被空对象的模型。但在工业生产和其他领域中，由于被控对象大都具有非 线性、时变性和不确性等特点，往往难于用一个简单而精确的数学模型来描述，因而给控制系统的设计带来了极大的困难。

模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型。因此它是一种智能控制方法，这种控制方法既可用于简单的控制对象也可用于复杂的对象。模糊控制系统不仅在工业控制中获得了广泛的应用，而且也已扩展到其他领域，如地铁的自动化、照相机头的自动聚焦、彩色电视的自动调节、冰箱的除霜、空调、洗衣机、洗尘器、交通信号灯和电梯的控制等。

4．2 重点与难点

4．2．1 模糊集合及其运算 4．2．2 模糊关系4．2．3 模糊控制原理 4．2．4模糊控制起的设计 1． 模糊控制器的结构设计 2． 模糊规则的选择和模糊推理 3． 清晰化

4． 模糊控制器论域及比例因子的确定 5． 编写模糊控制器的算法程序 6． 双输入单输出模糊控制器的设计 第5章 现代控制技术

5.1概述

上一章学过的模拟化和离散化设计方法,都是利用传递函数模型,根据对控制系统的性能指标要求设计出满足要求的计算机控制系统。他们适用于简单的线性定常系统。由于计算机的引入,目前在工业过程控制中PID仍用的比较普遍。

模糊控制是一种智能控制方法，它不需要有准确的被控对象的模型，这种方法适用于控制无法或难以建立精确模型的物理对象，目前越来越得到了广泛的应用。但模糊控制非常依靠人的知识和经验，所以这就不能保证模糊控制器在任何情况下都能工作得好。

这一章我们介绍离散状态空间设计法。这种方法利用对象的状态空间模型，根据给定的系统的性能指标，设计出满足要求的计算机控制系统。这种方法的优点是能够处理多输入多输出、时变和非线性系统；便于计算机辅助设计和实现，但难于沿用古典控制理论中现成的设计方法。由于这种方法必须基于控制对象的精确模型，再加上许多算法比较复杂，所以目前在工业控制中应用得还不普遍，从控制策略上讲仍然是PID控制占主导地位。但离散空间设计法正在逐渐受到人们的重视和普及应用。

5．2 重点与难点

5．2．1离散系统的能控性和能观性

1． 一般概念：

能控性和能观性是在状态空间模型基础上提出来的新概念。设线性定常系

统的离散状态方程为

x(k+1)=Fx(k)+Gu(K)y(k)=Cu(k)+Du(K)系统的能控性讨论输入量u（k）和状态量之间的关系，是指系统的状态能否受输入量的控制，若系统的状态在输入量的控制下能够从任意一个状态运动到另外一个任意状态，则称系统是能控的，否则系统是不能控的。

能观性则讨论状态量x（k）和输出量y（k）之间的关系，是指在系统的输出量中是否包含有每个状态变量的信息，即能否根据输出量（一般是能够量测的）来确定或重够出所有的状态变量。若上面的结论是肯定的，则系统时能管的，否则系统是不能观的。

对于比较简单的系统可用直接观察的方法来判断系统的能控性和能观性，但对于比较复杂的系统必须采用下面系统的方法来判断。

2． 能控性和能观性的判断

n1系统能控的充要条件为 rank [G FG FG… F 系统能观的充要条件为

2G]=n（n为系统的阶数）

CCF rankCF=n n1

5．2．2 极点配臵设计法

闭环系统的极点分布与系统的控制性能之间有着密切的联系。极点配臵设计法是通过恰当的状态反馈把系统的极点配臵到所希望的位臵，以满足系统性能的要求。

极点配臵法的设计步骤是先设计一个相当于r=0的控制系统，再在此基础上引入参考输入，最终完成跟踪系统的设计。

按极点配臵设计的控制系统其控制器由状态观测器和控制规律两部分组成。观测器的作用是根据输出量y(k)和控制量u(k)重构出系统的状态x(k)；控制规律的作用是根椐重构状态x(k)计算出所需要的控制量。

根据分离性原理控制器的设计可分成两个独立部分，一是按极点配臵设计控制规律，这时假定全部状态均可用于反馈，二是按极点配臵设计状态观测器，最后把二着结合起来构成一个完整的状态反馈系统。

按极点配臵设计控制器的步骤：（1）（2）按闭环系统的性能要求给定控制极点； 按极点配臵设计控制规律L 可用阿克蔓公式来计算控制规律

其中 (F)

(3)L=[0 0…0 1][G FG … F n-1G]-1 （F）

(Z)FZ

(Z)ZIFGL

Z是根据给定的系统性能指标所求得的期望极点。

合理地给定观测器极点，并选择观测器的类型，计算增益矩阵K-1 CCFK=(F)CF

 [0 0…01]T n1其中 (F)(Z)(Z)ZIFKCFZ

观测奇极点的选择：一般情况下可把全部观测器的极点设臵在圆点，若测量信号包含较大的噪声，则按观测极点所对应的衰减速度比控制极点对应的衰减速度快约4或5倍的要求设臵。

第6章 应用程序设计与实现技术

重点与难点

6．1测量数据的预处理技术在计算机控制系统中，经常需要对生产过程的各种信号进行测量。测量时一般先用传感器把生产过程的非电信号转换成电信号，然后利用A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，读入计算机。对于这样得到的数据一般要进行一些预处理，其中最基本的是线性化处理、标度变换和系统误差的校准。

6．1．1系统误差的自动校准

自动校准的基本思想是在系统开机或每隔一段时间自动测量基准参数（如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压），然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子计算校准方程，从而消除误差。

6．1．2线性化处理和非线性补偿 6．2数字控制器的工程实现

数字控制器算法的工程实现可分为6个部分： 1． 给定值 2． 被控量处理 3． 偏差处理 4． 控制算法的实现 5． 控制量处理 6． 自动手动切换 6．3软件抗干扰技术

为了提高工业控制系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措施是不够的，需要进一步借助于软件措施来克服某些干扰。经常采用的技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术和软件陷阱技术等。第7章分散型测控网洛技术

7．1概述

数据通信是工业测控网络和分散型测控系统得关键技术。在一个较大的工业测控系统中，常常会有几十个、几百个甚至更多的测量和被空对象，即使速度的系统也难以满足要求，因此必须将任务分给多个计算机系统并行工作，不同地理位臵何不同功能的计算计之间需要交换信息，如果把它们按统一的协议连接起来就构成了计算机分散测控网络系统。本章介绍数据通信技术、工业网络技术、分散型控制系统、为总线通信网络技术和现场总线技术。

7．2 重点与难点 7．2．1 数据通信技术 7．2．2工业网络技术 7．2．3 分散型控制系统

分散型控制系统综合了计算机技术、控制技术、通信技术、CRT显示技术即4C技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。先进的分散控制系统将以计算机集成制造系统为目标，以新的控制方法、现场总线智能仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。

分散控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治地设计原则。系统安全可靠、通用灵活、最优控制性能和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了新方法。

7．2．4 现场总线（Fieldbus）技术

现场总线是连接工业工程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，与控制系统和现场仪表联用组成现场总线控制系统。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，它是用新一代的现场FCS代替传统的分散型控制系统DCS，实现现场总线通信网络与控制系统的集成。

第8章 计算机控制系统设计与实现

8．1概述

通过前面的介绍，我们已经掌握了计算机控制系统各部分的工作原理、硬件和软件以及控制算法，因而具备了设计计算机控制系统的条件。计算机控制系统的设计，既是一个理论问题又是一个工程问题。计算机控制系统的理论设计包括：建立被空对象得数模型；确定满足一定经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程的工艺要求，以及被空对象的动态和静态特性，而且要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术和微电子技术等。

本章主要介绍计算机控制系统设计的原则和步骤、计算机控制系统的工程设计与实现和计算机控制系统的设计举例。8．2 重点与难点 8．2．1 系统的设计原则 1．安全可靠

工业控制计算机不同于一般用于科学计算或管理的计算机，它的工作

环境比较恶劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任又不允许它发生异常现象。因此在设计过程中要把安全可靠放在首位。

2． 作维护方便

操作方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有得操作习惯。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能没，模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装状态指示灯 和监测点，便于维修人员检查。另外配制诊断程序用来查找故障。

3． 时性强

工业控制机的实时性表现在对内部和外部事件能及时的响应，并做出响应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如数椐的定时采集、运算控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，系统设臵时钟保证定时处理。对于随机事件系统设臵中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生保证优先处理紧急故障。4．通用性好

工业控制计算机的通用灵活性体现在两个方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构，配臵各种通用的功能模板，以便在扩充功能时只需增加功能摸板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各功能模块，灵活地进行控制系统组态。

5． 济效益高

计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现两个方面，一是系统设计的性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能的低。

8．2．2系统的设计步骤 8．2．3系统的工程设计与实现 一般按如下步骤进行： 1． 系统总体方案设计 2． 硬件的工程设计与实现 3． 软件的工程设计与实现 4． 系统的调试与运行

8．2．4计算机控制系统设计举例