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1、第一章概论，讲述计算机控制系统的发展过程；计算机控制系统在日常生活和科学研究中的意义；计算机控制系统的组成及工作原理；计算机控制的特点、优点和问题；与模拟控制系统的不同之处；计算机控制系统的设计与实现问题以及计算机控制系统的性能指标。1.计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。2.计算机系统主要包括：AD转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；DA转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的
2、控制指令。3.计算机控制系统的控制过程可以归结为：实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；实时决策，即计算机按给定算法，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，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。4.计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。5.自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。6.计算机控制系统的特性系统规模有大有小系统类型多种多样系统造价有高有低计算机控制系统不断推陈出新7.8.计算机控制系统的分类按功能分类1) 数据处理系统2) 直接数字控制（DDC）3
3、) 监督控制（SCC）4) 分散型控制5) 现场总线控制系统按控制规律分类1) 程序和顺序控制2) 比例积分微分控制（PID）3) 有限拍控制4) 复杂控制5) 智能控制按控制方式分类1) 开环控制2) 闭环控制9.计算机控制系统的结构和组成10.计算机控制系统的组成控制算法软件网络硬件11.硬件平台运算处理与存储部分：CPU，存储器（RAM，ROM，EPROM，FLASH-ROM，EEPROM以及磁盘等），时钟，中断，译码，总线驱动等。输入输出接口部分：各种信号（模拟量，开关量，脉冲量等）的锁存、转换、滤波，调理和接线，以及串行通讯等。人机对话部分：包括显示（CRT，数码管，液晶等），键入（
4、键盘，鼠标，触摸屏等），打印记录等。12.硬件平台的设计、开发或应用选型应着重考虑的几个方面可靠性可维护性成本精度与外观13.软件组成测控软件网络软件管理软件14.常用的编程工具汇编语言高级语言组态语言15.控制算法控制算法是闭环控制的核心，是各种控制理论最后应用到工业现场的具体体现。不同的算法往往适应不同的控制对象，好的算法稳定性好，适用面宽，参数整定方便。16.网络大型控制系统必然是计算机网络组成的，而计算机网络的高速发展又为大型控制系统的构成提供了更好的支持。由于现场总线技术的发展，小型控制系统也逐步网络化，其优点是系统更可靠、更经济、维护跟方便。17.计算机控制系统的性能指标系统的稳定
5、性能控性和能观测性动态指标稳态指标综合指标18.计算机控制研究的课题 数学描述和分析方法 离散系统的性能分析 计算机控制系统的结构设计 计算机控制系统的算法设计 控制系统的计算机辅助计算和设计19.计算机控制的发展方向最优控制自适应、自学习和自组织系统系统辨识分级控制集散型控制现场总线型控制20.计算机控制系统优点易实现复杂控制规律l 计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储能力，容易实现复杂的控制规律，如各种智能控制等，可以极大地提高系统性能。计算机控制系统的性价比高l 一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的功能/价格比值较高。适应性强灵活性高l 控制算法是
6、由软程序实现，通过修改或执行不同的软件可使系统具有不同性能，适应性强，灵活性高。计算机是一种可编程的智能元件。一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制。系统测量灵敏度高l 数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度。l 软件可以对传感器特性进行修正与补偿，提高了精度。控制与管理容易结合实现更高层次的自动化l 利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产过程与经营的管理控制一体化。系统可靠性和容错能力高l 计算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便，提高了系统的可靠性和容错及维修能力。21.计算机控制系统一些缺点与不足-抗干扰能力较低； -插入数字部件，信号复杂，设计实现有一定困难。2
7、2.计算机控制系统的国外市场概况可编程序控制器（PLC）分布式控制系统（DCS）工业PC机PID调节器现场总线控制系统（FCS）23.注意以下几点：l 计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和A/D及D/A转换器来实现的。l 计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统是一个混合信号系统。l 计算机控制系统具有许多优点是一种柔性和智能化的系统。广泛用于国防、国民经济各个领域中不可替代的各种系统。l 计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同的特点。第二章计算机控制系统的数学描述和分析方法，信号的采样及采样定理；差分方程与z变换的关系与相互变换；脉冲传递函数及其应用；频率域描述；计算机控制系统的
8、状态空间描述；时间域特性与频率域特性分析方法。1.采样过程l 采样器就是不同形式的“开关”2.采样定理（香农定理）如果一个连续信号不包含高于频率wmax的频率分量（连续信号中所含频率分量的最高频率为wmax)，那么就完全可以用周期T 2wmax，那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号。3.离散系统脉冲传递函数(z传递函数)定义为：在初始条件为零时，系统输出量z变换与输入量z变换之比4.离散系统频率特性定义频率特性：在正弦信号作用下，系统或环节的稳态输出与输入的复数之比随输入正弦信号频率变化的特性。5.由脉冲传递函数建立离散状态方程串行法（又称迭代法）并行法（又称部分分式法）直接法6.离散
9、系统状态方程的求解迭代法z变换法7.计算机控制系统闭环状态方程闭环系统的状态方程，可通过求取系统数字部分、广义被控对象及反馈部分的状态方程，整理后得到。8.系统稳定的充要条件连续系统-特征根全在s左半平面,如有特征根在虚轴上，称作临界稳定，由于响应不会依据需要收敛，因此，系统也是不稳定的。离散系统-特征根全部位于z平面单位圆内,即每一特征根的模值应小于1：9.离散系统稳定性检测直接求取特征方程根朱利代数稳定判据10.采样周期与系统稳定性 离散系统的稳定性比连续系统差。 采样周期也是影响稳定性的重要参数，一般来说，减小采样周期，稳定性增强。11.关于稳态误差，应注意以下几个概念：-系统的稳态误差
10、只能在系统稳定的前提下求得。 -稳态误差为无限大并不等于系统不稳定，它只表明该系统不能跟踪所输入的信号，或者说，跟踪该信号时将产生无限大的跟踪误差。 -上述稳态误差是由系统的构造（如放大系数和积分环节等）及外界输入作用所决定的原理误差。 -系统元部件精度仍可能引入稳态误差，计算机控制系统，由于A/D及D/A字长有限，会带来附加的稳态误差。第三章计算机控制系统的经典设计，连续域-离散化的数字化设计基本原理及步骤；连续控制器的离散化方法：一阶前向、后向差分近似法、Tustin变换法、匹配z变换法；数字PID控制、时滞补偿控制等。1.连续域离散化设计的步骤如下：第1步：根据系统的性能选择采样频率，设
11、计抗混叠前置滤波器。第2步：考虑ZOH的相位滞后，根据性能指标和连续域设计方法，设计数字控制算法的等效传递函数Ddc(s) 。 -如所取采样频率较高，可略去ZOH的影响。第3步：选择合适的离散化方法，将Ddc(s)离散化，获得脉冲传递函数D(z)，使两者性能尽量等效。第4步：检验计算机控制系统的闭环性能。如满足指标要求，进行下一步；否则，重新设计。改进设计的途径有： -选择更合适的离散化方法。 -提高采样频率。 -修正连续域设计，如增加稳定裕度指标等。第5步：将D(z)变为数字算法，在计算机上编程实现。2.离散化方法很多 数值积分法（置换法）-一阶向后差法-一阶向前差法-双线性变换法-修正双线
12、性变换法 零极点匹配法 保持器等价法 z变换法(脉冲响应不变法)3.数字PID的增量式算法1)较为安全。一旦计算机出现故障，输出控制指令为零，执行机构的位置（如阀门的开度）仍可保持前一步的位置，不会给被控对象带来较大的扰动。2)计算时不需进行累加，仅需最近几次误差的采样值。l 增量式算法的实质，就是根据误差三个时刻采样值，适当加权计算求得的，调整加权值A、B、C即可获得不同的控制品质和精度。4.数字PID控制算法改进积分分离法遇限削弱积分法饱和停止积分法反馈抑制积分饱和法5.微分算法的改进不完全微分的PID算式微分先行PID第四章计算机控制系统的状态空间设计，离散系统的可控性与可达性；可观性与
13、可重构性；采样系统的可控可观性与采样周期的关系；状态反馈设计；状态观测器设计；调节器设计。第五章计算机控制系统的构建，计算机控制系统的硬件组成与输入/输出接口；测试信号处理与实时软件编程；控制器算法的结构编排；控制器算法的程序实现。1.单板机、单片机、STD工控机、PC工控机和PLC构成的计算机控制系统，称它们为单机控制系统并不表示它们不能连成网络，而是因为它们最初的应用都是以单机方式对生产过程实施控制，并且作为单机控制系统更能体现它们在计算机控制领域的优势。2.什么是总线式计算机控制系统将各功能部分分别制做成独立的模板，通过总线完成CPU对各模板的控制，这就是现今计算机控制系统广泛采用的总线
14、方案。3.计算机控制系统使用标准总线后有如下好处（1）使用标准总线的计算机控制系统必然是模板结构，系统构成灵活，可以根据工艺要求方便地组成所需的控制系统。且维护十分方便。（2）各生产厂家生产的产品100%相互兼容，这样在一个系统中可以将同一总线标准的不同厂家的模板安装在一个机箱中（一个母槽中）,同样可以在众多厂家的产品中选择最经济的、最合适的模板。（3）基于某种标准总线的模板总是类型繁多，用户的选择余地很大4.控制系统总线标准STD总线标准、PC总线标准、VME总线标准等5.一种总线标准包含四部分内容电气特性、机械特性、功能特性、规程特性。6.STD工控机系统的构成7.数据格式：数据传送的常用格式有两种：二进制码和ASCII码。8.数据长度的确定：数据长度确定大致有三种方法：
