chap1_导论 [兼容模式]

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1、2011/10/191计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统高金源高金源清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统 本书主要特点本书主要特点 兼顾计算机控制基本理论、系统设计和实现技术三方 面的要求，系统地阐述数字计算机控制系统的设计和 工程实现方法。兼顾计算机控制基本理论、系统设计和实现技术三方 面的要求，系统地阐述数字计算机控制系统的设计和 工程实现方法。 在实施计算机控制系统分析、设计时，充分恰当地使 用现代的计算工具在实施计算机控制系统分析、设计时，充分恰当地使 用现代的计算工具MATLAB及及Si

2、mulink软件，并应软件，并应 用了其中的符号语言工具箱用了其中的符号语言工具箱将有效地帮助学生完成将有效地帮助学生完成2用了其中的符号语言工具箱用了其中的符号语言工具箱，将有效地帮助学生完成将有效地帮助学生完成 复杂计算，实现系统的分析和设计。复杂计算，实现系统的分析和设计。 知识储备知识储备 自动控制理论（经典自动控制理论（经典/现代） 过程控制工程现代） 过程控制工程主要内容主要内容主要内容主要内容(1) 计算机控制的理论基础计算机控制的理论基础 (第第2 4章章) 在前修课的基础上，简炼、系统、深入地介绍一些基础性的 内容。在前修课的基础上，简炼、系统、深入地介绍一些基础性的 内容。

3、 (2) 计算机控制系统设计计算机控制系统设计 (第第5 6章章) 遵循经典与现代设计方法并重的原则遵循经典与现代设计方法并重的原则重点讨论连续重点讨论连续-离散离散内容分三大部分：内容分三大部分：3遵循经典与现代设计方法并重的原则遵循经典与现代设计方法并重的原则，重点讨论连续重点讨论连续-离散离散 化设计、离散域根轨迹、化设计、离散域根轨迹、W域设计 、解析设计和状态空间 设计等相关内容。域设计 、解析设计和状态空间 设计等相关内容。 (3) 计算机控制系统工程实现技术计算机控制系统工程实现技术(第第7 10章章) 第第7章介绍一些基本的工程实现技术。章介绍一些基本的工程实现技术。 第第8、

4、9章分别讨论了嵌入式系统、可编程控制器、集散系 统、现场总线和网络控制等先进控制技术。章分别讨论了嵌入式系统、可编程控制器、集散系 统、现场总线和网络控制等先进控制技术。 第第10章介绍章介绍3个计算机控制系统实例。个计算机控制系统实例。1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 1.1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 1.1.2 计算机控制系统特点计算机控制系统特点 1.1.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点41.1.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点 1.2 计算机控制系统的发展与应用计算机控制系统的发展与应用 1.2.1 计算机控制系统发展概述计算机控制系统发展概

5、述 1.2.2 计算机控制系统应用与分类计算机控制系统应用与分类 1.3 计算机控制系统的理论与设计问题计算机控制系统的理论与设计问题 1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 1.3.2 计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与实现图图1-1典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图5图图1-2典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图61.1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成(1) 被控对象：本例为火炮炮身；被控对象：本例为火炮炮身； (2) 执行机构：本例为直流电机；执行机构：本例为直

6、流电机； (3) 测量装置：本例为测量电位计及测速电机；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；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：计算机系统：包括下述主要部件： A/D变换器；变换器；7 D/A变换器；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）。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）。计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过

7、程计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程 实时数据采集实时数据采集 对被控量及指令信号的瞬时值进行检测和输入；对被控量及指令信号的瞬时值进行检测和输入； 实时决策实时决策按给定的算法按给定的算法依采集的信息进行控制行为的依采集的信息进行控制行为的8按给定的算法按给定的算法，依采集的信息进行控制行为的依采集的信息进行控制行为的 决策，生成控制指令；决策，生成控制指令； 实时控制实时控制 根据决策实时地向被控对象发出控制信号。根据决策实时地向被控对象发出控制信号。图图图图1 1- -3 3 计算机控制系统的典型原理结构图计算机控制系统的典型原理结构图计算机控制系统的典型原理结构图计算机控

8、制系统的典型原理结构图92011/10/1921.1.2 计算机控制系统特点计算机控制系统特点1. 系统结构特点：系统结构特点： 是由模拟与数字部件组成的混合系统。是由模拟与数字部件组成的混合系统。 2. 信号形式特点信号形式特点 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。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。103. 系统工作方式特点系统工作方式特点 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。可同时控制多个被控对象或被控量，即可

9、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。1.1.3 计算机控制系统优点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。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. 功能功能/价格的性价比高。价格的性价比高。 3. 控制算法灵活，由软件程序实现，因此适应性强，灵活性高。控制算法灵活，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

10、可利用数字通信来 传输信息。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。使控制与管理更易结合，并实现层次更高的自动化。 6. 实现实现自动检测和故障诊断自动检测和故障诊断较为方便较为方便，故提高了系统的可靠性和容错及故提高了系统的可靠性和容错及116. 实现实现自动检测和故障诊断自动检测和故障诊断较为方便较为方便，故提高了系统的可靠性和容错及故提高了系统的可靠性和容错及 维修能力。维修能力。缺点与不足：抗干扰能力较低。缺点与不足：抗干扰能力较低。1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 1.1.1 计算机控制

11、系统组成计算机控制系统组成 1.1.2 计算机控制系统特点计算机控制系统特点 1.1.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点121.2 计算机控制系统的发展与应用计算机控制系统的发展与应用 1.2.1 计算机控制系统发展概述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计算机控制系统应用与分类 1.3 计算机控制系统的理论与设计问题计算机控制系统的理论与设计问题 1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 1.3.2 计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与实现1.2 1.2 计算机控制系统的发展与应用计算机控制系统的发展与应用1.2.1 计算机控制系

12、统发展概述计算机控制系统发展概述 1. 开创时期（开创时期（19551962年）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。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. 直接数字控制直接数字控制(DDC)时期时期(19621967年年)13DDC系统关注的是控制功能。系统关注的是控制功能。 3. 小型计算机时期小型计算机时期(19671972年年) 出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。 4. 微型

13、计算机时期微型计算机时期(1972年年至今至今) 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。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。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。1.2.21.2.2计算机控制系统应用与分类计算机控制系统应用与分类应用应用1: 各种用途的机器人系统各种用途的机器人系统14图图1-4 焊接机器人系统（核心为计算机控制系统 ）图焊接机器人系统（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具有视觉器件的机器人示意图

14、应用应用应用应用2:2:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统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现代民用飞机座舱数字控制电子设备15飞机飞行高度计算机控制系统飞机飞行高度计算机控制系统应用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监视系统应用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监视系统16图图1-9 分散控制集中管理的组成图分散控制集中管理的组成图分类：分类：分类：分类：1. 直接数字控制直接数字控制DDC(Direct Digital Control) 系统系统17图图1-10 直接数字控制系统直接数字控制系统分类：分

15、类：分类：分类：2. 计算机监督控制计算机监督控制SCC(Supervise Control by Computer) 系统系统18图图1-11 计算机监督控制系统计算机监督控制系统2011/10/193分类：分类：分类：分类：3. 分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统DCS(Distributed Control System) 19图图1-12 分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 1.1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 1.1.2 计算机控制系统特点计算机控制系统特点 1.1.3 计算机控制系统优点计算机控制系统优点201.2

16、 计算机控制系统的发展与应用计算机控制系统的发展与应用 1.2.1 计算机控制系统发展概述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计算机控制系统应用与分类 1.3 计算机控制系统的理论与设计问题计算机控制系统的理论与设计问题 1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题 1.3.2 计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与实现1.3.1 1.3.1 计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的理论问题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，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。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，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。21图图1-13采样系统的时变特性采样系统的时变特性1.