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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11.1.1 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21.2.1 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31.3.1 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4图1-1 典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图5图1-2 典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图61.1.
2、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)。7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 根据决策实时地向被控对象发出控制信号
3、。8图1-3 计算机控制系统的典型原理结构图 91.1.2 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。 101.1.3 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/价格的比值高。 3. 控制算法由
4、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。111.2.1 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. 小型计算机时期(19671
5、972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。 121.2.2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 13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 14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 图1-9 分散
6、控制集中管理的组成图15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 16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17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 181.3.1 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 ,它的时间响应与外作用的作用时刻
7、和采样时刻是否同步 有关。图1-13采样系统的时变特性 191.3.1 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。201.3.1 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 其变成计算机控制系统时,若采样间隔
8、时 间选取的不合适,则可能会变得不可控。211.3.1 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。 221.3.1 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限的采 样间隔内(即有限时间
9、内)达到稳态值,从而可以获得比 连续系统更好的性能。 231.3.1 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241.3.2 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 25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26