HEFEI UNIVERSITY
MATLAB 在计算机控制系统中的应用
系 别 电子信息与电气工程系 专 业 自动化 班 级 09自动化（1）班 姓 名 完成 时间 2012.6.5
MATLAB 在计算机控制系统中的应用
摘要：计算机控制技术是电气自动化的专业必修课，涉及的专业知识面很广，是一门理论和实践紧密结合，综合性很强的课程，而MATLAB软件在数值分析、矩阵运算、信号处理、自动控制、优化设计等方面得到广泛应用，在控制领域的应用尤为重要。将MATLAB 引入计算机控制技术的课程教学内容中有着十分重要的作用，诸如模拟控制器的离散化参数计算、响应曲线的描绘和控制系统仿真等应用.在MATLAB 语言中,可方便地输入连续系统的传递函数; 可求系统零极点; 可绘制频率特性曲线; 可进行自动控制系统仿真等。
关键词：MATLAB 、Simulink、PID、滤波控制器、传递函数
正文：
一、《计算机控制技术》课程和MATLAB概述
1 《计算机控制技术》课程的特点、性质及目的
《计算机控制技术》是计算机技术、自动控制技术、自动检测与传感技术相结合的综合应用技术，是自动化专业的一门主要专业课，具有承上启下的作用。它涉及的基础理论和知识面较广，知识集成度高，牵涉电气、计算机、自动控制理论等综合知识，在专业课程体系中占举足轻重的地位。
正确处理本课程与其他课程的关系以及它们之间的内在联系，形成完整而系统的知识体系，是本课程的主要作用。在讲课中，综合有关课程的基本内容，将我们学生学到的知识，通过本课程有机和谐地结合在一起, 也是本课程教学中责无旁贷的任务。
我们学生在学完本课程后,应了解并掌握如何合理地选择和组织计算机控制系统的软件、硬件、外围设备和接口通道以及控制管理生产过程的基本原理和方法，将控制对象、硬件(计算机、传感器、通道和接口、执行机构)和软件(系统软件以及各种应用软件)组织成一个有机的整体，形成完整的计算机控制系统，达到预定的控制目的，再结合其他课程内容可使我们具备一定的开发计算机控制系统的能力。
2 MATLAB 软件概述
MATLAB 是目前世界上最流行的、应用最广泛的工程计算和软件仿真，它将计算、可视化和编程等功能同时集于一个易于开发的环境。MATLAB 主要应用于
数学计算、系统建模与仿真、数学分析与可视化、科学与工程绘图和用户界面设计等。它是一个交互式开发系统，其基本数据要素是矩阵。它的语法规则简单，适合于专业科技人员的思维方式和书写习惯；它用解释方式工作，编写程序和运行同步，键入程序立即得出结果，因此人机交互更加简洁和智能化；而且MATLAB 可适用于多种平台，随着计算机软、硬件的更新而及时升级，使得编程和调试效率大大提高。目前，MATLAB 已经成为应用代数、自控仿真理论、数理统计、信号处理和动态系统仿真的基本数学工具，成为学生必须掌握的基本软件之一。MATLAB 具有以下特点：
2.1 运输功能强大
MATLAB 是以矩阵为基本编程元素的程序设计语言，它的数值运算要素不是单个数据而是矩阵，每个变量代表一个矩阵。通过MATLAB 的符号工具箱，可以解决在数学、应用科学和工程计算领域中常常遇到的符号计算问题。
2.2 编程效率高
MATLAB 是以解释方式工作的，即它对每条语句解释后立即执行，键入算式无需编译立即得出结果，若有错误也立即做出反应，便于编程者立即改正，这大大减轻了编程和调试的工作量，提高了编程效率。
2.3 强大而智能化的作图功能
MATLAB 可以方便地用图形显示二维或三维数组，将工程计算的结果可视化，使数据间的内在联系清晰明了。它能智能化地根据输入的数据自动确定最佳坐标，可规定多种坐标系，可设置不同颜色、线型、视角等。
2.4 可扩展性强
MATLAB 有一套程序扩展系统和工具箱，具有良好的可扩展性。工具箱是MATLAB 函数的子程序库，每个工具箱都是为某个学科领域的应用而定制的。2.5 Siulink 动态仿真功能
Simulink 是一个交互式动态系统建模、仿真和分析图形环境，用户通过框图的绘制来模拟一个系统，Simulink 能够针对控制系统、信号处理和通信系统等进行系统建模、仿真和分析。
二 MatLab 在《计算机控制技术》中的应用举例
1 离散系统的差分方程分析
对于采样周期远小于被控对象时间常数的生产过程，把离散时间系统近似为连续时间系统就可达到满意的控制效果。但是当采样周期并不是远小于对象的时间常数或对控制的质量要求比较高时，如果仍然把离散时间系统近似为连续时间系统，必然与实际情况产生很大差异，在这种情况下应根据采样控制理论直接设计数字控制器，它比模拟化设计具有更一般的意义，完全根据采样系统的特点进行分析与综合，并导出相应的控制规律。最少拍无差系统设计是最常见的一种设计方法，要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态。
1.1 公式推导和手工计算
设被控对象的传递函数Gc（s）＝ 10/s（Ts＋1），T＝Tm ＝0.025s
图1 传递函数模型
广义对象的传递函数为：
代入采样时间周期T＝Tm ＝0.025s，
计算机要实现的数字控制器的脉冲传递函数：
系统的输出序列：
数字控制器的输出序列：
1.2 数字控制器的MATLAB 实现
从最少拍控制器理论的公式推导和计算过程可以看出，用手工计算的方法过程繁琐、计算量大而且容易出错，如果采用MATLAB 工具则整个过程快速简便，有助于学生对设计方法的理解和记忆，为此在MATLAB 中建立了系统的仿真模型，如下图所示：
图2 有纹波系统的MATLAB 仿真模型
图3 系统输出仿真波形
从图3的仿真结果可以看出按快速有纹波系统设计方法所设计出来的系统，其输出值跟随输入值后，在非采样时刻有纹波存在，原因在于数字控制器的输出序列经若干拍数后，不为常值或零，而是振荡收敛的。非采样时刻的纹波现象不
仅造成系统在非采样时刻有偏差，而且浪费执行机构的功率，增加机械磨损。从本例可以看出，如果没有MATLAB 仿真工具的应用，只从数学上的公式推导和理论计算，学生是很难理解和掌握数字控制器的设计方法的。因此在计算机控制系统课程的教学中，利用MATLAB 软件提供的控制系统工具箱和动态系统仿真工具Simulink，通过建模、仿真、编程，将课本中呆板的推导和静态的图示变成了活的系统，可以生动地演示出参数变化对系统的影响，使学生提高了学习兴趣，加深了对课本的理解，弥补了实验条件的不足，促进了教学效果的提高。
2 数字滤波器设计
数字滤波器设计的目的是对输人信号进行数据序列的频率变换, 去掉其中我们不需要的频率成分, 变换成输出序列。
例如, 采样频率是100Hz ,设计一个高通滤波器。0一250 Hz为阻频带,其最小衰减为60db,350Hz到50Hz为通频带,其波动不超过3db,画出频率响应图。若用作图法去做,不但很难实现,而且误差大。但用Matlab的M程序就很容易实现,而且响应的曲线图清晰、直观。其中的M 程序如下:
elear
wp=350/50 % 通频带
ws=250/500 % 过渡带
(n ,wn )=butord(w p,w s ,3,60 ) % 计算滤波器的最低阶次和截止频率[b, a ]=buter( n ,w n ,'high',) % 高通滤波器计算阶次和截止频率
freqz(b,a ,128,l000) % 滤波器频率响应
End
运行结果: 滤波器的阶次为1次,截止频率为0.6879。滤波器频率响应如图8 , 从图中频率响应(Mag-nitude图)可以看出滤波器的通频带为一几乎水平的线,而Phase为滤波器的相位特性描述,这种仿真方法简单明了。
图4 高通滤波器响应曲线
三、结束语
MATLAB是一款强大的控制系统仿真软件，几乎能对所有当今最先进的控制技术仿真，其仿真生动、直观、形象。通过形象的仿真分析，可以将控制规律作比较全面、深人的演示。在课堂教学中引入MATLAB系统仿真，可加深学生对各种控制规律的内在意义的理解。把MATLAB语言应用于《计算机控制系统》教学中，可以起到如下作用：
1.根据给出的被控对象函数对整个系统进行分析和设计，在传统方法的求解过程中，需要用到很多数学知识，也增加了很多的计算量，而且在求解的过程中，如同解数学题的感觉，造成计算机控制理论和工程实践的电路图脱节。
2.一些工程实际问题用传统的教学方式不易讲深讲透，而借助于M A T L A B软件程序，就可在课堂上进行形象生动的仿真分析，便于学生对概念的深入理解和掌握，提高教学效率。
3.充分利用Simulink这一强大的仿真模块，用于系统分析，无须编程，系统的连接全部实行拖放式操作，操作简便,分析结果直观，可以生动、形象地将对系统的静态和动态性能显示出来，进行分析和调试,其实验结果可用来指导实际系统的设计。
参考文献
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[6] 姜学军.计算机控制技术[M ].北京:清华大学出版社,2005.
《计算机控制技术与系统》课程 思考题与习题 第一章绪论 简述计算机控制技术发展史。 简述计算机控制系统的类型、结构和特点。 计算机控制与常规控制主要不同点在哪里 典型计算机控制系统有哪几部分组成，画出方框图。 什么叫做动态系统 对计算机控制系统的基本要求是什么 简述调节系统与跟踪系统（随动系统）的特点。 典型计算机集成制造系统（CIMS）有哪四个功能系统和两个支持系统 第二章过程通道 采样定理对于采样周期的选取有什么意义 写出采样过程的数学描述形式。 影响采样周期选择的因素主要有哪些 多路采样装置的主要作用是什么，常用采样器包括哪些 过程通道的采样周期T是否越小越好，为什么 A转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。 2.7A/D转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。 简述模入通道结构与各组成部分功能。 简述过程通道的类型和基本功能。 简述开关量通道的基本构成形式和主要作用。 简述开关量通道的抗干扰措施有哪些。 模出通道的类型主要有哪几种，各有什么特点 保持器在过程通道中的作用是什么，举例分析。 某热工过程有16点温度信号，变化范围: 150--850 C, 采用微机监测。
求解问题： 1、 若经A/D 转换后的数字量每个脉冲对应的实际温度小于等于 C , 则A/D 分辨率至少为多少才能保证该精度 2、写出A/D 转换后的数字量与被测点实际温度间关系式。 3、该处理方式零点迁移量为多少 第三章 理论基础 求下图示离散系统脉冲传递函数G(z) 已知采样系统如下图所示，求下图示离散系统脉冲传递函数G(z)和当闭环系统稳定时K 的取值范围。 分析下图所示采样系统，当采样周期T=1，开环增益K=5时的稳定性。 给定传递函数 1 10+s K ，试以10倍的转角频率为近似的截止频率m ω，求满足采样定理的采样频率s ω和采样周期T 。 证明离散系统脉冲响应的z 变换即为离散系统传递函数。 设离散系统结构如下图所示，图中D(z)为数字PID 调节器，其差分方程为 )]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=k e k e k e K k e K k e k e K k u d i p
第一章计算机控制系统的特点及其应用领域。 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，
第一章计算机控制系统概述 习题与思考题 1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。 解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示： 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D 转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。 由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。因此，计算机控制系统具有上述优点。 1.2计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？ 解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。 被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号（1-5V或4-20mA）；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制被控对象的物理量，实现控制要求。 1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图。
1 计算机控制系统概述 习题参考答案 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优
化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 (4)检测与执行机构 a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。 b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 (1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。系统软件包括： a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序； c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装 2
《计算机控制系统》第一次作业答案 你的得分：100.0 完成日期：2018年09月10日01点40分 说明：每道小题选项旁的标识是标准答案。 一、单项选择题。本大题共20个小题，每小题2.0 分，共40.0分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.计算机与计算机或智能设备之间进行通信地的连线，称为（） A.内部总线 B.外部总线 C.PCI总线 D.ISA总线 2.分散型控制系统综合的四C技术其中有（）。 A.分散控制 B.集中控制 C.控制技术 D.信息处理 3.通过一个信息帧传送的信息字段，是通讯中的实质性内容，也就是（）。 A.应用层 B.消息层 C.物理层 D.链路层 4.Bitbus的电气接口采用的是平衡传送的（）标准。 A.RS-232 B.RS-485 C.RS-422 D.IEE-488 5.按字符传送数据的方法称为（）。 A.同步传送 B.异步传送 C.网络传送 D.远传 6.外界干扰的扰动频率越低，进行信号采集的采样周期应该越（）。 A.长 B.短 C.简单 D.复杂 7.所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在（）的时间范围内完成。 A.微秒级 B.纳秒级 C.毫秒级 D.一定 8.数字量输入通道主要由（）、输入调理电路、输入地址译码等组成。
A.输入缓冲器 B.输入锁存器 C.输出缓冲器 D.输出锁存器 9.A/D转换器的主要技术指标中，（）是指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 A.分辨率 B.线性误差 C.量程 D.转换时间 10.将采样信号转换成数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是（）。 A.D/A转换器 B.A/D转换器 C.计算机 D.单片机 11.在通信线路上传输信息时，用于提高传输质量的方法中，改善信道的电性能，使误码 率降低的方法称为（）。 A.差错控制技术 B.检验错误 C.纠正错误 D.自动纠错 12.数据传输通常用的方式中，用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单 线输入信号的方式称作（）。 A.串行传输方式 B.不平衡方式 C.并行传输方式 D.平衡传输方式 13.在数字滤波技术当中，应视具体情况选择不同的数字滤波方法，其中（）适用于偶然 性的脉冲干扰。 A.平均值滤波 B.中位值滤波 C.惯性滤波法 D.加权平均值滤波法 14.多变量控制系统解耦的条件是系统的闭环函数矩阵Φ(s)为（）。 A.解耦矩阵 B.对称矩阵 C.对角线矩阵 D.补偿矩阵 15.一个10位的A/D转换器，其量化精度约为（），若其孔径时间为10微妙， 如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正旋波模拟信号的最大频率为 16HZ 。 A.1% B.0.5% C.0.2% D.0.1%
浅谈计算机控制系统的发展 摘要：论述了计算机控制系统的发展历史及发展趋势，分析了计算机控制系统的组成部分及其特点。并且对当前计算机系统的发展情况做出评价。 关键词：计算机控制系统发展 1 引言 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统，并且是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术,在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。 2 计算机控制系统的发展情况 在60 年代,控制领域中就引入了计算机。当时计算机的作用是控制调节器 的设定点，具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称作是计算机监控系统。这种系统的调节器主要是采用了模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中, 计算机不但完成操作处理,还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制, 以使被控量达到理想的工作状态。这种控制系统即常说的直接数字控制( DDC) 系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。 由于整个系统中只有一台计算机, 因而控制集中，便于各种运算的集中处理，各通道或回路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时由于系统没有分层, 所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程的复杂，在实现对几十、几百个回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集中，一旦计
计算机控制系统期末试题 一、选择题（每题4分） 1.二阶系统的超调量与 C A.固有频率无关，阻尼比无关 B. 固有频率有关，阻尼比有关 C. 固有频率有关，阻尼比无关 D. 固有频率无关，阻尼比有关 2.连续控制系统的不稳定性条件是S平面的 D 部分。 A.单位圆内 B. 单位圆外 C. 左半 D.右半 3.计算机控制系统是以__A___为核心部件的自动控制系统。 A.计算机 B. 控制器 C. 转换器 D.保持器 4.下列哪个不是计算机控制系统控制过程的步骤？B A.数据采集 B. 数据转换 C. 计算机控制量 D.输出控制信号 5.下列哪个不属于计算机控制系统的过程输入通道。D A.温度 B. 压力 C. 流量 D.继电器 6. 单位阶跃输入下输出响应，经过_B___周期就稳定在设定值上。 A. T B.2T C 3T D.4T 7.低通滤波器可以让高于 A Hz虑掉。 A50 B. 60 C. 70 D.80 8.计算机控制系统稳定性条件是Z平面的___A___部分。 A单位圆内 B. 单位圆外C. 左半 D.右半 9.连续控制系统的稳定性条件是S平面的___C___部分。 A单位圆内 B. 单位圆外C. 左半 D.右半 10.下列属于共模干扰？D A电容的静电耦合 B. 长线传输的互感C.磁场耦合 D.变压器漏电 二、判断题（每题2分） 1. 输入输出通道时计算机控制系统的核心。（F） 2. 连续控制系统的传递函数分母式系统的特征多项式，代表系统的固有特性？（T） 3. 计算机的硬件对计算机控制系统的非常重要，管理计算机的程序及过程控制的应用程序。（F） 4. 被控对象可以是模拟量，不可以是开关量。（F） 5.一般采用多路通道共享采样/保持或模数转换器。（T） 6. 转速传感器的激励绕组与输出绕组之间在空间相差180°（F） 7. PID的积分环节经常单独使用。（F） 8. 空间辐射干扰中来自通道的干扰最大。（F） 9. 低通滤波器可让80Hz的工频信号无衰减地通过。（F） 10.计算机控制系统的分析与设计是以系统的数学模型为基础。（T） 三、简答题（每题5分） 1．传递函数的特点？ 答：1）传递函数的分母是系统的特征多项式，代表系统的固定特征；分子代表输入与系统的关系，而与输入量无关，因此传递函数表达了系统本身的固有特性。 2）传递函数不说明被描述系统的具体物理结构，不同的物理系统可能具有相同的传递函数。
微机控制技术的发展概况及趋势 微机控制技术是以微型计算机作为机电一体化的控制器，结合微型计算机的工作原理和接口设计，相应的控制硬件和软件以及它们的配合，实现对控制对象的控制的一门技术。它的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展，随着科学技术的发展，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。 本文从计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机及系统的发展应用，计算机控制系统的发展趋势，这几个方面来阐述微机控制技术的发展概况及相关趋势。 计算机控制系统在60年代引入控制领域当时计算机是控制调节器的设定点, 具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称为计算机监控系统。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统,简称集中控制系统。这种控制系统即常说的直接数字控制(DDC)系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。这个控制系统由于只有一台计算机而且没有分层，所以非常有利于集中控制盒运算的集中处理，并且能得到很好的反映，并且，各个控制规律都可以直接实现。但是，如果生产过程复杂，则该系统的可靠性就很难保证了。系统的危险性过于集中, 一旦计算机发生故障, 整个系统就会停顿。[7] 70 年代随着电子技术的飞速发展,随着大规模集成电路的出现和发展, 集散控制系统（DCS）出现，之后在此基础上，随着生产发展的需要而产生了一种更新一代的控制系统，即分布式控制系统。典型的集散控制系统具有两层网络结构下层负责完成各种现场级的控制任务,上层负责完成各种管理、决策和协调任务。 90年代以来，随着各个学科的发展和交叉融合，随着现代大型工业生产自动化的不断兴起, 利用计算机网络作为控制工具的综合性控制系统，计算机集成系统（CIPS）应运而生。它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术，并且终将成为未来控制系统的发展趋势。 我国工业控制发展的道路是比较曲折的，20世纪80年代末到90年代初，我国市场上大都是首先引进了成套设备，在引进成套设备的同时相继引进了各种工控系统，来填充国内在这方面的不足，90年代后，在我国一批科学家的带领下，我国逐渐有了自己设计的控制系统和装置，建立自己的实验室，生产出属于自己版权的产品，然后在原有技术的基础上进行二次开发和应用，从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。[1] 目前国内的工控机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品（例如RADISYS、ROCKWELL、INTEL等）经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难，现已完全退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升；各类芯片和各类器件、生产设备在国际市场基本可平等选购；软件资源的可移植性可节省大量的人力、物力。在这些有利条件下，国内一些厂商抓住机会快速崛起，利用本土综合竞争优势逐步将国外品牌挤出国内工控市场。某些企业以每年超过100%的资产增长速度，鼎立于国内的工控市场，而且
山东大学 本科毕业论文论文题目：计算机控制系统及应用 姓名___________ 学院____山东大学___________ 专业____电气工程及其自动化___________年级___________ 指导教师_______________ 年月日
其执行控制功能的核心部件是数字计算机，是模拟和数字部件的混合系统。有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式，由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，在连续控制系统在本质上有许多不同，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改具有很大灵活性和适应性，具有高速的运算能力，一个控制器经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路，采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。 关键词：计算机控制技术、系统、应用
目录 第一章计算机控制技术的概述--------------------------------------------------------------------------5 1、计算机控制的概念------------------------------------------------------5 2、计算机控制系统--------------------------------------------------------5 3、计算机控制系统的控制过程----------------------------------------------5 4、计算机控制系统的特点--------------------------------------------------6 5、计算机控制系统的组成--------------------------------------------------6 第二章计算机控制系统的典型应用方式--------------------------------------------------------------8 1、操作指导控制系统------------------------------------------------------8 2、直接数字控制系统（DDC）-------------------------------------------------8 3、监督控制系统（SCC）-----------------------------------------------------9 4、分散控制系统（DCS）----------------------------------------------------16 5、现场总线控制系统（FCS）------------------------------------------------16 第三章工业控制机 ---------------------------------------------------------------------------------------11 1、工业控制机的特点-----------------------------------------------------11 2、典型工业控制机介绍---------------------------------------------------12 第四章实例说明-------------------------------------------------------------------------------------------13
计算机控制系统试卷一答案 班级：姓名：学号：成绩： 一、简答题（每小题5分，共50分） 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。 答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ 答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。 (2) 同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样 如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。 (5) 随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 3、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K P可以减小静差，但是K P过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量
振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 (2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数T I大，则积分作用弱，反之强。增大T I将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。 (3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4、采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。 答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关K的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则K闭合，由A1、A3组成跟随器，并向C H端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则K断开，外接电容保持K断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至Aout。 5、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？ 答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜z i｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。 6、为什么会出现比例和微分饱和现象？ 答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，
目录 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 (2) 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 (2) 1.2 计算机过程控制系统的分类 (2) 1.3 计算机过程控制系统国内外应用状况 (6) 1.4 计算机过程控制系统的发展趋势 (7) 第二章国内油田计算机控制系统应用软件现状及发展趋势 (8) 2.1 基于PC总线的控制系统应用软件 (8) 2.2 基于各种PLC控制系统的应用软件 (8) 2.3 中小规模的DCS控制系统组态软件 (9) 2.4 计算机控制系统应用软件的发展趋势 (9)
第一章计算机过程控制系统的应用与发展 在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世。经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。 回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个8寸期： (1)起步时期(20世纪50年代)。20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。 (2)试验时期(20世纪60年代)。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。 (3)推广时期(20世纪70年代。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，1972年生产出了微型计算机(mi—erocomputer)。其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。 (4)成熟时期(20世纪80年代)。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。80年代末，又推出了具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控N*0管理融为一体的新型集散控制系统。(5)进一步发展时期(20世纪90年代)。在计算机控制系统进一步完善应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。 1.2 计算机过程控制系统的分类 计算机控制系统的应用领域非常厂泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类。
第1章习题 B 习题 B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。 B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。 B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。 题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图 B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h。用水量Q1 为系统干扰。当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持
水箱水位为指令水位。试把该系统改造为计算机控制系统。画出原理示意图及系统结构图。 题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图 B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。 题图B1-5机械手控制系统示意图 B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图。 题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图
计算机控制技术的发展及趋势 张赟枫 自动化1304 0901130425 一、计算机控制技术的发展 1、第一代工业计算机控制技术 第一代工控机技术起源于20世纪80年代初期，盛行于80 年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机市场，其标志性产品是STD总线工控机。STD总线最早是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，统称为STD80，后被国际标准化组织吸收，成为IEEE961标准。国际上主要的STD总线工控机制造商有Pro- Log、Winsystems、Ziatech等，而国内企业主要有北京康拓公司和北京工业大学等。STD总线工控机是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工控机发展史上留下了辉煌的一页。 2、第二代工业计算机控制技术 1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC机，震动了世界，也获得了极大成功。随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业控制机市场。美国著名杂志《CONTROL ENGINERRING》在当时就预测“90年代是工业IPC的时代，全世界近65%的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长”。历史的发展已经证明了这个论断的正确性。IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。 90年代末期，ISA总线技术逐渐淘汰，PCI总线技术开始在IPC中占主导地位，使IPC工控机得以继续发展。但由于IPC工控机的结构和金手指连接器的 限制，使其难以从根本上解决散热和抗振动等恶劣环境适应性问题，IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业过程控制、电力自动化系统以及电信等领域退出，向管理信息化领域转移，取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术。值得一提的是，IPC工控机开创了一个崭新的PC-based时代，对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响。 3、迅速发展和普及的第三代工控机技术 PCI总线技术的发展、市场的需求以及IPC工控机的局限性，促进了新技术的诞生。作为新一代主流工控机技术，CompactPCI工控机标准于1997年发布之初就倍受业界瞩目。相对于以往的STD和IPC，它具有开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等特点，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和IPC之后的第三代工控机的技术标准。采用模块化的CompactPCI总线工控机技术开发产品，可以缩短开发时间、降低
计算机控制系统自测题目及答案 计算机控制系统概述 习题参考答案 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图
(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 (4)检测与执行机构 a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。 b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 (1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。 系统软件包括： a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序； c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等； d.信息处理：指文字翻译、企业管理等。 (2)应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。 应用软件包括： a.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等； b.过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；
思考题与习题 5-2 已知模拟调节器的传递函数为s s s E s U s D 5.0121)()()(++= = ，试写出相应数字控制器的位置型控制算式，设采样周期s T 5.0= 解 5-4 调节系统在纯比例作用下已整定好，加入积分作用后，为保证原稳定度，此时应将比 例系数增大还是减小？ 解 减小 5-5 要消除系统的稳态误差，通常选用哪种调节规律？ 解 PI 或PID 5-8 试画出不完全微分PID 控制器的结构图，并推导出其增量算式。 解 对图5-4b ，有 ()()/(1)d p d f U s K T sE s T s =+ 其对应的微分方程 ()() ()d f d p d du t d e t T u t K T dt dt += ()(10.5)()(12) U s s E s s +=+()0.5(1) 2.5()2(1) u k u k e k e k =-+--图5-4 不完全微分PID 控制器 b) a) (0.5)()0.5(1)(2)()2(1)T u k u k T e k e k +--=+--
上式离散化后，经整理可得 ()(1)(1)[()(1)]d d d u k au k K a e k e k =-+--- 微分分量的增量算式 ()(1)(1)[()(1)] (1)(1)[()2(1)(2)] d d d d d u k a u k K a e k e k a u k K a e k e k e k ?=?-+-?-?-=?-+---+- 不完全微分PID 控制器的增量算式 []()()()() ()(1)()() p i d p i d u k u k u k u k K e k e k K e k u k ?=?+?+?=--++?
计算机控制系统的发展趋势 计算机控制系统随着计算机科学、自动控制理论、网络技术、检测技术的发展，在工业4.0 以及中国制造2025 计划的推动下，其发展趋势大致如下。 1.网络化的控制系统 随着计算机技术和网络技术的不断发展，各种层次的计算机网络在控制系统中得到了广泛应用。计算机控制系统的规模越来越大，其结构也发生了变化，经历了计算机集中控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统，向着网络控制系统（Network Control System，NCS）发展。网络控制系统的结构示意图如图所示。 在工业自动化向智能化的发展进程中，通信已成为关键问题之一，但由于多种类型现场总线标准并存，不同类型的现场总线设备均配有专用的通信协议，互相之间不能兼容，无法实现互操作和协同工作，无法实现信息的无缝集成。使用者迫切需要统一的通信协议和网络。因此，基于TCP/IP 的以太网进入工业控制领域并且得到了快速发展。比如，惠普公司应用IEEE 1451.2 标准，生产的嵌入式以太网控制器具有10-Base 以太网接口，运行 FTP/HTTP/TCP/UDP，应用于传感器、驱动器等现场设备。再如，FF 提出的IEC 61158 标准中类型 e 所定义的HSE（High Speed Ethernet）协议，用高速以太网作为H2 的一种替代方案，选用100Mbit/s 速率的以太网的物理层、数据链路层协议，可以使用低价位的以太网芯片、支持电路、集线器、中继器和电缆。国内浙大中控也推出了基于EPC（Ethernet for Process Control）的分布式网络控制系统，将Ethernet 直接应用于变送器、执行机构、现场控制器等现场设备间的通信。网络化控制系统就是将控制系统的传感器、执行器和控制器等单元通过网络连接起来。其中的网络是一个广义的范畴，包含了局域网、现场总线网、工业以太网、无线通信网络、Internet 等。随着物联网概念的提出以及控制系统发展的需求，以无线通信模式为新特征的物联网控制系统，必将成为计算机控制系统的重要发展方向。