第四章计算机控制系统的特性分析

南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：计算机控制系统性能分析所在专业：自动化学生姓名：**班级学号：B************: ***2013 /2014 学年第二学期实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。

二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统图1 计算机控制系统1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解:G1=tf([1],[1 1 0]);G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数 rlocus(G);//绘制系统根轨迹Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-7-6-5-4-3-2-1012-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5将图片放大得到0.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25-0.15-0.1-0.050.050.10.15Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sZ 平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。

放大图片分析： [k,poles]=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point = 0.9905 + 0.1385i k =193.6417 poles =0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i 得到0<K<193(2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解：G1=tf([1],[1 1 0]); rlocus(G1);-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-0.8-0.6-0.4-0.20.20.40.60.8Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s由图片分析可得，根轨迹在S 平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<∞(3) 分析导致上述两种情况下K 取值范围差异的原因。

管理学控制系统的含义和特点
管理学中的控制系统是指一种用于监督和调节组织内部活动的
机制。

其含义是通过设定标准和目标，收集信息，进行比较分析，
并采取必要的纠正措施，以确保组织的运作与预期目标保持一致。

控制系统的特点包括：
1. 目标导向，控制系统的核心是确保组织的活动与设定的目标
一致，因此它是目标导向的。

2. 反馈机制，控制系统通过收集和分析信息，对组织的实际表
现进行评估，并进行必要的调整，以保持组织活动的正常运作。

3. 灵活性，控制系统需要具有一定的灵活性，能够适应环境变
化和组织内部的动态变化，以保持其有效性。

4. 多层次性，控制系统通常是多层次的，涵盖了组织的各个层面，从战略层到操作层都需要进行控制。

5. 连续性，控制系统是一个持续进行的过程，不断地收集信息、分析数据、进行调整，以确保组织的活动不偏离预期目标。

总的来说，管理学中的控制系统是一种目标导向、具有反馈机制、灵活性强、多层次、持续进行的机制，用于监督和调节组织内部活动，以确保组织的运作与预期目标保持一致。

计算机控制系统实验报告计算机控制系统实验报告引言计算机控制系统是一种利用计算机技术对各种设备和系统进行自动化控制的系统。

它在工业生产、交通运输、军事防御等领域有着广泛的应用。

本实验旨在通过对计算机控制系统的实际操作，深入了解其工作原理和应用。

实验目的本次实验的主要目的是学习计算机控制系统的基本原理和实现方法，通过实际操作来加深对其工作过程的理解。

同时，通过实验数据的收集和分析，掌握计算机控制系统的性能评估方法。

实验设备和材料本次实验所需设备和材料包括：计算机、控制器、传感器、执行器、数据采集卡等。

实验过程1. 硬件连接首先，将计算机与控制器通过数据采集卡连接起来，并将传感器和执行器与控制器相连。

确保各个设备之间的连接正确无误。

2. 程序编写编写控制程序，根据实验要求设定相应的控制算法和参数。

在程序中设置传感器数据的采集频率和执行器的控制方式，并将其与控制器进行关联。

3. 实验数据采集启动实验程序，开始采集传感器数据和执行器的控制信号。

通过数据采集卡将数据传输到计算机中，保存为文件以备后续分析使用。

4. 数据分析根据实验数据，进行数据分析和处理。

通过对采集的传感器数据进行曲线绘制和统计分析，评估控制系统的性能指标，如响应时间、稳定性等。

实验结果与讨论根据实验数据的分析，可以得出控制系统的性能评估结果。

通过对响应时间的分析，可以评估控制系统的快速性和准确性。

通过对稳定性的分析，可以评估控制系统的抗干扰能力和稳定性。

根据实验结果，可以对控制系统进行进一步的优化和改进。

实验总结通过本次实验，我对计算机控制系统的工作原理和实现方法有了更深入的了解。

通过实际操作和数据分析，我对控制系统的性能评估方法有了更清晰的认识。

同时，本次实验也让我意识到了计算机控制系统在现代工业生产中的重要性和广泛应用。

结语计算机控制系统实验是计算机科学与技术专业的重要实践环节。

通过实际操作和数据分析，可以加深对计算机控制系统的理论知识的理解，并为今后的工作和研究提供基础。

第5章计算机控制系统特性分析计算机控制系统特性分析就是从给定的计算机控制系统数学模型出发，对计算机控制系统在稳定性、准确性、快速性三个方面的特性进行分析。

通过分析，一是了解计算机控制系统在稳定性、准确性、快速性三个方面的技术性能，用以定量评价相应控制系统性能的优劣；更重要的是，建立计算机控制系统特性或性能指标与计算机控制系统数学模型的结构及其参数之间的定性和定量关系，用以指导计算机控制系统的设计。

本章主要内容有：计算机控制系统稳定性分析，稳态误差与动态响应分析。

5.1计算机控制系统稳定性分析与模拟控制系统相同，计算机控制系统必须稳定，才有可能正常工作。

稳定是计算机控制系统正常工作的必要条件，因此，稳定性分析是计算机控制系统特性分析的一项最为重要的内容。

5.1.1连续系统稳定性及稳定条件离散系统稳定性和连续系统稳定性含义相同。

对于线性时不变系统而言，无论是连续系统还是离散系统，系统稳定是指该系统在平衡状态下（其输出量为某一不随时间变化的常值或零），受到外部扰动作用而偏离其平衡状态，当扰动消失后，经过一段时间，系统能够回到原来的平衡状态（这种意义下的稳定通常称为渐近稳定）。

如果系统不能回到原平衡状态，则该系统不稳定。

线性系统的稳定性是由系统本身固有的特性所决定的，而与系统外部输入信号的有无和强弱无关。

线性时不变连续系统稳定的充要条件是：系统的特征方程的所有特征根，亦即系统传递函数)(s W 的所有极点都分布在S 平面的左半平面，或者说，系统所有特征根具有负实部，设特征根ωσj s i i +=，则0<i σ。

S 平面的左半平面是系统特征根（或极点）分布的稳定域，S 平面虚轴是稳定边界。

若系统有一个或一个以上的特征根分布于S 平面的右半平面，则系统就不稳定；若有特征根位于虚轴上，则系统为临界稳定，工程上也视为不稳定。

5.1.2 S 平面与Z 平面的映射关系在第3章中定义Z 变换时，规定了z 和s 的关系为Tse z = （5.1）式中，z 和s 均为复变量，T 是采样周期。

一概述1 计算机控制系统的概念1.1 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。

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。

1.2计算机控制系统的工作步骤实时数据采集，实时控制决策，实时控制输出。

1.3常用术语在线：计算机控制系统与生产设备直接相连，并受计算机控制的方式。

离线：与在线方式相反。

实时：实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。

2个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应。

2 计算机系统的组成2.1 硬件：一般是由计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成。

2.2 软件：系统软件，应用软件（数据采集与监视、控制计算与输出、公共服务程序）3 计算机控制系统的形式3.1 操作指导控制系统（OIS）3.2 直接数字控制系统（DDC）3.3计算机监督控制系统（SCC）3.4 集散控制系统（DCS）三级：分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级；原则：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调。

3.5 现场总线控制系统（FCS）“工作站—现场总线仪表”的二层结构；出现的理由特点常用标准（FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS、HART）3.6 PLC十上位机系统4计算机控制系统的特点4.1 系统结构特点（模拟部件和数字部件的混合系统）4.2 信号形式上的特点（按一定的采样间隔对连续信号进行采样） 4.3 系统工作方式上的特点（一台计算机可为多个控制回路服务）4.4 控制品质高4.5 功能价格比值高4.6 适应性强，灵活性高4.7缺点二工控机简介1 工控机的特点工业控制机主要用于工业过程测量、数据采集、控制等工作。

①可靠性高②实时性好③环境适应性强④过程输入和输出配套较好⑤系统扩充性好⑥系统开放性好⑦控制软件包功能强⑧系统通信功能强⑨后备措施齐全⑩具有冗余性2 工控机的分类与结构通用工业控制计算机、单片机、嵌入式工控机（PC/104总线工控机、ARM嵌入式单片机）、DCS工控机（即现场工作站）PLC：以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。

1.计算机控制系统的特点。

（1）计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统（2）连续系统中的各处的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中除此之外还有离散模拟，离散数字等多种信号形式。

（3）专门的理论分析和设计方法（4）便于实现复杂的控制规律. （5）可实现多路分时控制。

（6）便于实现控制管理一体化。

2、控制系统的工作方式？在线-联机方式：计算机与生产过程相连，并直接控制生产过程离线-脱机方式：计算机与生产过程相连，但不直接控制生产过程，而依靠人进行联系，冰做出相应的操作方式。

3、DDC,SCC控制系统工作原理如何？他们之间有何区别联系？直接数字控制系统（DDC）：计算机通过对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。

特点计算机参加鼻环控制过程，实现多路的PID监督计算机控制系统（SSC）：SCC+模拟调节器、SCC+DCC控制系统。

在此系统中计算机根据所涉及的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。

4、接口通道及其功能：(1）I\O 接口电路是主机和外围设备之间交换信息的连接部件以数字量为主，主要有缓冲器，锁存器，PIC.LED数码管。

（2）设置接口电路的必要性：解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题；解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题及负载能力和外围设备端口选择问题。

5、何为I\O通道？模拟量输入通道有那几部分组成？定义：在微机和生产过程之间设置的信息传送和变幻的连接通道。

组成：信号处理装置，采样单元，采样保持器，数据放大器，A\D转换器，控制电路。

6、模拟输出通道中为什么要加采样保持器？采样保持器的组成和要求？为了确保A\D转换器的精度就要在A\D转换器之前加上采样保持电路，使得A\D转换期间保持输入模拟信号不变。

计算机控制系统知识点第一篇：计算机控制系统基础知识计算机控制系统是在计算机技术和控制技术的基础上，将计算机技术与传统控制技术相结合发展而来的一种新型控制系统。

其主要特点是具有高度的智能化、自适应性和自动化等特性，广泛应用于机械制造、航空航天、化工、铁路交通、能源等各个领域。

计算机控制系统由以下几部分组成：1.硬件系统：指控制计算机、输入输出设备、传感器等物理设备的总称。

2.软件系统：指控制系统使用的程序系统。

包括两种类型：系统软件和应用软件。

3.控制算法：也称控制策略。

根据被控对象以及控制的要求，设计出一套合理的控制算法。

4.人机界面：传统的控制系统主要以机器为中心，人机交互相对较少。

而计算机控制系统增加了人机交互设计，使操作人员更加方便使用。

总之，计算机控制系统是一种高科技的控制技术。

通过综合运用计算机技术、传感器技术、通讯技术、控制算法和人机界面等多种技术手段来实现对被控对象的监测、控制和调节。

是当今世界各个领域中普遍采用的控制方式之一。

第二篇：计算机控制系统分类和结构计算机控制系统分类：1.根据控制过程的性质可以分为：连续控制系统和离散控制系统。

2.根据被控对象类型可以分为：工业控制系统、农业控制系统、汽车控制系统等。

3.根据控制的方法可以分为：反馈控制系统和前馈控制系统。

4.根据系统性质又可分为：单变量控制系统和多变量控制系统。

计算机控制系统结构：1.控制环节：主要包括传感器、信号调理器、A/D转换器和控制器等。

2.执行环节：主要包括执行器、驱动器和控制阀等。

3.人机界面：主要是给操作人员提供交互界面。

4. 通讯及数据处理环节：主要是数据采集和远程控制等。

5.电源环节：包括电源及变压器等。

总之，计算机控制系统具有结构清晰、系统稳定、响应速度快、控制精度高等特点。

由于其广泛的应用和无限的扩展空间，其研究和应用前景不断拓展。

第三篇：计算机控制系统常见应用计算机控制系统具有广泛的应用领域。

以下是其中一些典型的应用方向：1.生产自动化管理：通过自动化控制技术对设备运转状态、工作质量等进行监测和控制，实现生产车间的自动化管理。

计算机控制系统知识点计算机控制系统是指利用计算机作为中央控制器来控制工业过程、交通运输、机械制造等领域中的各种控制系统的一种系统。

计算机控制系统知识点众多，其中包括计算机控制系统的基本组成、控制系统的分类、控制系统的特点、控制系统的控制方法、控制系统的优化等诸多内容。

一、计算机控制系统的基本组成计算机控制系统由输入、输出、控制器、执行机构四个部分组成。

其中输入部分通常包括传感器、信号调理电路、模数转换器等；输出部分通常包括数字信号输出器、模拟信号输出器、执行机构等。

控制器一般是指由微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）或船用控制器等构成的控制模块，执行机构一般指各种电动机、泵、阀门等用来控制操作对象的机构。

二、控制系统的分类根据控制对象的特点，控制系统可以分为连续型系统和离散型系统。

连续型系统是指控制对象运动过程中的时间是连续的，例如温度、压力、流量等都是连续的；离散型系统指控制对象运动过程中的时间是离散的，例如工艺流程、机具动作等都是离散的。

根据控制系统的算法，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统是指没有反馈信号或反馈信号量不参与控制算法的控制系统。

例如，定时器就是一个开环控制器。

闭环控制系统是指反馈信号量参与控制算法的控制系统，也称为反馈控制系统。

三、控制系统的特点控制系统的特点包括：系统的控制目标明确、控制精度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高、可编程性强等特点。

四、控制系统的控制方法根据控制系统的特点和用途不同，控制系统的控制方法也各有不同。

常见的控制方法包括：1、比例控制：比例控制是指控制输出量与输入量呈比例关系的控制方法。

比例控制在工业生产中广泛应用，例如机床加工中的主轴脉冲控制就采用了比例控制技术。

2、积分控制：积分控制是指控制器对偏差信号进行积分运算后输出控制信号的控制方法。

积分控制常用于工业自动化中的流量控制、温度控制等方面。

3、微分控制：微分控制是指控制器对偏差信号进行微分运算后输出控制信号的控制方法。

教学模块3 计算机控制系统数学描述与性能分析教学单元4 计算机控制系统的稳态与暂态性能分析4.1 计算机控制系统稳态过程分析计算机控制系统的稳态指标用稳态误差来表示。

稳态误差指系统过渡过程结束到达稳态以后，系统参考输入与系统输出之间的偏差。

稳态误差是衡量计算机控制系统准确性的一项重要指标。

111()() ()lim(1)()lim(1)lim(1)1()()1()z z z d K R z R z e z E z z z D z W z W z →→→∞=-=-=-++()11()()1()()1()e d K E z W z R z D z W z W z ===++4.1.1 稳态误差与误差系数（1）位置误差系数对于单位阶跃输入，r (t )=1(t )，有()1z R z z =-1111 ()lim(1)lim 1()()11()()11 1(1)(1)1p z z d d d pz e z D z W z z D z W z D W K →→∞=-⋅=+-+==++11lim ()()lim ()(1)p d K K z z K D z W z W z W →→===位置误差系数()()()(1)()p d K D z W z z -→∞⇔=--（2）速度误差系数对于单位速度输入，r (t )=t ﹒1(t )，有速度误差系数2)1( -=z Tz R(z)21111 ()lim(1)lim 1()()(1)(1)[1()()]1 lim (1)()()v z z d dz dv Tz T e z D z W z z z D z W z T z D z W z K →→→∞=-⋅=+--+==-11(1)()()(1)() lim lim d K v z z z D z W z z W z K T T→→--==2()()()(1)()v d K D z W z z -→∞⇔=--（3）加速度误差系数对于加速度输入，加速度误差系数)(121)( 2t t t r ⋅=23(1) ()2(1)T z z R z z +=-2232111(1)()lim(1)lim 1()()2(1)(1)[1()()]a z z d dT z z T e z D z W z z z D z W z →→+∞=-⋅=+--+2211lim (1)()()z da T z D z W z K →==-222211(1)()()(1)() lim lim d K a z z z D z W z z W z K T T →→--==3()()()(1)()a d K D z W z z -→∞⇔=--4.1.2 系统类型与稳态误差系统的开环脉冲传递函数写成如下形式：0()()()()(1)K d r W z W z D z W z z ==-☐r =0，则系统为0型系统☐r =1，则系统为I 型系统☐r =2，则系统为II 型系统积分环节表4.1 三种类型系统的误差系数与稳态误差4.1.3 采样周期对稳态误差的影响系统的稳态误差与采样周期T之间没有必然的联系：（1）如果被控对象中包含与其类型相同的积分环节，则系统稳态误差只与系统的类型、放大系数和信号的形式有关，而与采样周期T无关；（2）如果被控对象中不包含足够多的积分环节，则稳态误差将与采样周期有关。

《计算机控制系统》课程教学大纲课程编号: 3153347课程名称：计算机控制系统英文名称：Computer Control System课程类型: 专业选修课总学时：42 讲课学时：36 实验学时：6学分：2.5适用对象: 电气工程及其自动化专业本科一、课程性质、目的和任务《计算机控制系统》是电气工程类专业高年级学生的一门专业选修课。

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门应用性很强的专业技术，其应用领域已从传统的工业过程控制向涉及人们生活的各个方面发展。

计算机控制主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

本课程的教学目的在于，通过本课程的学习，培养学生的创新意识、创新能力，培养学生的独立思考、分析问题和解决问题的能力，学会和掌握控制器的设计方法以及计算机控制系统硬、软件的组织与设计，为今后控制系统的设计、开发和实现打好坚实的基础。

二、教学基本要求1. 绪论介绍计算机控制系统的一些基本概念；计算机控制系统的组成、特点；计算机控制系统的分类；计算机控制理论主要包括的研究内容；计算机控制系统的发展过程及发展趋势。

2. 计算机控制系统设计的硬件基础介绍计算机控制系统的过程通道与接口（包括开关量输入与输出、模拟量输入与输出）；计算机控制系统中的电源；信号采样与重构以及数字滤波等基本知识。

3. 计算机控制系统的数学基础介绍线性离散系统的数学描述和Z变换分析法，主要包括差分方程、Z变换和逆Z变换理论，以及脉冲传递函数的定义、求法等内容。

4. 计算机控制系统的特性分析理解并掌握计算机控制系统的稳定性分析（稳定性条件、稳定性判据、稳定误差分析等）；介绍线性离散系统的动态特性分析；了解离散系统的根轨迹画法和离散系统频率特性。

5. 计算机控制系统的间接设计法（模拟化设计）介绍并掌握数字控制器的模拟化设计方法，重点包括模拟控制器与数字控制器的转换以及数字PID控制器的设计方法、数字PID控制器算法的改进、数字PID控制器的参数整定等内容。

计算机控制1.连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？答：与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点：(1) 计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

(2) 在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。

(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

(4) 计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。

(5) 一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。

(6) 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，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。

2.与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？答：（1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。

（2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。

（3）模糊控制系统的鲁棒性好。

（4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。

3.线性定常离散系统的稳态误差与哪些因素有关？答：线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。

除此之外，离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关4.在PID调节器中系数p k、i k、d k各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？在PID调节器中系数kp、ki、kd各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？系数kp为比例系数，提高系数kp可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数kp最终将导致系统不稳定。

比例调节可以保证系统的快速性。

系数ki为积分常数，ki越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。

在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。