第4章 计算机控制系统离散化设计

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：．A／D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；．D／A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.按功能分类1)数据处理系统2)直接数字控制（DDC）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。

计算机控制系统(期末复习资料)⏹ 第一章 绪论1、计算机控制系统的组成：由计算机（工业控制计算机）和工业对象（被控对象）组成。

2、计算机控制过程的3个步骤：实时数据采集；实时决策；实时控制。

3、过程输入输出通道：计算机和被控对象（或生产过程）之间设置的信息传递和转换的连接通道。

4、采样过程：在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或数字序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列的过程；采样开关：实现采样的装置。

5、控制系统的稳态控制精度由A/D 、D/A 转换器的分辨率决定。

6、计算机控制系统是利用离散的信号进行控制运算。

7、香农采样定理：一个连续时间信号f(t)，设其频带宽度是有限的，其最高频率为ωmax(或fmax)，如果在等间隔点上对该信号f(t)进行连续采样，为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信号f(t)的全部信息量。

则采样角频率只有满足下面的关系：ωs ≥2ωmax8、采样保持器：将数字信号序列恢复成连续信号的装置。

9、零阶保持器所得到的信号是阶梯信号，它只能近似地恢复连续信号。

⏹ 第二章 Z 变换及Z 传递函数1、计算机控制系统属于闭环离散控制系统，它的输出量与输入量之间的关系可用差分方程来描述。

2、部分分式法3、常用信号的Z 变换单位脉冲信号： 单位阶跃信号： 单位速度信号： 指数信号：正弦信号： 4、常用Z 变换表5、连续系统是用微分方程描述的，离散系统是用差分方程描述的，差分方程是离散系统时域分析的基础，而计算机系统的本质是离散系统。

6、Z 传递函数：在零初始条件下离散系统的输出与输入序列的Z 变换之比。

)()(t t f δ=)(1)(t t f =tt f =)(at e t f -=)(t t f ωsin )(=7、Z 传递函数的物理可实现性：k 时刻的输出y(k)不依赖于k 时刻之后的输入，只取决于k 时刻及k 时刻之前的输入和k 时刻之前 的输出。

故G(z)是物理可实现的。

前言《计算机控制系统》系统地论述了计算机控制系统的结构、原理、设计和应用，既有理论分析也有应用实例，论述了直接数字控制系统（DDC）、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS)和可编程控制器系统（PLS或PLC）4类典型的计算机控制系统。

直接数字控制系统（DDC)是计算机控制的基础，本书深入论述了DDC系统的形成、发展、体系结构、控制算法、硬件、软件、设计和应用，分析了DDC系统的输入、输出、控制和运算功能，并引入了功能块及组态的概念；集散控制系统（DCS）是计算机控制的主流系统，本书概述了DCS的产生、发展、特点和优点，论述了DCS的体系结构、控制站、操作员站、工程师站和应用设计，分析了DCS的分散控制和集中管理的设计思想，以及分而自治和综合协调的设计原则。

通过本课程设计，使学生能较好的使用离散化设计方法对被控对象进行校正分析；对计算机控制系统DDC设计过程中的方案设计有初步了解，通过该设计在一定程度上使学生对计算机控制系统所学知识进行整合，使其得到一次全面、系统、独立的培养。

目录第一章计算机控制系统的离散化设计 (1)1.1有限拍设计 (1)1.1.1有限拍设计的概述 (1)1.1.2 有限拍调节器 (2)1.1.3 采样频率的选择 (2)1.2 有限拍无纹波设计 (3)1.2.1 有限拍无波纹设计概述 (3)1.2.2有限拍无纹波设计实例 (3)本章小结 (5)第二章 DDC系统的设计和应用 (6)2.1.DDC系统的设计 (6)2.1.1 DDC系统的设计原则 (6)2.1.2 DDC系统的设计过程 (6)2.2.DDC系统的应用 (6)2.2.1.DDC系统的应用设计 (6)2.2.2.DDC系统的应用实例 (6)本章小结 (13)总结 (14)参考文献 (15)第一章 计算机控制系统的离散化设计计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出数字调节器，使系统达到要求的性能指标。

第一章计算机控制系统概述1、计算机控制系统的概念是什么计算机控制系统是以计算机技术、控制理论及自动化技术相结合并应用于工业生产过程的结果，是以自动控制理论为基础，以计算机为手段的控制系统。

2、计算机系统由哪些部分组成并画出方框图。

计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。

3、计算机控制系统的主要性能指标有哪些稳定性/动态指标/稳态指标/能控性与能观性4、计算机控制系统的主要特点有哪些各项连续控制系统计算机控制系统信号形式都是模拟信号模拟信号、数字信号皆有控制规律实现由模拟电路实现由计算机通过程序实现控制形式整个过程始终连续控制整个过程始终离散控制控制器作用一个控制器控制一个回路一个控制器分时控制多个回路功能强度简单控制具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能自动化程度自动化程度低便于实现控制与管理的一体化5、计算机控制系统是怎样分类的按功能和控制规律可分为几类一、按控制系统的功能及结构特点分类①操作指导控制系统②直接数字控制系统DDC③监督控制系统SCC④计算机分级控制⑤集散控制系统DCS⑥现场总线控制系统FCS二、按控制规律分类 ①程序和顺序控制 ② PID 控制 ③最少拍控制 ④复杂规律的控制 ⑤智能控制第二章 离散控制系统及Z 变换分析法1、计算机控制系统的信号形式有哪些连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 r(t)、y(t)、u(t) 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t) 离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)2、香农(Shannon)采样定理是如何描述的一个连续时间信号f(t)，设其频带宽度是有限的，其最高频率为ωmax(或fmax)，如果在等间隔点上对该信号f(t)进行连续采样，为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信号f(t)的全部信息量。

则采样角频率只有满足下面的关系： ωs ≥2ωmax采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现f(t)。