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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。
目录第五章数字控制器的直接设计方法 (158)5.1 引言 (158)5.2 设计基本原理 (159)5.3 最小拍控制器的设计方法 (160)5.3.1 简单对象最小拍控制器设计 (161)5.3.2 复杂对象最小拍控制器设计 (166)5.4 最小拍控制器的工程化改进 (173)5.4.1 最小拍控制系统存在的问题 (173)5.4.2 最小拍无纹波控制器的设计 (173)5.4.3 针对输入信号类型敏感问题的改进 (178)5.4.4 针对模型参数变化敏感问题的改进 (182)5.5 大林算法（Dahlin） (186)5.5.1 大林算法设计原理 (187)5.5.2 振铃现象及其消除方法 (190)5.6 大林算法工程应用中关键参数的选择 (193)5.6.1 解决振铃现象中关键参数的选择 (193)5.6.2 解决分数时滞问题中关键参数的选择 (195)5.7 数字控制器的程序实现 (200)5.7.1 直接程序设计法 (200)5.7.2 串联程序设计法 (201)5.7.3 并行程序设计法 (203)本章小结 (205)习题与思考题 (206)第五章数字控制器的直接设计方法5.1 引言前一章讨论的是利用模拟化设计方法对计算机控制系统进行综合与设计，其实质是在采样周期较小的情况下，将计算机控制系统近似看成连续系统进行控制器的设计，然后通过对连续控制器的离散化处理，得到计算机控制系统的数字控制算法。
该方法对于不能获得被控对象准确数学模型的情况下数字控制器的设计较为实用，但是具有一定的局限性，本质上属于一种近似化的设计方法。
将连续的控制对象及其零阶保持器用适当的方法离散化后，系统完全变成离散系统，因此可以用离散系统的设计方法直接在z域进行控制器的设计，此即为数字控制器的直接设计方法。
这种离散化的设计方法，稳定性好，精度高，一般用于可以精确建立对象数学模型的情况。
由于该方法是在给定的采样周期下进行设计的，因此采样周期的选择取决于被控对象的特性，不受分析设计方法的限制，可以不必选得太小，达到系统控制指标的要求即可。
第五讲 DDC 控制所谓DDC 是英文direct digital control 的缩写，即“直接数字控制”。
指计算机的输出不是通过模拟控制器间接作用于被控对象，而是通过D/A 转换直接作用于被控对象，从而实现对被控对象的闭环调节控制。
实现DDC 控制通常有两种方法：一种是通过经典控制理论设计模拟调节器，然后在计算机软件中对模拟算法进行数字模拟。
第二种方法是采用离散控制理论直接分析和设计数字控制器。
前一种方法为广大技术人员所熟识所以，目前采用的数字控制方法大都属于用数字调节器来替代模拟调节器的方法。
在这一节，作为基础我们将介绍如何用代替方法设计一个温控器的DDC 控制程序，以及怎样将其调试到实用的程度。
我们过去在自动控制原理课中，已经学到了许多有关闭环调节系统得知识，为了使一个系统快、准、稳的达到预定的目标，必须采用恰当的环节对系统进行校正。
按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为 PID 调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。
PID 调节器结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。
特别在工业过程中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，但往往不能得到预期的效果，所以人们常采用 PID 调节器，并根据经验进行在线整定。
由于软件系统的灵活性，PID 算法可以得到修正而更加完善。
本章将着重介绍数字 PID 控制算法以及与此有关的问题。
5.1基本控制规律一个典型的单输入单输出的闭环控制系统如图所示。
其中，PID 调节的任务是在任意时刻根据输入e 和给出输出u ，使被控对象保持输出c 接近于给定值x 。
确定校正装置的具体形式时，应先了解校正装置提供的控制规律，常常采用比例、积分、微分等基本控制规律，或者这些基本控制规律的某些组合，如比例-微分、比例-积分、比例-积分-微分等控制规律，以实现对被控对象的有效控制。
摘要数字控制器的模拟化设计技术，式立足于连续控制系统控制器的设计，然后再计算机上尽心数字模拟来实现的，这种方法再被控对象的特性不热爱清楚的情况下，然们可以充分利用技术成熟的连续控制系统设计技术，并把它移植到计算机上予以实现，一大道满意的控制效果。
但是模拟化设计技术要求相当短的采样周期，因此只能实现较简单的控制算法。
由于控制人物的需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论来设计数字控制器，这类方法称为数字控制器的直接设计方法，或成功为离散化设计方法。
直接设计方法比模拟化设计方法具有更一般的意义，它完全是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。
D(z)对应连续控制系统的串联校正元件,实现所需要的采样控制规律u*(t);u*(t)转变为连续信号作用于被控对象，必须有采样保持环节。
系统的闭环脉冲传递函数Φ(z)为：当已知G(z)时，只要根据设计要求选择好φ(z)，就可以求得D(z)。
1.1数字控制器的直接数字控制器的直接设计步骤如下：（1）根据控制系统的性能指标要求和其他约束条件确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)（2）求广义对象的脉冲传递函数G(z)（3）求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)（4）求取控制算法的递推计算公式。
2.1最小拍系统的设计在数字随动控制系统中，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值的变化，最少拍控制就是满足这一要求的一种直接设计方法。
最少拍控制，也称最小调整时间系统或最快响应系统。
所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内大道无静差的稳态。
其闭环脉冲传递函数具有)()(1)()()()()(z G z D z G z D z R z C z +==Φ)(1)()(1)(z z z G z D Φ-Φ=以下形式式中n 是可能情况下的最小正整数。
这一形式表明闭环系统的脉冲响应在n 和采样周期后变为零，从而意味着系统在n 拍之内达到稳态。
控制算法课程设计一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握控制算法的基本原理和应用方法，培养学生分析和解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.知识目标：–了解控制算法的基本概念、原理和特点。
–掌握常见的控制算法，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
–理解控制算法在工程应用中的重要性。
2.技能目标：–能够运用控制算法分析和解决实际工程问题。
–具备编写控制算法程序的能力。
–能够对控制算法进行优化和改进。
3.情感态度价值观目标：–培养学生对控制算法的兴趣和好奇心。
–培养学生勇于探索、创新的精神。
–培养学生团队协作、沟通交流的能力。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括控制算法的基本原理、常用控制算法及其应用。
具体安排如下：1.控制算法的基本原理：–控制系统的数学模型。
–控制算法的性能指标。
–控制算法的稳定性分析。
2.常用控制算法：–PID控制算法。
–模糊控制算法。
–神经网络控制算法。
–其他常用控制算法。
3.控制算法的应用：–工业自动化控制系统。
–机器人控制系统。
–智能交通控制系统。
–其他应用案例。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式，包括：1.讲授法：讲解控制算法的基本原理、概念和公式。
2.案例分析法：分析实际工程案例，让学生了解控制算法的应用。
3.实验法：让学生动手实践，加深对控制算法的理解和掌握。
4.讨论法：鼓励学生积极参与课堂讨论，培养学生的创新思维和团队协作能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统、全面的知识体系。
2.参考书：提供相关的参考书籍，丰富学生的知识储备。
3.多媒体资料：制作精美的PPT课件，辅助课堂教学。
4.实验设备：准备相关的实验设备，让学生能够动手实践，提高实际操作能力。
五、教学评估本课程的教学评估将采用多元化、全过程的方式，以全面、客观地评价学生的学习成果。
评估方式包括：1.平时表现：通过课堂参与、提问、讨论等环节，评估学生的学习态度和积极性。
