计算机控制系统-讲PPT课件

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实验装置 -3
• 加热反应器
– 开环不稳 定的对象
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
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实验 装置 -4
• 非线性 液位对 象
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
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实验 装置 机房
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
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1-1-1 概述（1）
生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的 方式称为在线方式或联机方式；
生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。
②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的 速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的信号形式
y(t)
y*(t)
y(kT)
u(kT) u*(kT)
u(t)
采样器
A/D
计算机
D/A
保持器
• 连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 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) • 连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内
27.09.2020
第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
第一节 Unit 1 计算机控制系统的一般概念 Introduction of Computer Control System
27.09.2020
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本节主要内容
• 计算机控制系统的概述 • 计算机控制系统的信号特点 • 计算机控制系统的组成 • 计算机控制系统的经济效益

3. 综合指标
在现代控制理论中，如最优控制系统的没计时，经常使用综
合性能指标来衡量一个控制系统。选择性能指标时．既要考虑
到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处
理，以及工程上便于实现。因此，选择性能指标时，通常需要
做一定的试探和比较。综合性能指标通常有3种类型。
1）积分型指标：
（1）误差平方的积分：
3.5 线性离散时间系统的能控性与能观测性
线性定常离散时间系统的能控性定义及判据 线性定常离散时间系统的能观测性定义及判据
3.6 应用MATLAB进行离散系统分析
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统(Computer Control System)是应用计算机 参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得 一定控制目的而构成的系统。
为n，Qc为由系数矩阵A和B按一定规则组成的分块矩阵，
表达式是：
n为系统的维数。 判别线性定常系统能控性的判据还有 其他的形式。对于线性时变系统，判别能控性的条件要复 杂一些，而且系统是否能控，常常还依赖于初始时刻的选 取。对于完全能控的线性定常系统，通过特别选定的坐标 变换，可以将其状态方程化成标准的形式，称为能控规范 形。
3.3 控制系统的性能指标描述
对于一个控制系统来说，人们总是要求它能根据实际 的被控对象，在给定信号的作用下达到稳定、快速和准确 的性能指标。对于计算机控制系统，计算机相当于人的大 脑，因此有更多的功能可以实现，系统就能实现最佳的性 能指标。本章描述了控制系统的基本性能指标，以及这些 性能指标与系统的固有参数和设计参数的关系，从而为分 析和设计控制系统提供了依据。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6

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二、采样过程
要 求 ： 开 关 闭 合 间 隔 T 闭 合 时 间
采样过程：利用采样开关将连续信号转换成离散信号 的过程。
因此：采样过程可视为单位理想脉冲序列被输入的连续
信号进行幅值调制的过程
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采样过程的数学描述：
f*(t)f(t)T(t)
其中
T(t) (t KT)
称为单位理想脉冲序列。
k0
同理，一阶后向差分定义为
f(k )f(k )f(k 1 )
二阶后向差分定义为
2 f ( k ) f ( k ) f ( k 1 ) f ( k ) f ( k 1 ) f ( k 1 ) f ( k 2 )
注意：1、z变换的基本方法是直接法；
2、部分分式法适用于s域，本质为直接法：
3、直接查表（！！！？？？）；
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三、Z变换的基本定理
1、线性性；
a a 对于任何常数 1 和 2 ，若 Z f1 ( t) F 1 ( z ) ， Z f2 ( t) F 2 ( z )
则 ： Z a 1 f 1 ( t ) a 2 f 2 ( t ) a 1 F 1 ( z ) a 2 F 2 ( z )
a)
b)
a) 理想的滤波器
b) 滤波器输出信号频谱
目的：解决从离散到连续的问题，即插值问题；
思考：如何插值？
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二、零阶保持器概念
零阶保持器：把前一采样时刻kT的采样值一直保持到下
一个采样时刻(k+1)T，从而使采样信号f*(t)变为阶梯 信号fk(t)。
零阶保持器的输入输出特性:
f * (t)
fh (t)
6、初值定理
f(0)lim F(z) z

采用一台现成的STD总线IPC较为适宜。选 用某电子工厂的IPC产品，共由10块功能模 板及外设组成，如图9.4所示。
第十八页，共61页。
图9.4 IPC硬件组成框图
第十九页，共61页。
❖
图中（1）CPU板及打印机、（2）CRT板及CRT、（3）
键盘接口及自诊断板及键盘、（4）存储器板、（5）电源，构
时，应启动水泵供水；当水位处于下限B与上限C 当水位降到下限B以下时，电极B与电极C在水面上方悬空，b点、c点呈低电平，这时应启动水泵供水，即是表中第一种组合；
水位计的作用：在任何控制方式下，水位计的上上限或下下限到位时，都将发出声光报警信号；
之间，水泵应维持原有的工作状态。 图为机组实际的二级减温控制系统的结构图（SAMA图），图中给出了控制回路的基本结构及调节器跟踪、手动/自动切换逻辑。
第二十八页，共61页。
9.3 中水回用PLC控制系统
在以数字量为主的中小规模控制环境下，
一般应首选PLC装置，下面介绍一个用西门子 PLC监控中水处理流程的工程实例。
第二十九页，共61页。
主要内容
1．系统概述 2．硬件设计 3．程序设计
第三十页，共61页。
❖ 1．系统概述
❖ 将生活污水进行几级处理，作为除饮用以外的其它 生活用水，将形成一个非常宝贵的回用水资源。其中 用PLC作为主要控制装置已成为一种共识。
STD总线IPC控制循环水动态模拟试验装置的 实例。
第十一页，共61页。
主要内容
1．系统概述 2．硬件电路 3．软件设计 4．功能画面
第十二页，共61页。
❖1．系统概述
❖ 大型化工企业普遍采用冷却水循环使 用技术，但循环冷却水同时带来设备的结垢 与腐蚀问题，为此利用循环水动态模拟试验 装置，模拟生产现场的流态水质、流速、金 属材质和循环冷却水进出口温度等主要参数， 来评价稳定水质的配方、阻垢效果及寻求相 应的操作工艺条件。

利用状态反馈实现闭环系统的极点配置，需要利用 系统的全部状态变量。然而系统的状态变量并不都是能 够易于用物理方法量测出来的，有些根本就无法量测； 甚至一些中间变量根本就没有常规的物理意义。此种情 况下要在工程上实现状态反馈，就需要对系统的状态进 行估计，即构造状态观测器。
全维状态观测器
降维状态观测器
✓ 非奇异变换不改变系统的能观性
✓ 离散系统状态能控性、能观性与脉冲传递函数的关系
• 单输入─单输出线性定常离散系统完全能控和完全 能观的充分必要条件是脉冲传递函数不存在着零、极 点相消。如果存在着零、极点相消，系统或者是不完 全能控，或者是不完全能观，或者既不完全能控又不 完全能观。
例7.4
5. 输出能控性
图7.6 全维状态观测器
全维状态观测器（2）
构造一个与受控系统具有相同参数的动态系统
xˆ(k1)Axˆ(k)Bu(k) yˆ(k)Cxˆ(k)
当两系统的初始状态完全一致时，则两个系统未来 任意时刻的状态也应完全相同。但在实际实现时，不可 能保证二者初始状态完全相同。为此，应引入两个系统 状态误差反馈信号构成状态误差闭环系统，通过极点配 置使误差系统的状态渐趋于零。由于原受控系统状态不 可直接量测，故用二个系统的输出误差信号代替。
设S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互为对偶的两个系统，则S1的能控性 等价于S2的能观测性；S1的能观测性等价于S2的能控性。或者说， 若S1是状态完全能控的(完全能测观的)，则S2是状态完全能观测的 (完全能控的)。
4.
系统状态能控性、能观性的 其它特性
✓ 非奇异相似变换不改变系统的能控性
x(k1)Ax(k)Bu(k) y(k)Cx(k)Du(k)
对上面方程两端求z变换（零初始状态下），可得

1. 以控制力为输入建立双摆系统的数学模型
F ：拖动电机对于滑车的控制力
M ：滑车质量
m1 m2
x
l1
l2
：上摆关节的质量 ：下摆关节的质量（包括摆锤） ：滑车距参考坐标系原点的横坐标 ：上摆质心距滑车铰链的长度 ：关节铰链距滑车铰链的长度（上摆杆
的摆长）
：关节铰链距下摆质心的长度 l3 ：上摆摆动角度

x5

0
x6 0
0 0 0 0 0
m1 m2 g M 0
( m1 m2 m1 m2 )g
M l1
m1 l1
0
m1 m2 g m2 l3
0 1 0 0 0

0
Be北immjmimn1京1g10002H和l&1mlJ3g君V2angg创uar业d10000T培rain训ingxxxxxx发1456&23 展Deve有lopM限meMn11000公t lC1o司.,LFtd. 11
2. 双摆实验控制系统性能指标
本实验系统控制的目的是：当滑车在导轨上以一定速度和加速 度运动时，应保持双摆的摆动角度最小；或双摆有任一初始摆 角时，系统将使双摆迅速返回平衡位置。
为实现上述控制目的，提出如下性能指标要求：
(1) 计算机D/A输出100mV时，电机应启动。 (2) 滑车最大运动速度为 0.4m／s，D/A的最大输出对应滑车的最大运行速 度。 (3) 当有较大的初始扰动（上摆角初始角度为50o）时，上下摆的摆角到达 稳态时间＜5s~6s，摆动次数＜3~4次。 (4) 当滑车从偏离零位处回归零位时，上下摆的摆角到达稳态时间＜5s~6s ，摆动次数＜3~4次。

m2 )g[(m1 m1l1 ( Mr

➢ 可靠性高。集中显示，分散控制，故障影响小，自诊断功能、 冗余措施等，使可靠性大大提高。
➢ 便余与其它计算机联网。
DCS以可靠性、灵活性、人机界面友好性及通讯的方便性等特性 被广泛应用。
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28.10.2020
兖矿国泰准军事化安全轮训
4 、 DCS的结构：
操作站
工程师站
上位计算机
SNET
控制站
控制站
兖矿国泰准军事化安全轮训
四、现场总线控制系统
传统计算机控制系统的结构示意图
朴素意义上的 FCS结构示意图
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兖矿国泰准军事化安全轮训
计算机控制系统的发展特征
随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，计算机 控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发 展成为一种趋势
系统结构向网络化、网络扁平化方向发展 系统功能向综合化方向发展 系统设备向多样化方向发展
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兖矿国泰准军事化安全轮训
2、DCS定义：
分散控制系统DCS(Distributed Control System)又名集中分散控制系统，也叫分布 式控制系统。
集计算机技术、控制技术、通讯技术及 CRT技术为一体的综合性高技术产品。
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28.10.2020
兖矿国泰准军事化安全轮训
兖矿国泰准军事化安全轮训
三、 集散控制系统
出发点（2个方面）： (1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分
散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性； (2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运
行应当服从工业生产管理的总体目标。
根本特征:控制的分散性和管理的集中性
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〔2〕按干扰补偿的开环控制系统
测量
干扰
给定值
计算
执行 被控对象
被控 量
特点：只能对可测干扰进行补偿,对于不可测对象 及受控对象各功能部件内部参数变化对被控量造 成的影响,系统自身无法控制.
例：稳压电源,稳压二极管
2、闭环系统
给定值
比较
干扰 执行 被控对象
被控量
测量
〔1〕组成系统的控制装置与被控对象之间既有顺向 作用,又有反向联系的系统 〔2> 反馈 ：输出送回至输入端并与输入信号进行比 较的过程.有正反馈和复反馈两种.
瓦特的蒸汽机转速控制系统二自劢控制的三大领域工程控制论生物控制论经济控制论三控制论所要解决的主要问题系统建模实际问题抽象数学描述系统分析稳定性劢静态性能系统综合斱案选择设计系统验证数字仿真半实物实物仿真四控制论的研究斱法?11模型化的斱法系统建模分析综合?22数学化的手段规律化定量化普适化?33计算机辅劣计算机仿真借计算机辅劣设计虚拟现实军事上
例：空调；车速控制系统
两者比较:
• 开环系统：优点：成本低,易于构建,稳定；
• 缺点：抗干扰能力差,无自动修正偏差的功能；
• 适用于：系统的输入量事先知道,并且不存在不可测 量的扰动的系统
• 闭环系统：优点：控制精度高,抗干扰能力强,可自动修正 偏差
• 缺点：稳定性是主要问题,成本高； • 适用于：存在着无法预计的扰动或系统中元件的参数存在 着无法预计变化的系统.
〔一〕计算机控制系统的硬件 计算机控制系统的硬件由五部分组成
1、主机 2、接口和输入/输出通道 3、通用外部设备 4、检测元件和仪表、执行机构 5、操作台
由于控制的对象不同,组成控制系统的硬件的 多少也不同,可以根据控制系统的需要进行合理