计算机控制系统 第一章绪论 第一节计算机控制系统概述 1.计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。本世纪50年代中期，经典的 控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域中得到了成功的应用。连续控制系统的典型结构如图1.1所 示，系统中各处的信号均为连续信号】 给定值 控制器 执行器 被控对象 被控参数 检测装置 图1.1连续控制系统的典型结构 但是，经典的控制理论也有明显的局限性，在对复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的 要求。而计算机技术的发展为新型控制规律的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大地推动了自动控制 技术的发展。 图1.1中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行调节计算，产生控制信号驱动执 行机构，从而使被控参数的值达到期望值。将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来实现，就组 成了一个典型的计算机控制系统，其基本框图如图1.2所示。在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号 都是数字信号，而被控对像的被控参数一般都是模拟量，执行器的输入信号也大都是模拟量，因此，需要有将 模拟信号转换为数字信号的A/D转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的D/A转换器。 微型计算机 给定值 被控参 控制器 D/A转然 执行器 被控对象 AD转换器 图1.2计算机控制系统基本框图 计算机控制系统的控制过程通常可以归结为以下两步： (1)数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。 (2)实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。 上述过程的不断重复，使整个系统能够按着一定的品质指标工作，并且对被控参数和设备本身所出现的异 常状态及时进行监测并作出迅速处理。 2计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机系统和被控对象组成，如图1.3所示。计算机系统又由硬件和软件组成： 外部设备 计 输出通道 执行机构 算 被控对 操作台 机 输入通道 检测装墅
第一章 绪 论 第一节 计算机控制系统概述 1. 计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。本世纪 50 年代中期，经典的 控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域中得到了成功的应用。连续控制系统的典型结构如图 1.1 所 示，系统中各处的信号均为连续信号。 图 1.1 连续控制系统的典型结构 但是，经典的控制理论也有明显的局限性，在对复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的 要求。而计算机技术的发展为新型控制规律的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大地推动了自动控制 技术的发展。 图 1.1 中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行调节计算，产生控制信号驱动执 行机构，从而使被控参数的值达到期望值。将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来实现，就组 成了一个典型的计算机控制系统，其基本框图如图 1.2 所示。在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号 都是数字信号，而被控对象的被控参数一般都是模拟量，执行器的输入信号也大都是模拟量，因此，需要有将 模拟信号转换为数字信号的 A/D 转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的 D/A 转换器。 图 1.2 计算机控制系统基本框图 计算机控制系统的控制过程通常可以归结为以下两步: （1）数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。 （2）实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。 上述过程的不断重复，使整个系统能够按着一定的品质指标工作，并且对被控参数和设备本身所出现的异 常状态及时进行监测并作出迅速处理。 2. 计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机系统和被控对象组成，如图 1.3 所示。计算机系统又由硬件和软件组成:
图1.3计算机控制系统的组成 (1)硬件 硬件包括计算机、过程输入输出通道、外部设备和操作台等。 ①计算机 计算机是计算机控制系统的核心，通过接口可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对橡的被控 参数进行实时检测及处理。其具体功能是完成程序存储、程序执行、数值计算、逻辑判断、数据处理等工作。 ②过程输入输出通道 过程输入输出通道是在计算机和被控对像（或生产过程）之间设置的信息传送和转换的连接通道。过程输 入通道把被控对像（或生产过程）的被控参数转换成计算机可以接受的数字代码。过程输出通道把计算机输出 的控制命令和数据，转换成可以对被控对橡（或生产过程）进行控制的信号。过程输入输出通道一般分为：模 拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。 ③外部设备 实现计算机和外界交换信息的设备称为外部设备（简称外设）。外部设备包括人一机通信设备、输入/输 出设备和外存储器等。输入设备有键盘、光电输入机等。它主要用来输入程序和数据。输出设备有打印机、记 录仪、纸带穿孔机、显示器（数码显示器或CRT显示器）等。它主要用来向操作人员提供各种信息和数据， 以便及时了解控制过程。外存储器（简称外存）有磁带装置、磁盘装置、光碟设备，USB便携设备等，它们 兼有输入输出功能，主要用来存储系统程序和数据。 ④操作台 操作台是操作人员与计算机控制系统进行“对话”的，主要包括如下几部分：()显示装置，如显示屏幕、 LED或LCD数码显示器，以显示操作人员要求显示的内容或报警信号。 (b)一组或几组功能键，通过功能键，可向主机申请中断服务。其中包括复位键、启动键、打印键、显示 键等。 (C)一组或几组数字键，用来送入某些数据或修改控制系统的某些参数。 (2)软件 软件是指能够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。它是计算机系统的神经中枢，整个系统的动 作，都是在软件的指挥下进行协调工作的。它由系统软件和应用软件组成。 系统软件是指能提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用、维护和管理计算机提供方便的程序的总 称。系统软件通常包括操作系统、语言加工系统和诊断系统，其具有一定的通用性，一般随硬件一起由计算机 生产厂家提供。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中则是指完成系 统内各种任务的程序，如控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测及报警程序等。 3.计算机控制系统的特点 计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点： (1)在连续控制系统中，各处的信号是连续模拟信号。而在计算机控制系统中，除仍有连续模拟信号外，还 有离散信号、数字信号等多种信号。因此，计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。 (②)在连续控制系统中，控制规律是由模拟电路实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多。如 果要修改控制规律，一般必须改变原有的电路结构。而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，一般不对硬件电路进行改动，因此具有很大的灵活 性和适应性 (3)计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。 (4在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的控制器对产生的偏差也是连续调节的。而在计 算机控制系统中，计算机每隔一定时间间隔，向A/D转换器发出起动转换信号，并对连续信号进行采样，经
图 1.3 计算机控制系统的组成 (1) 硬件 硬件包括计算机、过程输入输出通道、外部设备和操作台等。 ① 计算机 计算机是计算机控制系统的核心，通过接口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。其具体功能是完成程序存储、程序执行、数值计算、逻辑判断、数据处理等工作。 ② 过程输入输出通道 过程输入输出通道是在计算机和被控对象（或生产过程）之间设置的信息传送和转换的连接通道。过程输 入通道把被控对象（或生产过程）的被控参数转换成计算机可以接受的数字代码。过程输出通道把计算机输出 的控制命令和数据，转换成可以对被控对象（或生产过程）进行控制的信号。过程输入输出通道一般分为：模 拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。 ③ 外部设备 实现计算机和外界交换信息的设备称为外部设备（简称外设）。外部设备包括人—机通信设备、输入/输 出设备和外存储器等。输入设备有键盘、光电输入机等。它主要用来输入程序和数据。输出设备有打印机、记 录仪、纸带穿孔机、显示器（数码显示器或 CRT 显示器）等。它主要用来向操作人员提供各种信息和数据， 以便及时了解控制过程。外存储器（简称外存）有磁带装置、磁盘装置、光碟设备，USB 便携设备等，它们 兼有输入输出功能，主要用来存储系统程序和数据。 ④ 操作台 操作台是操作人员与计算机控制系统进行“对话”的,主要包括如下几部分: (a) 显示装置,如显示屏幕、 LED 或 LCD 数码显示器,以显示操作人员要求显示的内容或报警信号。 (b)一组或几组功能键，通过功能键，可向主机申请中断服务。其中包括复位键、启动键、打印键、显示 键等。 (c)一组或几组数字键，用来送入某些数据或修改控制系统的某些参数。 (2) 软件 软件是指能够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。它是计算机系统的神经中枢，整个系统的动 作，都是在软件的指挥下进行协调工作的。它由系统软件和应用软件组成。 系统软件是指能提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用、维护和管理计算机提供方便的程序的总 称。系统软件通常包括操作系统、语言加工系统和诊断系统，其具有一定的通用性，一般随硬件一起由计算机 生产厂家提供。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中则是指完成系 统内各种任务的程序，如控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测及报警程序等。 3. 计算机控制系统的特点 计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点： ⑴ 在连续控制系统中,各处的信号是连续模拟信号。而在计算机控制系统中，除仍有连续模拟信号外，还 有离散信号、数字信号等多种信号。因此，计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。 ⑵ 在连续控制系统中,控制规律是由模拟电路实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多。如 果要修改控制规律，一般必须改变原有的电路结构。而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，一般不对硬件电路进行改动，因此具有很大的灵活 性和适应性。 ⑶ 计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。 ⑷ 在连续控制系统中,给定值与反馈值的比较是连续进行的,控制器对产生的偏差也是连续调节的。而在计 算机控制系统中，计算机每隔一定时间间隔，向 A/D 转换器发出起动转换信号，并对连续信号进行采样，经
过计算机处理后，产生控制信号通过D/A输出，将离散时间信号转换成时间连续信号，作用于被控对象。因 此，计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。 (⑤)在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。而在计算机控制系统中，由于计算机具有高速 的运算处理能力，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、现场总线控制、计算机网络控制等，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。 第二节计算机控制系统的类型 根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可将计算机控制系统分为以下几种类型。 1.操作指导控制系统 输入通道 输出通道 操 作指导计算 对 象 显示打印 图1.4操作指导控制系统 操作指导控制系统的结构如图1.4所示。所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控制被控对像，只是 每隔一定时间，计算机进行一次数据采集，将系统的一些参数经A/D转换后送入计算机进行计算及处理，然 后进行报警、打印和显示。操作人员根据这些结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。操作指导控制 系统是一种开环控制结构。该系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要人工操作，速度受到限制， 故不适合用于快速过程的控制和多个对橡的控制。它主要用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新 的数学模型和调试新的程序。 2.直接数字控制系统 直接数字控制DDC(Direct Digital Control)系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构 如图1.5所示。计算机通过检测元件对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。计算 机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要 求。 A/D CRT显示器 转换器 采样器 计 件 打印机 算 被控对 机 D/A 操作台 转换器 出扫描 机 图1.5直接数字控制系统 在DDC系统中的计算机参与闭环控制过程，它不仅能取代模拟调节器，实现多回路的PID(比例、积 分、微分)调节，而且，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如前馈控制、非线性控制、自适应控 制、最优控制等
过计算机处理后，产生控制信号通过 D/A 输出，将离散时间信号转换成时间连续信号，作用于被控对象。因 此，计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。 ⑸ 在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。而在计算机控制系统中，由于计算机具有高速 的运算处理能力，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。 ⑹ 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制、现场总线控制、计算机网络控制等，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。 第二节 计算机控制系统的类型 根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可将计算机控制系统分为以下几种类型。 1. 操作指导控制系统 图 1.4 操作指导控制系统 操作指导控制系统的结构如图 1.4 所示。所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控制被控对象，只是 每隔一定时间，计算机进行一次数据采集，将系统的一些参数经 A/D 转换后送入计算机进行计算及处理，然 后进行报警、打印和显示。操作人员根据这些结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。操作指导控制 系统是一种开环控制结构。该系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要人工操作，速度受到限制， 故不适合用于快速过程的控制和多个对象的控制。它主要用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新 的数学模型和调试新的程序。 2. 直接数字控制系统 直接数字控制 DDC(Direct Digital Control）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构 如图 1.5 所示。计算机通过检测元件对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。计算 机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要 求。 图 1.5 直接数字控制系统 在 DDC 系统中的计算机参与闭环控制过程，它不仅能取代模拟调节器，实现多回路的 PID（比例、积 分、微分）调节，而且，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如前馈控制、非线性控制、自适应控 制、最优控制等
3.监督计算机控制系统 监督计算机控制SCC(Supervisory Computer Control)结构如图1.6所示。在DDC系统中，是用计算 机代替模拟调节器进行控制的。而在SCC系统中，则是由计算机按着描述生产过程的数学模型，计算出最佳 给定值送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC计算机控制生产过程，从而使生产过 程始终处于最佳工作。 SCC计算机 SCC计算机 给定值 测量值 给定值 测量值 测量值 输入通道 DDC计算机 摸拟 测量值 轴入通道 调节器 输出通道 检测装置 执行机构 检测装置 执行机构 被控对象 被控对象 (a) (b) 图1.6监督计算机控制系统 监督计算机控制系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器系统；另一种是SCC+DDC系 统 (①)SCC加上模拟调节器的控制系统 该系统原理图如图1.6()所示。在此系统中，计算机对系统的被控参数进行巡回检测，并按一定的数学模 型对生产工况进行分析，计算出被控对像各参数的最优给定值送给模拟调节器。此给定值在模拟调节器中与检 测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出给执行机构，以达到调节被控参数的目的。当SCC计算机 出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。 (2)SCC加上DDC的控制系统 该系统原理图如图1.6(b)所示。在此系统中，SCC与DDC组成了二级控制系统，一级为监督控制级 SCC,其作用与SCC+模拟调节器系统中的SCC一样，完成车间或工段等高一级的最优化分析和计算，给出 最佳给定值，送给DDC级计算机直接控制生产过程。SCC级计算机与DDC级计算机之间通过接口进行信息 传送，当DDC级计算机出现故障时，可由SCC级计算机代替，因此，大大提高了系统的可靠性。 4.分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在不同的区域，其中各工序， 各设备同时并行地工作，基本相互独立，故整个系统比较复杂。过去，由于计算机价格高，复杂的生产过程控 制系统往往采取集中控制方式，以便对计算机充分利用。这种控制方式任务过于集中，一旦计算机出现故障， 将会影响全局。价格低廉而功能完善的微型计算机的出现，可以做到由若干台微处理器或微型计算机分别承担 部分任务，这种分级（或分布式）计算机控制系统有代替集中控制系统的趋势。该系统的特点是将控制任务分 散，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能实现管理。图1.7所示的分级计算机控制系统是一 个四级系统，各级计算机的任务如下： 装置控制级(DDC级)，对生产过程或单机直接进行控制，如进行PID控制或前馈控制等，使所控制的
3. 监督计算机控制系统 监督计算机控制 SCC(Supervisory Computer Control）结构如图 1.6 所示。在 DDC 系统中，是用计算 机代替模拟调节器进行控制的。而在 SCC 系统中，则是由计算机按着描述生产过程的数学模型，计算出最佳 给定值送给模拟调节器或者 DDC 计算机，最后由模拟调节器或者 DDC 计算机控制生产过程，从而使生产过 程始终处于最佳工作。 图 1.6 监督计算机控制系统 监督计算机控制系统有两种不同的结构形式。一种是 SCC+模拟调节器系统；另一种是 SCC+DDC 系 统。 ⑴ SCC 加上模拟调节器的控制系统 该系统原理图如图 1.6(a)所示。在此系统中，计算机对系统的被控参数进行巡回检测，并按一定的数学模 型对生产工况进行分析，计算出被控对象各参数的最优给定值送给模拟调节器。此给定值在模拟调节器中与检 测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出给执行机构，以达到调节被控参数的目的。当 SCC 计算机 出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。 ⑵ SCC 加上 DDC 的控制系统 该系统原理图如图 1.6(b)所示。在此系统中，SCC 与 DDC 组成了二级控制系统，一级为监督控制级 SCC，其作用与 SCC+模拟调节器系统中的 SCC 一样，完成车间或工段等高一级的最优化分析和计算，给出 最佳给定值，送给 DDC 级计算机直接控制生产过程。SCC 级计算机与 DDC 级计算机之间通过接口进行信息 传送，当 DDC 级计算机出现故障时，可由 SCC 级计算机代替，因此，大大提高了系统的可靠性。 4. 分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在不同的区域，其中各工序， 各设备同时并行地工作，基本相互独立，故整个系统比较复杂。过去，由于计算机价格高，复杂的生产过程控 制系统往往采取集中控制方式，以便对计算机充分利用。这种控制方式任务过于集中，一旦计算机出现故障， 将会影响全局。价格低廉而功能完善的微型计算机的出现，可以做到由若干台微处理器或微型计算机分别承担 部分任务，这种分级（或分布式）计算机控制系统有代替集中控制系统的趋势。该系统的特点是将控制任务分 散，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能实现管理。图 1.7 所示的分级计算机控制系统是一 个四级系统，各级计算机的任务如下： 装置控制级（DDC 级），对生产过程或单机直接进行控制，如进行 PID 控制或前馈控制等，使所控制的
生产过程在最优的工况下工作。 车间监督级(SCC级)，根据厂级下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程的数据，进行最优化控 制。它还担负着车间内各个工段的协调控制及担负着对DDC级的监督。 工厂集中控制级，根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车 间的协调。并及时将SCC级和DDC级的情况向上级反映。 企业管理级，制定长期发展规划、生产计划、销售计划，发命令至各工厂，并接受各工厂、各部门发回来 的信息，实行全企业的总调度。 企业 经营管理级计算机 至其他工厂一 至其他工厂 霸板脊载抚 车间监督级计算机 车阁监督级计算机 鉴究 装置控制 装置控制 装置控制 级计算机 级计算机 级计算机 80 044 004 000 工业对象A 工业对象B 工业对象C 工业对象D 图1.7分级计算机控制系统 第三节计算机控制理论 对于计算机控制系统的分析和设计，不只是简单地推广连续系统的理论，同时也需要一些专门理论来对它 进行研究。计算机控制系统理论主要包括离散系统理论、采样系统理论及数字系统理论。 离散系统理论主要指对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。它主要包括： 1,差分方程及z变换理论。利用差分方程、z变换及传递函数等数学工具来分析离散系统的性能和稳定 性。 2.常规设计方法。以传递函数作为数学模型对离散系统进行常规设计的各种方法的研究。如最小拍控 制、根轨迹法设计、离散PID控制及直接解析设计法等。 3,极点配置设计法。其中包，括基于传递函数模型及基于状态空间模型的两种极点配置设计方法。在利用 状态空间模型时，它包括按极点配置设计控制规律及设计观测器两方面的内容。 4.最优设计方法。主要包括线性二次型最优控制及状态的最优估计两方面内容，简称LQG(Linear Quadratic Gaussian)问题。 5.系统辨识及自适应控制。 采样系统理论除了包括离散系统的理论外，还包括以下一些内容： 1.采样理论。主要包括香农(Shannon)采样定理、采样频谱及混叠、采样信号的恢复以及采样系统的 结构图分析等。 2.连续模型及性能指标的离散化。由于实际的控制对像是连续的，性能指标函数也常常以连续的方式给
生产过程在最优的工况下工作。 车间监督级（SCC 级），根据厂级下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程的数据，进行最优化控 制。它还担负着车间内各个工段的协调控制及担负着对 DDC 级的监督。 工厂集中控制级，根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车 间的协调。并及时将 SCC 级和 DDC 级的情况向上级反映。 企业管理级，制定长期发展规划、生产计划、销售计划，发命令至各工厂，并接受各工厂、各部门发回来 的信息，实行全企业的总调度。 图 1.7 分级计算机控制系统 第三节 计算机控制理论 对于计算机控制系统的分析和设计，不只是简单地推广连续系统的理论，同时也需要一些专门理论来对它 进行研究。计算机控制系统理论主要包括离散系统理论、采样系统理论及数字系统理论。 离散系统理论主要指对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。它主要包括： 1．差分方程及 z 变换理论。利用差分方程、z 变换及传递函数等数学工具来分析离散系统的性能和稳定 性。 2．常规设计方法。以传递函数作为数学模型对离散系统进行常规设计的各种方法的研究。如最小拍控 制、根轨迹法设计、离散 PID 控制及直接解析设计法等。 3．极点配置设计法。其中包括基于传递函数模型及基于状态空间模型的两种极点配置设计方法。在利用 状态空间模型时，它包括按极点配置设计控制规律及设计观测器两方面的内容。 4．最优设计方法。主要包括线性二次型最优控制及状态的最优估计两方面内容，简称 LQG（Linear Quadratic Gaussian）问题。 5．系统辨识及自适应控制。 采样系统理论除了包括离散系统的理论外，还包括以下一些内容： 1．采样理论。主要包括香农（Shannon）采样定理、采样频谱及混叠、采样信号的恢复以及采样系统的 结构图分析等。 2．连续模型及性能指标的离散化。由于实际的控制对象是连续的，性能指标函数也常常以连续的方式给
出，因此也需要将连续的性能指标进行离散化。 3.采样控制系统的仿真。 4.采样周期的选择。 5.数字信号整量化效应的研究，如量化误差、非线性特性的影响等。同时还包括数字控制器实现中的一 些问题，如计算延迟、控制算法编程等。 第四节计算机控制系统应用实例 本节介绍一些典型的计算机控制系统应用实例。 1.卫星模型 卫星模型常应用于卫星姿态控制系统中。卫星常要求进行姿态控制，以使它的天线和传感器相对于地球具 有适当的方位。为此，需要利用推进器对三个轴进行姿态控制，分别控制卫星的偏离角、倾斜角和转动角。卫 星的结构如图1.9所示。 推进器 推进暴 图1.9卫星结构图 2.直流伺服电机模型 直流伺服系统广泛地应用于工业生产、航空航天、机器人等控制领域。直流伺服电机为此类系统的核心部 件，其结构和工作原理与普通小型直流电动机相同。直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制，即励磁绕组 加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反 之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低：改变控制电压的极性，电机就反转；控制电压为零，电机就停 转，故可实现对被控对像的机械运动的快速控制。直流伺服电机的结构如图1.10所示。 ,=常员 (GC 图1.10直流伺服电机结构图 3.工业机器人模型 工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。工业机器 人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的时变要求进行 移动，从而完成某一工业生产的作业要求。如工业上常用的焊接机器人，夹持焊钳或焊枪，可以实现对汽车或
出，因此也需要将连续的性能指标进行离散化。 3．采样控制系统的仿真。 4．采样周期的选择。 5．数字信号整量化效应的研究，如量化误差、非线性特性的影响等。同时还包括数字控制器实现中的一 些问题，如计算延迟、控制算法编程等。 第四节 计算机控制系统应用实例 本节介绍一些典型的计算机控制系统应用实例。 1. 卫星模型 卫星模型常应用于卫星姿态控制系统中。卫星常要求进行姿态控制，以使它的天线和传感器相对于地球具 有适当的方位。为此，需要利用推进器对三个轴进行姿态控制，分别控制卫星的偏离角、倾斜角和转动角。卫 星的结构如图 1.9 所示。 图 1.9 卫星结构图 2. 直流伺服电机模型 直流伺服系统广泛地应用于工业生产、航空航天、机器人等控制领域。直流伺服电机为此类系统的核心部 件，其结构和工作原理与普通小型直流电动机相同。直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制，即励磁绕组 加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反 之，减小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电机就反转；控制电压为零，电机就停 转，故可实现对被控对象的机械运动的快速控制。直流伺服电机的结构如图 1.10 所示。 图 1.10 直流伺服电机结构图 3. 工业机器人模型 工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。工业机器 人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的时变要求进行 移动，从而完成某一工业生产的作业要求。如工业上常用的焊接机器人，夹持焊钳或焊枪，可以实现对汽车或
摩托车车体进行点焊或弧焊。 工业机器人简图如图1.11所示。 连杆2 关节2 姓杆1 节3 151 杆0 杆3 挂杆4 关传4 关节5 遗杆5 生十5 图1.11工业机器人结构示意图 大部分机器人各关节的控制系统基础部件为直流伺服电机。将每一机器人关节看成一简单的伺服机构，得 到如图1.12所示的机械臂单关节结构示意图！ 手 真流何服电 机及齿轮 基座 图1.12机械臂关节结构示意图 第五节计算机控制系统的发展 1.计算机控制系统的发展过程 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，因此，计算机控制系统的发展是与自动控制 理论与计算机的发展密不可分的。自从1972年出现了微型计算机，尤其是以单片机为代表的嵌入式控制器的 出现以后，计算机控制技术进入了崭新的发展阶段。现代一些工业的特点是高度连续化、大型化，装置与装 置、设备与设备之间的联系日趋密切。过去，由于计算机比较昂贵，一台计算机要完成很多任务，因而多采用 集中式的控制结构。现在由于计算机比较便宜，并考虑对现代化工业企业进行综合管理和最优控制，已开始采 用分散型微处理器控制的分级计算机控制和集散控制系统，集成制造系统(CIMS)技术也已从研制、试用的 阶段逐步走向成熟，已被成功地应用到某些场所。随着嵌入式应用技术的进一步发展和信息网络技术的兴起， 基于网络的控制技术（简称网络控制）已逐渐为人们关注和接受，并在控制领域掀起了研究和应用的热潮，现 已被应用到航天航空、远程遥控机器人等领域。 2.计算机控制系统的发展趋势 目前，计算机控制系统有如下几个发展趋势。 ()可编程序控制器(Programmable Logic Controller) 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按规定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控 制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产工序、执行次序和条件需改变硬件
摩托车车体进行点焊或弧焊。 工业机器人简图如图 1.11 所示。 图 1.11 工业机器人结构示意图 大部分机器人各关节的控制系统基础部件为直流伺服电机。将每一机器人关节看成一简单的伺服机构，得 到如图 1.12 所示的机械臂单关节结构示意图。 图 1.12 机械臂关节结构示意图 第五节 计算机控制系统的发展 1. 计算机控制系统的发展过程 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，因此，计算机控制系统的发展是与自动控制 理论与计算机的发展密不可分的。自从 1972 年出现了微型计算机，尤其是以单片机为代表的嵌入式控制器的 出现以后，计算机控制技术进入了崭新的发展阶段。现代一些工业的特点是高度连续化、大型化，装置与装 置、设备与设备之间的联系日趋密切。过去，由于计算机比较昂贵，一台计算机要完成很多任务，因而多采用 集中式的控制结构。现在由于计算机比较便宜，并考虑对现代化工业企业进行综合管理和最优控制，已开始采 用分散型微处理器控制的分级计算机控制和集散控制系统，集成制造系统（CIMS）技术也已从研制、试用的 阶段逐步走向成熟，已被成功地应用到某些场所。随着嵌入式应用技术的进一步发展和信息网络技术的兴起， 基于网络的控制技术（简称网络控制）已逐渐为人们关注和接受，并在控制领域掀起了研究和应用的热潮，现 已被应用到航天航空、远程遥控机器人等领域。 2. 计算机控制系统的发展趋势 目前，计算机控制系统有如下几个发展趋势。 ⑴ 可编程序控制器（Programmable Logic Controller） 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按规定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控 制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产工序、执行次序和条件需改变硬件
连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结 构，把程序存储在存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程 逻辑控制器PLC。工业用可编程序逻辑控制器，是采用微型机芯片，根据工业生产的特点而发展起来的一种 控制器，它具有可靠性高、编程灵活简单、易于扩展和价格低廉等许多优点。尤其是近年来，由于开发了具有 智能的I/O模块，使得PLC除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID运 算及联网等功能，从而大大地扩大了PLC的应用范围。可以预料，进一步完善和系列化的PLC将作为下一代 通用设备，大量地应用在工业生产自动化系统中。 (2)嵌入式系统(Emdedded System) 嵌入式系统以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传 输技术，甚至传感器等先进技术与具体应用对像相结合后的产物。嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机 嵌入到一个具体应用对像体系中去。作为控制技术应用的载体，嵌入式系统的发展必将极大地推动着计算机控 制技术在各个领域的应用。 (3)集散控制系统(Distributed Control System) 目前，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统。集散控制系统 发展初期是以实现分散控制为主，而进入80年代以后，集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管 理，因其具有分散控制和综合管理两方面特征，故称为分散型综合控制系统，简称为集散控制系统。集散控制 系统的体系特征是功能分层，它充分反映了集散控制系统的分散控制、集中管理的特点。按照功能分层的方 法，集散控制系统可以分为现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理级等。信息 一方面自下向上逐渐集中，同时，它又自上而下逐渐分散。从系统结构分析，集散控制系统都由三大基本部分 组成。集散控制系统中用一台或若干台计算机对全系统进行全面信息管理，这样便于实现生产过程的全局优 化。 (4)现场总线控制系统（Field-bus Control System) 现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处 理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络 节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。是属于最底层的网络系统，是网络集成式 全分布控制系统，它将原来集散型的DCS系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以 将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，是DCS系统的更新换 代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统运行的可靠性。现场总线控制系统主 要不足之处是各种现场总线尽管都是开放协议，遵循同一种协议及不同厂家的产品可以兼容，但是，各种协议 并没有统一，不同总线协议的系统不易互连。而且，现场总线通讯协议与上层管理信息系统或进一步的 Internet所广泛采用的TCP/IP协议是不兼容的，也存在协议转换问题。这些增加了控制和管理信息一体化网 络的实现难度。多种现场总线的共存对应于计算机网络发展中多种局域网协议共存的时期 (S)计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacture System) 计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术，信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将 制造工厂全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的 自动化系统有机的集成起来，消除“自动化孤岛”，实现多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的智能 制造系统。1986年我国不失时机地将CIMS列入了国家高技术发展规划，其战略目标是跟踪国际上CIMS高 技术的发展，掌握CIMS关键技术，建立既能获得综合效益又能带动全局的示范点。 (6)网络控制系统(Internet Based Control System) 网络控制系统是以网络为媒介对被控对像实施远程遥控制、遥操作的一种新兴的计算机控制系统。网络控 制技术的发展与网络技术、计算机应用技术、嵌入式应用技术和控制理论与应用技术的发展息息相关。网络控
连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结 构，把程序存储在存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程 逻辑控制器 PLC。工业用可编程序逻辑控制器，是采用微型机芯片，根据工业生产的特点而发展起来的一种 控制器，它具有可靠性高、编程灵活简单、易于扩展和价格低廉等许多优点。尤其是近年来，由于开发了具有 智能的 I/O 模块，使得 PLC 除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID 运 算及联网等功能，从而大大地扩大了 PLC 的应用范围。可以预料，进一步完善和系列化的 PLC 将作为下一代 通用设备，大量地应用在工业生产自动化系统中。 (2) 嵌入式系统（Emdedded System） 嵌入式系统以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传 输技术，甚至传感器等先进技术与具体应用对象相结合后的产物。嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机 嵌入到一个具体应用对象体系中去。作为控制技术应用的载体，嵌入式系统的发展必将极大地推动着计算机控 制技术在各个领域的应用。 (3) 集散控制系统(Distributed Control System) 目前，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统。集散控制系统 发展初期是以实现分散控制为主，而进入 80 年代以后，集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管 理，因其具有分散控制和综合管理两方面特征，故称为分散型综合控制系统，简称为集散控制系统。集散控制 系统的体系特征是功能分层，它充分反映了集散控制系统的分散控制、集中管理的特点。按照功能分层的方 法，集散控制系统可以分为现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理级等。信息 一方面自下向上逐渐集中，同时，它又自上而下逐渐分散。从系统结构分析，集散控制系统都由三大基本部分 组成。集散控制系统中用一台或若干台计算机对全系统进行全面信息管理，这样便于实现生产过程的全局优 化。 (4)现场总线控制系统（Field-bus Control System） 现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处 理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络 节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。是属于最底层的网络系统，是网络集成式 全分布控制系统，它将原来集散型的 DCS 系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以 将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，是 DCS 系统的更新换 代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统运行的可靠性。现场总线控制系统主 要不足之处是各种现场总线尽管都是开放协议，遵循同一种协议及不同厂家的产品可以兼容，但是，各种协议 并没有统一，不同总线协议的系统不易互连。而且，现场总线通讯协议与上层管理信息系统或进一步的 Internet 所广泛采用的 TCP/IP 协议是不兼容的，也存在协议转换问题。这些增加了控制和管理信息一体化网 络的实现难度。多种现场总线的共存对应于计算机网络发展中多种局域网协议共存的时期。 (5) 计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacture System) 计算机集成制造系统 CIMS 是在自动化技术，信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将 制造工厂全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的 自动化系统有机的集成起来，消除“自动化孤岛”，实现多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的智能 制造系统。1986 年我国不失时机地将 CIMS 列入了国家高技术发展规划，其战略目标是跟踪国际上 CIMS 高 技术的发展，掌握 CIMS 关键技术，建立既能获得综合效益又能带动全局的示范点。 （6）网络控制系统（Internet Based Control System） 网络控制系统是以网络为媒介对被控对象实施远程遥控制、遥操作的一种新兴的计算机控制系统。网络控 制技术的发展与网络技术、计算机应用技术、嵌入式应用技术和控制理论与应用技术的发展息息相关。网络控
制已经引起了各个方面的广泛的关注。其实，在航天领域，各种卫星、各类航天探测器、月球探测车、火星探 测车等，在某种意义上讲，都可以被看作是网络控制应用方面的成功的典范，因为在这样的场合下的控制问 题，也具备网络控制的特点，如数据传输的非定常性、非完整性、时延的非确定性等。制造者和投资商已经认 识到网络控制的重要性。常规的应用领域中，在一些特殊的场合及人类不易于到达的场所，网络控制也显示出 强大的优势，如用于医疗领域的远程病理诊断、专家会诊、远程手术，恶劣、危险环境下的作业，如强核辐射 下、深海作业、小空间范围内的作业等等。网络控制系统有着十分美好的发展前景
制已经引起了各个方面的广泛的关注。其实，在航天领域，各种卫星、各类航天探测器、月球探测车、火星探 测车等，在某种意义上讲，都可以被看作是网络控制应用方面的成功的典范，因为在这样的场合下的控制问 题，也具备网络控制的特点，如数据传输的非定常性、非完整性、时延的非确定性等。制造者和投资商已经认 识到网络控制的重要性。常规的应用领域中，在一些特殊的场合及人类不易于到达的场所，网络控制也显示出 强大的优势，如用于医疗领域的远程病理诊断、专家会诊、远程手术，恶劣、危险环境下的作业，如强核辐射 下、深海作业、小空间范围内的作业等等。网络控制系统有着十分美好的发展前景
第二章计算机控制系统设计的硬件基础 第一节开关量输入 开关量的共同特征是幅值离散，可以用一位或多位二进制码表示。 1.开关量输入信号的类型 开关量输入信号有以下基本类型。 (1)一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的启动与停止、触点的接通与断开、一些仪器仪表和设 备输出的极限报警信号等。 (2)成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。 (3)数字脉冲信号。许多数字式传感器（如转速、位移、流量的数字传感器）将被测物理量值转换为数字脉 冲信号，这些信号也可归结为开关量。 2.开关量信号输入通道 图21是开关量输入通道的典型结构，具体接口电路应综合考虑实际信号、选用的计算机等进行设计。 输入预处理 开关状态或脉冲 计算机 CPU 并行输入 接口电路 输入预处理 开关状态信号 内部 定时/ 输入预处理 数字脉冲信号 定时/计 计数器 数器 输入预处理 数字欧冲信号 图2.1开关量输入通道的典型结构 几种常用的预处理方法： (1)信号转换处理 从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑"1”或逻辑"0”，信号形式则可能是电压、 电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。图22 是电压或电流开关量输入的转换电路，分压电阻R1和R2的阻值应根据输入信号是电压还是电流信号以及信号 的幅值选取。图2.3是开关触点信号输入电路，它把开关的通断转换为0或+5V信号。 R +5V0 0出 输入 输出 图2.2电压或电流输入电路 图2.3开关触点输入电路 (2)安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取 安全保护措施，图2.4给出了一些常用的保护电路
第二章 计算机控制系统设计的硬件基础 第一节 开关量输入 开关量的共同特征是幅值离散，可以用一位或多位二进制码表示。 1. 开关量输入信号的类型 开关量输入信号有以下基本类型。 (1) 一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的启动与停止、触点的接通与断开、一些仪器仪表和设 备输出的极限报警信号等。 (2) 成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。 (3) 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉 冲信号，这些信号也可归结为开关量。 2. 开关量信号输入通道 图 2.1 是开关量输入通道的典型结构，具体接口电路应综合考虑实际信号、选用的计算机等进行设计。 图 2.1 开关量输入通道的典型结构 几种常用的预处理方法： (1) 信号转换处理 从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、 电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。图 2.2 是电压或电流开关量输入的转换电路，分压电阻 R1 和 R2 的阻值应根据输入信号是电压还是电流信号以及信号 的幅值选取。图 2.3 是开关触点信号输入电路，它把开关的通断转换为 0 或+5V 信号。 图 2.2 电压或电流输入电路 图 2.3 开关触点输入电路 (2) 安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取 安全保护措施，图 2.4 给出了一些常用的保护电路
