计算机控制技术4-3
课件：4.3 常规及复杂控制技术(三)
ω=2π/T）。
5.PID控制参数的自整定法
被控对象大多用近似一阶惯性加纯滞后环节来表示，
其传递函数为
Gc
(
s
)
Ke 1 T
s
s
对于典型PID控制器
1 D( s ) KP(1 TI s TDs )
有Ziegler-Nichols整定公式
K
P
1.2T Kτ
Δu(k)= KP[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)] 这样，整个问题便简化为只要整定一个参数KP。 改变KP，观察控制效果，直到满意为止。 该法为实现简易的自整定控制带来方便。
3.优选法
优选法是经验法的一种。 具体作法：根据经验，先把其它参数固定，然后用 0.618法（黄金分割法）对其中某一参数进行优选，待选出 最佳参数后，再换另一个参数进行优选，直到把所有的参 数优选完毕为止。 最后根据T、KP、TI、TD诸参数优选的结果取一组最佳 值即可。
① 给定值的变化频率越高，采样频率就应越高。 ② 被控对象是快速变化的，采样周期应小。 ③ 执行机构的惯性大，采样周期应大。 ④ 控制算法的类型：T太小会使得PID算法的微分积分作 用不明显；控制算法也需要计算时间。 ⑤ 控制的回路数：
n
T Tj
j 1
Tj 指第j回路控制程序执行时间和输入输出时间。
2.按简易工程法整定PID参数
(1)扩充临界比例度法
① 选择一个足够短的采样周期，采样周期为被控对象纯 滞后时间的十分之一以下。
② 用选定的采样周期使系统工作。这时，数字控制器去 掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐渐减小比 例度δ（δ=1/KP)，直到系统发生持续等幅振荡。记下使系 统发生振荡的临界比例度δk及系统的临界振荡周期Tk。
《计算机控制技术》习题答案
《计算机控制技术》（机械工业出版社范立南、李雪飞）习题参考答案第1章1．填空题(1) 闭环控制系统，开环控制系统(2) 实时数据采集，实时决策控制，实时控制输出(3) 计算机，生产过程(4) 模拟量输入通道，数字量输入通道，模拟量输出通道，数字量输出通道(5) 系统软件，应用软件2．选择题(1) A (2) B (3) C (4) A (5) B3．简答题(1) 将闭环自动控制系统中的模拟控制器和和比较环节用计算机来代替，再加上A/D转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图所示。
计算机控制系统由计算机（通常称为工业控制机）和生产过程两大部分组成。
工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。
生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。
(2)操作指导控制系统：其优点是控制过程简单，且安全可靠。
适用于控制规律不是很清楚的系统，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。
其缺点是它是开环控制结构，需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。
直接数字控制系统：设计灵活方便，经济可靠。
能有效地实现较复杂的控制，如串级控制、自适应控制等。
监督计算机控制系统：它不仅可以进行给定值的控制，还可以进行顺序控制、最优控制、自适应控制等。
其中SCC+模拟调节器的控制系统，特别适合老企业的技术改造，既用上了原有的模拟调节器，又可以实现最佳给定值控制。
SCC+DDC的控制系统，更接近于生产实际，系统简单，使用灵活，但是其缺点是数学模型的建立比较困难。
集散控制系统：又称分布式控制系统，具有通用性强、系统组态灵活，控制功能完善、数据处理方便，显示操作集中，调试方便，运行安全可靠，提高生产自动化水平和管理水平，提高劳动生产率等优点。
缺点是系统比较复杂。
计算机集成制造系统：既能完成直接面向过程的控制和优化任务，还能完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理的任务。
计算机控制技术目录(研究生)
一、绪论（2~4学时）1.计算机控制系统的一般概念2.计算机控制系统的分类3.计算机控制系统的设计与实现4.计算机控制系统的发展概况与趋势二、总线技术（4~6学时）1.计算机总线的一般概述2.计算机总线的体系结构3.内部总线4.外部总线三、输入输出接口技术（4~6学时）1.模拟量输出接口2.模拟量输入接口3.开关量输入输出接口4.人机接口四、数据通信技术（4~6学时）1.数据通信的基础知识2.数据通信设备3.数据通信中的检错与纠错五、计算机网络技术（6~8学时）1.计算机网络概述2.计算机局域网络3.计算机网络互连及其协议4.控制系统中计算机网络体系结构六、控制策略（8~10学时）1.数字滤波和数据处理2.数字PID控制算法3.基于数字PID控制的多回路控制系统4.模型预测控制5.模糊控制6.控制策略的工程实现七、控制系统软件（4~6学时）1.计算机控制系统软件概述2.计算机操作系统3.实用数据结构4.计算机控制系统应用软件5.商品化的工业控制软件简介八、数据库技术（4~6学时）1.计算机控制系统与数据库2.数据库技术概述3.计算机控制系统中的数据库4.基于关系模型的数据库5.关系数据库的设计和应用6.数据库的接口设计九、计算机集散系统（DCS）（4~6学时）1.计算机集散控制系统(DCS)概念2.计算机集散控制系统的体系结构3.计算机集散控制系统的硬件结构4.计算机集散控制系统中的软件技术5.DCS通讯接口6.计算机集散控制系统及应用的发展趋势十、计算机控制系统的设计与实施（6~8学时）1.过程计算机控制系统设计原则和步骤2.过程计算机控制系统的设计与实施3.计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术4.过程计算机控制系统的应用实例十一、现场总线技术（6~8学时）1.现场总线概述简介、发展与趋势、技术特点、优点、FCS2.现场总线标准七层模型、物理层标准、其它层次协议3.目前几类有影响的现场总线FF、Lonworks、HART、CAN 、Profibus等4.现场总线的应用举例十二、计算机集成控制系统CIMS简介（4~6学时）1.概述CIMS的概念、流程CIMS与离散CIMS之比较2.流程工业CIMS的体系结构功能结构及递阶层次、ERP与MES、间歇方式的影响3.核心问题及关键技术系统集成、系统优化、环境集成、功能集成4.设计举例。
计算机控制技术课后习题答案
|3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么由四部分组成。
图微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它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。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
—(4)检测与执行机构a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。
b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。
例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。
计算机控制技术PPT 第3章
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
自动控制原理实验(1)
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S Us G i O1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
计算机控制技术复习总结
计算机控制技术复习总结
一、计算机控制技术
计算机控制技术是处理自动化控制系统的一种技术，它可以控制外部设备、测量参数和控制变量，从而实现设计目标。
计算机控制技术主要涉及到对自动化控制系统的模型及结构、系统设计、信号处理、计算机控制算法和硬件技术等多个方面。
1、模型及结构
2、系统设计
系统设计是指选择适当的控制系统以及其组件，组成系统，达到设计要求。
系统设计需要考虑的因素有系统的实验数据、实际控制要求、安全性、精度等。
3、信号处理
信号处理指通过信号极化、误差补偿、延迟、非线性处理等方法，使控制系统的信号在到达控制端时，达到最佳控制效果。
4、计算机控制算法
5、硬件技术
硬件是指控制系统的硬件组件，合理组合各种硬件组件，形成安全可靠的自动控制系统是所有计算机控制技术的重要基础。
二、应用。
计算机控制技术第3章-PID控制解析
2020/9/24
6
（1）比例调节器
e
控制规律：
1
u(t ) K Pe(t ) u0
1
其中： KP为比例系数；
0
t0
u
t
u0 为控制量的基准。
比例调节的特点：比例调节器对于 偏差是即时反应，偏差一旦产生， 调节器立即产生控制作用使被控量 朝着减小偏差的方向变化，控制作 用的强弱取决于比例系数。只有当 偏差发生变化时，控制量才变化。
umin u umax
4
1.模拟PID调节器
e(t) r(t) y(t)
PID
Kp
r e
Ki / s
u
对象
y
Kds
图l 模拟PID控制
• PID控制器是一种线性控制器；
• 根据对象的特性和控制要求，可
灵活地改变其结构。
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5
PID调节器的基本结构
1. 比例调节器 2. 比例积分调节器 3. 比例微分调节器 4. 比例积分微分调节器
2020/9/24
Kp
u0
0
t0
t
图2 P调节器的阶跃响应
缺点：不能消除静差；KP 过大，会使
动态质量变坏，引起被控量振荡甚至
导致闭环不稳定。
7
（2）比例积分调节器
控制规律：
e
u(t )
K P[e(t )
1 Ti
t
0 e(t )dt ] u0
其中： Ti 为积分时间常数。
1 0
t0 u
0u
1
pK pK
0t
0
2020/9/24 图3
iT
PI调节器的阶跃响应
积分调节的特点：调节器的 输出与偏差存在的时间有关。 t 只要偏差不为零，输出就会 随时间不断增加，并减小偏 差，直至消除偏差，控制作 用不再变化，系统才能达到 稳态。
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U (s) D( s) = E ( s ) 1 + D ( s )G p ( s )(1 − e −τs )
Dg ( s )G p ( s )e −τs D( s )G p ( s )e −τs Y ( s) Φ( s ) = = = −τs R( s ) Dg ( s )G p ( s ) 1+ 计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 1 +华中大机电系 e 易朋兴 D( s )G p ( s )
或: Y(s) = G(s)D(s)E(s) = Gk (s)E(s) 其中: 其中: 又: 有:
G k ( s ) = G ( s ) D( s )
(开环传递矩阵) 开环传递矩阵) E1(s) R1(s) Y1(s) 或: E ( s ) = R( s ) − Y ( s ) E (s) = R (s) − Y (s) 2 2 2 或: Y ( s ) = [ I + G ( s ) D( s )]−1 G ( s ) D( s ) R( s )
主回路偏差： 主回路偏差： e 1 ( kT ) = r1 ( kT ) − y 1 ( kT ) 主回路控制器输出： 主回路控制器输出： u1 ( kT ) = u1 ( kT − T ) + q10e1 ( kT ) + q11e1 ( kT − T ) + q12 e1 ( kT − 2T ) 副回路偏差： 副回路偏差： e 2 ( kT ) = u 1 ( kT ) − y 2 ( kT ) 副回路控制器输出： 副回路控制器输出： u2 ( kT ) = u2 ( kT − T ) + q20 e2 ( kT ) + q21e2 ( kT − T ) + q22 e2 ( kT − 2T )
G( s)F ( s)D( s)
为对角阵, 设计F(s)使G(s)F(s)为对角阵,即:
G 11 ( s ) G 21 ( s ) G 12 ( s ) F11 ( s ) G 22 ( s ) F21 ( s ) F12 ( s ) G 11 ( s ) = F22 ( s ) 0
Gc(s)
② 广义被控对象的Z传递函数G(z) 广义被控对象的Z传递函数G(z) Φ(z) 数字调节器D(z) ③ 数字调节器D(z) D ( z ) =
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1 − e − Ts G(z) = Z[ ⋅ G c ( s )] s
G ( z )[ 1 − Φ ( z )]
11
4.8 解耦控制
多变量控制系统的耦合关系
Y1 ( s ) G11 ( s ) G12 ( s ) U 1 ( s ) Y ( s ) = G ( s ) G ( s ) U ( s ) 2 21 22 2 0 E1 ( s ) G11 ( s ) G12 ( s ) D1 ( s ) = D2 ( s ) E 2 ( s ) G 21 ( s ) G 22 ( s ) 0
= [ G p ( s ) e −τ s + G p ( s )( 1 − e −τ s )]U ( s ) = G p ( s )U ( s )
Dg ( s) =
（无滞后） 无滞后）
具有史密斯预估补偿的调节器的传递函数为 具有史密斯预估补偿的调节器的传递函数为： 预估补偿的调节器的传递函数为： 闭环传递函数为： 闭环传递函数为：
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4.9 从常规控制到智能控制
神经网络控制
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
21
4.9 从常规控制到智能控制
专家控制
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Dτ ( s ) = G p ( s )( 1 − e − τ s )
原反馈信号： 原反馈信号： Y ( s ) = G p ( s ) e − τ s U ( s )（滞后τ） 滞后τ − τs 加入史密斯预估器 预估器后 加入史密斯预估器后： Y ′ ( s ) = [ G p ( s ) e + D τ ( s )]U ( s )
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
3
4.5.1 史密斯预估器（Smith Predictor)
设计思路：使滞后了的被控量提前反馈到调节器， 设计思路：使滞后了的被控量提前反馈到调节器，消除滞后 方法：加入史密斯预估器 方法：加入史密斯预估器
6
计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
4.6 串级控制
多因素影响同一被控量
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
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4.6 串级控制
计算机串级控制系统
计算过程： 计算过程：
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4.7 前馈－反馈控制
前馈─ 前馈─反馈控制结构
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
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4.7 前馈－反馈控制
前馈─ 前馈─串级控制结构
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
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4.5.1 史密斯预估器（Smith Predictor)
离散化
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
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4.5.2 大林算法（Dahlin Algorithm）
适用对象： 适用对象：具有纯滞后环节的一阶或二阶系统 性能要求：无超调或超调很小， 性能要求：无超调或超调很小，允许有较长的调整时间
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4.8 解耦控制
计算机解耦控制系统
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
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4.9 从常规控制到智能控制
控制器的结构类型
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4.7 前馈－反馈控制
前馈控制的结构与原理
设控制量 u1=0 则有 Y ( s) = Y1 ( s) + Y2 ( s)
= [ Dn ( s)G( s) + Gn ( s)]N ( s)
Gn(s)：被控对象扰动通道的传递函数 G (s)：被控对象控制通道的传递函数 Dn(s)：前馈控制器的传递函数 n : 扰动量
若令 即
Dn ( s)G( s) + Gn ( s) = 0
Gn ( s) Dn ( s) = − G( s)
可完全补偿扰动对输出的影响
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自适应控制 (模型参考) 模型参考)
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
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4.9 从常规控制到智能控制
模糊控制
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计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
Y (s) e − τs 设计准则：使系统的闭环传递函数为： 设计准则：使系统的闭环传递函数为： ( s ) = Φ = R(s) 1 + Tτ s
Tτ:期望的惯性时间常数
设计步骤： 设计步骤： ① 选取期望的闭环传递 函数Φ(s)并离散化 函数Φ(s)并离散化
（取采样周期T使τ近似为T的整数倍） 的整数倍）
计算机控制系统——华中大机电系 华中大机电系——易朋兴 计算机控制系统 华中大机电系 易朋兴
13
4.8 解耦控制
解耦控制原理
加解耦补偿环节: 加解耦补偿环节:
F11( s) F12 ( s) F ( s) = F21( s) F22 ( s)
加解耦补偿后的开环传递矩阵为: 加解耦补偿后的开环传递矩阵为:
2
4. 5 对象具有纯滞后环节控制系统的设 s ) = G p ( s )e − τ s
不利影响：使开环相位滞后，稳定性降低， 不利影响：使开环相位滞后，稳定性降低，动态品质 下降 原因： 原因：滞后造成控制作用不及时 结果：较大的超调量， 结果：较大的超调量，较长的调整时间 Predictor) 两种解决方法：史密斯预估器 两种解决方法：史密斯预估器（Smith Predictor) 预估器（ Algorithm） 大林算法（Dahlin Algorithm） 大林算法（
−1
G 22 ( s ) 0
则有: 则有:
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F11 ( s ) F12 ( s ) G11 ( s ) G12 ( s ) F ( s ) F ( s ) = G ( s ) G ( s ) 21 21 22 22
0 G11 ( s ) 0 G22 ( s )
= Φ ( s ) R( s )
[ I + G ( s ) D( s )]Y ( s ) = G ( s ) D( s ) R( s )