第四章计算机控制系统的特性分析
计算机控制系统性能分析
南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：计算机控制系统性能分析所在专业：自动化学生姓名：**班级学号：B************: ***2013 /2014 学年第二学期实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。
二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统图1 计算机控制系统1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解:G1=tf([1],[1 1 0]);G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数 rlocus(G);//绘制系统根轨迹Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-7-6-5-4-3-2-1012-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5将图片放大得到0.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25-0.15-0.1-0.050.050.10.15Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sZ 平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。
放大图片分析： [k,poles]=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point = 0.9905 + 0.1385i k =193.6417 poles =0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i 得到0<K<193(2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解：G1=tf([1],[1 1 0]); rlocus(G1);-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-0.8-0.6-0.4-0.20.20.40.60.8Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s由图片分析可得，根轨迹在S 平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<∞(3) 分析导致上述两种情况下K 取值范围差异的原因。
管理学控制系统的含义和特点
管理学控制系统的含义和特点
管理学中的控制系统是指一种用于监督和调节组织内部活动的
机制。
其含义是通过设定标准和目标，收集信息，进行比较分析，
并采取必要的纠正措施，以确保组织的运作与预期目标保持一致。
控制系统的特点包括：
1. 目标导向，控制系统的核心是确保组织的活动与设定的目标
一致，因此它是目标导向的。
2. 反馈机制，控制系统通过收集和分析信息，对组织的实际表
现进行评估，并进行必要的调整，以保持组织活动的正常运作。
3. 灵活性，控制系统需要具有一定的灵活性，能够适应环境变
化和组织内部的动态变化，以保持其有效性。
4. 多层次性，控制系统通常是多层次的，涵盖了组织的各个层面，从战略层到操作层都需要进行控制。
5. 连续性，控制系统是一个持续进行的过程，不断地收集信息、分析数据、进行调整，以确保组织的活动不偏离预期目标。
总的来说，管理学中的控制系统是一种目标导向、具有反馈机制、灵活性强、多层次、持续进行的机制，用于监督和调节组织内部活动，以确保组织的运作与预期目标保持一致。
计算机控制系统特性分析
z 2 + 2 z + 0.9267 = 0
进行w变换后得到：
例4.2 在例4.1中，设T=1s，求使系统稳定的K的变化范 围？并求s平面和w平面的临界频率。 解：采用双线性变换Ⅱ，此时系统的特征方程为
1 + KG ( z ) z =1+ 0.5w = 1 +
1− 0.5 w
−0.2932 w2 + 0.0733w + 3.9267 = 0
则系统是稳定的。
w = ± j1.549
故w平面的临界频率为 s平面的临界频率为
ω w = 1.549
ω= 2 ωT tan −1 w = 1.32 T 2
（3）朱利判据
例4.3 在例4.1中，设T=1s，试用z域直接判别法确定满足系 统稳定的K值范围。 解：系统的特征方程为
W ( z ) = z + (0.368 K − 1.368) z + (0.264 K + 0.368) = 0
n
提供了一 种用解析 法判断离散系统稳定性的途径。 设离 散控制系统的特征方程为
1 + G( z) = 0
其 中 G(z) 一般为 两 个 多项 式之 比 ， 用 W(z) 表 示 特征方程 的分子，即
（3） （4）
s平面垂直直线对应于z 平面的圆周， s 平面的 虚轴对应于z 平面的单位圆
S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的 直线, ω = ω s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
2 对于二阶振荡系统 s + 2ξωn s + ω n = 0 ，在S平面上等 阻 尼线为通过原点的射线且 cos β = ξ ，在Z 平面上为螺旋 线。 2
计算机控制系统实验报告
计算机控制系统实验报告计算机控制系统实验报告引言计算机控制系统是一种利用计算机技术对各种设备和系统进行自动化控制的系统。
它在工业生产、交通运输、军事防御等领域有着广泛的应用。
本实验旨在通过对计算机控制系统的实际操作，深入了解其工作原理和应用。
实验目的本次实验的主要目的是学习计算机控制系统的基本原理和实现方法，通过实际操作来加深对其工作过程的理解。
同时，通过实验数据的收集和分析，掌握计算机控制系统的性能评估方法。
实验设备和材料本次实验所需设备和材料包括：计算机、控制器、传感器、执行器、数据采集卡等。
实验过程1. 硬件连接首先，将计算机与控制器通过数据采集卡连接起来，并将传感器和执行器与控制器相连。
确保各个设备之间的连接正确无误。
2. 程序编写编写控制程序，根据实验要求设定相应的控制算法和参数。
在程序中设置传感器数据的采集频率和执行器的控制方式，并将其与控制器进行关联。
3. 实验数据采集启动实验程序，开始采集传感器数据和执行器的控制信号。
通过数据采集卡将数据传输到计算机中，保存为文件以备后续分析使用。
4. 数据分析根据实验数据，进行数据分析和处理。
通过对采集的传感器数据进行曲线绘制和统计分析，评估控制系统的性能指标，如响应时间、稳定性等。
实验结果与讨论根据实验数据的分析，可以得出控制系统的性能评估结果。
通过对响应时间的分析，可以评估控制系统的快速性和准确性。
通过对稳定性的分析，可以评估控制系统的抗干扰能力和稳定性。
根据实验结果，可以对控制系统进行进一步的优化和改进。
实验总结通过本次实验，我对计算机控制系统的工作原理和实现方法有了更深入的了解。
通过实际操作和数据分析，我对控制系统的性能评估方法有了更清晰的认识。
同时，本次实验也让我意识到了计算机控制系统在现代工业生产中的重要性和广泛应用。
结语计算机控制系统实验是计算机科学与技术专业的重要实践环节。
通过实际操作和数据分析，可以加深对计算机控制系统的理论知识的理解，并为今后的工作和研究提供基础。
计算机控制系统(5)
第5章计算机控制系统特性分析计算机控制系统特性分析就是从给定的计算机控制系统数学模型出发，对计算机控制系统在稳定性、准确性、快速性三个方面的特性进行分析。
通过分析，一是了解计算机控制系统在稳定性、准确性、快速性三个方面的技术性能，用以定量评价相应控制系统性能的优劣；更重要的是，建立计算机控制系统特性或性能指标与计算机控制系统数学模型的结构及其参数之间的定性和定量关系，用以指导计算机控制系统的设计。
本章主要内容有：计算机控制系统稳定性分析，稳态误差与动态响应分析。
5.1计算机控制系统稳定性分析与模拟控制系统相同，计算机控制系统必须稳定，才有可能正常工作。
稳定是计算机控制系统正常工作的必要条件，因此，稳定性分析是计算机控制系统特性分析的一项最为重要的内容。
5.1.1连续系统稳定性及稳定条件离散系统稳定性和连续系统稳定性含义相同。
对于线性时不变系统而言，无论是连续系统还是离散系统，系统稳定是指该系统在平衡状态下（其输出量为某一不随时间变化的常值或零），受到外部扰动作用而偏离其平衡状态，当扰动消失后，经过一段时间，系统能够回到原来的平衡状态（这种意义下的稳定通常称为渐近稳定）。
如果系统不能回到原平衡状态，则该系统不稳定。
线性系统的稳定性是由系统本身固有的特性所决定的，而与系统外部输入信号的有无和强弱无关。
线性时不变连续系统稳定的充要条件是：系统的特征方程的所有特征根，亦即系统传递函数)(s W 的所有极点都分布在S 平面的左半平面，或者说，系统所有特征根具有负实部，设特征根ωσj s i i +=，则0<i σ。
S 平面的左半平面是系统特征根（或极点）分布的稳定域，S 平面虚轴是稳定边界。
若系统有一个或一个以上的特征根分布于S 平面的右半平面，则系统就不稳定；若有特征根位于虚轴上，则系统为临界稳定，工程上也视为不稳定。
5.1.2 S 平面与Z 平面的映射关系在第3章中定义Z 变换时，规定了z 和s 的关系为Tse z = （5.1）式中，z 和s 均为复变量，T 是采样周期。
计算机控制技术要点
一概述1 计算机控制系统的概念1.1 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。
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。
1.2计算机控制系统的工作步骤实时数据采集，实时控制决策，实时控制输出。
1.3常用术语在线：计算机控制系统与生产设备直接相连，并受计算机控制的方式。
离线：与在线方式相反。
实时：实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。
2个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应。
2 计算机系统的组成2.1 硬件：一般是由计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成。
2.2 软件：系统软件，应用软件（数据采集与监视、控制计算与输出、公共服务程序）3 计算机控制系统的形式3.1 操作指导控制系统（OIS）3.2 直接数字控制系统（DDC）3.3计算机监督控制系统（SCC）3.4 集散控制系统（DCS）三级：分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级；原则：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调。
3.5 现场总线控制系统（FCS）“工作站—现场总线仪表”的二层结构；出现的理由特点常用标准（FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS、HART）3.6 PLC十上位机系统4计算机控制系统的特点4.1 系统结构特点（模拟部件和数字部件的混合系统）4.2 信号形式上的特点（按一定的采样间隔对连续信号进行采样） 4.3 系统工作方式上的特点（一台计算机可为多个控制回路服务）4.4 控制品质高4.5 功能价格比值高4.6 适应性强，灵活性高4.7缺点二工控机简介1 工控机的特点工业控制机主要用于工业过程测量、数据采集、控制等工作。
①可靠性高②实时性好③环境适应性强④过程输入和输出配套较好⑤系统扩充性好⑥系统开放性好⑦控制软件包功能强⑧系统通信功能强⑨后备措施齐全⑩具有冗余性2 工控机的分类与结构通用工业控制计算机、单片机、嵌入式工控机（PC/104总线工控机、ARM嵌入式单片机）、DCS工控机（即现场工作站）PLC：以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
计算机控制系统概述
1.计算机控制系统的特点。
（1）计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统（2）连续系统中的各处的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中除此之外还有离散模拟，离散数字等多种信号形式。
（3）专门的理论分析和设计方法（4）便于实现复杂的控制规律. （5）可实现多路分时控制。
（6）便于实现控制管理一体化。
2、控制系统的工作方式？在线-联机方式：计算机与生产过程相连，并直接控制生产过程离线-脱机方式：计算机与生产过程相连，但不直接控制生产过程，而依靠人进行联系，冰做出相应的操作方式。
3、DDC,SCC控制系统工作原理如何？他们之间有何区别联系？直接数字控制系统（DDC）：计算机通过对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。
特点计算机参加鼻环控制过程，实现多路的PID监督计算机控制系统（SSC）：SCC+模拟调节器、SCC+DCC控制系统。
在此系统中计算机根据所涉及的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。
4、接口通道及其功能：(1）I\O 接口电路是主机和外围设备之间交换信息的连接部件以数字量为主，主要有缓冲器，锁存器，PIC.LED数码管。
（2）设置接口电路的必要性：解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题；解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题及负载能力和外围设备端口选择问题。
5、何为I\O通道？模拟量输入通道有那几部分组成？定义：在微机和生产过程之间设置的信息传送和变幻的连接通道。
组成：信号处理装置，采样单元，采样保持器，数据放大器，A\D转换器，控制电路。
6、模拟输出通道中为什么要加采样保持器？采样保持器的组成和要求？为了确保A\D转换器的精度就要在A\D转换器之前加上采样保持电路，使得A\D转换期间保持输入模拟信号不变。
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二次特征方程稳定性的z域直接判定法
系统的特征方程为
w (z) z 2 a1z a0
a1和
a
均为实数
0
稳定性判据为：
（ 1）W ( 0 ) a 0 1 （ 2） W (1) 1 a1 a 0 0 （ 3） W ( 1) 1 a 1 a 0 0
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4
s 域到 z 域的映射关系
s j
z esT e(j)T eTejT
eT(cosT jsinT)
z的模 z为 eT其相 角 z为 T
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s 平面的左半部对应于z 平面的单位圆内 s 平面的右半部分对应于z 平面单位圆外 s 平面的虚轴对应于z 平面的单位圆
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3
1. 线性离散控制系统的稳定性条件
分析或设计一个控制系统，稳定性历来是 一个首要问题。对于连续系统和离散系统，所 谓稳定，就是指在有界输入作用下，系统的输 出也是有界的。如果一个线性定常系统是稳定 的，那么其对应的微分方程的解必须是收敛和 有界的。
在分析连续系统的稳定性时，主要根据 是系统传递函数的极点是否都在 S 平面的左半 部分布。若有极点出现在平面的右半部，则系 统不稳定。
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朱利判据
w ( z ) a n z n a n 1 z n 1 a n 2 z n 2 . .a 1 z . 1 . a 0 .0
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朱利判据稳定性条件
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(4)修尔-科恩稳定判据
该判据提供了一种用解析法判断离散系统稳定性的途 径。设离散控制系统的特征方程为
w ( z ) a n z n a n 1 z n 1 a n 2 z n 2 . .a 1 . z 1 .a 0 .
把系数a0 , a1,…an写成如下所示的行列式形式:
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an是an的共轭值，△k(k=1，2，3，…)是一个有2k行和2k 列的行列式。
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2 1 z 1
T
1 z 1 z e j T
2 T
e e
j T j T
1 1
2 T
e j T / 2 e j T / 2 e j T / 2 e j T / 2
j 2 tan T
T
2
w 平面频率和
s 平面频率转换
w
2 T
tan
s 平面频率和
T
2 w 平面频率转换
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转
换到w域
1 w
1 (T / 2 )w
a n w n a n 1 w n 1 a n 2 w n 2 .. a 1 .w .a 0 . 0
3、采用修正劳斯判据判断系统的稳定性
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第一列 元素为正 系统稳定
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劳斯—胡尔维茨稳定判据
• 若劳斯行列表第一列各元素严格为正， 则所有特征根均分布在左半平面，系统 稳定。
阻尼线为通过原点的射线且 cos ，在z 平面上为螺
旋线。
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s 域到 z 域的映射关系例题
如图，在S平面上有3个点，分别为
s11,s2,31j1若 0 采样角 s1频 0 率
试求它们影射到Z平面上的点
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解：采样周期 T 2 2
S 10
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2.线性离散系统的稳定性判据
(1)修正劳斯一胡尔维茨稳定判据
双线性变换1
z 1 w w z 1
1 w
z 1
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z平面与w平面映射关系
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双线性变换2 z 1 (T / 2 ) w 1 (T / 2 ) w
w
2 T
z1 z1
第四章 计算机控制系统的特性分析
4.0 概述 4.1 计算机控制系统的稳定性 4.2 计算机控制系统的动态特性 4.3 计算机控制系统的稳态误差 4.4 离散系统的根轨迹和频率特性
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1
• 计算机控制系统要想正常工作，首先要 满足稳定性条件，其次还要满足动态性 能指标和稳态性能指标，这样才能在实 际生产中应用。对计算机控制系统的稳 定性、动态特性和稳态误差进行分析是 研究计算机控制系统必不可少的过程。
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2
4.1 计算机控制系统的稳定性
1. 线性离散控制系统的稳定性条件
• s域到z域映射关系 • 线性离散控制系统稳定的充要条件
2. 线性离散控制系统的稳定性判据
• 修正劳斯-胡尔维兹稳定判据 • 二次征方程稳定性的z域直接判定法 • 朱利判据 • 修尔—科恩稳定判据
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2 T
arctan
wT 2
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修正劳斯一胡尔维茨稳定判据
1、系统分析
求出系统开环传递函数G（Z）
求出系统闭环传递函数 (z)
求出系统特征方程
w ( z ) a n z n a n 1 z n 1 a n 2 z n 2 . .a 1 z . 1 . a 0 .0
2、采用双线性变换 z 1 w 或 z 1 ( T / 2 ) w
z1
es1T
1*2
e 10
0.5330
2
z2 es2T e(110j)10 0.5332
2
z3 es3T e(110j)10 0.533 2
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(2)线性离散控制系统稳定的充要条件
线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程
的所有根的模|z|<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于 z平面的单位圆内。
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修尔一科恩稳定判据稳定条件:
修尔一科恩稳定判据的两个特例：
1、当系统特征方程为 a1za0 0判据为 a02 a12
2、当系统特征方程为 w ( z ) z 2 a 1 z a 0 判据为
二次特征方程稳定性的z域直接判定法
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S 平面垂直直线对应于z 平面的圆周， s 平面 的虚轴对应于z 平面的单位圆
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S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的直线
s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
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S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
对于二阶振荡系统 s22 nsn20，在S平面上等