常规及复杂控制技术
计算机控制技术课程综述
微型计算机控制技术课程综述专业： 10自动化(2)班姓名：孙修才学号： 1005075044 授课老师：丁健目录一、计算机控制技术简介 (2)二、计算机控制课程简介 (2)第1章绪论 (2)1.1 计算机控制系统概述 (2)1.2 计算机控制系统的组成 (2)1.3 计算机控制系统的发展概况和趋势 (2)第二章计算机控制系统的硬件设计技术 (3)2.1数字量输入输出接口与过程通道 (3)2.3模拟量输入输出接口与过程通道 (3)第三章数字控制技术 (3)3.1逐点比较法插补原理 (3)3.2多轴步进驱动控制技术 (3)常规及复杂控制技术 (4)4.1数字控制器的连续化设计技术 (4)4.2数字控制器的离散化设计技术 (4)4.3纯滞后控制技术 (4)4.4解耦控制技术 (4)第五章现代控制技术 (5)第六章应用程序设计与实现技术 (5)第七章人机接口技术与监控组态软件 (5)7.1人机接口(HML/SCADA)技术 (5)7.2监控组态软件 (5)第八章分布式测控网络技术 (6)8.1工业网络技术 (6)8.2分布式控制系统(DCS) (6)第九章计算机控制系统设计与实现 (6)9.1系统设计的原则与步骤 (6)9.2系统的工程设计与实现 (6)三、课程学习总结 (7)一、计算机控制技术简介工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
微型计算机控制技术是一门跨学科以及应用性、技术性、综合性都很强的专业技术课程，要求具备较强的自动控制理论、微型计算机原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识。
通过学习，要求掌握计算机控制系统的控制原理和分析设计方法，具备基本的设计技能，能够设计出简单的计算机控制系统。
计算机控制技术这门课程是自动化、测控技术与仪器专业以及相关专业的一门专业课，主要讲述计算机控制系统的基本结构、基本原理，计算机控制系统的数学描述及设计方法，计算机控制系统软、硬件的设计方法与实现途径。
计算机控制系统
第1章绪论1.什么是计算机控制系统？计算机控制系统由哪几部分组成？答：计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。
计算机控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。
2.计算机控制系统的典型型式有哪些？答：计算机控制系统的典型型式包括：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC）；监督控制系统（SCC，也称设定值控制）；集散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（F CS）和综合自动化系统。
3.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？答：所谓实时，是指信号的输入、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。
在计算机控制系统中，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。
4.讨论计算机控制系统的发展趋势。
答：网络化、扁平化、智能化、综合化。
第2章计算机控制系统的硬件设计技术5.请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图，分别说明各元器件的作用。
6.什么是采样过程、量化、孔径时间？答：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T、……、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。
所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。
在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。
7.采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。
斯密斯预估控制器
施密斯预估控制姓名：学号：班级：1 实验目的对大多数控制系统，采用常规的控制技术均可以达到满意的控制效果，但对于复杂及特殊要求的控制系统，采用常规的控制室技术很难达到目的，在这种情况下，就需要采用复杂控制技术，其中Smith 预估控制算法是常用的一种，通过本实验加深对Smith 预估控制算法的理解和掌握。
2 实验原理图1为被控对象具有纯滞后特性的单回路反馈控制系统，D （s ）是控制器，被控对象的传递函数为etss -)(G p ，其中，)(G p s 为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，ts-e为被控对象纯滞后部分的传递函数。
)(t r )(t e )(t u )(t y_施密斯预估原理：与D （s ）并接一补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节称为预估器，其传递函数为)1)((G p tse s --，t 为纯滞后时间，补偿后的系统结构如图2所示。
)(t r )(t e )(t u )(t y_ _)(t y τ由施密斯预估控制器)1)((G p tses --和控制器D （s ）组成的回路陈伟纯滞后补偿器，)(s Ds e s τ-)(G p)(s Ds e s τ-)(G p)1)((G p ts e s --其传递函数为：)1)(()(1)()(D m s p e s G s D s D s τ--+=经过补偿后的系统闭环传递函数为：s p p sp m sp m e s G s D s G s D es G s D e s G s D τττ---+=+=Φ)()(1)()()()(1)()(s ）（该式说明，进过补偿后，消除了之后部分对控制系统的影响，因为式中ts-e 在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。
设广义被控对象为：1011()()()1Ts s se e H s G s G s es T sττ----==⋅+取T=1、τ=2、T 1=2.88，经采样（T=1s ）保持后，其广义对象z 传递函数为00.2934()0.7066G z z =-，而2se -转换为2个单位迟延。
常规控制图技术及应用研究
常规 控 制 图技 术 及应 用研 究
韩亚利
（ 长沙航空职业技术学院 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ １ ２ ４ ）
摘 要： 常规控制 图是监控 、 分析生产过程处于稳 态的有效手段和工具 ， 也是一种 有效的质量管理工具。 归纳总结 了常规
一
般来 说 ， Ｓ Ｐ Ｃ控 制点 的选 取 对象是 ［ ４ １ ：
（ １ ）图纸 给 出的关 键 、 重要 特 性 ； 对产 品 的性 能 、
果使用计算机软件 ，控 制图上会 自动显示过程 的状 精度 、 寿命 、 可靠性 、 安全性等有直接影 响的零 部件 态 。如果 是 手工绘 制 ， 需 要我 们 自己完 成 对过 程状 态 的关键 特 性 和重要 特性 ； 的判断 ， 确定过程是否出现了异常。
法 。统计 过程 控制 的核 心是 通 过控 制 图监控 、 分 析 生 产过 程 的稳 定状况 Ⅲ 。本文 主要 针对 统计 过 程控 制技
因的重要参考资料 ，对 于以后在产品设计和制定产 品规 格方 面都 是 十分 有用 的 。
术中应用最多的常规控制图进行研究 ， 归纳总结生产
企业 多年 来使 用常 规控 制 图的 一些 实践 经验 ， 着 重 阐
述 常规控 制 图 的设 计要 点和 一些 主要 技术 问题 。
２ 常规控制 图的主要技术 问题
应用控制图时， 需要考虑以下一些技术问题 ：
１ 控制 图的设计程序【 ２ ］
２ ． １ 控 制 图用 于何 处
原则上讲 ， 对于任何过程 ， 凡需要进行控制的场 （ １ ） 确定少数重要的关键过程测量值 ， 选择所适 合都可 以应用控制图。但首先应 区分所确定的控制 用 的控 制 图 。 对象是定量还是定性的描述 ，这样才能够应用合适 （ ２ ） 采集 数 据 ， 制作 简 单实 用 的数 据 采集 表 。 即 的控 制 图 。其 次 ， 所 控 制 的过 程 必 须具 有 可 重复 性 ， 使控制 图是借助计算机软件制作完成 的，也必须进 即具有统计规律 。对于只能进行一次或少数几次的 行 这个 步 骤 ，如何 采集 数 据 至关 重 要 。一般 的做 法 过 程 ， 显然 难 于应 用控 制 图进行 控制 ［ ３ １ 。
现代管理学自考学习资料第十六章
第⼗六章控制 了解管理控制职能的基本内容，认识控制系统的类型和功能； 掌握基本的控制⽅法和技术。
控制：掌握控制的概念，识记常规控制与⾮常规控制的含义，了解计划与控制的关系，领会控制的内容和控制的作⽤。
控制的类型：识记前馈控制、现场控制、反馈控制，领会控制是⼀个循环过程。
控制的过程：识记控制过程的三个步骤，领会控制是⼀个连续过程，它使管理⼯作成为⼀个闭路系统。
控制系统设计：识记控制系统的概念，领会控制系统设计需要注意的问题。
控制的⽅法与技术：识记传统控制⽅法的基本形式，掌握预算控制、程序控制、计划评审技术的含义。
第⼀节控制概述 〖基本内容〗 控制是管理的基本职能之⼀，是对组织内部的管理活动及其效果进⾏的衡量和校正，其⽬的是确保组织的⽬标以及为此⽽拟定的计划得以实现。
控制职能是每⼀位负责执⾏计划的主管⼈员的重要职责，尤其是直线主管⼈员的重要职责。
控制职能使管理的过程成为⼀个闭路系统，成为⼀种连续的过程。
控制职能采取纠正措施，把那些不符合要求的管理活动引回到正常的轨道上来，使管理系统稳步地实现预定⽬标。
⼀、控制的概念 控制：是指由管理⼈员对当前的实际⼯作是否符合计划进⾏测定，并促使组织⽬标实现的过程。
控制主要体现在计划的执⾏过程中，是⼀种不断对照计划来检查现有的作业状况的活动。
控制的⽬的是要保证实际⼯作与计划⼀致，管理活动的控制过程也就是管理⼈员对下属部门或个⼈的⼯作进展、实际结果进⾏统辖，找出偏差并加以纠正的过程。
控制包括了管理⼈员为保证实际⼯作能与计划⼀致⽽采取的⼀切⾏动。
具体地说，在组织⽬标确⽴之后，管理总是通过计划来设计出达到⽬标的⼿段或⾏动⽅案，⽽⼀旦计划付诸实施，就会发现许多事先未能预料到的因素在发⽣作⽤，⽽且像不断变化着的环境因素等，也是不可能完全被纳⼊到计划之中的。
管理的控制职能是与管理的计划职能联系在⼀起的。
计划是控制的前提，计划⼜需要控制来为其提供保障，只有借助于控制，才能纠正计划执⾏中出现的偏差，把那些不符合要求的管理活动引回到正常轨道上来，使管理系统稳步地实现计划⽬标。
串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
1、串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使 用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点 是两个调节器相串联，主调节器的输出作 为副调节器的设定，当对象的滞后较大， 干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级 控制系统。
1、基本概念
串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一 种常用的复杂控制系统，它根据系统结构
主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路 后的整个外回路。
副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所 包括的一部分对象所组成的闭合回路（随
动回路)
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为副变量，输出信 号为主参数(主变量)。
副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为调节量，其输出 信号为副参数(副参数 将要达到危险值时，就适当降低生产要求， 让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使 之朝正常工况发展。能实现软限控制的控 制系统称为选择性控制系统，又称为取代 控制系统或超驰控制系统。
通常把控制回路中有选择器的控制系统称 为选择性控制(selective control)系统。选择 器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两 类。高选器输出是其输入信号中的高信号， 低选器输出是其输入信号中的低信号。
控制系统一般又可分为简单控制系统和复 杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于 简单而言的。凡是多参数，具有两个以上 变送器、两个以上调节器或两个以上调节 阀组成多回路的自动控制系统，称之为复 杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、 前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等， 并且随着生产发展的需要和科学技术进步， 又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系 统。
路外，使调整k时不影响控制回路稳定性。
计算机控制技术--课程分析
Automation
国家级精品资源共享课 国家级精品课
“计算机控制技术”课程分析
负责人：于海生
课程组：潘松峰、丁军航、吴贺荣、于金鹏、原明亭、 高军伟、叶志明、姜安宝、闫海涛
2015年11月
明德博学，守正出奇
青岛大学 自动化专业
Automation
分析内容
一、课程性质、定位与教学目标 二、课程内容与重点、难点 三、学情分析与教学设计 四、教学方法与手段 五、教学评价与考核方式 六、教学反馈与教学效果 七、课程特色
明德博学，守正出奇
青岛大学 自动化专业
Automation
一、课程性质、定位与教学目标
明德博学，守正出奇
青岛大学 自动化专业
一、课程性质、定位与教学目标 Automation
课程性质
《计算机控制技术》课程是国家级精品资源共享课 (2014年)、国家级精品课程(2009年)、首批山东省省级精 品课程（ 2004年）。
难点：模拟量输入输出通道；基于串行总线的计算机控制系统硬件技术； 硬件抗干扰技术。
（2）数字控制技术
重点：数字程序控制基础；逐点比较法差补原理；步进电机控制技术与 伺服电机控制技术。
难点：逐点比较法差补原理；步进电机控制技术
（3）常规及复杂控制技术
重点：数字控制器的连续化设计技术、离散化设计技术；纯滞后控制技 术、串级控制技术、前馈-反馈控制技术；解耦控制技术。
理论教学
Automation
5）随着课程进展，适时下发各种补充阅读材料，如先进的分布式控制 系统（DCS）、设计案例、工业控制组态软件资料等，对课堂讲授形成有 益补充。
6）推荐合适的参考书、辅导书，并及时编写出版与改革后课程内容相 配套的新教材，便于学生课前预习和课后复习。
《计算机控制技术》计算机控制系统的常规控制技术
在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模拟 PID调节器。
连续生产过程中,设计数字控制器的两种方法: 1．用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用计算机进行数字 模拟，这种方法称为模拟化设计方法。 2．应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一种直接设计方法 （或称离散化设计）
(z)
R(s) +
R(z)
T
e(s) E(z)
_
T
D(z)
U(z)
T
G h0 (s)
图12 典型计算机控制系统结构框图
G(z) G0 (s)
G(s)
Y (z) T
Y (s)
其中： G(z)＝Z Gho (s)G0 (s)
1 e Ts
Gh0 ( s )
s
广义对象脉冲传递函数
系统的闭环脉冲传递函数 系统的误差脉冲传递函数
① 断开数字PID控制器，使系统在手动 1
状态下工作，给被控对象一个阶跃输入
信号；
0
y(t )
y()
② 用仪表记录下在阶跃输入信号下的对 象阶跃响应曲线；
p•
0 a
Tm
t b
c
t
图11 对象阶跃响应曲线
③ 在响应曲线上的拐点处作切线，得到对象等效的纯滞后时间和 对象等效的时间常数 ；
④ 选择控制度；
不完全微分PID控制器结构
e(t )
PID 调节器
u(t )
Df (s)
u(t )
不完全微分的PID算法的基本思想是：在PID控制中的微分环节串联上一
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4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤
1.设计步骤的第一步：假想的连续控制器D(S)
以前，我们在设计连续系统时，只要给定被控对象的模型，超 调量等性能指标，我们就可以设计了。因此，我们设计的第一步 就是找一种近似的结构，来设计一种假想的连续控制器D(S)， 这时候我们的结构图可以简化为：
前向差分法也可由数值微分中得到。
采用前向差分近似可得 上式两边求Z变换后可推导出数字控制器为
(3)后向差分法 利用级数展开还可将Z=esT写成以下形式
双线性变换的优点在于，它把左半S平面转换到单 位圆内。如果使用双线性变换，一个稳定的连续控 制系统在变换之后仍将是稳定的，可是使用前向差 分法，就可能把它变拟PID调节器
PID控制规律为
对应的模拟PID调节器的传递函数为
KP为比例增益，KP与比例带δ成倒数关系即KP=1/δ， TI为积分时间，TD为微分时间， u(t)为控制量，e(t)为偏差。
比例带（度）：调节器的输入变化量相对于输入信号范围，占 相应的输出变化量相对于输出信号范围的百分数。
①过渡品质系数Kv≥1 ② 过渡过程时间Ts≤10s ③阶跃响应超调量δ≤25% 设计满足上述要求的数字控制器D(Z)。
，要求
第一步：设计假想的连续校正传递函数D(S)。根据系统的 传递函数和性能指标，利用连续化设计方法不难设计出满 足要求的连续校正传递函数。
这是典型的微分校正
同时，我们可以容易的求得闭环传递函数，可以验证闭环连 续系统满足性能指标的要求。
3．将D(S)离散化为D(Z)
(1)双线性变换法 (2) (3)后向差分法
S与Z之间互 为线性变换
(1)双线性变换法
双线性变换或塔斯廷（Tustin）近似
D(s) U (s) 1 E(s) s
双线性变换也可从数值积分的梯形法对应得到。设积分控制规
上式两边求Z
(2)前向差分法
利用级数展开可将Z=esT Z=esT=1+sT+…≈1+sT
r(t) + e(t)
u(t)
y(t)
_
D(s)
G(s)
已知G(S)来求D(S)的方法有很多种，比如频率特性法、根轨迹 法等。
频率特性法与根轨迹法
控制系统的设计问题的三个基本要素为：模型、指 标和容许控制。
如果性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时 间（响应到达并保持在终值±5%内所需的时间）、超 调量、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般 采用根轨迹法校正；
其中ωC是连续控制系统的剪切频率。 按上式的经验法选择的采样周期相当短。因此，采用连续化
设计方法，用数字控制器去近似连续控制器，要有相当短的采 样周期。
剪切频率
相角裕量：也称为相角裕度，定义为180°加开环幅
相曲线幅值为1时的相角，即
180°+
。
其中，ωC是控制系统的剪切频率 (或称截止频率)。 此时，开环控制系统的幅值为1。
请给出证明过程！
4．设计由计算机实现的控制算法
数字控制器D(Z)的一般形式为下式，其中n≥m, 各系数ai,bi为实数，且有n个极点和m
U(z)=(-a1z-1-a2z- ２ -…-anz-n)U(z)+(b0+b1z-1+…+bmz-m)E(z ） u(k)=-a1u(k-1)-a2u(k-2)-…-anu(k-n)
第二步：选择采样周期T。 闭环系统的无阻尼振荡的频率为wn=1Hz，阻尼系数
从而求得阻尼振荡频率
，
即振荡周期
选择采样周期T的一个经验规则是：在闭环系统的响应 中，每个振荡周期至少采样6～10次。根据这个经验规 则，这里选取T=1s。
第三步：计算离散等效传递函数D(z)。 第四步：设计计算机实现的控制算法。 第五步：仿真，校验。
4.1 数字控制器的连续化设计技术
设计方法：数字控制器的连续化设计是忽略控制回 路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系 统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近 似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机 来实现。
4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤 4.1.2 数字PID控制器的设计 4.1.3 数字PID控制器的改进 4.1.4 数字PID控制器的参数整定
+b0e(k)+b1e(k-1)+…+bme(k-m))
5．校验
控制器D(z)设计完并求出控制算法后，须按 图4．1所示的计算机控制系统检验其闭环特 性是否符合设计要求，这一步可由计算机控 制系统的数字仿真计算来验证，如果满足设 计要求设计结束，否则应修改设计。
举例
已知某伺服系统被控对象的传递函数为 满足性能指标为：
如果性能指标以系统的相角裕度、幅值裕度、谐振 峰值、闭环带宽、静态误差系数等频域特征量给出时， 一般采用频率法校正。
目前，工程技术界多习惯采用频率法。
2．选择采样周期T
香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低 采样频率。
在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶 保持器H(S)来实现。零阶保持器的传递函数为
其频率特性为
从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移(滞 后)。对于小的采样周期，可把零阶保持器H(S)近似为：
我们能从上式得出什么结论呢？ 上式表明，当T很小时，零阶保持器H(S)可用半个采样周期的 时间滞后环节来近似。它使得相角滞后了。而在控制理论中， 大家都知道，若有滞后的环节，每滞后一段时间，其相位裕 量就减少一部分。我们就要把相应减少的相位裕量补偿回来。 假定相位裕量可减少5°～15°，
校准前后控制输出曲线
4.1.2 数字PID控制器的设计
根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称 PID控制)，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规 律。 PID调节器之所以经久不衰，主要有以下优点： 1.技术成熟，通用性强 2.原理简单，易被人们熟悉和掌握 3.不需要建立数学模型 4.控制效果好
①首先，什么是数字控制器？ ②控制系统的四大要素是什么？ 被控对象、检测变送器、执行机构、控制器 计算机控制系统的结构框图：
r(t) + _
e(t)
e(k)
D(z)
T
u(k) T
u(t)
y(t)
H(s)
G(s)
这是一个采样系统的框图：控制器D(Z)的输入量是 偏差，U(k)是控制量 H(S)是零阶保持器