计算机控制系统高金源第1章
计算机控制系统_信号分析
计算机控制系统高金源夏洁北京航空航天大学清华大学出版社2009年3月《计算机控制系统》•依<全国高等学校自动化专业系列教材编审委员会>审定的教材大纲编写。
•主编人：高金源夏洁•出版发行：清华大学出版社2.1 控制系统中信号分类2.2理想采样过程的数学描述及特性分析2.3信号的恢复与重构2.4 信号的整量化2.5计算机控制系统简化结构2.1 控制系统中信号分类•从时间上区分：连续时间信号__在任何时刻都可取值的信号； 离散时间信号__仅在离散断续时刻出现的信号。
•从幅值上区分： 模拟信号__信号幅值可取任意值的信号。
离散信号__信号幅值具有最小分层单位的模拟量。
数字信号__信号幅值用一定位数的二进制编码形式表示的信号。
广义被控对象D ／A变换器计算机A ／D变换器传感器图2-1 计算机控制系统结构图表2-1 控制系统中信号形式分类时间连续离散幅值连续离散数字二进制2.1.1 A/D 变换1. 采样–采样/保持器(S/H)对连续的模拟输入信号，按一定的时间隔T （称为采样周期）进行采样，变成时间离散（断续）、幅值等于采样时刻输入信号值的序列信号。
2. 量化–将采样时刻的信号幅值按最小量化单位取整的过程。
3. 编码–将整量化的分层信号变换为二进制数码形式，用数字量表示。
图2-2 A/D变换器框图图2-3 各点信号形式的变化2.1.2 D/A 变换1. 解码器–将数字量转换为幅值等于该数字量的模拟脉冲信号。
2. 信号恢复器–将解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化的信号。
图2-4 D/A的信号变换框图2.1.3计算机控制系统中信号的分类•其中各点的信号类型如表2-1所示。
•将时间及幅值均连续的信号称为连续信号或模拟信号，如点A 、H ；•将时间上离散，幅值上是二进制编码的信号称为数字信号，如点F 、D 、E 。
•将时间断续幅值连续的信号称为采样信号。
图2-6计算机控制系统中信号变换计算机控制系统信号分析的结论•A/D和D/A变换中，最重要的是采样、量化和保持(或信号恢复)3个变换过程。
计算机控制系统高金源版课后答案
第1章习题B 习题B1-1 举例说明2—3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。
B1—2 利用计算机及接口技术的知识,提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。
B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图.由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统,使炮身跟踪指令信号。
为了改善系统的动态和稳态特性,高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制（如偏差过大时可断开主反馈,实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制）。
试将其改造为计算机控制系统,画出系统原理结构图.题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图B1—4水位高度控制系统如题图B.1—4所示。
水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定,水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h.用水量Q1 为系统干扰。
当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持水箱水位为指令水位。
试把该系统改造为计算机控制系统。
画出原理示意图及系统结构图。
题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图B1—5 题图B1—5为一机械手控制系统示意图。
将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。
题图B1-5机械手控制系统示意图B1—6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图.题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图B1—7车床进给伺服系统示意图如题图B1—7所示.电动机通过齿轮减速机构带动丝杠转动,进而使工作台面实现直线运动.该系统为了改善系统性能，利用测速电机实现测速反馈。
试将该系统改造为计算机控制系统，画出系统示意图.题图B1-7车床进给伺服系统示意图B1—8 现代飞机普遍采用数字式自动驾驶仪稳定飞机的俯仰角、滚转角和航向角。
计算机控制系统高金源 夏洁49
7.1.1 对控制用计算机系统的硬件要求
3. 对应用软件系统的要求
– 实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、 输入输出功能强等
4. 方便的人机联系
– 显示屏 、各种功能键 、输入数据功能键等
5. 系统的可靠性和可维护性
– 可靠性指系统无故障运行能力，指标——平 均无故障间隔时间。
6
7.1.2 对控制用计算机的选择
• 用于各单微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机 系统，如 STD总线、VME总线、PC总线等。
– 外总线（通信总线）
• 用于微处理机与其它智能仪器仪表间的通信，如RS-232C等
(3）根据总线传送信号的方式的分类
– 并行总线
• 用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。
– 串行总线
• 按照信息逐位的顺序传送信号。
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3. 目前几种通用总线介绍
(1) STD 总线
– 目前工业控制及工业检测系统中使用最广泛的总线， 它兼容性好，能够支持任何8位或16位微处理器，成 为一种通用标准总线。
– 具有以下特点：
• 小板结构，高度模块化 • 严格的标准化，广泛的兼容性 • 面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用 • 高可靠性
– PC/AT总线对环境要求较高，无法保证在工业现场可 靠运行。
– PC／AT总线都是主要采取将微处理器芯片总线经缓 冲直接映射到系统总线上，没有支持总线仲裁的硬件 逻辑，因而不支持多主系统。
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3. 目前几种通用总线介绍
(3)RS 232C 串行接口标准总线 由电子工业学会正式公布的串行总线标准，
n
N ai2i i1
(i1,2, ,n)
– 有符号的二进制可以用原码、补码、反码和偏移二进制 码来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码，就需
计算机控制系统高金源第2章ppt课件
coskt 1 ejkt e jkt 2
利用欧拉方程转化成复数形式：
fta 2 0 k 1a kco kss tb ksik nst
f t Ckejkst k
Ck为傅氏系数，
Ck
1 T
T
2 T
2
f
t ejkstdt
24
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
在计算机控制系统初步分析和设计时，可进一步 简化结构图如下：
计算机控制系统简化结构图
14
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
2.2 采样过程
（1）采样过程的描述
采样器：一般为各种不同形式的开关，如图（a）
数字信号
解码
F
D/A
G
模拟信号
模拟信号 保持
H
F
110
101
101
100
011
G
解码
H
保持
010
0 T 2T
0 T 2T
0 T 2T
t
t
t
D/A的信号变换过程
10
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
采样/保持器（S/H)对连续的模拟输入信号，按一定的时
间间隔T（采样周期）进行采样，并保持时间p（或 ）,从
而信号变成时间离散（断续）、幅值等于采样时刻输入信号 值的方波序列信号。
计算机控制原理与技术课件：第1章 计算机控制系统概述
可用此系统摸清系统的数学模型，控制规律， 为构成计算机闭环控制奠定基础。
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1.3 计算机控制系统的典型形式
直接数字控制系统（Direct Digital Control, DDC）
显示
过程输入
计
（A/D，DI）
打印机 算
报警
机
过程输出 （D/A，DO）
6
1.1 计算机控制系统的概念
自动控制
是指在没有人直接干预的情况下，通过控制装 置使机械、设备或生产过程（被控对象）的某 个或某些物理量（被控量）按预定的规律（给 定量）运行
能够实现这种自动控制的装置称为控制器
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1.1 计算机控制系统的概念
自动控制系统
由控制器、执行机构、被控对象等部件为了一 定的目的有机的联结成的一个进行自动控制的 总体，称为自动控制系统
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1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统
将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型 的计算机控制系统。
下图是一个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。
给定值
控制器 D/A
计算机 A/D
执行机构
被控量 被控对象
检测装置
11
1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统的特点
3
教学内容
计算机控制系统概述 自动控制系统的基本理论知识 MCS-51单片机 过程通道和数据采集系统 数字程序控制技术 数字PID控制算法
4
第一章 计算机控制系统概述
5
内容简介
1.1 计算机控制系统的概念 1.2 计算机控制系统的组成 1.3 计算机控制系统的典型形式 1.4 计算机控制系统的典型控制方式 1.5 计算机控制系统的发展趋势
计算机控制系统_信号资料
计算机控制系统高金源夏洁北京航空航天大学清华大学出版社2009年3月《计算机控制系统》•依<全国高等学校自动化专业系列教材编审委员会>审定的教材大纲编写。
•主编人：高金源夏洁•出版发行：清华大学出版社2.1 控制系统中信号分类2.2理想采样过程的数学描述及特性分析2.3信号的恢复与重构2.4 信号的整量化2.5计算机控制系统简化结构2.1 控制系统中信号分类•从时间上区分：➢连续时间信号__在任何时刻都可取值的信号；➢离散时间信号__仅在离散断续时刻出现的信号。
•从幅值上区分：➢模拟信号__信号幅值可取任意值的信号。
➢离散信号__信号幅值具有最小分层单位的模拟量。
➢数字信号__信号幅值用一定位数的二进制编码形式表示的信号。
广义被控对象D ／A变换器计算机A ／D变换器传感器图2-1 计算机控制系统结构图表2-1 控制系统中信号形式分类时间连续离散幅值连续离散数字二进制2.1.1 A/D 变换1. 采样–采样/保持器(S/H)对连续的模拟输入信号，按一定的时间隔T （称为采样周期）进行采样，变成时间离散（断续）、幅值等于采样时刻输入信号值的序列信号。
2. 量化–将采样时刻的信号幅值按最小量化单位取整的过程。
3. 编码–将整量化的分层信号变换为二进制数码形式，用数字量表示。
图2-2 A/D变换器框图图2-3 各点信号形式的变化2.1.2 D/A 变换1. 解码器–将数字量转换为幅值等于该数字量的模拟脉冲信号。
2. 信号恢复器–将解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化的信号。
图2-4 D/A的信号变换框图2.1.3计算机控制系统中信号的分类•其中各点的信号类型如表2-1所示。
•将时间及幅值均连续的信号称为连续信号或模拟信号，如点A 、H ；•将时间上离散，幅值上是二进制编码的信号称为数字信号，如点F 、D 、E 。
•将时间断续幅值连续的信号称为采样信号。
图2-6计算机控制系统中信号变换计算机控制系统信号分析的结论•A/D和D/A变换中，最重要的是采样、量化和保持(或信号恢复)3个变换过程。
计算机控制系统高金源版课后标准答案
第1章习题B 习题B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。
B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。
B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。
由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。
为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。
题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。
水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h。
用水量Q1 为系统干扰。
当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持水箱水位为指令水位。
试把该系统改造为计算机控制系统。
画出原理示意图及系统结构图。
题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。
将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。
题图B1-5机械手控制系统示意图B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图。
题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图B1-7车床进给伺服系统示意图如题图B1-7所示。
电动机通过齿轮减速机构带动丝杠转动，进而使工作台面实现直线运动。
该系统为了改善系统性能，利用测速电机实现测速反馈。
试将该系统改造为计算机控制系统，画出系统示意图。
计算机控制系统高金源第1章
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7. 计算机控制系统应用概况
---各种空间飞行器的控制；
---现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现 分散控制和集中监视系统。
26
1.2 课程内容 1.设计方法
计算机控制系统是一种混合信号系统
A A’ A/D CPU D/A 被控对象
图（a）
CPU
图（b）
B A/D 被控对象 D/A B’
从图（a）中AA’来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以 看成是连续系统； 从图（b）中BB’来看又可将其看成离散信号系统，因此 在实际工程设计时亦有两种方法。 27
正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。 软件编程值得注意。
28
Hale Waihona Puke 2.课程内容 -----采样理论、模型、分析、设计（与经典控制类似）
微分方程——差分方程； S传递函数——Z传递函数； 稳定性、控制特性分析； 控制器设计； 状态空间方程——离散状态空间方程； 可控可观性； CCS系统实现问题。
计算机发展水平：计算机系统速度慢、价格贵，也不可靠 计算机的作用：显示、报警 局限性：计算机的潜能没有得到充分发挥，需要常规的模拟 控制设备
监督操作方式：操作指导式且设定值控制
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■ 直接数字控制期（DDC）—约1962年
代表产品：1962年，英国的帝国化学工业公司（ICI）制造的装置，过 程控制中的全部模拟仪表由一台计算机来代替。计算机直接测量224个 变量和控制129个阀门
3
1.1 概述 计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装 置的作用。
G D/A + 功率放大 M
控制 计算机
(包括 硬件及 相应 软件) (内含
天线 定向 位置 指令)
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整理ppt
5
计算机控制系统 （Computer Control System,简称CCS）：
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。
4
1.1 概述 1.计算机控制系统的定义
计算机控制系统（Computer Control System,简称CCS）：
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。
计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型 的通用或专用计算机。
辅助部件主要指输入输出接口、检测装置、执行装置等
时系统必是一个在线系统。 整理ppt
9
3.计算机控制系统(CCS)组成
计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制 部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成 的系统只由硬件组成。
外部设备
主机
输入输出通道
生产过程装置
整理ppt
10
3.计算机控制系统(CCS)组成
硬件部分：
●被控对象；●测量装置；●执行机构；
被控对象，范围很广，包括各行各业的生产过程、机械 装置、交通工具、仪器仪表和家用电器等。
控制的目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种 要求，也可以是达到某种最优化目标。
整理ppt
6
2.计算机控制系统的典型结构 闭环控制系统典型结构
用数字计算机来 实现，即为计算
机控制系统
整理ppt
7
从本质来看，计算机控制系统的控制过程归结为：
整理ppt
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④分散式计算机控制系统（DCS）
生 产
操作中心
管
理
级
监控管理计算机
高速数据通道
控
制
管
控制
理
管理计算机
级
控制 管理计算机
高速数据通道
过
程
控
过程
制
控制单元
级
过程 控制单元
被 控 过程
----原则：“控制要分散， 管理要集中”
----特点：可靠性高、速 度快、结构灵活，易于扩 展、设计、开发、维护简 便
整理ppt
3
1.1 概述
计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装 置的作用。
G
D/A
控制
计算机
(包括 硬件及
相应 软件) (内含
天线 定向 位置
指令)
A/D 俯仰角控制通道
D/A
M + 功率放大
_ 反馈电位计
G
M + 功率整理ppt
图1-2 雷达天线指向位 置跟踪系统原理结构图
CH1 绪论
主要内容 ▪ 1.1 概述
计算机控制系统的定义、组成、典型结构 应用分类及特点 发展概况
▪ 1.2 课程内容介绍
整理ppt
1
1.1 概述
实例 典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统
G
天
M
线
定
校正网络
+ 功率放大
向
位
俯仰角控制通道
_
置
指
反馈电位计
令
生
成
G
装
置
校正网络
M + 功率放大
方位控制通道 _
★实时控制－－指受控对象或受控过程，每当请求处理或 请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统。
常用在生产过程是间断进行的场合，如炼钢，每炼一个 炉钢是一个过程，每个过程都重复进行，只有进入过程才 要求计算机进行控制。计算机一旦进行控制，就要求对来 自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制。
综上，一个在线系统并不一定是一个实时系统，一个实
制时机，控制就失去了意义。
整理ppt
8
所需时间将依具体系统特性确定。
补充术语：
★离线控制－－计算机没有直接参与控制对象，只是对其 状态检测，并处理检测数据，而后制定出控制方案，输出控 制指示，操作人员参考控制指示，手动操作使控制部件进行 控制 ★在线控制－－计算机对受控对象或受控生产过程，能够 行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在 线控制或称联机控制系统
这种系统中计算机直接参与生产过程的控制，所以要求实时性好、
可靠性高和环境适应性强，这是整我理们ppt研究的主要对象。
14
③计算机监督控制系统（SCC）
SCC系统是2级计算机控制，它是操作指导控制系统和DDC系统 的综合与发展。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制；监督计 算机则根据生产过程工况和已知的数学模型，进行优化分析，产生最 优设定值，作为直接数字控制的指令信号。
实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时
值进行检测和输入；
实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制
行为的决策，生成控制指令；
实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象
输出控制信号。
“实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过
程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控
缺点：要由人工进行操作，操作速度受到了人为的限制，并且不能同时控
制多个回路。
该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理
及试验新的数学模型，调试新的控整制理程ppt序等。
13
②直接数字控制系统DDC
这是一个闭环系统。
巡回检测一个或多个被控参数进行，与设定值进行比较，再进行
控制运算，输出到执行机构。
●计算机系统（主机和输入输出通道）；
●外部设备。
整理ppt
11
3.计算机控制系统(CCS)组成
软件部分：
系统软件： 操作系统、诊断系统、开发系统等。
应用软件：
●过程监视程序：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、
过程分析等；
●过程控制程序:控制算法、事故处理和信息管理（信息生成调度、文件管
整反理馈p电pt位计
2
图1-1雷达天线指向位置跟踪系统
1.1 概述
▪ 精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定 向。
▪ 天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立 控制系统。
▪ 系统除了采用速度反馈外，控制器还采用了滞 后-超前等串联校正网络，该校正网络利用常 规的有源模拟运算放大器实现。
▪ 为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的 校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用 模拟式部件实现将是很困难的。
理及输出、打印、显示等）；
●公共服务程序:基本运算、函数运整算理、ppt数码转换、格式编码等
12
4.计算机控制系统应用分类
根据应用特点及控制目的和系统构成的不同，计算机控制 系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类： ①操作指导控制系统（数据采集处理系统）
●生产过程集中监视 ●操作指导
优点：结构简单，控制灵活和安全可靠。