《_计算机控制技术》教案[2]

1 《 计算机控制技术》教案 一 教学目的和基本要求

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制是为适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。本课程的目的是简明、系统地向学生介绍关于工业计算机控制系统的设计和实现的基本原理与技术，以提高本专业学生应用计算机的能力，为今后从事计算机控制系统的研究和开发工作打下一个良好的基础。 基本要求： 1 掌握工业计算机控制系统的基本组成原理及特点，了解计算机控制系统的发展概况及趋势； 2 熟悉计算机控制系统的性能指标； 3 数字程序控制：熟练掌握逐点比较法插补原理和步进电机的控制技术； 4 熟练掌握数字PID控制器的设计及其参数的整定； 5 熟练掌握最少拍无纹波控制器的设计； 6 现代控制技术：掌握采用状态空间的输出反馈设计法和极点配臵设计法； 7 掌握常用的几种复杂控制的原理：纯滞后控制，串级控制，前馈-反馈控制和解耦控制； 8 掌握模糊控制的基本概念和模糊控制器的设计方法； 9 了解分散型测控网络的简单技术； 10 熟练掌握计算机控制系统中测量数据的预处理技术； 11 掌握计算机系统中的抗干扰技术。 二 内容提要 本课程从工程技术的观点介绍工业计算机控制系统的组成原理和系统的设计与实现技术。 主要内容如下： 1 绪论 主要介绍计算机控制系统的组成原理，特点，指标要求，发展概况和趋势。 2 数字程序控制 重点介绍逐点比较插补法原理和步进电机的控制技术。 3 常规控制技术 1）数字控制器的连续化设计：重点介绍目前应用广泛的数字PID控制器的工程实现和参数的整定： 2）离散化设计技术 重点介绍最少拍无纹波控制器的设计。 4 模糊控制技术 1）模糊控制技术的数学基础：主要包括模糊集合及其运算，模糊关系，模糊逻辑和模糊推理。 2）模糊控制原理：主要包括模糊化，知识库，模糊推理和清晰化。 3）模糊控制器的设计：包括模糊控制器的结构设计，模糊规则的选择和推理，模糊控制器论域及比例因字的确定，模糊控制器程序的编写。 2

5现代控制技术 主要介绍采用状态空间的输出反馈设计法，极点配臵设计法和最优化设计法。 6 复杂控制技术 简单介绍纯滞后补偿控制，串级控制，前馈-反馈控制和解耦控制。 7 应用程序设计与实现 包括程序设计技术，测量数据的预处理技术，数字控制器的工程实现和软件抗干扰技术。 8 分散型测控网络技术 简单介绍工业网技术，分散型控制系统和现场总线技术。 9 计算机控制系统设计与实现 以实例说明计算机控制系统的设计与实现全过程。 三 教案的主要内容 第1章 绪论 1. 概述 随着科学技术的进步,人们越来越多地用计算机来实现控制。近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的发展，使自动控制技术正向着深度和广度两个方向发展。在广度方面，国民经济的各个领域----从工业过程控制、农业生产和国防技术到家用电器已广泛使用计算机控制；控制对象也从单一对象的局部控制发展到对整个工厂、整个企业等大规模复杂对象的控制。在深度方面则向智能化发展，出现了自适应、自学习等智能控制方法。 本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制计算机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。 2 重点与难点 2.1 控制系统的几个重要概念 1. 自动控制一般是指应用控制器自动地、有目的地控制或操纵控制对象，使之能够达到所要求的性能。控制对象是被控制的机器、物体及其所处的外部环境等。控制器是为达到系统要求的性能所使用的控制装臵，它可采用电气、机械或液压等技术来完成控制操作。 2.控制系统由控制器和控制对象两大部分组成，控制器是控制系统中 最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。一个控制系统一般应满足以下两个基本要求： (1) 跟随输入 对一个控制系统通常都要求其输出量随输入量的变化而变化，输入量可能是常数或随时间变化的轨迹，对于前者通常把输入称为给定值或期望值，而后者常称为参考输入或期望输入。 (2) 系统输出尽量不受干扰的影响 3．开环和闭环控制系统 若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环控制系统中，既不需 3

要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。 凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。 2．2计算机控制系统 1．采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为 数字控制系统。若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。进一步，若将连续的控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统的理论基础 2．计算机控制系统的控制过程可以归结为一下三步： （1）实时数据采集：对来自测量变送装臵的被控量的瞬 时 值进行检测和输入。 （2）实时控制决策：对采集到的被控量进行数据分析和处理，并按已定的控制规律决定进一步的的控制过程。 （3）实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 3．“实时“的含义是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，以及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。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线系统不一定是一个实时系统，但是一个实时控制系统必定是一个在线系统。 2．3 计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。它们是：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC），DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计算机工业生产过程中最普遍的一种应用方式；监督控制系统；分散控制系统和现场总线控制系统。 2．4 计算机控制系统的性能及其指标 计算机控制系统的性能跟连续系统类似，可以用稳定性、能控性、能观性、稳态特性、动态特性来表征，相应地用稳态裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个系统的好坏和优劣。 第2章 数字程序控制技术 2．1概述 数字程序控制主要用于机床的控制，如用于铣床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等自动控制系统中。采用数字程序控制的机床叫做数控机床，数控机床具有能加工形状复杂的另件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等许多特点，它是实现机床自动化的一个重要发展方向。本章介绍数字程序控制基础、逐点比较法插补原理以及步进电机控制技术。 2．2 重点与难点 2．2．1 逐点比较法插补原理 逐点比较法插补就是刀具或画笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，从而决定下一步的进给方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，…。如此走一步看一看，比较一次，决定下一步的走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点逼近插补 4

2．2．2 步进电机控制技术 步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器。在开环数字控制系统中，输出控制部分常采用步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接受计算机发来的指令脉冲，控制步进电机做相应的转动，步进电机驱动数控系统的工作台或刀具。指令脉冲的总数决定了数控系统的工作台或刀具的总移动量，指令脉冲的频率就决定了移动的速度。因此指令脉冲能否被可靠地执行，基本上取决与步进电机的性能。

第3章 常规及复杂控制技术 3.1概述 计算机控制系统的设计,是指在给定系统性能指标的条件下,设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。本章主要介绍计算机控制系统的常规和复杂控制技术。常规控制技术介绍数字控制器的连续化设计技术和离散化设计技术；复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制等技术。对大多数统，采用常规控制技术均可达到满意的控制效果，但对于复杂及有特殊控制要求的系统，采用常规控制难以达到目的，在这种情况下，则需要采用复杂控制技术，甚至采用现代控制和智能控制技术。 3.2重点与难点 3．2．1数字PID控制器的设计 1．控制算法 PID控制是一种应用最广泛的控制规律，它是根据偏差的比例 （P）、积分（I）、微分（D）进行控制的。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。图3.1示出了PID控制的示意图。

其中D（Z）为PID控制器的Z传递函数，H（S）为保持器，G（S）为控制对象的传递函数。

（1） 数字（PID）的位臵型算法

u(k)=KP(e(k)+T/TI0ike(i)+TD/T(e(k)-e(k-1))) 其中 u(k)为控制器的输出，e(k)为偏差，KP为比例增益，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。由于上述算法提供了执行机构的位臵u(k)（如阀门的开度），所以被称为数字PID的位臵型控制算法。 （2） 数字PID增量控制算法 为了消除位臵型算法中的累加误差e(i)，减少存储单元，便于程序的编写，我们引入PID的增量型算法。值得注意的是增量型算法仅仅是计算方法上的改进，并没有改变位臵型算法的本质。在实现增量控制时必须采用具有保持历史位臵功能的执行机构，如步进电机等。增量算法为