计算机控制系统-高金源

【实例简介】
计算机控制系统教材，自动控制原理学习可以参考，比较系统和工程
计算杋在实时控制领域获得了广泛的应用。在国民经济及国防等各个领域中采用计算机 控制是现代化的亘要标志。计算机控制学科将涉炇计算机控制的基木理论、分析、设计与工程 实现等众多方面的内容。 本书是依高等学校自动化专业本科及研究生的教学要求而编写的。力图使读者通过本书 的学习,除了掌握一定的计算机控制的基本理论和分析、设计方法外,对计算机控制系统的工 程实现技术以及近年来工业上获得广泛应用的一些新的计算机控制技术亦有所了解。仝书除 第1章外主要包括四大部分内容:①计算机控制的理论基础(包括计算机控制系统内的信号、 系统的描述与分析方法等),(第2章~第4章);②计算机控制系统的经典与现代设计方法 (包括连续域设计离散化方法、直接离散域设计以及W、δ域设计和状态空间的极点配置 LQR设计等),(第5章、第6章);③计算机控制系统工程实现技术(包括计算机控制系统的 硬什、软件、控制算法的编排、总线技术、采样周期的选用以及抗干扰与可靠性技术、设计步骤 与设计实例等),(第7章、第8章);④第10章~第12章重点介绍∫现代计算机控制的一些 新技术(包括可编程控制器技术、分布式讣算机控制技术、集散型计算机控制等)。考虑到许多 复杂的计算机控制系统是多采样速率系统,故专门用1章(第9章)概要地介绍∫多采样速率 系统的分析、设计与实现方面的问题。鉴于自动化专业的学生,在选修课中已对微机原理及接 口技术有了专门的学习,故木书对有关计算机硬件系统将不予专门的介绍。 学习本书的知识背景是:一般连续控制理论(或信号与系统)的基本知识以及微机原理和 微机接口的基本知识。 根据多年的教学经验,在学习木课程时应安排必要的简单计算机控制系统设计与实现的 实验内谷,或者后续课程安排专门的计算机控制系统的系列实验课,这对于巩固学习效果、对 于学生将来参加计算机控制系统开发的实际工作是很有益处的 考虑到本书要兼顾作为工学或工程硕士研究生的计算机控制课的教材,选用的内容多于 通常本科生教学大纲所规定的内容。教学时可以根据本科生及研究生不同的教学大纲及学时 要求,适当选用不同的章节。多余章节亦可作为学习的参考。 本书是本教学小组在总结近20年计算机控制教学经验以及参阅了近年来国内外有关院 校的教材,并结合我们的科硏实践经验编写的。全书由高金涼教授统编并负责编写第1章和 第9章;王醒华教授负责编写第2章~第5章;张平副教授负责编写第6章及5.5节;夏洁副 教授负责编写第7章、第8章、第10章~第12章。 全书承陈忠信研究员进行了详细的审阅,并提出了许多宝贵意见,在此表示衷心的感谢 本书的岀版受到了北航教材科领导的大力攴持与帮助。责任编辑张光斌先生为本书的凸 版做∫大量细致工作。在此对他们的关心与支持表示衷心的谢意 由于编者的知识与经验不足,时间有限,不妥之处在所难免,期望得到读者及同学们的批 评指止 编者 2000年5月 录 第1章绪论 1.1计算机控制系统的组成 12计算机控制系统典型应用分关 ·:· 13关于计算机控制系统的理论与设计问题 第2章讣算机控制系统的信号 21计算机控制系统中信号的种类 22埋想采样过程的数学描述及特性分析 ···鲁· 13 23实际采样过程的数学描述及特性分析… 24 24采样定理及其讨论… ··· 27 25信号的恢复与重构… 29 26信号的整量化 习题 36 第3章计算机控制系统的数学描述 31z变换 38 32扩展Z变换 48 差分方程 34脉冲传递函数 · 55 小题 第4章计算机控制系统分析 4.1稳定性分析 67 42稳态误差分析 77 43时域响应特性分析… 82 44系统的频域分析… 87 习题 91 第5章计算机控制系统的绎典设计方法 51连续域一离散化设计 94 52数字PID控制器设计 112 53Z平面根轨迹设计 119 54W变换及频率域设计 127 55δ变换及δ域设计 136 题 142 第6章计算机控制系统的状态空间设计 6.1状态空间描述 145 62离散系统的可控、可观性 ……153 63状态反馈控制律的极点配置设计 64状态观测器设计 165 65调节器设计(控制律与观测器的纽合)… l71 2·计算机控制系统——理论、设计与实现 66计算机控制系统最优二次型设计 …∴174 6.7最优状态估计器与二次型最优调节器 …184 68其他现代数字控制方法简介 186 鲁··、··鲁鲁 ………∴89 第7章计算机控制系统硬件与软件 7控制用计算机系统的一般要求 192 72计算机系统的输入输出接口… …………198 73实时计算机系统的总线技术 ………………………206 74计算机控制系统的实时软件设计 ……………217 习题 225 第8章计算机控制系统工程实现中的某些冋题 8』计算机控制系统中测试信号的处理 226 82控制算法的编排实现 230 83量化、溢出及其量化效应分析 .... …………………234 84采样频峯的选取 244 85计算机控制系统的抗千扰及可靠性抆术 248 86计算机控制系统的设计与实现 258 与题 268 第9章多采样速率系统 91多采样速率的配置 ………270 92多速率系统的等效变换 271 93多速率系统性能分析 281 94多速率系统的设计方法 285 95多速率系统的实现 ·鲁 287 习题 a:..··4· 294 第10章可编程控制器及应用 101概述 296 102可编程控制器的结构和工作原理 299 103可编程控制器常用编程语言 303 104常用可编程控制器及其选用 308 105应用举例… 习题 312 第11章分布式计算机控制系统 111概述 313 112分布式计算机控制系统控制方案 316 113分布式计算机控制系统的硬件组成 …320 14分布式计算机控制系统的通讯 322 329 第12章集散型计算机控制系统及其应用 12Ⅰ集散型计算机控制系统概述 …∴330 122软件模块的纠态原埋… ……335 123集散系统的可扩展性 ..4““4:.·. 338 124集散系统应用举例 鲁··、··鲁鲁 341 习题 345 附录拉普拉斯变换和Z变换表 参考文献 第1章绪论 数字计算机的出现和发展,在科学技术上引起了一场深刻的革命。数字计算机不仅在科 学计算、数据处理等方面获得了广泛的应用,而且在自动控制领域也得到了越来越广泛的应 用。数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控制,承担∫控制系统中控制器的任 务,从而形成了计算机控制系统。它的参与对控制系统的性能、系统的结构以及控制理论等多 方闻都产生了极为深刻的影响。木章简要介绍计算机控制系统的组成、工作原理以及它的特 点,并着重说明计算机参与控制后给控制埋论及控制系统设计所带来的新问题 l.1计算机控制系统的组成 1.1.1计算机控制系统的组成 图1-1为一个典型的雷达天线位置伺服控制系统。为了改善系统的特性,该系统采用了 滞后ˉ超前岀联校正网络,该校正网络是利用常规的有源模拟运算放大器实现的。如果系统的 恔正网络非常复杂,釆用这种模拟运算放大器的有源网终实现将是非常困难的。如果将系统 中对信号的这种变换和处理利用数字计算机来实现,那么就构成了常规的计算机控制系统。 M 校正网络 指令信号 电位计 反馈电位计 图 雷达天线位置伺服控制系统 这里计算机实现了原控制系统中控制器的作用。由于数字计算机工作的特点,为了使计算机 能接收系统的模拟信号,并输岀迕续的模拟信号给大线的拖动机构,所以,除∫要引入数字计 算机外,还要加入其他的外部设备,如AD、DA转换器,从而形成了如图|-2所示的计算 机控制系统的组成框图 从图1-2可见,计算机控制系统的组成与连续模拟控制系统组成类似,是由下述几部分 构成的 2·计算机控制系统——理论、设计与实现 M G AD计算机DA 指令信号1 A/D 电位计1计算机系统 反馈电位计 图1-2天线位置计算机控制系统 1.被控对象:本例为雷达天线 2.执行机构:木例为直流电机叫路 3.测量装置:本例为测量电位计; 4.指令给定装置∴木例为天线指令发生器(指令信号电位计); 5.计算机系统:包括下述主要部件。 ΔD变换器,将直流模拟信号转换为断续的数字二进制信号,送入计算机 DA变换器,将计算机产生的数宇指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给 直流电机的放大部件 数字计算机(包括硬件及柑应软件),实现信号的变换处埋,按给定的算法产生相应的 挖制指令。 如同连续控制系统一样,讣算机控制系统亦可分为闭环控制、开环控制以及复合控制等不 同的控制类型 计算机控制系统主要特点和优点 相对连续控制系统而言,计算机控制系统的主要特点可以归纳为以下几点 系统结构特点计算机控制系统必须包括有计算机,它是一个数字式离散处理器; 此外,由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,因此,还必须加入信号 变换装置(如ΔD炇DA变换器)。所以,计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系 统。若系统中各部件全为数字部件,则称为全数字式控制系统。本书主要研究混合系统。 信号形式上的特点迕续系统中各氐信号均为连续模拟信号,而计算机控制系统有 多种信号形式。由于计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔(称为采样周期)对连续信号 进行采样,将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机。所以,它除有连续模拟信号外,还 冇离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式,是一种混合信号形式系统(详细分析见第2章) 系统工作方式上的特点在迕续控制系统中,控制器通常都是由不同的电路构成,并 且一台控制器仅为一个控制回路服务。在计算机控制系统中,一台计算机可冋时控制多个被 控量或被控对象,即可为多个控制回路服务。每个控制回路的控制方式由软件来形成。同一 台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制。 尽管由常规仪表组成的连续控制系统巳获得了广泛的应用,并具有可靠、易维护操作等优 点,但随着生产的发展、技术的进步,对自动化的要求越来越晑,这种常规连续控制系统的应用 受到了极大的限制。例如,难于实现多变量复杂的控制,难于实现自适应控制等等。与连续控 第1章绪论·3 制系统相比,计算机控制系统除∫能完成常规连续控制系统的功能外,还表珝」如下一些独特 的优点。 由丁计算机的运算速度快、精度高、县冇极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能 力,因此,能实现复狝的控制规律,如最优控制、自适应控制及自学习等,从而可达到较高的控 制质量。 计算机控制系统的功能价格比值高。尽管一台计算机最初投资较大,但增加一个控 制回路的费用却很少。对亍连续系统,模拟硬件的成木几乎和控制规律复杂程度、控制回路多 少成正比;而计算机控制系统中的一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控 制回路,因此,它的功能价格比值较高。 由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实现的,并且计算机其有强大的记忆 和判断功能,所以,极易实蚬工作状态的转换,实现不同的控制功能,因此,它的适应性强,灵活 性高。此外,计算机是一种可编程的智能元件,易丁修改系统功能和特性,构成∫一种柔性(弹 性)系统。 随着徵电子技术的发展,大规模集成电路的出现,计算机体积减小,重量轻、成木 下降。 与连续控制系统相比,计算机控制系统也有一些缺氐与不足。例如,抗干扰能力较低,特 别是由于系统中插入数字部件,信号复杂,给设计实现带来一定困难。但全面比较起来,随着 对自动控制系统功能要求的不断提高,计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。现代的 控制系统不管是筲单的,还是复杂的,几乎都是采用计算机进行控制的。 12计算机控制系统典型应用分类 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。 21数据采集处理系统 数据采集处理系统结构如图Ⅰˉ3所示。严格说,这种系统不属于计算机控制,计算机并 不直接参与控制。这种系统的主要作用是 信号测试模拟量输入 显示 被控对象 计 算打印 机 数字量输入 告警 图1-3数据采集处理系统结构 生产过程的集中监视计算机对生产过程(被监视对象)的不同变量参数进行巡回检 测,并将采集到的数据以一定格式在监视器上显示或通过打印机打印出来,实现对生产过程的 4·计算机控制系统——理论、设计与实现 集中监视 操作指导计算机对采集到的数据进行分析处理,并给出对生产过程控制的建议,由 过程的操纵者依给定的建议实现对过程的控制 122直接数字控制系统(DDC系统) 直接数字控制系统结构如图Ⅰ-4所示。计算杋通过输入通道进行实时数捃采集,并按已 给定的控制规律进行实吋决策,产生控制指令,通过输岀通道,对生产过程(被控对象)实直 接控制。这种控制方式是应用最普遍的一种方式。由于这种系统中的计算机直接参与生产过 桯的控制,所以,要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。本书主要硏究这种系统的设计与 实现问题。 信号测试}模拟、数字量输入 显示 被控对象 打印 机 执行部件模拟、数字量输出 操纵台 图1-4直接数字控制系统结构 123监督计算机控制系统(SCC系统) 监督计算杋控制系统结构如图1-5所示。该系统是2级计算柷控制。其中直接数字控 制完成生产过程的直接控制;而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,由直接数字控制系统执行。监督计算 机由亍承担上一级控制与管理任务,要求其数据处理功能强,存储容量大等 控制DDd SCC 工业数据 被控对象 测量 计算机系统 计算机系统 品示 打印 状态信息 记录 图1-5监督计算机控制系统结构 124分散型计算机控制系统(DCS) 随着工业生产过程规模的扩大和综合管理与控制要求的提高,人们开始应用以多台计算 机为基础的分散型控制系统,如图1-6所示。该系统采用分散控制原理、集中操作、分级管理 与控制和综合协调的设计原则,把系统从上而下分成生产管理级、控制管理级和过程控制级 等,形成分布式控制。各级之间通过数据传输总线及网终相互连接起来。系统中的过程控制 级完成过程的检测任务。控制管理级通过协调过程控制器工作,实现生产过程的动态优化。 【实例截图】
【核心代码】