第1章 計算機(jī)控制系統(tǒng) 緒論

計算機(jī)控制系統(tǒng)（技術(shù)）

ComputerControlSystem2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)2課程總目標(biāo)學(xué)完本課程后，你應(yīng)具有以下能力：*了解計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成原則*了解計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖*了解計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的方法*熟悉控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計方法*應(yīng)用計算機(jī)控制技術(shù)解決一些實際應(yīng)用問題2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)3課程安排1、教學(xué)學(xué)時40學(xué)時其中：理論教學(xué)30學(xué)時實驗8學(xué)時

考試2學(xué)時2、課程設(shè)計1周

2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)4參考書目1.《微型計算機(jī)控制技術(shù)》黃勤等編著機(jī)械工業(yè)出版社2011年2.

《微型計算機(jī)控制技術(shù)（第二版）》

于海生等編著清華大學(xué)出版社2009年3.

《計算機(jī)控制系統(tǒng)》

吳堅等編著武漢理工大學(xué)出版社20012023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)5第一章計算機(jī)控制系統(tǒng)概論一、計算機(jī)控制系統(tǒng)分類二、計算機(jī)控制系統(tǒng)原理和組成三、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo)四、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望

本章主要內(nèi)容

作業(yè)2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)6一、計算機(jī)控制系統(tǒng)分類1.典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)2.計算機(jī)控制系統(tǒng)分類3.計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)71.典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計算機(jī)（通常稱為工業(yè)控制計算機(jī)，簡稱工控機(jī)），來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)實例

2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)8例1.啤酒罐計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)啤酒罐溫度控制系統(tǒng)是多點溫度控制系統(tǒng)各點溫度由測量電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，由多路開關(guān)、采樣保持器巡回檢測，各點溫度經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量送到計算機(jī)與給定值進(jìn)行比較后，按照一定的規(guī)律（PID）運算，輸出控制量；各控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、保持器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別控制啤酒罐相應(yīng)各點的溫度。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)9在線檢測銅液中溫度和氧含量的冶煉生產(chǎn)線系統(tǒng)功能是將傳感器檢測的溫度電勢和氧電勢信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息送入計算機(jī)，計算機(jī)按照特定的數(shù)學(xué)模型處理后，直接給出連續(xù)檢測的銅液溫度和氧含量。例2.計算機(jī)檢測系統(tǒng)(1)2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)10例2.計算機(jī)檢測系統(tǒng)(2)

由于該系統(tǒng)的信號采集與處理都是在計算機(jī)完成的，不需要專用的二次儀表。系統(tǒng)響應(yīng)快，實時性好、可靠性高，且直觀和穩(wěn)定，為在線控制銅液中的氧含量提供了手段。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)112.計算機(jī)控制系統(tǒng)分類（1）按控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點分類（2）按控制規(guī)律分類2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)12（1）按控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點分類 ①操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) ②直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC ③監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC ④集散控制系統(tǒng)DCS ⑤現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS ⑥計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)13①操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）（1）屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，是最早和最簡單的計算機(jī)控制系統(tǒng)。計算機(jī)的輸出與生產(chǎn)過程的控制單元不直接發(fā)生聯(lián)系，控制動作實際上由操作人員接受計算機(jī)指示去完成。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)14①操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（2）

計算機(jī)根據(jù)一定的控制算法，依據(jù)過程輸入通道輸入的由測量元件測得的信號數(shù)據(jù)，計算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。操作人員根據(jù)計算機(jī)的輸出信息，如CRT顯示圖形或數(shù)據(jù)、打印機(jī)輸出等去改變調(diào)節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)15①操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（3）優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活、安全。缺點：人工操作，速度受到限制，不能同時控制多個對象。適用領(lǐng)域：數(shù)據(jù)檢測處理、試驗新的數(shù)學(xué)模型、調(diào)試新的控制程序。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)16②直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC（1）

計算機(jī)通過測量元件對一個或多個物理量進(jìn)行巡回檢測，經(jīng)過程輸入通道輸入計算機(jī)。計算機(jī)根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律和給定值進(jìn)行運算，然后發(fā)出控制信號通過過程輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各個被控量達(dá)到規(guī)定要求。直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl——DDC)2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)17②直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC（2）

計算機(jī)完全取代模擬調(diào)節(jié)器參加閉環(huán)控制過程，通過改變程序有效地實現(xiàn)較復(fù)雜的控制規(guī)律，如前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等。計算機(jī)直接與生產(chǎn)過程相連并承擔(dān)控制任務(wù)，故要求DDC計算機(jī)可靠性高，實時性好，抗干擾能力強，能獨立工作。微型機(jī)、工控機(jī)2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)18③計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC（1）

在SCC中，由計算機(jī)按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其他方法，計算出最佳給定值送給模擬調(diào)節(jié)器或DDC，最后由DDC或模擬調(diào)節(jié)器控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryComputerControl——SCC)2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)19③計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC（2）

由計算機(jī)系統(tǒng)對各物理量巡回檢測，并按一定的數(shù)學(xué)模型，計算出最佳給定值并送給模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值比較后，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計算，然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的。*SCC＋模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)20③計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC（3）

是一個兩級計算機(jī)控制系統(tǒng)，監(jiān)控級SCC完成最優(yōu)化分析和計算，給出最佳給定值，送給DDC直接控制生產(chǎn)過程。兩級計算機(jī)之間通過接口進(jìn)行信息交流，當(dāng)DDC或SCC級計算機(jī)出現(xiàn)故障，可由另一級計算機(jī)完成控制功能。系統(tǒng)可靠性更高。*SCC＋DDC計算機(jī)高檔微型機(jī)、小型機(jī)2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)21④集散控制系統(tǒng)DCS（1）集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem——DCS)

又稱為分布式控制系統(tǒng)，由若干臺微處理器或微機(jī)分別承擔(dān)部分任務(wù)，并通過高速數(shù)據(jù)通道把各個分散點的信息集中起來，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，實現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)22④集散控制系統(tǒng)DCS（2）

有多臺計算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，將危險分散，既能進(jìn)行控制又能實現(xiàn)管理；使用靈活，可靠性提高；系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，易于擴(kuò)展；采用CRT顯示技術(shù)，智能操作平臺，操作、監(jiān)視方便。多臺微機(jī)或微處理器2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)23⑤現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（1）20世紀(jì)80年代DCS在工業(yè)過程控制得到了廣泛的應(yīng)用，但由于它的“操作站—控制站—現(xiàn)場儀表”的結(jié)構(gòu)模式，各廠家生產(chǎn)的DCS標(biāo)準(zhǔn)不同，不能互聯(lián)，系統(tǒng)成本高。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem—FCS）采用了兩層結(jié)構(gòu)“工作站—現(xiàn)場總線智能儀表”，完成了DCS的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，而且在統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)下實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)24⑤現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（2）

現(xiàn)場總線既是一個開放的通訊網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)。

它以現(xiàn)場總線為紐帶，把掛接在總線上相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能。應(yīng)用領(lǐng)域包括過程自動化、制造業(yè)自動化、樓宇自動化等等。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)25⑥計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS（1）

計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem－CIMS）是在信息技術(shù)、自動化技術(shù)與制造的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)技術(shù)把分散在產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中各種孤立的自動化子系統(tǒng)有機(jī)地集成起來，形成適用于多品種、小批量生產(chǎn)、實現(xiàn)整體效益的集成化智能化制造系統(tǒng)。

CIMS通過分布式數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信和自動化系統(tǒng)的環(huán)境支持下將產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造及信息管理各個功能模塊集成在一起。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)26⑥計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS（2）CIMS包括管理信息系統(tǒng)、設(shè)計自動化分系統(tǒng)、制造自動化分系統(tǒng)、質(zhì)量保證分系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)。*管理信息分系統(tǒng)——具有預(yù)測、經(jīng)營決策、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備、銷售、供應(yīng)、財務(wù)、成本、設(shè)備、工具和人力資源等管理信息功能，通過信息集成，達(dá)到縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低流動資金占用、提高企業(yè)應(yīng)變能力的目的。*設(shè)計自動化分系統(tǒng)——用計算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、制造準(zhǔn)備及產(chǎn)品性能測試等工作，即CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)，目的是使產(chǎn)品開發(fā)活動更高效、更優(yōu)質(zhì)地進(jìn)行。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)27⑥計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS（3）*制造自動化分系統(tǒng)——是CIMS中信息流和物流的結(jié)合點。對于離散型制造業(yè)可以由數(shù)控機(jī)床、加工中心、清洗機(jī)、測量機(jī)、運輸小車、立體倉庫、多級分布式控制（管理）計算機(jī)等設(shè)備及相應(yīng)的支持軟件組成。對于連續(xù)型生產(chǎn)過程，可以由DCS控制下的制造裝備組成，通過管理與控制，達(dá)到提高生產(chǎn)率、優(yōu)化生產(chǎn)過程、降低成本和能耗的目的。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)28⑥計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS（4）*質(zhì)量保證分系統(tǒng)——包括質(zhì)量決策、質(zhì)量檢測與數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量評價、控制與跟蹤等功能。該系統(tǒng)保證從產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測到后勤服務(wù)的整個過程的質(zhì)量，以實現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量、低成本，提高企業(yè)競爭力。*計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)——采用國際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)異種機(jī)互聯(lián)、異構(gòu)局域網(wǎng)絡(luò)及多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。*數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)——是邏輯上統(tǒng)一、物理上分布的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)共享和信息集成。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)29（2）按控制規(guī)律分類（1）程序和順序控制（2）PID控制（3）最少拍控制（4）復(fù)雜規(guī)律的控制（5）智能控制2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)30（1）程序和順序控制

在程序控制中，被控制量按照預(yù)先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)。

比如：單晶爐的溫度控制。

順序控制可以看做是程序控制的擴(kuò)展，在各個時期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)31（2）PID控制

調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。

PID控制是目前應(yīng)用最廣、最普遍的技術(shù)，PID控制結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)容易調(diào)整。目前，無論模擬調(diào)節(jié)器或數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)仍使用PID控制規(guī)律。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)32（3）最少拍控制

最少拍控制的性能指標(biāo)是要求設(shè)計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調(diào)節(jié)過程。最少拍控制通常應(yīng)用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設(shè)計中。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)33（4）復(fù)雜規(guī)律的控制

對于存在隨機(jī)擾動、純滯后對象和多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達(dá)到滿意的性能指標(biāo)的，因此，針對生產(chǎn)過程的實際，可以引進(jìn)各種復(fù)雜規(guī)律的控制。如串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制等。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)34（5）智能控制

智能控制理論是一種把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科。智能控制理論是人工智能、運籌學(xué)和控制理論的交叉和匯合。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)353.計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點（1）計算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。（2）計算機(jī)控制系統(tǒng)中控制規(guī)律由程序?qū)崿F(xiàn)，修改方便，不需要改變硬件電路。（3）計算機(jī)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能，可以實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。（4）計算機(jī)控制系統(tǒng)是離散控制的。（5）計算機(jī)控制系統(tǒng)由于計算機(jī)的高速運算處理能力，一個數(shù)字控制器可以采用分時控制的方式，同時控制多個回路。（6）采用計算機(jī)控制，便于實現(xiàn)控制與管理一體化。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)36二、計算機(jī)控制系統(tǒng)原理和組成1、計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理2、計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成3、計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)371、計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理（1）工作原理：實時數(shù)據(jù)采集—

實時檢測和輸入來自被控量的瞬時值。實時控制決策

—對采集的被控量進(jìn)行實時分析和處理，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律決策將要采取的控制量。實時控制輸出

—根據(jù)作出的控制決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，在線實時完成控制任務(wù)。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)381、計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理（2）工作方式：在線方式

—計算機(jī)與生產(chǎn)過程直接相連且直接控制生產(chǎn)過程；離線方式

—計算機(jī)不與生產(chǎn)過程相連，不直接控制生產(chǎn)過程；實時性

—與具體生產(chǎn)過程密切相關(guān)，信號的輸入、處理和輸出都必須在一定的時間范圍內(nèi)完成。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)392、計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成（1）

計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成，主要由控制對象（或生產(chǎn)過程）、執(zhí)行器、測量變送環(huán)節(jié)、輸入輸出通道和數(shù)字調(diào)節(jié)器等組成。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)402、計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成（2）*控制對象—

被控的生產(chǎn)裝置或設(shè)備。*執(zhí)行器—

根據(jù)調(diào)節(jié)器的控制信號，輸出一定的控制量，使生產(chǎn)過程滿足預(yù)定的要求。*測量變送環(huán)節(jié)—

由傳感器和測量線路組成，其功能是將被控量轉(zhuǎn)換成電信號。*輸入輸出通道—

為了實現(xiàn)計算機(jī)對生產(chǎn)過程的控制，必須在計算機(jī)和生產(chǎn)過程之間架設(shè)信息的傳遞和變換的連接橋梁。包括模擬量和數(shù)字量。*數(shù)字調(diào)節(jié)器—

就是計算機(jī)，控制規(guī)律是通過計算機(jī)程序來實現(xiàn)的。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)413、計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成

計算機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件，軟件是指能夠完成各種功能的計算機(jī)控制系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。*系統(tǒng)軟件—

包括操作系統(tǒng)、編輯軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)軟件和診斷系統(tǒng)。*應(yīng)用軟件—

系統(tǒng)設(shè)計人員根據(jù)要解決的某一具體生產(chǎn)過程而編寫的各種控制和管理程序。如過程控制程序、人機(jī)接口程序、打印顯示程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序，巡回檢測和報警程序以及各種公共子程序。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)42三、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo)1、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2、控制系統(tǒng)的工業(yè)控制機(jī)特點2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)431、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)（1）

計算機(jī)控制系統(tǒng)本質(zhì)上還是自動控制系統(tǒng)，依然要遵循控制理論，其性能分析和要求與連續(xù)控制系統(tǒng)相似，同樣用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性來表征。*穩(wěn)定性——

是控制系統(tǒng)的最重要的要求之一，一個控制系統(tǒng)只有穩(wěn)定，才有可能工作，才談得上控制性能的優(yōu)劣。離散系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法分析計算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定裕量衡量計算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)441、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)（2）*能控性與能觀性是現(xiàn)代控制理論中兩個非常重要的概念，從控制系統(tǒng)狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的觀測能力兩方面揭示了控制系統(tǒng)的兩個基本問題。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)451、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)（3）*動態(tài)指標(biāo)直觀反映控制系統(tǒng)的動態(tài)過渡過程特性。在經(jīng)典控制理論的時域分析中用時域指標(biāo)來衡量控制系統(tǒng)性能的好壞，常用指標(biāo)有：延遲時間td、上升時間tr、峰值時間tp、調(diào)節(jié)時間ts和超調(diào)量σ％。在實際應(yīng)用中，常用的動態(tài)性能指標(biāo)為上升時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。用tr或tp評價系統(tǒng)的響應(yīng)速度；用σ％評價系統(tǒng)的阻尼程度；而ts是同時反映響應(yīng)速度和阻尼速度的綜合指標(biāo)。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)461、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)（5）*穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是反映控制系統(tǒng)控制精度和抗干擾能力的一種度量，常用穩(wěn)態(tài)誤差ess來表征。通常在階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)或加速度函數(shù)作用下進(jìn)行測定或計算，ess表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出量y∞與期望值y0之間的差值，希望ess越小越好。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)471、計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)（6）

積分型指標(biāo)是主要的綜合性指標(biāo)之一，主要以誤差e(t)對時間的不同積分來表征，有誤差平方的積分、時間乘誤差平方的積分、時間平方乘誤差平方的積分、誤差絕對值的積分以及加權(quán)二次型性能指標(biāo)等。在設(shè)計控制系統(tǒng)時，選擇不同的性能指標(biāo)，設(shè)計得到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)是有區(qū)別的。因此在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況和要求，正確選擇性能指標(biāo)，既要考慮能對系統(tǒng)的性能作出正確的評價，又要考慮到數(shù)學(xué)上便于處理及工程上容易實現(xiàn)，通常還需做一定的試探和比較。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)482、被控對象對控制性能的影響

假設(shè)被控對象的放大系數(shù)Km和擾動放大系數(shù)Kn、慣性時間常數(shù)Tm和Tn

、對象的純滯后時間常數(shù)τ和τn，而控制系統(tǒng)的性能采用超調(diào)量σ％、調(diào)節(jié)時間ts和穩(wěn)態(tài)誤差ess等來表征，根據(jù)控制理論可以得出如下結(jié)論：（1）放大系數(shù)對控制性能的影響（2）慣性時間常數(shù)對控制性能的影響（3）純滯后時間對控制性能的影響2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)49（1）放大系數(shù)對控制性能的影響

擾動放大系數(shù)Kn越小，穩(wěn)態(tài)誤差ess也越小，控制精度就越高，故希望Kn盡可能??；放大系數(shù)Km完全可以由數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp來補償，所以Km對系統(tǒng)的性能沒有影響。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)50（2）慣性時間常數(shù)對控制性能的影響

當(dāng)Tn加大或慣性環(huán)節(jié)的階次增加時，可以減少超調(diào)量σ％；而Tm越小，系統(tǒng)的反應(yīng)就越靈敏，控制也就越及時，控制性能就越好2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)51（3）純滯后時間對控制性能的影響

擾動通道的純滯后時間τn對控制系統(tǒng)的性能沒有影響，只是使輸出量yn(t)沿時間軸平移了τn

；而控制通道的純滯后時間τ使控制系統(tǒng)的超調(diào)量σ％增大，調(diào)節(jié)時間ts延長，純滯后時間τ越大，控制性能就越差。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)523、控制系統(tǒng)的工業(yè)控制機(jī)特點

計算機(jī)控制系統(tǒng)是計算機(jī)在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用，是計算機(jī)很重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。但它不同于一般的計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，對計算機(jī)有著特殊的要求?？刂葡到y(tǒng)的工業(yè)控制機(jī)（簡稱工控機(jī)）的特點：*高可靠性和可維護(hù)性*環(huán)境適應(yīng)性強*控制的實時性*完善的輸入輸出通道*豐富的軟件*適當(dāng)?shù)挠嬎憔群瓦\算速度2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)53四、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望1、現(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)概論2、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)3、計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件技術(shù)的新發(fā)展4、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)541、現(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)概論（1）*20世紀(jì)50年代，計算機(jī)開始用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制；*1954年，開始用計算機(jī)構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)；*1957年，石油蒸餾過程控制采用了計算機(jī)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；*1962年，在一個乙烯廠實現(xiàn)了直接數(shù)字控制系統(tǒng)；*1965—1969，計算機(jī)控制進(jìn)入使用普及的階段，出現(xiàn)小型機(jī)，可靠性提高，成本降低，但仍屬于集中性控制；2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)551、現(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)概論（2）*1970年以后，控制進(jìn)入大量推廣和分級控制階段。將計算機(jī)分散到生產(chǎn)裝置中去，實現(xiàn)小范圍的局部控制和某些特殊控制，這種控制方式稱為“分散性計算機(jī)控制系統(tǒng)”，即DCS。*1990年以后，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)過程和控制系統(tǒng)的進(jìn)一步復(fù)雜化，人們將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了控制系統(tǒng)的前置機(jī)以及前置和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸中。前置機(jī)完成自己的控制功能，但它與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)561、現(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)概論（3）*20世紀(jì)80年代后期，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設(shè)備數(shù)字化，人們開始尋求用一根統(tǒng)一電纜將現(xiàn)場設(shè)備連起來，這就產(chǎn)生了一種新的控制觀念——現(xiàn)場控制。其特點：（1）信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化；（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全分散化；（3）現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性，并可以統(tǒng)一組態(tài)；（4）通訊網(wǎng)絡(luò)為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，方便數(shù)據(jù)共享；（5）技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)全開放。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)572、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(1)

從模擬控制系統(tǒng)到計算機(jī)控制系統(tǒng)的長期發(fā)展中，形成了諸如PID控制、Smith控制和解耦控制等許多行之有效的傳統(tǒng)控制策略，并得到了廣泛的應(yīng)用。但這些控制策略要求：*被控對象是精確的、時不變的，線性的；*操作條件和運行環(huán)境是確定的，不變的。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)582、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(2)20世紀(jì)80年代以來，世界各國工業(yè)向著大型、連續(xù)、綜合化發(fā)展，所構(gòu)成的控制系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜：*對象結(jié)構(gòu)參數(shù)是時變的，有許多不確定因素，且是非線性、多變量、強耦合和高維數(shù)的，既有數(shù)字信息，又有多媒體信息，難以建立常規(guī)的數(shù)學(xué)模型并加以研究；*運行的環(huán)境改變和環(huán)境干擾的時變，再加上信息的模糊性、不完全性、偶然性和未知性等，使系統(tǒng)的環(huán)境復(fù)雜化；*控制任務(wù)不再限于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)或伺服問題，還包括了優(yōu)化、監(jiān)控、診斷、調(diào)度、規(guī)劃、決策等復(fù)雜任務(wù)。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)592、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(3)計算機(jī)控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用采樣系統(tǒng)理論：

*采樣定理

——因為所有的計算機(jī)控制系統(tǒng)都是根據(jù)過程變量在離散時刻的值來工作的，對于一個連續(xù)信號，以多大的速率對其采樣，所得到的離散值能夠反映出被采樣的連續(xù)信號的特性？*奈奎斯特(Nyquist)最早探討了其關(guān)鍵問題，證明了要想把正弦信號從它的采樣值復(fù)現(xiàn)出來，就必須對正弦信號每周期內(nèi)至少采樣兩次。*1949年香農(nóng)(Shannon)在香農(nóng)采樣定理中完全解決了這個問題，為理解離散時間系統(tǒng)所產(chǎn)生的某些現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)602、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(4)*差分方程

——采樣系統(tǒng)理論的最初起源與某些特殊控制系統(tǒng)的分析有關(guān)。奧爾登伯格及薩托里厄斯于1948年對落弓式檢流計的特性所作的研究，就是對采樣系統(tǒng)理論的最早貢獻(xiàn)之一。已經(jīng)被證明，用差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)理論中的微分方程，通過分析一個線性時不變的差分方程可以理解系統(tǒng)的許多特性。采樣數(shù)據(jù)分析理論與數(shù)值分析密切相關(guān)。積分可用數(shù)值求和來近似計算。許多優(yōu)化問題都能夠用差分方程來描述。普通微分方程就是通過差分方程來近似積分的。如，數(shù)值積分算法中的步長調(diào)整算法就可以視為一個采樣數(shù)據(jù)控制問題。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)612、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(5)現(xiàn)代控制策略：（1）自適應(yīng)控制

——針對對象特性的變化、漂移和環(huán)境干擾對系統(tǒng)的影響而提出來的，其基本思想是通過在線辨識使這種影響逐漸降低乃至消除。自適應(yīng)控制是一種逐漸修正、漸進(jìn)趨向期望性能的過程，適用于模型和干擾變化緩慢的情況，而不適用于環(huán)境干擾強的工業(yè)場合和比較復(fù)雜的生產(chǎn)過程。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)622、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(6)（2）變結(jié)構(gòu)控制——

是一類特殊的非線性控制，其“結(jié)構(gòu)”不是指系統(tǒng)本身的物理結(jié)構(gòu)，而是系統(tǒng)在狀態(tài)空間中的狀態(tài)軌跡的總體幾何性質(zhì)，與其他控制策略的區(qū)別在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)，以躍變的方式有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按預(yù)定的“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。優(yōu)點在于它具有快速響應(yīng)、對參數(shù)及外擾變化不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識，物理實現(xiàn)簡單。但設(shè)計比較復(fù)雜，且在狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模平面后，難以嚴(yán)格沿著滑模面向平衡點滑動，而且在滑模面兩側(cè)來回穿越，產(chǎn)生顫動，這些限制了它的應(yīng)用。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)632、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(7)（3）魯棒控制

——指系統(tǒng)的某個性能或某個指標(biāo)在某種擾動下保持不變的程度（或?qū)_動不敏感的程度）。其基本思想在設(shè)計中設(shè)法使系統(tǒng)對模型的變化不敏感，使控制系統(tǒng)在模型誤差擾動下仍能保持穩(wěn)定，品質(zhì)也能在工程所能接受的范圍內(nèi)。魯棒控制主要有代數(shù)方法和頻域方法，前者的研究對象是系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣或特征多項式，討論多項式族或矩陣族的魯棒控制；后者是從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)，通過使系統(tǒng)由擾動至偏差的傳遞函數(shù)矩陣H∞的范數(shù)取極小，來設(shè)計出相應(yīng)的控制規(guī)律。應(yīng)用主要集中在飛行器、柔性結(jié)構(gòu)、機(jī)器人，較少應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域中，主要原因在于確乏良好的設(shè)計方法。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)642、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(8)（4）預(yù)測控制——

是一種基于模型又不過分依賴模型的控制策略。其基本思想類似于人的思維和決策，即根據(jù)頭腦中對外部世界的了解，通過快速思維不斷比較各種方案可能造成的后果，從中擇優(yōu)予以實施。預(yù)測控制的各種算法是建立在模型預(yù)測——滾動優(yōu)化——反饋校正等三條基本原理上的，其核心是在線滾動優(yōu)化。這種“邊走邊看”的滾動優(yōu)化控制策略可以隨時顧及模型失配、時變、非線性或其他干擾因素等不確定性，及時進(jìn)行彌補，減少偏差，以獲得較高的綜合控制策略。預(yù)測控制集建模、優(yōu)化和反饋于一體，三者滾動進(jìn)行，其深刻的控制思想和優(yōu)良的控制效果，一直為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目，國外已有商品化的預(yù)測控制軟件包。缺點是在建模中未充分利用過程的知識，且計算耗時、工作量大。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)652、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(9)智能控制策略：（1）模糊控制

——用語言歸納操作人員控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制不需要建立控制對象精確的模型，只要求將現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和非數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語言控制規(guī)則，因此它能繞過對象的不確定性、不精確性、噪音以及非線性、時變性、時滯等影響。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)662、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(10)（2）專家控制——

可以看成是對一個“控制專家”在解決控制問題或進(jìn)行控制操作時的思路、方法、經(jīng)驗、策略的模擬。專家控制器有三個基本模塊：*用于觀察、檢測系統(tǒng)中的有關(guān)變量和狀態(tài)的信息處理特征提取模塊；*運用專家知識和經(jīng)驗判斷當(dāng)前系統(tǒng)運行情況并分析比較各種可以采用的控制策略模塊；*存放專家控制經(jīng)驗和知識的控制規(guī)則集模塊。專家控制對許多工業(yè)過程的應(yīng)用頗為有效，但理論相對并不完善，沒有形成有普遍意義的理論體系和設(shè)計方法。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)672、新型控制策略與計算機(jī)控制系統(tǒng)(11)（3）神經(jīng)控制

——是一種模擬腦神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和思維、判斷等腦功能的信息處理系統(tǒng)。目前在實際應(yīng)用上還有困難，但它是一種很有前途的方法。（4）遺傳算法

——模擬生物的進(jìn)化機(jī)制，基本思想就是達(dá)爾文的進(jìn)化論，將待求解的問題轉(zhuǎn)換成由個體組成的演化群體和對該群體進(jìn)行操作的一組遺傳算子，整個系統(tǒng)按照“物競天擇，適者生存”的原則，經(jīng)歷生成—評價—選擇—操作的演化過程反復(fù)進(jìn)行直至搜索到最優(yōu)解。由于實時性較差，實際工業(yè)應(yīng)用較少。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)683、計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件技術(shù)的新發(fā)展

計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件技術(shù)也吸取了計算機(jī)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新成果，將其應(yīng)用于工業(yè)過程和設(shè)備控制，從而支持控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。（1）分布對象計算是一種全新的分布式計算平臺模型，是傳統(tǒng)的純分布處理技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)以及客戶、服務(wù)器技術(shù)的集合，可以看作oo（ObjectOriented)技術(shù)向異構(gòu)分布計算平臺和客戶/服務(wù)器環(huán)境的擴(kuò)展和應(yīng)用。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)693、計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件技術(shù)的新發(fā)展（2）JAVA技術(shù)由于具有良好的跨平臺特性和網(wǎng)絡(luò)交互能力，在Internet和Intranet中獲得了廣泛的應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展以及結(jié)合信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，JAVA技術(shù)會越來越體現(xiàn)它的優(yōu)越性。（3）Web技術(shù)是Internet和Intranet的主流技術(shù)，Web和Browser/Server技術(shù)以成為一種標(biāo)志，一個用戶與網(wǎng)絡(luò)交互的窗口。已應(yīng)用控制領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)等。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)704、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)控制系統(tǒng)將成為一種能適應(yīng)各種生產(chǎn)環(huán)境和市場需求、總體最優(yōu)、高質(zhì)量、高效益、高柔性的工業(yè)過程計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。發(fā)展趨勢：集成化——CIMS的“集成”已經(jīng)由原先的企業(yè)內(nèi)部的信息集成和功能集成，發(fā)展到當(dāng)前的以并行工程為代表的過程集成，并正在向以敏捷制造為代表的企業(yè)間集成發(fā)展。智能化——

是制造系統(tǒng)在柔性化和集成化基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展和延伸，目前已廣泛開展對具有自律、分布、智能、仿生等特點的下一代制造系統(tǒng)的研究。2023/2/3計算機(jī)控制技術(shù)714、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

全球化——隨著“網(wǎng)絡(luò)全球化”、“市場全球化”、“競爭全球化”和“經(jīng)營全球化”的出現(xiàn)，許多企業(yè)都積極采用“敏捷制造”、“全球制造”和“網(wǎng)絡(luò)制造”的策略。虛擬化——

在數(shù)字化基礎(chǔ)上的虛擬技術(shù)的研究，包括虛擬現(xiàn)實（VR）、虛擬產(chǎn)品開發(fā)（VPD）、虛擬制造（VM）和虛擬企業(yè)（VE）等。標(biāo)準(zhǔn)化——

是信息集成、功能集成、過程集成和企業(yè)集