編組站及車站控制技術(shù)第1-2章

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

電子教案（工程碩士）9/28/20231第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制理論、自動(dòng)化技術(shù)以及檢測(cè)與傳感技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。利用計(jì)算機(jī)快速?gòu)?qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷等信息加工能力，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用提供了有力的工具。9/28/20232

本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)、分類以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)。本章主要內(nèi)容：9/28/202331．1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。

自動(dòng)控制，是在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。圖1－1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)9/28/202341．2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。

硬件組成：主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括主機(jī)和外部設(shè)備）和過(guò)程輸入輸出通道、被控對(duì)象、執(zhí)行器、檢測(cè)變送環(huán)節(jié)等組成。

軟件組成：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，硬件和軟件不是獨(dú)立存在的，在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意兩者相互間的有機(jī)配合和協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。9/28/20235圖1－2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖9/28/20236計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模擬量，而計(jì)算機(jī)本身的輸入輸出量都是數(shù)字量。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都具有數(shù)字—模擬混合式的結(jié)構(gòu)。

9/28/20237模擬信號(hào)——時(shí)間上和幅值上都連續(xù)的信號(hào)。離散模擬信號(hào)——時(shí)間上離散幅值上連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)——時(shí)間上離散，幅值也離散的信號(hào)。采樣——將模擬信號(hào)抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。量化——采用一組數(shù)碼來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖1－3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)變換與傳遞

9/28/202381．3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式

1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

圖1－4數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。缺點(diǎn):要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。9/28/202392.直接數(shù)字控制系統(tǒng)

圖1－5直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏耆〈M調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID控制，而且只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。

9/28/2023103．監(jiān)督控制系統(tǒng)

圖1－6監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式

其作用是改變給定值，又稱設(shè)定值控制。它的任務(wù)著重在控制規(guī)律的修正與實(shí)現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。9/28/2023114.分散型控制系統(tǒng)

采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級(jí)分布式控制。圖1－7DCS結(jié)構(gòu)示意圖

9/28/2023125.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

圖1－8FCS控制層結(jié)構(gòu)模式為：“工作站一現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，完成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

9/28/2023131．4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能及其指標(biāo)

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

圖1－9過(guò)渡過(guò)程的4種情況（a）發(fā)散振蕩（b）衰減振蕩（c）等幅振蕩（d）非周期衰減9/28/2023142.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性

系統(tǒng)控制的主要目的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從某一狀態(tài)到達(dá)指定的狀態(tài)。如果系統(tǒng)不能控，就不可能通過(guò)選擇控制作用，使系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀態(tài)到達(dá)指定狀態(tài)。

能控性和能觀性從狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的測(cè)辨能力兩個(gè)方面揭示了控制系統(tǒng)的兩個(gè)基本問(wèn)題。

能控性用狀態(tài)反饋構(gòu)成控制規(guī)律，從它的測(cè)量輸出中獲得系統(tǒng)狀態(tài)的信息。如果輸出不反映狀態(tài)信息，這樣的系統(tǒng)被稱為是不能觀的。能觀性9/28/2023153.控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)圖1－10階躍信號(hào)作用下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀地反映控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間，峰值時(shí)間，衰減比和振蕩次數(shù)。9/28/202316

超調(diào)量

表示了系統(tǒng)過(guò)沖的程度。設(shè)輸出量的最大值為，輸出量的穩(wěn)態(tài)值為，則超調(diào)量定義為

超調(diào)量通常以百分?jǐn)?shù)表示，它反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的平穩(wěn)性。9/28/202317調(diào)整時(shí)間

調(diào)整時(shí)間反映了過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短，當(dāng)時(shí)，若，則定義為調(diào)整時(shí)間，式中是輸出量的穩(wěn)態(tài)值，取0.02或0.05。它反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的快慢，是系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。9/28/2023184.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)

穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是衡量控制系統(tǒng)精度的指標(biāo)，用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表征。穩(wěn)態(tài)誤差是輸出量的穩(wěn)態(tài)值與要求值的差值，定義為9/28/2023195.控制系統(tǒng)的綜合指標(biāo)綜合性能指標(biāo)通常有3種類型

1)積分型指標(biāo)

誤差平方的積分

這種性能指標(biāo)著重權(quán)衡大的誤差，而較少顧及小的誤差，但這種指標(biāo)數(shù)學(xué)上易于處理，可以得到數(shù)學(xué)解析解，因此經(jīng)常使用。9/28/202320

這種指標(biāo)較少考慮大的起始誤差，著重權(quán)衡過(guò)渡特性后期出現(xiàn)的誤差，有較好的選擇性。該指標(biāo)反映了控制系統(tǒng)的快速性和精確性。時(shí)間乘誤差平方的積分9/28/202321加權(quán)二次型性能指標(biāo)不僅控制了動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，而且限制了控制信號(hào)的功率。對(duì)于多變量控制系統(tǒng)，可用：9/28/2023222）末值型指標(biāo)

當(dāng)要求系統(tǒng)在末值時(shí)刻具有最小穩(wěn)態(tài)誤差，最準(zhǔn)確的定位或最大射程的末值控制中，就可采用末值型性能指標(biāo)。

9/28/2023233）復(fù)合型指標(biāo)

復(fù)合型指標(biāo)是積分型和末值型指標(biāo)的復(fù)合，是一個(gè)更普遍的性能指標(biāo)形式。9/28/202324第2章線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和分析方法信號(hào)變換理論線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述方法線性離散系統(tǒng)的Z變換分析法脈沖傳遞函數(shù)線性離散系統(tǒng)的性能分析本章主要內(nèi)容9/28/2023252．1信號(hào)變換理論

1.連續(xù)信號(hào)的采樣和量化

圖2－1采樣過(guò)程采樣過(guò)程9/28/202326

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣信號(hào)是一數(shù)字序列，可分解成一系列單脈沖之和。式中，為時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值為；為時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值為；……；為時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值為。則：只有在時(shí)刻，才有，而在的所有時(shí)刻，都有。

。

9/28/202327圖2－2對(duì)單位脈沖序列的調(diào)制

可以解釋為連續(xù)時(shí)間信號(hào)被理想單位脈沖做了離散時(shí)間調(diào)制。

因此：9/28/202328量化過(guò)程

圖2－3量化過(guò)程所謂量化，就是采用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這個(gè)經(jīng)量化使采樣信號(hào)成為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為量化過(guò)程。

9/28/2023292.采樣定理

圖2－4、的頻譜及從恢復(fù)（a)的頻譜（b）的頻譜（c）理想的濾波器（d）濾波器輸出信號(hào)頻譜9/28/202330為保證采樣信號(hào)的頻譜是被采樣信號(hào)的頻譜無(wú)重疊的重復(fù)（沿頻率軸方向），以便采樣信號(hào)能反映被采樣信號(hào)的變化規(guī)律，采樣頻率至少應(yīng)是的頻譜的最高頻率的兩倍，即

采樣定理奠定了選擇采樣頻率的理論基礎(chǔ)，但對(duì)于連續(xù)對(duì)象的離散控制，不易確定連續(xù)信號(hào)的最高頻率。因此，采樣定理給出了選擇頻率的準(zhǔn)則，在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況綜合考慮。采樣定理9/28/2023313.采樣信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和采樣保持器

保持器

保持器是一種基于時(shí)域外推原理、把采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)之間的插值的元件。零階保持器

。

零階保持器采用恒值外推原理，把每個(gè)采樣值一直保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻,從而把采樣信號(hào)變成了階梯連續(xù)信號(hào)。圖2－5零階保持器的功能9/28/2023322．2線性離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述方法

1.差分方程——線性離散系統(tǒng)的差分方程圖2－6連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)

（a）連續(xù)系統(tǒng)（b）離散系統(tǒng)9/28/2023332.差分方程的求解例1已知一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的差分方程為輸入信號(hào)

初始條件，試求解差分方程。，代入差分方程，得

解：令：9/28/2023342．3線性離散系統(tǒng)的Z變換分析法1.Z變換

對(duì)上式取拉氏變換：令：則：9/28/202335（1）只有采樣函數(shù)才能定義Z變換；注意：（2）比較下面兩式

中，決定幅值，決定時(shí)間。（3）Z變換是由采樣