第1章 计算机控制系统概述

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1、计算机控制技术计算机控制技术主要参考书籍主要参考书籍: :1.1.计算机控制技术计算机控制技术( (第第2 2版版) )，俞光昀主编，俞光昀主编，电子工业出版社。电子工业出版社。2.2.计算机控制技术计算机控制技术( (第第2 2版版) )，于海生编著，于海生编著，清华大学出版社。清华大学出版社。3.3.自动控制原理（第五版），胡寿松主编，自动控制原理（第五版），胡寿松主编，科学出版社。科学出版社。4.4.微机原理与接口技术微机原理与接口技术( (第第2 2版版) )，洪永强主，洪永强主编编 , ,科学出版社。科学出版社。第第1章章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 在现代企业的生产管理中

2、，大量的物理量、工艺在现代企业的生产管理中，大量的物理量、工艺参数、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动参数、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。这是现代化生产必不可少的基本手段。从单台控制。这是现代化生产必不可少的基本手段。从单台计算机的直接监督控制到多级计算机监督控制系统，计算机的直接监督控制到多级计算机监督控制系统，以及分布式、网络化、智能化的集控制和管理为一体以及分布式、网络化、智能化的集控制和管理为一体的计算机控制系统，正在各行各业中得到越来越普遍的计算机控制系统，正在各行各业中得到越来越普遍的应用。因此，在我国实现四个现代化的过程中，计的应用。因此，在我国实现四个现代

3、化的过程中，计算机控制技术充当着极其重要的角色。算机控制技术充当着极其重要的角色。1.1 自动控制系统自动控制系统1.1.1 工作原理工作原理 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的前所谓自动控制，就是在没有人直接参与的前提下，应用控制装置使机器设备或生产过程按照提下，应用控制装置使机器设备或生产过程按照预定的规律运行。预定的规律运行。 各种控制装置的具体任务虽然不同，但其实各种控制装置的具体任务虽然不同，但其实质就是对被控对象的某些物理量进行控制，自动质就是对被控对象的某些物理量进行控制，自动保持其应有的规律性。保持其应有的规律性。直流电动机转速开环控制结构图 例如直流电动机转速控制。例如直流

4、电动机转速控制。 电 位 器 V+ 功率 放大器 电动机 负载 直流电动机转速开环控制 电 位 器 V+ 功率 放大器 电动机 负载 测速发电机 直流电动机转速闭环控制直流电动机转速闭环控制结构图 蒸汽加热器自动控制系统示意图 又例如蒸汽加热器自动控制系统。又例如蒸汽加热器自动控制系统。蒸汽加热炉出口温度控制系统方框图：蒸汽加热炉出口温度控制系统方框图： 输出量反馈到输入端与设定值进行比较，得到偏差，输出量反馈到输入端与设定值进行比较，得到偏差，根据偏差量去调节执行机构，控制输出量以达到消除偏根据偏差量去调节执行机构，控制输出量以达到消除偏差的目的，故称为反馈控制，整个系统构成一个闭合回差的目

5、的，故称为反馈控制，整个系统构成一个闭合回路，又称为闭环控制。路，又称为闭环控制。1.1.2 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成自动控制系统的基本组成（1）被控对象）被控对象：自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生：自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生 产过程。产过程。（2）被控制量）被控制量：被控对象内要求实现自动控制的物理量。：被控对象内要求实现自动控制的物理量。（3）检测元件）检测元件：对系统输出量进行测量的装置，常为传感器。：对系统输出量进行测量的装置，常为传感器。（4）比较元件）比较元件：对系统的输入量和输出量进行比较，给出偏差：对系统的输入量和输出量进行比较，给出偏差 信号

6、，起信号综合作用。信号，起信号综合作用。（5）放大元件）放大元件：对微弱偏差信号进行放大，使之可输出足够的：对微弱偏差信号进行放大，使之可输出足够的 功率。功率。（6）控制器）控制器：或称为校正装置，将偏差信号进行比例、积分、：或称为校正装置，将偏差信号进行比例、积分、 微分等控制运算的器件，产生控制信号操纵执行微分等控制运算的器件，产生控制信号操纵执行 元件，用于改善系统的性能。元件，用于改善系统的性能。（7）执行元件）执行元件：根据控制器的命令，改变操纵变量的大小，使：根据控制器的命令，改变操纵变量的大小，使 被控制的输出量与给定值一致。被控制的输出量与给定值一致。 1.1.3 自动控制系

7、统分类自动控制系统分类 按输入信号类型分类：按输入信号类型分类： （1）定值控制系统）定值控制系统 反馈控制系统中的输入量如果恒定不变，反馈控制系统中的输入量如果恒定不变，就称为定值控制系统。例如蒸汽加热器自动控制系统。就称为定值控制系统。例如蒸汽加热器自动控制系统。 （2）随动系统）随动系统 给定量的变化不为人们所预知，但仍要求系统给定量的变化不为人们所预知，但仍要求系统输出量能迅速地跟随给定量变化。这类系统既要迅速跟随给定量输出量能迅速地跟随给定量变化。这类系统既要迅速跟随给定量的变化，又要克服扰动量对系统的影响。例如雷达跟踪系统。的变化，又要克服扰动量对系统的影响。例如雷达跟踪系统。 （

8、3）程序控制系统）程序控制系统 如果设定信号的变化规律为已知函数，即如果设定信号的变化规律为已知函数，即事先确定的程序，则称这类控制系统为程序控制系统。例如数字事先确定的程序，则称这类控制系统为程序控制系统。例如数字程序控制机床。程序控制机床。 （4）数字控制）数字控制系统系统 用数字量控制机器部件运动。用数字量控制机器部件运动。按控制方式分类按控制方式分类:（1）开环控制系统）开环控制系统 开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统，被控开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统，被控量对于控制作用没有任何影响。其结构如图所示。量对于控制作用没有任何影响。其结构如图所示。（2 2）闭环控制系统闭环控

9、制系统 在开环控制基础上增加反馈回路来提高控制精度，在开环控制基础上增加反馈回路来提高控制精度，系统输出量也参与系统控制。系统输出量也参与系统控制。开环控制系统闭环控制系统按元器件特性分类：按元器件特性分类： （1）线性系统）线性系统 系统中各元件输入系统中各元件输入-输出特性都是线性。该系统输出特性都是线性。该系统能以线性微分方程或线性差分方程描述。能以线性微分方程或线性差分方程描述。 （2）非线性系统）非线性系统 系统中存在至少一个非线性元件。该系统用系统中存在至少一个非线性元件。该系统用非线性方程描述。非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方非线性方程描述。非线性方程的特点是系数与变量有

10、关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。 例如例如)(3)()(10)(5.02233txtydttyddttyd)(3)()(10)(5.022233txtydttyddttyd线性方程非线性方程按系统信号类型分类：按系统信号类型分类： （1）连续控制系统）连续控制系统 系统输入输出信号都是时间的连续函数，系统输入输出信号都是时间的连续函数，用微分方程描述。用微分方程描述。 （2）离散控制系统）离散控制系统 系统中含有时间上不连续的离散信号，用系统中含有时间上不连续的离散信号，用差分方程描述。计算机控制系统为离散控制系统。差分方程描述。计算机控制

11、系统为离散控制系统。 1.1.4 自动控制系统应用自动控制系统应用 （1）工业）工业 控制化学反应炉的压力、流量、温度等。控制化学反应炉的压力、流量、温度等。 （2）军事）军事 雷达跟踪和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动雷达跟踪和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动地瞄准目标。地瞄准目标。 （3）空间技术）空间技术 人造地球卫星发射到预定轨道并准确回收。人造地球卫星发射到预定轨道并准确回收。1.2 对控制系统的要求对控制系统的要求 由于电路中存在储能元件，机械系统中有机械惯量，由于电路中存在储能元件，机械系统中有机械惯量，因此系统响应有个过渡过程，在过渡过程中的性能指标因此系统响应有个过渡过程