第1章数字控制课件.ppt
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1、计算机控制Computer Control,航天学院控制科学与工程系金 晶主楼602 13936445192,1,课程安排,讲课32学时 金晶实验6学时上机6学时,上机、实验如下:,实验一 数字滤波器的设计与仿真 实验二 数字PID控制器设计与仿真 实验三 数字输入/输出实验实验四 模拟滤波与数字滤波实验实验五 数字PID控制实验实验六 直流电机闭环调速实验,2, 王艳,参考书,盛珣华,李润梅编著. 计算机控制系统. 清华大学出版社. 2007 绪方胜彦著,刘君华译. 离散时间控制系统. 西安交通大学出版社,1990.袁本恕编著. 计算机控制系统. 中国科学技术大学出版社,1988.Katsu
2、hiko Ogata . 现代控制工程. 电子工业出版社,2000. 施保华, 杨三青, 周凤星. 计算机控制技术. 华中科技大学出版社. 2007.,3,成绩记载方法,闭卷考试 70%作业和出勤 10%实验 20%,4,第1章 绪言,数字控制(又称计算机控制)课程为自动控制及相关专业学生讲授线性定常数字控制系统分析与综合的一些基本方法,其理论基础为线性离散时间系统理论。,数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器,实现对连续对象(或过程)的闭环控制,也称为计算机控制系统。,5,控制理论发展历史,20世纪4060年代,“古典控制理论”时代。 主要针对线性定常系统,解决单输入单输出问题。采用传递函
3、数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。对非线性系统,分析采用的相平面法一般不超过两个变量。20世纪6070年代,“现代控制理论”。 随着计算机的飞速发展,推动了状态空间法的应用,其可以解决多输入多输出问题。系统可以是线性的、定常的,也可以是非线性的、时变的。,集中控制理论阶段,6,20世纪70年代至今,向“大系统理论”和“智能控制”方向发展。 “大系统理论”是用控制和信息的观点,研究各种大系统的协调、控制方法,包括大系统的建模、模型降阶、递阶控制、分散控制和稳定性等内容;大系统的特征是:规模庞大、结构复杂(环节较多、层次较多或关系复杂)、目标多样、影响因素众多,且常带有随机性的系统。 “智
4、能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律,研制仿人智能控制。,分散控制理论阶段,7,动力学系统分类图,8,计算机控制的发展历史,(一)数据采集与监视控制系统DA&SCS(Data Acquisition and Supervisory Control System) 计算机控制系统在20世纪50年代开始出现,由于当时计算机硬件条件的限制,控制系统是基于模拟控制器实现的,计算机只是作为控制系统的监控设备,负责对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理,此时的计算机控制系统称为数据采集系统或监视控制系统。 由于这种系统中计算机并不直接参与系统控制,因此系统结构简单,安全可靠。,9
5、,(二)直接数字控制系统DDC (Direct Digital Control),随着计算机硬件技术的日益提高,出现了直接数字控制系统,传统的模拟控制器被计算机构成的数字控制器所取代。在DDC控制系统里,传感器和执行机构与计算机是点对点的连接方式,传感器和执行机构通过模拟输入/输出通道与计算机构成的数字控制器之间进行模拟/数字信号转换,计算机直接参与系统的控制及信息处理。DDC是计算机控制技术中最常用的方法之一,其优点是灵活性大、可靠性高,可以实现较复杂的控制规律,如最优控制、鲁棒控制、模糊控制等。,10,具有两级计算机控制系统的计算机监督系统SCC,其底层计算机控制系统为执行实时控制任务的D
6、DC系统,高层计算机控制系统为具有强大数据处理能力的计算机监督系统。,(三)计算机监督系统SCC(Supervisory Computer Control),11,(四)分布式控制系统DCS (Distributed Control Systems),随着控制系统规模的日益扩大,在20世纪70年代又出现了分布式控制系统DCS ,又称集散控制系统。 其特点是采用层次化的多级计算机系统进行分散控制、管理集中。 分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的,是应用于大规模复杂系统或生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。,12,分布式控制系统结构示意图
7、,13,(五)网络控制系统(Networked Control Systems,NCS),“Networked Control Systems,NCSs” 最早于1998年出现在马里兰大学G. C. Walsh的论著中 。 随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗透,控制系统已由封闭的集中体系逐渐向开放分布式体系发展。很多复杂的控制系统如无线网络机器人、远程遥控操作、基于Internet的远程教学和实验、远程医疗、航空航天系统以及现场总线和工业以太网技术等,其本质上都可归结为基于网络的控制系统,或者称为网络控制系统。 网络控制系统强调在通信网络上建立闭环控制回路,因此NCS中的
8、网络是一个广义的范畴,包括了现场总线,工业以太网、无线通信网络、甚至Internet等。,14,1.1 数字控制系统概述,数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器,实现对连续对象(或过程)的闭环控制,因此也称为计算机控制系统。 本书阐述如下几部分内容:数字控制系统建模与分析;数字控制系统的设计(或称综合);数字控制系统的实现;高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。,15,传统的模拟闭环控制系统如下图所示,其控制器由模拟器件构成。,数字控制系统是以数字计算机作为数字控制器,单回路计算机控制系统如下图所示。,16,1.1.1 系统组成与功能,数字控制系统由硬件与软件两大部分组成。如果将执行
9、机构和测量元件的对象特性并入被控对象或过程,则单输入单输出单位反馈数字控制系统的硬件框图如图1-1-1所示。,17,1 硬件部分,数字控制系统硬件部分由五部分组成: (1)连续被控对象(或过程):工作于连续状态,输入输出是连续量。 (2)数字控制器:工作于离散状态,输入输出是数字量,由数字计算机实现。 (3)模拟输入通道:由采样开关、A/D转换器两个环节组成,完成由连续量到数字量的转换。 (4)模拟输出通道:由D/A转换器、 保持器两个环节组成,完成 由数字量到连续量的转换。 (5)实时时钟:产生脉冲序列,定时控制采样开关的闭合,控制A/D、D/A转换器的输出。,18,需要说明的是:,数字控制
10、系统的闭环控制与连续系统的闭环控制相同点是数字控制系统也采用反馈控制,可以使系统的响应对外部干扰和系统内部参数变化不敏感,这一点与连续系统闭环反馈控制相同;不同的是:系统只根据采样时刻,即离散时间点上的过程变量值进行工作,也就是说数控系统只是在采样时刻处为闭环控制;在采样时刻之间,数控系统处于开环控制。由于数控计算机的离散时间性质,故采样是数字控制系统的基本特征。数字(计算机)控制系统又称为采样数据系统。,19,2 软件部分(在计算机上实现控制规律),主程序:系统初始化设置;控制子程序:实现数据采集、控制算法、控制量的输出和存储。,数控系统的功能为:在数字计算机控制下,每隔一个采样周期 T,对
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