《計算機控制系統(tǒng)》全套PPT課件

《計算機控制系統(tǒng)》全套PPT課件,計算機控制系統(tǒng),計算機,控制系統(tǒng),全套,PPT,課件 1、緒論概述概述/發(fā)展與應(yīng)用發(fā)展與應(yīng)用/理論與設(shè)計、課程內(nèi)容理論與設(shè)計、課程內(nèi)容1.11.1 概述概述1.1.1 1.1.1 CCSCCS組成組成閉環(huán)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)實時采樣、實時決策、實時控制在線、離線 模擬電路 采樣理論 數(shù)字控制 多樣形式 典型典型模擬式模擬式火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖火炮位置控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖 典型火炮位置典型火炮位置計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖的原理結(jié)構(gòu)圖(1)被控對象被控對象：本例為火炮炮身；：本例為火炮炮身；(2)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)：本例為直流電機；：本例為直流電機；(3)測量裝置測量裝置：本例為測量電位計及測速電機；：本例為測量電位計及測速電機；(4)指令給定裝置指令給定裝置：本例為火炮高低角及方位角的指令生成裝置；：本例為火炮高低角及方位角的指令生成裝置；(5)計算機系統(tǒng)：包括下述主要部件：計算機系統(tǒng)：包括下述主要部件：A/D變換器；變換器；D/A變換器；變換器；數(shù)字計算機（包括硬件及相應(yīng)軟件，實現(xiàn)信號變換處理、工數(shù)字計算機（包括硬件及相應(yīng)軟件，實現(xiàn)信號變換處理、工作狀態(tài)邏輯管理、按給定算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令等）。作狀態(tài)邏輯管理、按給定算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令等）。CCSCCS組成組成被控對象；被控對象；測量裝置；測量裝置；執(zhí)行機構(gòu)；執(zhí)行機構(gòu)；計算機系統(tǒng)（主機和輸入輸出通道）；計算機系統(tǒng)（主機和輸入輸出通道）；外部設(shè)備。外部設(shè)備。（基本典型；不同組合）被控對象；測量裝置；執(zhí)行機構(gòu)；計算機系統(tǒng)；外部設(shè)備。系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等。應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件：過程監(jiān)視程序過程監(jiān)視程序：巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、上下限檢查及報警、操作面板服務(wù)、數(shù)字濾波及標度變換、判斷、過程分析等；過程控制計算程序過程控制計算程序：控制算法、事故處理和信息管理（信息生成調(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示等）；公共服務(wù)程序公共服務(wù)程序：基本運算、函數(shù)運算、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式編碼等。1.1.1.1.2 2 CCS CCS特點與優(yōu)點特點與優(yōu)點結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)信號：信號：有多種（連續(xù)模擬、離散模擬、離散數(shù)字等）信號形式，是一種混有多種（連續(xù)模擬、離散模擬、離散數(shù)字等）信號形式，是一種混合信號系統(tǒng)合信號系統(tǒng)工作方式：工作方式：可同時控制多個被控對象或被控量，即可為多個控制回路服務(wù)?？赏瑫r控制多個被控對象或被控量，即可為多個控制回路服務(wù)。同一臺計算機可以采用串行或分時并行方式實現(xiàn)控制，每個控制回路的控制同一臺計算機可以采用串行或分時并行方式實現(xiàn)控制，每個控制回路的控制方式由軟件來形成。方式由軟件來形成。避免模擬實現(xiàn)的困難，方便復雜計算避免模擬實現(xiàn)的困難，方便復雜計算?？刂扑惴ㄓ绍浖绦?qū)崿F(xiàn)，?？刂扑惴ㄓ绍浖绦?qū)崿F(xiàn)，控制規(guī)控制規(guī)律靈活多樣；律靈活多樣；可使用各種數(shù)字部件，提高系統(tǒng)測量靈敏度并可利用數(shù)字通信來傳輸信息?？墒褂酶鞣N數(shù)字部件，提高系統(tǒng)測量靈敏度并可利用數(shù)字通信來傳輸信息。自動檢測和故障診斷較為方便，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯及維修能力。自動檢測和故障診斷較為方便，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯及維修能力。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，用戶界面有效能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，用戶界面有效。使控制與管理更易結(jié)合，使控制與管理更易結(jié)合，并實現(xiàn)層次更高的自動化。并實現(xiàn)層次更高的自動化。性能價格比高。性能價格比高。開創(chuàng)階段開創(chuàng)階段(19551965)：單項工程試驗。：單項工程試驗。測量、開環(huán)、閉環(huán)、監(jiān)督。主要任務(wù)是尋求最佳運行條件，從事操作指導和設(shè)定值的計算工作，控制計算機僅按監(jiān)督方式運行，并要求集中承擔多種任務(wù)。模擬常規(guī)調(diào)節(jié)儀表的調(diào)節(jié)規(guī)律，形式上由連續(xù)變?yōu)殡x散，調(diào)節(jié)效果得不到明顯改善。小型計算機時期小型計算機時期(19651972)：實用及普及階段。：實用及普及階段。主要是計算機集中控制，即用一臺計算機控制盡可能多的調(diào)節(jié)回路。直直接數(shù)字控制接數(shù)字控制DDC系統(tǒng)系統(tǒng)關(guān)注的是控制功能。出現(xiàn)了各種類型適合工業(yè)控制的小型計算機，控制計算機臺數(shù)迅速增長。1.1.2 2.1 1 發(fā)展概況發(fā)展概況計算機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展與計算機計算機和自動控制理論控制理論的發(fā)展密不可分。1.1.2 2 CCS CCS發(fā)展與應(yīng)用發(fā)展與應(yīng)用微型計算機時期微型計算機時期(1972現(xiàn)在現(xiàn)在)：大量推廣和分級控制階段。：大量推廣和分級控制階段。微機的出現(xiàn)和發(fā)展，使計算機控制系統(tǒng)得到更為普及的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機的發(fā)展和普及，促進發(fā)展了許多新型計算機的控制方式。簡單過程裝置，單臺微機獨立控制，如單片機、工控機、可編程控制器；復雜過程裝置，采用集散型控制系統(tǒng)，計算機分散到生產(chǎn)裝置中去，采用多級分布式結(jié)構(gòu)，既能使危險分散，又能實現(xiàn)整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。1.1.2 2.1 1 發(fā)展概況發(fā)展概況1.1.2 2.1 1 發(fā)展概況發(fā)展概況計算機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展與計算機和自動控制理論自動控制理論的發(fā)展密不可分。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 主要研究單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)，單輸入單輸出制系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)學模型采用傳遞函數(shù)表示，系統(tǒng)的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法?，F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 系統(tǒng)分析的對象為多輸入多輸出線性系統(tǒng)，系統(tǒng)分析的數(shù)學模型主要用狀態(tài)空間描述。主要采用最優(yōu)控制(二次型最優(yōu)控制、H控制等)、系統(tǒng)辨識和最優(yōu)估計、自適應(yīng)控制等分析和設(shè)計方法。智能控制理論智能控制理論 研究對象和系統(tǒng)越來越復雜，如(a)不確定性的模型、(b)高度非線性、(c)復雜的任務(wù)要求。智能控制包括學習控制系統(tǒng)、分級遞階智能控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。1.1.2 2.2 2 應(yīng)用分類應(yīng)用分類操作指導控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)DAS）優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全可靠。缺點是要由人工進行操作，操作速度受到了人為的限制。也用在系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試階段，進行數(shù)據(jù)檢測、處理及試驗新模型等。生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視操作指導直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC 閉環(huán)系統(tǒng)。巡回檢測一個或多個被控參數(shù)進行，與設(shè)定值進行比較，再進行控制運算，輸出到執(zhí)行機構(gòu)。靈活性大。主要研究對象。計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）SCC系統(tǒng)有多種形式，如：SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)；SCC+DDC控制系統(tǒng)。它是操作指導控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。SCC系統(tǒng)不僅可進行給定值控制，還可進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCS）可靠性高、速度快、結(jié)構(gòu)靈活，易于擴展、設(shè)計、開發(fā)、維護簡便可靠性高、速度快、結(jié)構(gòu)靈活，易于擴展、設(shè)計、開發(fā)、維護簡便生產(chǎn)管理級、過程管理級、過程控制級分級控制系統(tǒng)分級控制系統(tǒng)說明：1、分級控制理論角度、大系統(tǒng)基礎(chǔ)理論，綜合優(yōu)化指標，2、分布控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)角度、結(jié)構(gòu)與功能3、PLC、DCS，F(xiàn)CS；NCS4、CIMS/綜合自動化系統(tǒng)5、按控制規(guī)律分類 程序控制與順序控制；PID控制；有限拍控制；復雜規(guī)律控制；智能控制例例:各種用途的機器人系統(tǒng)各種用途的機器人系統(tǒng) 焊接機器人系統(tǒng)焊接機器人系統(tǒng)（核心為計算機控制系統(tǒng)（核心為計算機控制系統(tǒng)）具有視覺器件的機器人示意圖具有視覺器件的機器人示意圖 例例:以計算機為核心的復雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng)以計算機為核心的復雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng) 現(xiàn)代民用飛機座艙數(shù)字控制電子設(shè)備現(xiàn)代民用飛機座艙數(shù)字控制電子設(shè)備 飛機飛行高度計算機控制系統(tǒng)飛機飛行高度計算機控制系統(tǒng) 例：現(xiàn)代工廠自動化中，廣泛使用計算機實現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng)例：現(xiàn)代工廠自動化中，廣泛使用計算機實現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng) 1.3 CCS的理論與設(shè)計問題的理論與設(shè)計問題(1)若若被被控控對對象象是是時時不不變變線線性性系系統(tǒng)統(tǒng)，通通常常所所形形成成的的連連續(xù)續(xù)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)也也是是時時不不變變系系統(tǒng)統(tǒng)。但但當當將將其其改改造造成成計計算算機機控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)后后，它它的的時時間間響響應(yīng)應(yīng)與外作用的作用時刻和與外作用的作用時刻和采樣采樣時刻是否同步有關(guān)。時刻是否同步有關(guān)。采樣系統(tǒng)的時變特性采樣系統(tǒng)的時變特性 1.3.1 理論問題理論問題(2)連續(xù)系統(tǒng)在正弦輸入信號的激勵下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的連續(xù)系統(tǒng)在正弦輸入信號的激勵下，穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的正弦信號，但計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應(yīng)與輸入信號正弦信號，但計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)正弦響應(yīng)與輸入信號頻率和采樣周期有關(guān)。頻率和采樣周期有關(guān)。頻率為頻率為4.9 Hz的輸入信號的輸入信號 連續(xù)系統(tǒng)的輸出連續(xù)系統(tǒng)的輸出采樣采樣間隔時間為間隔時間為0.1 s時，則時，則會發(fā)生振蕩周期為會發(fā)生振蕩周期為10s的差拍的差拍現(xiàn)象?，F(xiàn)象。(3)盡盡管管計計算算機機控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)特特性性可可以以用用連連續(xù)續(xù)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)理理論論解解釋釋，但還有很多現(xiàn)象是不能用連續(xù)系統(tǒng)理論加以解釋的。但還有很多現(xiàn)象是不能用連續(xù)系統(tǒng)理論加以解釋的。例例如如，一一個個連連續(xù)續(xù)系系統(tǒng)統(tǒng)是是可可控控可可觀觀的的，將將其其變變成成計計算算機機控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)時時，若若采采樣樣間間隔隔時時間間選選取取的的不不合合適適，則則可可能能會會變變得得不不可控?？煽?。(4)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的問題。系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是值得關(guān)注的問題。對對閉閉環(huán)環(huán)負負反反饋饋的的一一階階、二二階階線線性性連連續(xù)續(xù)系系統(tǒng)統(tǒng)，系系統(tǒng)統(tǒng)開開環(huán)環(huán)放大系數(shù)為任意值，系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。放大系數(shù)為任意值，系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。從從第第4章章的的分分析析可可以以看看到到，當當采采樣樣周周期期一一定定時時，計計算算機機控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的開開環(huán)環(huán)放放大大系系數(shù)數(shù)僅僅處處于于一一定定范范圍圍時時，系系統(tǒng)統(tǒng)才才能穩(wěn)定能穩(wěn)定。有限調(diào)節(jié)時間系統(tǒng)有限調(diào)節(jié)時間系統(tǒng) 實線表示連續(xù)系統(tǒng)，實線表示連續(xù)系統(tǒng)，虛線是同一被控對象虛線是同一被控對象的計算機控制系統(tǒng)。的計算機控制系統(tǒng)。(5)一個穩(wěn)定的連續(xù)時不變系統(tǒng)，達到穩(wěn)態(tài)的時間一個穩(wěn)定的連續(xù)時不變系統(tǒng)，達到穩(wěn)態(tài)的時間通常通常是無限的。是無限的。CCS通通過過設(shè)設(shè)計計卻卻可可以以實實現(xiàn)現(xiàn)在在有有限限的的采采樣樣間間隔隔內(nèi)內(nèi)(即即有有限限時時間間內(nèi)內(nèi))達達到到穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系統(tǒng)更好的性能。穩(wěn)態(tài)值，從而可以獲得比連續(xù)系統(tǒng)更好的性能。計算機控制系統(tǒng)中還存在字長有限的問題。計算機控制系統(tǒng)中還存在字長有限的問題。A/D或或D/A變換器、計算機內(nèi)存及運算器的字長有限。變換器、計算機內(nèi)存及運算器的字長有限。字長有限引起的極限環(huán)字長有限引起的極限環(huán)1.3.2 設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)計算機控制系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)(a)連續(xù)域設(shè)計連續(xù)域設(shè)計-離散化方法離散化方法 將將CCS看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字計算機上實現(xiàn)，因此，采用不同方法將其數(shù)字化計算機上實現(xiàn)，因此，采用不同方法將其數(shù)字化(離散化離散化)。(b)直接數(shù)字域直接數(shù)字域(離散域離散域)設(shè)計設(shè)計 把把CCS看成是純離散信號系統(tǒng)，直接在離散域進行設(shè)計，得到數(shù)字控制器，看成是純離散信號系統(tǒng)，直接在離散域進行設(shè)計，得到數(shù)字控制器，并在計算機里實現(xiàn)。并在計算機里實現(xiàn)。實際工程設(shè)計的設(shè)計方法實際工程設(shè)計的設(shè)計方法(a)連續(xù)域設(shè)計連續(xù)域設(shè)計-離散化方法離散化方法 將將CCS看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上看成是連續(xù)系統(tǒng)，在連續(xù)域上設(shè)計得到連續(xù)控制器。由于它要在設(shè)計得到連續(xù)控制器。由于它要在數(shù)字計算機上實現(xiàn)，因此，采用不數(shù)字計算機上實現(xiàn)，因此，采用不同方法將其數(shù)字化同方法將其數(shù)字化(離散化離散化)。(b)直接數(shù)字域直接數(shù)字域(離散域離散域)設(shè)計設(shè)計 把把CCS看成是純離散信號系統(tǒng)，直接看成是純離散信號系統(tǒng)，直接在離散域進行設(shè)計，得到數(shù)字控制在離散域進行設(shè)計，得到數(shù)字控制器，并在計算機里實現(xiàn)。器，并在計算機里實現(xiàn)。兩種設(shè)計方法流程兩種設(shè)計方法流程1.1.4 4 課程內(nèi)容課程內(nèi)容特性變化，需要新的理論特性變化，需要新的理論。頻率特性變化。穩(wěn)定性、可控可觀性等特性可以變化。計算機控制設(shè)計可能達到更好的效果。量化誤差可能產(chǎn)生極限環(huán)震蕩。不同編裁內(nèi)容 基礎(chǔ)理論模型、分析與綜合（設(shè)計）；系統(tǒng)實現(xiàn)（硬件、軟件）；典型計算機系統(tǒng)；典型應(yīng)用實例；課程內(nèi)容課程內(nèi)容 采樣理論；采樣理論；經(jīng)典模型、分析、設(shè)計經(jīng)典模型、分析、設(shè)計：微分方程差分方程；S傳遞函數(shù)Z傳遞函數(shù)；穩(wěn)定性、控制特性分析；控制器設(shè)計（間接、直接）；狀態(tài)空間方程狀態(tài)空間方程離散狀態(tài)空間方程；可控可觀性；狀態(tài)反饋控制器設(shè)計；CCS系統(tǒng)實現(xiàn)問題。課程內(nèi)容課程內(nèi)容 第1章（概述）2學時 （組成、分類、必要性等）第2章（信號采樣恢復）2學時 （2.12.5。信號、采樣、恢復、整量化、簡化結(jié)構(gòu)）第3章（數(shù)學描述-經(jīng)典）2學時 （3.1和3.2提前預習，課堂作業(yè)0.5學時；3.3和3.4共1.5學時）第4章（系統(tǒng)分析-經(jīng)典）8學時 （4.1、4.2、4.3、4.4；4.6討論課2學時）第5章（系統(tǒng)設(shè)計-經(jīng)典）7學時 （5.1、5.2、5.5和最小拍）第6章（狀態(tài)空間）4學時 （3.6、6.1、6.2）；課程總結(jié)及復習 1學時 專業(yè)基礎(chǔ)課（2 26 6+6 6）考核方式考核方式 1 1平時成績（平時成績（2525分）：分）：課堂討論課堂討論 5分；分；作業(yè)作業(yè) 5分；分；出勤出勤10分；分；課堂測驗課堂測驗5分分 2 2實驗：實驗：15分分 3 3課程總結(jié)報告：課程總結(jié)報告：10分（手寫，不少于分（手寫，不少于1000字）字）4 4期末考試：期末考試：50分分公共郵箱：公共郵箱： 密碼：密碼：ccs2014ccs2014實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 1 1 2 2 3 3 計算機控制系統(tǒng)的典型原理結(jié)構(gòu)圖計算機控制系統(tǒng)的典型原理結(jié)構(gòu)圖