監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線丁恩杰教授博導(dǎo)Email:enjied@GSM:138052055921計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)被認(rèn)為是發(fā)展最快的兩個(gè)分支。自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有越來越重要的作用。自動(dòng)控制技術(shù)不僅對(duì)航空航天、導(dǎo)彈制導(dǎo)、核技術(shù)、生物工程等新興學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展必不可少，而且在金屬冶煉、儀器制造以及一般工業(yè)過程生產(chǎn)如煤炭、建筑、石化等同樣具有重要的意義，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)工業(yè)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)強(qiáng)度，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益起到?jīng)Q定性作用。

導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)；交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)鋼鐵生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線制造系統(tǒng)：家用電器：智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多新問題，這些問題要求從理論上加以解決。自動(dòng)控制理論正是在解決這些實(shí)際技術(shù)問題的過程中逐步形成和發(fā)展起來的，它是研究自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。按其發(fā)展的不同階段，可把自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論也就是自動(dòng)控制原理，是20世紀(jì)40年代到50年代形成的一門獨(dú)立學(xué)科。早期的控制自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，只要列出微分方程并求解之，就可以用時(shí)域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后，由于生產(chǎn)和軍事的需要，各國(guó)均在大力研制新型武器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)通常是用高階微分方程來描述的。由于高階微分方程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方法就應(yīng)運(yùn)而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究負(fù)反饋放大器時(shí)創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。

在此基礎(chǔ)上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研究控制系統(tǒng)的方法由初期的時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。隨后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又創(chuàng)立了另一種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到1877年，勞斯（E.Routh）和1895年赫爾維茨（A.Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。這些都是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。

40~50年代經(jīng)典控制理論

（頻域法或復(fù)頻域法）

核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等

特點(diǎn)：圖形方法，直觀簡(jiǎn)便，設(shè)置參數(shù)少，

（以簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)獲取相對(duì)滿意的性能）適用范圍：?jiǎn)屋斎雴屋敵觯⊿ISO）系統(tǒng)

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換

50年代開始，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種高速、高性能的飛行器相繼出現(xiàn)，要求高精度地處理多變量、非線性、時(shí)變和自適應(yīng)等控制問題，60年代初又形成了現(xiàn)代控制理論。現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是：1956年龐特里亞金提出了極大值原理，1957年貝爾曼（R.Bellman）提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，1960年卡爾曼（R.E.Kalman）提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從60年代至今40多年來，現(xiàn)代控制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支，如線性控制理論、最優(yōu)控制理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。

60~70年代現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）

核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性，

系統(tǒng)性能的最優(yōu)化

特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理SISO、MIMO系統(tǒng)，

有完整的理論體系數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣?yán)碚?/p>

缺點(diǎn)：對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，

實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)的最優(yōu)，

所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn)70年代~現(xiàn)在多種新型控制理論多變量頻域控制理論

①經(jīng)典SISO→MIMO；

②基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論魯棒控制（robustcontrol）

魯棒性（robustness）：系統(tǒng)存在模型誤差或受到擾動(dòng)時(shí)仍能保持良好性能的能力

魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制70年代~現(xiàn)在多種新型控制理論智能控制（intelligentcontrol）

控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推理等）大系統(tǒng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制等

被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、不確定性、分散性、非線性、大時(shí)滯、難建模等特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷：

開創(chuàng)期---約1955年

直接數(shù)字控制期—約1962年

小型計(jì)算機(jī)控制期—約1972年

微型計(jì)算機(jī)控制期—約1972年

數(shù)字技術(shù)普遍應(yīng)用期—約1980年

集散控制期—約1990年

現(xiàn)場(chǎng)總線控制期—約1990年計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

未來發(fā)展過程知識(shí)測(cè)量技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)控制理論1.1.1典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，控制對(duì)象從小到大，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。計(jì)算機(jī)可以控制單臺(tái)或單個(gè)閥門，也可以控制和管理一個(gè)車間、整個(gè)工廠、一座大廈以至整個(gè)企業(yè)。計(jì)算機(jī)控制可以是單回路參數(shù)的簡(jiǎn)單控制，也可以是復(fù)雜控制規(guī)律的多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制乃至具有人類智慧的智能控制。下面介紹幾個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以對(duì)計(jì)算機(jī)控制有一個(gè)概貌性的認(rèn)識(shí)，了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，功能以及計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

水箱控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

例1制冷過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

某工廠的冷庫(kù)是國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用計(jì)算機(jī)控制的萬噸級(jí)冷庫(kù)。它有三個(gè)制冷系統(tǒng)：結(jié)凍系統(tǒng)；低溫冷藏系統(tǒng)和高溫冷藏系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)對(duì)制冷工藝作實(shí)時(shí)控制，要求為：實(shí)現(xiàn)能量匹配的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以提高制冷效率；對(duì)各制冷系統(tǒng)作閉環(huán)調(diào)節(jié)，使高溫、低溫冷庫(kù)分別實(shí)現(xiàn)恒溫控制，結(jié)凍系統(tǒng)達(dá)到速凍、低耗；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)巡回監(jiān)測(cè)，報(bào)警監(jiān)測(cè)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

例

2水泥廠生料系統(tǒng)質(zhì)量計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

水泥廠生料系統(tǒng)質(zhì)量控制直接影響到水泥質(zhì)量，生料系統(tǒng)的控制，對(duì)水泥廠提高水泥質(zhì)量、產(chǎn)量具有非常重要的意義。生料系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制是典型的基礎(chǔ)控制與先進(jìn)控制例子。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本功能：

生料生產(chǎn)過程控制（設(shè)備控制有起停、急停、就地、集中、邏輯閉鎖等）；

石灰石、鐵粉、粘土、熒石配料閉環(huán)控制；

生料磨機(jī)負(fù)荷最優(yōu)控制；磨機(jī)軸瓦溫度檢測(cè)與控制；

生料率值質(zhì)量先進(jìn)控制；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

水泥生料系統(tǒng)質(zhì)量控制在全廠DCS中實(shí)現(xiàn)，作為DCS系統(tǒng)的子環(huán)節(jié)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能為：

模擬量輸入20路，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、倉(cāng)位、給料量、磨機(jī)負(fù)荷等檢測(cè)，并直接生成產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表，發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，以便決策層及時(shí)對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況作出決策；

控制系統(tǒng)對(duì)生料磨機(jī)的負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并控制系統(tǒng)總的給料量，使磨機(jī)始終處于最佳負(fù)荷工作狀態(tài)，防止磨機(jī)空磨和飽磨發(fā)生；

四個(gè)給料環(huán)節(jié)通過PID或FUZZY控制，使物料配比精確，保證產(chǎn)品質(zhì)量；以三個(gè)率值為目標(biāo)，用先進(jìn)控制理論建立水泥質(zhì)量控制模型，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效；

開關(guān)量輸入輸出60點(diǎn)，完成對(duì)生產(chǎn)過程設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)故障、超限等聲光報(bào)警。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)相比，在工作方式上有很多特點(diǎn)。圖1-3是一個(gè)按偏差進(jìn)行控制的單回路系統(tǒng)框圖。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

被控對(duì)象的輸出y(t)是被控量，如轉(zhuǎn)速、位移、溫度、壓力、流量、液位、成分等。控制的目的是使被控量盡可能精確、及時(shí)地與給定信號(hào)r(t)相等。為了對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，y(t)經(jīng)傳感器及變送器的測(cè)量、變換后與給定信號(hào)r(t)相比較。如有偏差，控制器將根據(jù)偏差產(chǎn)生控制信號(hào)u(t)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使被控量達(dá)到預(yù)定值。在控制系統(tǒng)中，控制器是核心部分。常規(guī)控制系統(tǒng)的控制器是模擬電路構(gòu)成的模擬控制儀表，其主要缺點(diǎn)是功能單一，缺乏靈活性，若改變系統(tǒng)的控制方案要更換模擬控制儀表，這對(duì)工程系統(tǒng)是不方便的。由于模擬控制儀表是隨偏差出現(xiàn)的時(shí)間連續(xù)起作用的，所以又稱為連續(xù)控制器。以連續(xù)控制器為核心的控制系統(tǒng)稱為連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)。如果把圖1-3中系統(tǒng)的控制器用數(shù)字計(jì)算機(jī)來代替，就成為一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如圖1-4所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

與模擬控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有靈活性、實(shí)時(shí)性、綜合處理及控制功能強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1）由程序?qū)崿F(xiàn)控制作用，靈活性好在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中，滿足控制要求的控制規(guī)律是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，任何一種控制規(guī)律都是由數(shù)字計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)的。控制規(guī)律的改變只不過是程序的更換，不需在硬件上作任何變動(dòng)。因此，一臺(tái)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)的控制功能十分豐富，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象、不同控制設(shè)計(jì)思想、不同控制結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)的控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

2）采樣控制方式，實(shí)時(shí)性好

在控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象往往是連續(xù)生產(chǎn)裝置，即其輸入和輸出都是連續(xù)時(shí)間信號(hào)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差是連續(xù)時(shí)間信號(hào)，控制器也是隨時(shí)間連續(xù)起作用的。而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是在離散時(shí)刻起控制作用的。在系統(tǒng)中配備了實(shí)時(shí)時(shí)鐘，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D和數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A。實(shí)時(shí)時(shí)鐘每隔一定時(shí)間間隔，向A/D發(fā)出信息，對(duì)被控對(duì)象的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。經(jīng)過數(shù)字計(jì)算機(jī)處理后，產(chǎn)生控制信號(hào)通過D/A輸出，將離散時(shí)刻輸出的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)施于被控對(duì)象。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)，可以當(dāng)作一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)來分析。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從計(jì)算機(jī)參與生產(chǎn)過程的控制方式來看，它是在線系統(tǒng)；從計(jì)算機(jī)對(duì)輸入數(shù)據(jù)和信號(hào)的響應(yīng)來看，它是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在線系統(tǒng)表示計(jì)算機(jī)直接接受被控對(duì)象的信息，并把計(jì)算結(jié)果又直接送給被控對(duì)象，所以又稱“聯(lián)機(jī)系統(tǒng)”。與此相應(yīng)，如果被控對(duì)象不直接受計(jì)算機(jī)控制，而是通過中間記錄介質(zhì)如磁帶、磁盤或顯示、打印記錄，靠人進(jìn)行聯(lián)系再作相應(yīng)操作和控制的系統(tǒng)稱為離線系統(tǒng)或脫機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)和信息在一定允許時(shí)間范圍內(nèi)及時(shí)響應(yīng)和處理，并把運(yùn)算或判斷結(jié)果迅速返回，作用于被控對(duì)象的控制系統(tǒng)。超出了允許時(shí)間，就失去了控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。為了獲得優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)被控參數(shù)的重要程度，可將各種不同的參數(shù)分成若干等級(jí)(即優(yōu)先權(quán)的高和低)。對(duì)重要的參數(shù)，優(yōu)先權(quán)安排高一些；次要的參數(shù)，優(yōu)先權(quán)則安排低一些，以便更好地完成實(shí)時(shí)處理。此外，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)配有合適的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和有效的中斷系統(tǒng)，CRT可以快速和大量地輸出多種形式的信息，以及響應(yīng)速度高等，都使控制系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

3）綜合信號(hào)處理和控制

在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，存貯器的容量很大，存貯時(shí)間長(zhǎng)短也幾乎不受限制。這一特點(diǎn)使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以采集現(xiàn)場(chǎng)的大量數(shù)據(jù)，而且可以保存過去的數(shù)據(jù)，這對(duì)掌握信號(hào)的變化規(guī)律，采用各種遞推運(yùn)算十分有利；由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存放各種表格和函數(shù)數(shù)據(jù)，便于采用查表方法解決各種非線性函數(shù)、誤差補(bǔ)償、單值和雙值函數(shù)的高速運(yùn)算，利用計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算能力，與其存貯能力相結(jié)合，使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯分析和判斷，乃致模擬人的思維，積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行學(xué)習(xí)，為控制工程開辟著嶄新的“智能控制”領(lǐng)域。總之，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟件的功能，就能實(shí)現(xiàn)多回路、多對(duì)象、多工況的綜合處理和控制。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

4）精度高、穩(wěn)定性好

數(shù)字控制系統(tǒng)的精度與計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)有關(guān)。在字長(zhǎng)受限制的情況下進(jìn)行運(yùn)算，只要適當(dāng)犧牲一些速度就可以換取足夠的精度。可以用多倍字長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算控制。穩(wěn)定性好是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出、輸入是數(shù)字量，不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移。由于內(nèi)部有高穩(wěn)定的晶振時(shí)鐘，因此不會(huì)隨時(shí)間、溫度和環(huán)境條件而發(fā)生改變，這是模擬器件所無法比擬的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：由程序?qū)崿F(xiàn)控制作用，靈活性好

采樣控制方式，實(shí)時(shí)性好

綜合信號(hào)處理和控制

精度高、穩(wěn)定性好

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類方法很多：可以按照系統(tǒng)的功能分類；可以按照控制規(guī)律分類；可以按照控制方式分類。按照給定值分類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1）

按照功能，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC

計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)(SupervisoryComputerControl)

分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

多級(jí)計(jì)算機(jī)分布控制系統(tǒng)

(Multi-levelDistributedComputerControlDCS)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

（1）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是最早出現(xiàn)在過程控制系統(tǒng)中的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用形式，也是計(jì)算機(jī)參與控制的第一步(見圖1-5)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

生產(chǎn)過程中的各種電的和非電的物理量，通過各種傳感器、變換器轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的模擬量或開關(guān)量，再通過計(jì)算機(jī)的模擬量輸入通道或開關(guān)量輸入通道采集到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行必要的運(yùn)算、變換、處理(如數(shù)字濾波、參數(shù)補(bǔ)償、誤差修正、量綱變換、越限值比較、綜合計(jì)算等)，所得的結(jié)果可根據(jù)需要選點(diǎn)顯示，隨機(jī)打印，定時(shí)制表，當(dāng)出現(xiàn)參數(shù)越限時(shí)可進(jìn)行聲光報(bào)警和顯示。所有結(jié)果都能按需要在外存中保存，以供現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員、生產(chǎn)指揮人員以及設(shè)計(jì)人員參考。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC(DirectDigitalControl)基本結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。

（2）

直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC

早期的DDC主要是利用計(jì)算機(jī)來代替常規(guī)的模擬PID控制器，由于采用分時(shí)控制方式，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以控制幾十甚至上百個(gè)控制回路，因而取得經(jīng)濟(jì)效益。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力強(qiáng)，DDC也很容易實(shí)現(xiàn)模擬控制器難以實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律，如前饋控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和智能控制等。近來，由于微機(jī)控制的廣泛應(yīng)用，DDC的概念和內(nèi)容也都發(fā)生了變化。例如，除過程控制外，各種紡織、輕工機(jī)械用的微機(jī)控制，各種微機(jī)化的智能儀器、儀表和測(cè)控系統(tǒng)，各種機(jī)床(包括機(jī)械手、機(jī)器人)的微機(jī)數(shù)字控制(NC)裝置，以及其他各種自動(dòng)化設(shè)備中的微機(jī)控制都可稱為DDC系統(tǒng)。此時(shí)，DDC控制規(guī)律是十分豐富而多樣化了。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

（3）計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)

(SupervisoryComputerControl)

計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)的構(gòu)成如圖1-7所示。從結(jié)構(gòu)上看，它與DDC的不同之處在于此系統(tǒng)不是用輸出信息去直接控制被控對(duì)象，

而是將輸出信息作為常規(guī)系統(tǒng)或DDC的設(shè)定值。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

采用計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制的原因是DDC要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，采樣周期不能長(zhǎng)，在較短的采樣周期內(nèi)又難以完成較為復(fù)雜的運(yùn)算。而此系統(tǒng)可按工藝要求和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行生產(chǎn)過程的優(yōu)化等復(fù)雜計(jì)算，并將計(jì)算所得的最優(yōu)最佳設(shè)定值送給DDC或常規(guī)控制器，使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

（4）

分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

前面介紹的是與生產(chǎn)過程有直接聯(lián)系的具有各種控制功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模大，設(shè)備聯(lián)系緊密，產(chǎn)品品種翻新快，信息量大，而搞好生產(chǎn)的同時(shí)要求提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化和管理水平。為此，不僅要求計(jì)算機(jī)參與控制，而且還需要配備計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)管理。因?yàn)榭刂坪凸芾泶嬖谙嗷ヂ?lián)系，信息溝通，所以這些計(jì)算機(jī)群相互之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，仿照工廠企業(yè)的分級(jí)管理，這些計(jì)算機(jī)可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)分級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，如圖1-8所示。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

這樣的系統(tǒng)一般由管理信息系統(tǒng)MIS(ManagementInformationService)、

計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（又可稱SPC）(SetPointComputerControl)以及若干個(gè)直接控制系統(tǒng)（DDC）三級(jí)控制組成。管理信息系統(tǒng)按企業(yè)管理體制又分為車間管理級(jí)、工廠管理級(jí)和公司管理級(jí)，每一級(jí)都有各自分擔(dān)的任務(wù)。公司管理級(jí)制訂長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，向下級(jí)下達(dá)任務(wù)，接受下級(jí)的信息，并結(jié)合生產(chǎn)的計(jì)劃，管理、銷售、訂貨，了解分析本部門經(jīng)營(yíng)的動(dòng)向和財(cái)務(wù)收支及預(yù)算，對(duì)全企業(yè)進(jìn)行總決策，實(shí)現(xiàn)總調(diào)度。工廠管理級(jí)根據(jù)公司下達(dá)的任務(wù)和本廠情況制訂計(jì)劃，然后向車間下達(dá)任務(wù)。工廠管理級(jí)包括全廠的生產(chǎn)計(jì)劃、人員調(diào)配、各車間的協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的核算等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

車間管理級(jí)根據(jù)廠級(jí)下達(dá)的任務(wù)和收集的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)隨時(shí)進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)節(jié)，進(jìn)行具體的作業(yè)管理，對(duì)車間內(nèi)各工段之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，并指揮SPC。SPC根據(jù)生產(chǎn)工藝信息，按照某種目標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算或進(jìn)行先進(jìn)控制，指揮DDC，并向MIS級(jí)匯報(bào)。DDC又稱為裝置級(jí)或過程控制級(jí)，它對(duì)生產(chǎn)工藝流程或生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行直接控制，可進(jìn)行PID控制、程序控制、順序控制、前饋控制等。在這個(gè)系統(tǒng)中許多計(jì)算機(jī)通過通信線路聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，所以又稱為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。用于控制的計(jì)算機(jī)要求實(shí)時(shí)性、高可靠性、通信速度高、信息最大、控制功能強(qiáng)。用于生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)特別是公司級(jí)的計(jì)算機(jī)應(yīng)有較強(qiáng)的計(jì)算與數(shù)據(jù)處理功能，足夠的內(nèi)存和外存容量，一般都配備數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

（5）

多級(jí)計(jì)算機(jī)分布控制系統(tǒng)

(Multi-levelDistributedComputerControlDCS)

在分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，只有上、下級(jí)計(jì)算機(jī)之間才能進(jìn)行通訊，同級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通信，必須通過上級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行。當(dāng)同級(jí)計(jì)算機(jī)通訊很頻繁時(shí)，這種分級(jí)控制顯得不方便，因而要采用其他結(jié)構(gòu)形式。另外，由于現(xiàn)代生產(chǎn)規(guī)模日趨龐大，同一公司的各個(gè)工廠在地區(qū)上比較分散，工藝過程愈趨復(fù)雜，工藝流程前后工序相互關(guān)聯(lián)與制約更加緊密，物料平衡和熱量平衡相互依賴，能源得以充分利用。與此同時(shí)，為連續(xù)、安全、平穩(wěn)生產(chǎn)，增加產(chǎn)量，提高質(zhì)量，相應(yīng)地對(duì)過程信息與控制管理提出了更高要求，也要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有更多的結(jié)構(gòu)形式滿足各種不同的需要。計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，提供了實(shí)現(xiàn)的可能性，因而構(gòu)成了多級(jí)計(jì)算機(jī)分布控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

多級(jí)計(jì)算機(jī)分布控制系統(tǒng)又稱集散控制系統(tǒng)DCS。這種系統(tǒng)是根據(jù)分級(jí)設(shè)計(jì)的基本思想，實(shí)現(xiàn)功能上分離，位置上分散，達(dá)到以“分散控制為主，集中管理為輔”。自1975年以來，這種新型的控制系統(tǒng)的硬件和軟件功能不斷完善和強(qiáng)化，已經(jīng)經(jīng)歷了三代，但從它們的基本結(jié)構(gòu)來看，具有相同的特性，可分解為三大基本部分。如圖1-9所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

過程控制站

操作站

通信系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

過程控制站是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程間的界面，生產(chǎn)過程的各種過程變量或狀態(tài)信息通過過程控制站轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而操作的各種信息也通過過程控制站送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在過程控制裝置內(nèi)，進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，完成各種控制算法的運(yùn)算，以及對(duì)輸入與輸出量的數(shù)據(jù)處理等運(yùn)算。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

①

過程控制站②

操作站操作站是操作人員與集散控制系統(tǒng)的界面，操作人員通過操作站了解生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀況，并通過它發(fā)出操作指令。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)集中在操作站上顯示，以便于操作人員監(jiān)視和操作。

③

通信系統(tǒng)過程控制站與操作站之間完成數(shù)據(jù)之間的傳遞和交換的橋梁，是通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)常采用總線型、環(huán)形等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同的裝置有不同的要求。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

集散控制系統(tǒng)的主要特性是它的集中管理和分散控制。而且，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使集散控制系統(tǒng)向著集成管理方向和開放系統(tǒng)發(fā)展。系統(tǒng)的開放不僅使不同制造廠商的集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品可以互相連接，而且使得它們可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換；系統(tǒng)的開放也使第三方的軟件可以在現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)上應(yīng)用。因此，集散控制系統(tǒng)早已在原有的概念上有了新的含義。我國(guó)引進(jìn)的不同型號(hào)集散控制系統(tǒng)的數(shù)量已多達(dá)幾百套，國(guó)產(chǎn)化的集散控制系統(tǒng)已遍及石油、化工、鋼鐵、煉油、電力、建材、化纖、食品、制藥等的工業(yè)控制領(lǐng)域。越來越多的儀表和控制工程師已經(jīng)認(rèn)識(shí)到集散控制系統(tǒng)必將成為工業(yè)自動(dòng)控制的主流，在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)或計(jì)算機(jī)集成作業(yè)系統(tǒng)CIPS(ComputerIntegratedProductionSystem)中，集散控制系統(tǒng)也將成為主角，發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)。Contemporary

IntegratedManufacturingSystem計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

2）

按照控制規(guī)律計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

（1）

程序和順序控制

程序控制是被控變量按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控變量是時(shí)間的函數(shù)。如單晶爐的溫度控制。順序控制可以看作是程序控制的擴(kuò)展，在各個(gè)時(shí)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(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的判斷。（2）

比例積分微分控制（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是目前應(yīng)用最廣泛的控制技術(shù)之一。PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，因此無論是模擬調(diào)節(jié)器還是數(shù)字調(diào)節(jié)器80%以上使用PID調(diào)節(jié)器。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

（3）

有限拍控制有限拍控制的性能指標(biāo)是調(diào)節(jié)時(shí)間最短，要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。（4）

復(fù)雜規(guī)律的控制實(shí)際生產(chǎn)過程中控制系統(tǒng)除給定值的輸入外，還存在大量的隨機(jī)干擾。另外，性能指標(biāo)的提法還包括能耗最小、產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好等綜合指標(biāo)。對(duì)于存在隨機(jī)干擾、純滯后對(duì)象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅使用PID控制難以達(dá)到滿意效果，因此可以采用復(fù)雜規(guī)律的控制。如：串級(jí)控制、前饋控制，純滯后補(bǔ)償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

（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。智能控制理論可以看作是三個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或匯合，三個(gè)理論領(lǐng)域是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制論。智能控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大系統(tǒng)，是綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)。模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)被稱為是智能控制的重要手段。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

3）

按照控制方法分類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以分為開環(huán)和閉環(huán)控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成：控制對(duì)象（簡(jiǎn)稱對(duì)象或過程）、執(zhí)行器、測(cè)量環(huán)節(jié)和數(shù)字調(diào)節(jié)器等組成。

1.2.1控制對(duì)象控制對(duì)象即所要控制的裝置或設(shè)備。控制對(duì)象用傳遞函數(shù)來表示時(shí)，其特征可以用放大系數(shù)K、慣性時(shí)間常數(shù)Tm、積分時(shí)間常數(shù)Ti和純滯后時(shí)間來描述。控制對(duì)象的傳遞函數(shù)可以概括歸納為如下幾類。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

放大環(huán)節(jié)

慣性環(huán)節(jié)

積分環(huán)節(jié)

純滯后環(huán)節(jié)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

實(shí)際對(duì)象可能是放大環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)的串聯(lián)也可以是放大環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)與純滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)還可能是放大環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)與純滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

控制對(duì)象經(jīng)常受到n（t）的擾動(dòng)，為了分析方便，可以把對(duì)象特性分解為控制通道和擾動(dòng)通道，如圖示。擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性同樣可以用放大系數(shù)K、慣性時(shí)間常數(shù)Tm、積分時(shí)間常數(shù)Ti和純滯后時(shí)間來描述。控制對(duì)象的特性也可以按照輸入、輸出的個(gè)數(shù)分類。當(dāng)對(duì)象只有一個(gè)輸入一個(gè)輸出稱為SISO，多個(gè)輸入一個(gè)輸出稱為MISO，多個(gè)輸入多個(gè)輸出稱為MIMO。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.2.2執(zhí)行器

執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中的重要部件，執(zhí)行器是根據(jù)調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，改變輸出的角位移或直線位移，并通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定的要求。執(zhí)行器一般可分為電動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器、液壓執(zhí)行器三大類。電動(dòng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)有4~20mA或

0~10V，氣動(dòng)執(zhí)行器輸入信號(hào)1.96~9.8N/cm2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.2.3測(cè)量環(huán)節(jié)

測(cè)量環(huán)節(jié)通常由傳感器和測(cè)量線路組成，將被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成某種形式的信號(hào)。常用的傳感器有：溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器等。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.2.4數(shù)字調(diào)節(jié)器與輸入輸出通道

數(shù)字調(diào)節(jié)器是以數(shù)字計(jì)算機(jī)為核心，數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律則是編寫的計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。輸入通道包括多路開關(guān)、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器。輸出通道包括D/A轉(zhuǎn)換器及保持器。Shannon采樣定理采樣定理給出了從采樣的離散信號(hào)恢復(fù)到原來連續(xù)信號(hào)所必須的最低頻率，是分析和設(shè)計(jì)離散系統(tǒng)的重要的定理。采樣角頻率，采樣信號(hào)y*(t)才能不失真地恢復(fù)原來的連續(xù)信號(hào)y(t)。是連續(xù)信號(hào)y(t)的頻譜特性中的最高角頻率。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能與連續(xù)系統(tǒng)類似，可以用穩(wěn)定性、能控性、能觀性、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性來表征，相應(yīng)地用穩(wěn)定裕量、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)和綜合指標(biāo)來衡量一個(gè)控制系統(tǒng)的好壞或優(yōu)劣。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在給定輸入作用下，過渡過程可能有四種情況：（1）發(fā)散振蕩（不允許不穩(wěn)定）（2）等幅振蕩（不允許臨界穩(wěn)定）（3）衰減振蕩（4）非周期振蕩

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

控制系統(tǒng)的能控性、能觀性在多變量系統(tǒng)的最優(yōu)控制中是兩個(gè)重要概念，能控性、能觀性從狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的測(cè)辨能力兩方面反映了控制系統(tǒng)的兩個(gè)基本問題。

動(dòng)態(tài)指標(biāo)：（1）超調(diào)量

（2）調(diào)節(jié)時(shí)間tS

反映過渡過程時(shí)間的長(zhǎng)短y(t)≤5%ym

（3）峰值時(shí)間tP過渡過程到達(dá)第一個(gè)峰值時(shí)間

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

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)誤差來表示越小越好。綜合指標(biāo)

在現(xiàn)代控制理論中，如最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用綜合指標(biāo)來衡量一個(gè)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)最優(yōu)系統(tǒng)時(shí)，選擇不同的性能指標(biāo)，系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)等也不相同。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況來定。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.4計(jì)算機(jī)控制研究的課題

計(jì)算機(jī)控制研究的課題主要有如下幾方面：數(shù)學(xué)描述和分析方法

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，而且大多數(shù)可以近似看作線性離散系統(tǒng)，對(duì)于線性離散系統(tǒng)可以用線性差分方程來描述：式中

y(kT-iT)-----

系統(tǒng)輸出量的時(shí)間序列；

r(kT-iT)-----系統(tǒng)輸入量的時(shí)間序列；

ai，bi-----差分項(xiàng)的系數(shù)；

n------系統(tǒng)輸出的階次，即系統(tǒng)階次；

m------系統(tǒng)輸入的階次；

T------采樣周期。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

求解差分方程可以用迭代法、Z變換法和離散狀態(tài)空間法。分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)主要使用Z