计算机控制复习.docx

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计算机控制复习

第一章

1、了解计算机控制系统发展概况

2、掌握计算机控制系统的构成

DDC计算机控制系统一般由计算机单元、输入输出通道、被控对象和人机接口组成。

若是DCS则还要加上网络

计算机所起作用：

实时接收现场送来的测量信号，按照指定的控制算法，对信号进行处理，控制运算，输出处理后实时向执行器发出控制命令，同时控制人及接口输入、输出，必要时还要通过网络与其他计算机通讯。

3、掌握计算机控制系统的分类，各类系统的特点是什么？

分类：

操作指导控制系统、DDC系统、SCC系统、分级控制系统、集散控制系统，各自的主要特点是：

P3-6

1、操作指导控制系统中计算机不直接参与控制，只监测报警，是一种开环控制，必须与人结合才能完成闭环控制。

2、DDC系统中计算机只有一台，且直接参与控制。

各个被测量顺序通过采样设备进入计算机，计算机对信号进行处理并按某种控制策略实时输出控制信号对系统进行控制。

DDC是一种闭环控制。

3、SCC系统一般分成两层，底层为DDC或模拟控制仪表，上层为监督控制计算机，系统控制稳定的工作由DDC计算机或模拟调节仪表完成，SCC计算机进行全局监控，执行高级控制和管理功能。

4、分级控制系统是按照企业行政层次进行划分的计算机协调控制。

其最大特点是控制分散、管理集中。

5、集散控制系统（DCS）是分级控制系统的一种具体体现。

也具有控制分散、管理集中的特点，并具有较高的可靠性、灵活性和可扩充性。

4、掌握控制用计算机的特点

控制用计算机的特点：

P6-7

1、较高的可靠性

2、对计算机速度有要求，要求实现实时控制。

实时控制就是要求在一定时间内对被控对象进行及时控制

3、与外部世界具有紧密联系，要采集被控信号，送出控制信号等等，扩展插槽多

4、对环境的适用性要求更强，要求适应恶劣工作环境

5、使用不同的软件配置

5、掌握计算机控制系统的特点

1、控制算法由软件实现，改变控制算法及控制结构非常容易，因而适应性强，灵活性高

2、计算机运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大容量存储能力，可以对测量数据进行智能处理，算法也可具有智能，容易实现复杂算法，因此控制精度高。

3、计算机控制系统一般具有更强大的人机接口功能，一台计算机可控制多个回路，因而功能/价格比值高。

4、使控制与管理更易结合，可实现更高层次的自动化。

5、实现自动检测和故障诊断较为方便，故提高了系统的可靠性和容错及维护能力。

6、作业

第二章它是后面章节的基础

1、了解计算机控制硬件系统的组成

2、掌握Z变换、脉冲传递函数、差分方程

3、掌握连续系统传递函数离散化方法

4、作业

第三章

1、掌握PID两种数字控制算式及其特点

位置式：

增量式：

增量式PID调节输出的是控制增量值，位置式PID调节输出的是系统控制值，因此增量式算法实现控制输出从原理上还要一个积分器（连续系统）或加法器（离散系统）。

增量式PID适应场合：

系统必须采用具有保持位置功能的执行机构，如采用步进电机作为执行机构。

增量式的优点是（P30）：

1、比较安全，一旦计算机出现故障，输出控制指令为零时，执行机构的位置（如阀门的开度）仍可保持前一步的位置，不会给被控对象带来较大的扰动。

2、增量式算法有利于手动→自动无扰切换。

因为在手动到自动切换时计算机可自动采集切换前的手动控制信号作为增量式PID上次控制输出值，然后计算新的控制值，由于控制增量计算值一般较小，故新的控制计算值与手动控制信号相差不大，比较适合手动→自动无扰切换。

3、增量式算法计算时不需进行累加，控制增量只与最近几次的采样有关，较容易通过加权处理获得较好控制效果，甚至对缓慢时变系统都有效。

2、掌握计算机控制系统采样周期选取方法

周期T的选取（P30）：

（1）采样周期T的选取首先必须满足香农定理，因而应足够小。

（2）采样周期T不能太小，因为一个计算机通常要承担许多任务，太小将显著增加计算机成本，而且，有的执行器动作较慢，响应不了快变化的控制值；同时，由于计算误差的存在，T太小不利于控制精度提高。

（3）如果系统纯滞后，纯滞后时间应尽量接近采样周期T的整数倍。

（4）如果系统存在多个回路，采样周期一般应按最小采样周期回路时间设定，同时应尽量保证采样周期是其他回路采样周期的整数倍。

采样频率通常取

主要考虑如下因素：

1、信号的最高频率

是个估计值，一般系统存在高频成分，因幅度很小而忽略。

采样频率比香农定律的2倍高一些（5倍），发生频率混叠的可能性大大降低；

2、由于采样存在量化等误差，当采样频率高一些时信号的失真会小一些（因为发生频率混叠的可能性大大降低）。

3、采样频率不能太高，否则对计算速度要求会高，这将增加成本；而且采样频率过高将导致计算次数也多，易引入不必要的计算误差。

因此不超过10倍。

3、掌握数字PID参数整定方法

扩充临界比例度法整定PID控制器参数（P31）步骤如下：

（1）根据经验或按照书上的表3-1选择采样周期T，T尽可能小一些；

（2）令

，

，由小到大取

值分别进行闭环控制，当增加到某值时系统出现临界振荡，记下

和振荡周期，分别为：

，

（3）选定控制度Q，一般很难确定，大多数假定为1到1.2之间

（4）根据控制度Q、

，

，按照书上表3-2求取T、

、

、

，

（5）检验控制效果，不满意转（3），适当加大Q，直至基本满意为止

（6）微调PID控制器参数使系统性能更好

4、掌握4种改进PID控制算法的原理、特点及适应场合

（1）带有死区的PID控制：

该算法有利于延长执行器寿命，可使执行器不频繁动作，缺点是牺牲控制精度。

适合控制过程要求尽量平稳和控制精度要求不高场合。

（2）积分分离PID控制：

当偏差较大且在一个方向时该算法有利于克服积分饱和。

适合需要克服积分饱和和这类比较缓慢的过程控制场合。

系统易出现积分饱和的主要原因是系统本身滞后或惯性较严重，同时设定值改变幅值又较大、

（3）不完全微分的PID控制：

当输入信号发生较大变化时，该算法比普通PID更有利于保证控制输出平稳，抑制高频噪声。

适合抑制高频噪声和设定值（或反馈值）变化幅值经常较大场合。

（4）微分先行的PID控制：

主要是为了避免大幅度改变设定值或反馈值时造成的振荡现象。

适合设定值或反馈值变化计算幅值需要限制场合。

P33-35

5、掌握3种复杂控制规律的原理、特点及适应场合

（1）串级控制：

从控制结构上看具有多个环，外环算出的控制值作为内环的给定值，一般内环相对外环具有更快的响应速度。

它能解决多个因素影响同一被控量问题。

串级控制的原理是将被控量作为外环反馈，影响被控量的其他因素作为内环反馈，外环控制器的输出作为内环给定输入形成串级控制，这样可以改善控制效果。

（2）前馈控制：

当扰动频繁变化且扰动能够测量情况下，附加一个扰动补偿器构成前馈通道，用于抵消扰动影响。

前馈控制一般与反馈控制相结合，前馈控制用于快速补偿大的已知扰动影响，一般的未知扰动影响还要是靠反馈控制消除。

（3）Smith预估控制：

当系统有纯滞后时，用Smith预估控制去克服纯滞后环节对系统的影响，用一个根据系统滞后预估的值去补偿反馈，使反馈超前系统输出，有利于减小系统超调和振荡。

P35-39

6、掌握PID在工程实现中由哪些模块组成及各模块主要功能

通用数字PID控制程序由六个模块组成，分别是：

（1）设定值处理完成选择设定值、对设定值变化率进行限制。

（2）被控量处理完成数字滤波、线性补偿、公式转换、越限报警处理和变化率限制功能。

（3）偏差处理完成计算偏差、偏差报警、算法非线性和输入补偿功能。

（4）PID计算计算控制输出值，必要时进行微分先行算法。

（5）控制量处理完成输出补偿、输出变化率限制、异常时输出保持和安全输出功能。

（6）自动手动切换完成自动和手动的无扰切换，对控制值进行限幅。

手动→自动无扰切换概念：

因某种原因系统用手动控制恢复正常时，如果要切换到计算机自动控制，此时不应出现计算机算出的控制信号与手动控制信号相差较大。

为什么增量式PID适合手动到自动无扰切换（P46-47）：

是当系统处于手动时，计算机可定时采集手动控制器给出的模拟信号并保存，当系统状态由手动切换到自动时，计算机设置PID上次输出值为切换前保存的手动控制器采样值，同时置误差、上次误差、本次误差为0，然后按照增量式PID进行控制计算。

由于控制增量计算值一般较小，因此新的控制计算值与手动控制信号相差不大，比较适合手动→自动无扰切换。

7、作业

1、已知某PID控制器的传递函数为

。

设采样周期T=1s，现用数字PID算法实现它。

给出其增量式PID算法：

解：

所求增量式PID算式为：

第四章

1、掌握模拟设计方法和数字设计方法的优缺点

模拟方法设计数字控制器的优点是大多数工程师对S域设计方法相对Z域要了解，有经验可用；缺点是当采样频率不很高时，模拟系统将不等价于离散系统，从而造成设计误差。

特别是控制器从模拟转换到离散方法不适当更会造成设计误差。

P55

直接数字方法设计控制器的优点是设计精确（不存在离散化问题）；缺点是对许多不了解Z域设计方法的工程师而言，该方法不直观。

因此，用模拟方法设计数字控制器时要特别注意一下两点：

1、采样周期T的选取，应适当小一些，但也不能一味地追求小

2、选择合适的设计方法很重要。

比如设计数字控制器时选择梯形规则、零极点匹配法等。

2、掌握模拟设计方法基本原理、设计步骤

计算机控制系统一般是模、数混合系统。

当采样频率足够高时，采样系统的特性接近于连续变化的模拟系统，忽略采样开关和保持器，整个系统可看成一个模拟系统，用是域的方法（即模拟系统的理论和方法）设计控制器（即校正装置）D（s），再用离散化方法将D（s）离散化得到D（z），进而得到数字控制器是可行的。

P55

模拟方法设计数字控制器的步骤（P56）如下：

（1）用常规控制系统设计方法设计连续控制器D（s）；

（2）检查插入保持器后连续系统运行情况，若不合适转

（1）；

（3）选择适当的方法将D（s）转换为D（z）；

（4）用求得的D（z）构成离散系统，分析其是否满足要求，不合适转（3）或

（1）；

（5）在数字计算机上用数字算法具体实现。

3、掌握数值积分法3种方法

例：

设

，T=1s，试用双线性变换求D（s）

解：

若要求控制算法，则还应该写成差分方程

双线性变换会发生频率特性变化，连续与离散域频率对应关系是：

这说明双线性变换将S平面频率

压缩到Z平面

，高频压缩到w

为

频率。

由于设计控制器比较关心转折频率处D（s）和D（z）的幅频特性一致，为此在双线性变换时需要把原始的D（s）预先扭曲。

算法：

1、预扭曲：

对零、极点

用

代替

，即

2、将扭曲后D（s）用双线性变换离散化，并调整增益。

4、掌握零极点匹配法

例：

设

，T=1s，试用零极点匹配法求D（z）

解：

假定设计低频控制器，则

可求出K

将K代入上式就可求出D（z），若要求控制算法则还应该写成差分方程

5、掌握2种等效保持算法

冲击不变转换就是控制器变换前后的脉冲响应相等，即

D（z）=Z变换[D（s）的Laplace反变换]

具有保持器的冲击不变转换法就是控制器变换前后的阶跃响应相等，即

D（z）=Z变换{[

]的Laplace反变换}

之所以是阶跃响应相等是因为：

6、比较各种模拟设计方法的优点和缺点

1、当采样频率超过系统带宽100倍时，各种方法无本质差别，但在采样频率较低时，从好到差排序是：

双线性变换、零极点匹配法和后向矩形算法、冲击不变法（有保持器和无保持器）。

其中零极点匹配法比较适合要求直流增益不变场合，双线性变换适合大多数场合，若要适合冲击响应则应选择等效保持算法。

2、当模拟控制器稳定时，前向矩形法不能保证数字控制器的稳定性，其他方法都能保证数字控制器的稳定性。

3、当模拟控制器不稳定时，前向矩形法有可能使数字控制器稳定，其他方法则不能。

P63

选择模拟系统设计方法得到数字控制器一般不用带保持器冲击不变保持算法而用梯形规则等方法，这是为什么呢？

由公式

获得数字控制器相当于连续控制器的阶跃响应与离散控制器的阶跃响应相同。

这样导致数字控制器对信号的适应性差（比较适合误差为阶跃的信号）。

而实际控制中，误差一般不为阶跃信号，故常采用梯形规则方法。

7、比较连续控制系统和计算机控制系统的优点和缺点

1、数字控制系统比连续控制系统优点前面已经讨论。

2、连续控制系统比数字控制系统的稳定性一般要好，这是因为：

（1）由于采用周期T的影响导致闭环系统在同样开环增益下连续系统稳定性更好一些。

一般来说，T减小，计算机控制系统稳定性将增强（T减小可使系统稳定的控制器增益k值范围增大）。

（2）不合适的设计方法会使离散系统的稳定性进一步恶化。

例如用前向矩形规则对连续控制器离散化就会导致系统不稳定或者使相应的稳定域明显缩小。

因此，计算机控制系统设计时要特别注意以下两点：

1、采样周期T的选取，应适当小一些，但也不能一味地追求小。

2、选择合适的设计方法很重要。

比如按照模拟设计方法设计数字控制器时选择梯形规则、零极点匹配法等。

8、作业

第五章

1、掌握Z平面主导极点位置及其与性能指标之间的关系。

会根据一组性能指标确定闭环极点在Z平面处于什么区域

动态特性（P72-73）图见P73图5-9

（1）从超调量来看，要求阻尼系数大于某一定值，反映在Z平面就是要求主导极点应位于如图（a）所示的阻尼系数决定的螺旋线包围区域内部。

（2）从上升时间来看，要求自然频率大于某一定值，反映在Z平面就是要求主导极点应位于如图（b）所示的自然频率决定的曲线左面。

（3）从过渡过程时间来看，要求阻尼系数乘自然频率大于某一定值，反映在Z平面就是要求主导极点应位于如图（c）所示的靠近原点的圆内。

静态特性：

1、数字控制器的分母包含适当个（z-1）因子将能保证系统跟踪典型输入信号时无稳态误差。

P90

2、为了保证系统的稳态精度，闭环主导极点应距离Z平面原点足够近。

P68

3、在Z平面中我们特别关心的闭环系统主导极点一般位于z=1位置附近。

P68

2、会计算Z域稳态（或静态）性能指标（P70-71）

Z域稳态性能指标

S域稳态性能指标

位置误差系数

速度误差系数

加速度误差系数

注意：

Z域稳态性能指标可能与T有关，也可能与T无关。

为什么？

3、掌握根轨迹法

根轨迹设计控制器方法实质上是一种试凑法（近似法）。

基本原理是在原被控对象加保持器传函基础上改变增益或增加零极点。

增加零点根轨迹将靠近该零点（因零点对根轨迹具有吸引作用），增加极点根轨迹将远离该极点（因极点对根轨迹具有排斥作用）。

P75-80

最简单的根轨迹法设计就是改变增益，其次是增加零点或极点与原被控对象加保持器传函的极点或零点相消，最后实在没有办法就增加其他零点或极点使根轨迹吸引过来或排斥出去。

开环传函：

D（z）只改变增益，不增加零极点

试算一：

试算二等等

4、掌握解析设计方法，为保证控制器可实现目标函数选取应注意什么？

解析法设计控制器时，H（z）不能任意选取，这是因为：

（1）物理可实现限制：

控制器传递函数分母阶次不能低于分子阶次。

其原因是当前控制输出值计算只能用现在及过去采样输入值，不能用未来采样输入值。

为保证这点闭环传递函数H（z）的选取必须分母与分子的阶次差大于等于开环传递函数G（z）的分母与分子的阶次差。

P86

（2）稳定性限制：

若对象传递函数包含不稳定极点（或零点），则用控制器不稳定零点（或极点）去直接抵消它将造成系统不稳定。

解决方法是适当选取闭环传递函数H（z），使H（z）包含传递函数不稳定零点，1-H（z）包含对象传递函数不稳定极点。

P87-88

（3）工程限制：

当H（z）选取使系统响应速度过快时，系统必定要求控制器非常灵敏，这种控制器将使系统在工程上不能实现。

5、重点掌握稳定性、无稳态误差最小拍、无纹波无稳态误差最小拍对系统闭环传函H（z）、1-H（z）的要求

稳定性原理：

若对象传递函数包含不稳定极点（或零点），则用控制器不稳定零点（或极点）去直接抵消它将造成系统不稳定。

解决方法是适当选取闭环传递函数H（z），使H（z）包含对象传递函数不稳定零点，1-H（z）包含对象传递函数不稳定极点。

P87-88

保证跟踪典型信号稳态误差为零：

1-H（z）中至少要包含p个

因子，p取决于要跟踪的信号。

P89

无纹波有限拍暂态过程：

H（z）应包含G（z）的零点P94

对于脉冲响应，按一般最小拍系统设计的拍数是对象传递函数G（z）分母与分子阶次之差，而按照无纹波最小拍系统设计的拍数是开环传递函数G（z）分母的阶次，因此无纹波最少拍系统与一般的最少拍系统相比是以牺牲响应速度为代价的。

P94

6、掌握大林算法，重点掌握大林振铃消除方法

大林算法中，控制器输出以1/2采样频率大幅度上下摆动的现象称为振铃现象。

产生振铃现象的原因是控制器D（z）含有靠近（-1,0）的左半平面极点，若D（z）中左半平面极点越靠近-1，则振铃现象越严重。

为了消除振铃现象，可令引起振铃的控制器分母因子中的Z=1，从而将振铃因子拿掉同时又保证控制器的阶跃稳态响应效果相同。

P96-98

振铃现象不是大林算法独有的，只要控制器极点位于左半Z平面（-1,0）附近就有，避免方法是：

1、使控制器不含左半Z平面极点，即使有也离（-1，0）距离较远

2、若控制器包含左半Z平面极点，若允许可在右半Z平面增加极点或在左半平面增加零点，降低振铃现象

7、“最少拍系统”与采样周期的关系如何？

采样周期越小是否系统响应速度越快？

“最少拍系统”方法设计的理论最少拍数与采样周期确实无关，因此从理论上讲减少采样周期将使系统响应速度越快。

但在工程上做不到是因为“最少拍系统”方法设计对控制量输出幅度没做限制。

事实上采样周期越小，被控对象离散化后传递函数增益会减小，要保证最小拍控制器增益必须增大，因此控制输出幅度将变大，而实际系统中控制值输出幅度大小是有一定限制的，因此在很小的采样周期下计算机控制工程做不到最少拍。

8、作业

例：

设T=1s，要求系统在有限拍内进入稳态，并且跟踪斜坡输入无稳态误差和纹波，试设计控制器D（z）

解：

（1）保证跟踪斜坡稳态误差为零：

中至少要包含p个

因子

（2）稳定性原则

保证

包含

不稳定性极点：

保证

包含

不稳定性零点：

（3）无纹波有限拍暂态过程（

应包含

的零点）

比较

、

、

项系数可求出

，

，

数字控制器为：

控制算法为：

第七章

1、了解DCS的发展概况，掌握DCS的特点

（1）系统开放性好，组态灵活，不同厂家产品可通过网络互相集成；

（2）底层设备面向控制层设计，控制功能强大，控制软件组态简单；

（3）上层操作站专门完成人机接口功能，人机接口功能友好，上层软件组态功能一般很强大；

（4）控制分散和关键环节的双重亢余使系统更加安全可靠；

（5）管理与控制实现了一体化；

（6）与传统控制相比布线就近解决了许多问题。

2、掌握DCS的基本组成及各部分的主要功能作用

一个典型的DCS由分散控制功能的现场控制站、高速信息通讯总线和进行集中监视、操作的操作员站、工程师站以及完成其他综合管理功能的管理计算机组成。

现场工作站的主要作用是接收现场送来的测量信号，按照指定的控制算法，对信号进行处理，控制运算，输出处理后向执行器发出控制命令，并存储数据到实时数据库和向上报告数据。

操作员站和工程师站位于上层，操作员通过通讯总线与现场控制站交换信息，操作员利用大型高分辨率CRT监视、操作和管理生产过程，有时具有更高级的控制功能。

工程师站有着比操作员站更高的管理权限，并可以对系统实施组态。

综合管理计算机的主要作用是在DCS基础上完成更高级的一些管理功能。

通讯网络是DCS的中枢，它连接DCS的检测站、控制站、操作员站、工程师站，甚至还连接更上层的综合管理计算机等部分，完成数据彼此传递，实现数据和信息共享。

3、掌握DCS组态做哪些工作

DCS组态包括硬件组态和软件组态。

DCS的硬件组态就是根据系统的规模及控制要求进行硬件选择，并用网络结构将各有关设备进行物理连接。

DCS软件组态包括硬件组网和应用软件组态

DCS应用软件组态主要包括控制功能组态、操作界面组态和数据库组态。

4、掌握现场总线、现场总线系统基本概念

现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯控制网络。

处于最底层，具有开放、统一的通信协议，可实现微机化的现场测量控制仪表或设备间的双向串行多节点数字通信。

现场总线控制系统是指以现场总线为纽带，连接分散的现场仪表或设备，使之成为可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。

5、大致了解几种典型的现场总线

当前有较大影响的现场总线标准

FF（FiledFoundation，基金会现场总线）

Profibus（ProcessFieldBus，过程现场总线）

LonWorks（LocalOperatingNetwork，局部操作网络）

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）

HART（HighwayAddressableRemoteTransducer，可寻址远程传感器数据公路）

6、作业

实验

1、对你所在小组四个实验如何准备及在实验过程中你们如何做的要能说清楚，会画四个实验的程序框图，并且给定一个算法会画程序框图和进行算法编程

初始化程序编程：

1、初始化误差变量、控制变量、设定值和控制器参数

2、按照采样周期初始化定时器中断时间间隔

控制算法编程：

实际是定时器中断服务程序，要求会编程

2、实验一要会整定PID参数（四个参数）

3、实验二要会在采样周期较大情况下对各个模拟设计方法进行比较

4、实验三应掌握最小拍系统实现原理，知道纹波及其消除方法

5、实验四应掌握大林算法基本原理，会设计大林算法，并会解决振铃现象