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1、计算机控制技术综述2Hefei University课程综述课程题目： 计算机控制技术 姓 名： 王从标 学 号: 0805070097 指导老师： 丁 健 完成时间： 2011.6.10 计算机控制技术课程综述1、内容介绍计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。计算机的应用促进了控制理论的发展，先进的控制理论和计算机技术相结合推动计算机控制技术不断前进。近年来，随着计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子技术、CRT显示技术、现场总线智能仪表、软件技术以及自控理论的高速发展，计算机控制的技术水

2、平大大提高，计算机控制系统的应用突飞猛进。利用计算机控制技术，人们可以对现场的各种设备进行远程监控，完成常规控制技术无法完成的任务，微型计算机控制已经被广泛地应用于军事、农业、工业、航空航天以及日常生活的各个领域。可以说，21世纪是计算机和控制技术获得重大发展的时代，大到载人航天飞船的研制成功，小到日用的家用电器，甚至计算机控制的家庭主妇机器人，到处可见计算机控制系统的应用。计算机控制技术的发展日新月异，作为现代从事工业控制和智能仪表研究、开发及使用的技术人员，必须不断学习，加快知识更新的速度，才能适应社会的需要，才能在工业控制领域里继续邀游。微型计算机控制技术是一门跨学科以及应用性、技术性、

3、综合性都很强的专业技术课程，要求具备较强的自动控制理论、微型计算机原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识。通过学习，要求掌握计算机控制系统的控制原理和分析设计方法，具备基本的设计技能，能够设计出简单的计算机控制系统。2、计算机控制系统计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟

4、信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出时数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有莫属转换器和数模转换器这两个环节。 计算机

5、把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。这种系统称为闭环控制系统。 计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。3、计算机控制系统的硬件设计技术3.1、数字量以及模拟量输入输出接口与过程通道（1）数字量输入输出接口与过程通道数字量输入通道（ DI 通道）的任务

6、-是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。信号调理电路-虽然都是数字信号，不需进行A/D 转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。（2）模拟量输入输出接口与过程通道模拟量输入信号的连接05V 的标准电压信号，A/D 转换器的输入除单极性外，也可以接成双极性。用户可通过改变外接线路来改变量程( AD574 ) 。有的A/D 转换器可以直接接入传感器的信号，如 AD670。单通道输入、多通道输入方式。两种设计方法: 采用单通道 A/D 芯片( 需在模拟量输入端加接多路开关、采样/保持器)，采用带有多路开关的 A/D 转换

7、器( 如 ADC0808 和 AD7581、ADC0816 )。数字量输出引脚的连接A/D 转换器内部未含输出锁存器。需通过锁存器或 I/O 接口与微型机相连。常用芯片 Intel 8155、8255、8243、74LS273、74LS373、8212 等。A/D 转换器内部含有数据输出锁存器可直接与微型机相连。也可以通过 I/O 接口连接, 以便增加控制功能。A/D 转换器的启动方式，转换结束信号的处理方法，参考电平的连接，A/D 转换是在 D/A 转换的基础上实现的。4、数字控制技术4.1、数字控制基础数字控制(NC)：用数字化信号对机床运动及其加工 过程进行控制的一种方法、数控系统：采用

8、数控技术的控制系统、数控设备：采用了数控系统的设备、计算机数控系统(CNC)：以计算机为核心的数控系统。4.2、逐点比较法插补原理（1）曲线分段将如图所示曲线分割成若干段，可以是直线段，也可以是曲线段，分割成了三段。把a、b、c、d四点坐标记下来并送给计算机。图形分割原则应保证线段所连的曲线与原图形误差在允许范围内。（2）插值（或插补）当给定a、b、c、d各点坐标x和y值之后，求得各坐标值间的中间值的数值计算方法称插值或插补。 直线插补：在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近。 二次曲线插补：在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近。（3）绘图或加工把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号

9、形式去控制x、y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，绘出图形或加工所要求轮廓。每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在x或y方向移动一个位置。对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用x和y表示，且总是取x=y。 5、常规及复杂控制技术5.1 数字控制器的连续化设计技术 1、概述数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行设计，然后通过某种近似将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。 2、设计问题G(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器，D(z)是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标和G(s)来

10、设计出数字控制器D(z)。数字控制器的连续化设计步骤： (1) 设计假想的连续控制器 (2) 选择采样周期 T(3) 将D(s)离散化为D(z) (4) 设计由计算机实现的控制算法 (5) 校验 控制器D(z)设计完成并求出控制算法后，需要检验其闭环特性是否符合设计要求，可采用数字仿真来验证，若满足设计要求，设计结束，否则应修改设计。 5.2 数字控制器的离散化设计技术 1、概述数字控制器的连续化设计，是立足于连续控制系统控制器的设计，然后在计算机上进行数字模拟来实现的，该方法在被控对象的特性不太清楚时，可充分利用技术成熟的连续化设计技术(如PID控制器设计技术)，并把它移植到计算机上予以实现

11、，以达到满意控制效果 由于控制任务需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法 离散化设计技术比连续化设计技术更具有一般意义，它完全是根据采样控制系统的特点进行分析和综合，并导出相应的控制规律和算法。2、设计问题Gc(s)是被控对象的连续传递函数，D(z)是数字控制器的脉冲传递函数，H(s)是零阶保持器的传递函数，T是采样周期)。5.3 串级控制技术 1、串级控制系统基本概念主调节回路要保证控制精度，主调节器一般采用PID控制器;副调节回路克服主要干扰，系统中起“粗调”作用，

12、副调节器一般采用P或PI控制器。双回路串级控制系统。串级控制系统在每个采样周期的计算顺序。采样并获得当前输出采样值；计算主回路的偏差e1(k)；计算主回路PID控制器的输出u1(k)；计算副回路的偏差e2(k)；计算副回路PID控制器的输出u2(k)。2、输出到被控对象。 串级控制系统的控制方式异步采样控制，即主回路的采样控制周期T1是副回路采样控制周期T2的整数倍。同步采样控制，即主、副回路的采样控制周期相同，但因副对象响应速度较快，故应以副回路为准。3、串级控制系统的应用目的用于抑制系统的主要干扰；用于克服对象的纯滞后 ；用于减少对象的非线性影响。6、现代控制技术建立在状态空间法基础上的一

13、种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。现代控制理论的名称是在1960年以后开始出现的，用以区别当时已经相当成熟并在后来被称为经典控制理论的那些方法。现代控制理论已在航空航天技术、军事技术、通信系统、生产过程等方面得到广泛的应用。现代控制理

14、论的某些概念和方法，还被应用于人口控制、交通管理、生态系统、经济系统等的研究中。 发展过程 现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。1958年，苏联科学家.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前,美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划,并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。1

15、9601961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论,因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。到60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。 学科内容 现代控制理论所包含的学科内容十分广泛,主要的方面有:线性系统

16、理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论。 线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆;基于抽象代数方法的代数理论,代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。 非线性系统理论 非线性系统的分析和综合理论尚不完善。研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。更一般的非线性系统理论还有待建立。从70

17、年代中期以来，由微分几何理论得出的某些方法对分析某些类型的非线性系统提供了有力的理论工具。 最优控制理论 最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础，主要研究受控系统在指定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。在最优控制理论中，用于综合最优控制系统的主要方法有极大值原理和动态规划。最优控制理论的研究范围正在不断扩大，诸如大系统的最优控制、分布参数系统的最优控制等。 随机控制理论 随机控制理论的目标是解决随机控制系统的分析和综合问题。维纳滤波理论和卡尔曼-布什滤波理论是随机控制理论的基础之一。随机控制理论的一个主要组成部分是随机最优控制，这类随机控制问题的求解有赖于动态规划的概念和方法。7、先

18、进控制技术7.1 模糊控制技术随着人类社会的发展，问题日益高度复杂，测量和计算的高精确度已走向其反面，常规的自动控制要求数据(data)是对客观事物的符号表示,是用于表示客观事物的未经加工的原始素材,如图形符号、数字、字母等。更多.数据高度准确，一旦有错可能导致整个系统失灵。而采用模糊逻辑控制，一处出点错即纠正，不会拖累全局，故系统稳定，容错性好。模糊技术，不论何种文化，技术都是异曲同工的词汇。它可以指物质，如机器、硬件或器皿，但它也可以包含更广的架构，如系统、组织方法和技巧。更多.技术运用在彩色电视机的中央微处理器中时，将会建立I2C总线控制，使电视机智能化。我们知道，在收看电视机节目时，如

19、果观看距离远且房间明亮，应强调轮廓的亮度，而在观看距离近且房间较暗的情况下，则强调细节的表现力。于是人们希望在房间亮度和观看距离等客观条件变化时，能够通过对亮度和对比度的控制来实现层次感的控制，并同时通过改变速度调制和清晰度来控制立体感。在大量的实践中，人们确认这样一种电视图像能够使观众较长时间看电视而不产生视觉疲劳，同时又有合适的对比度感。然而这其中的“亮暗”、“远近”以及“层次对比”等却是一个十分模糊的概念，这种什么样算亮、暗，什么样算远、近的模糊性质，是以往的精确控制无能为力的，对比，模糊控制技术，不论何种文化，技术都是异曲同工的词汇。它可以指物质，如机器、硬件或器皿，但它也可以包含更广

20、的架构，如系统、组织方法和技巧。更多.技术却可以使你满意。但这是非常高的现代科学技术。8、计算机控制系统软件设计8.1 程序设计技术软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合；程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材料。 8.2 测量数据预处理技术在主要的处理以前对数据进行的一些处理。如对大部分地球物理面积性观测数据在进行转换或增强处理之前，首先将不规则分布的测网经过插值转换为规则网的处理，以利于计算机的运算。另外，对于一些剖面测量数据，如地震资料预处理有垂直叠加、重

21、排、加道头、编辑、重新取样、多路编辑等。8.3 数字控制器的工程实现最少拍控制器是基于准确的被控对象而建立的一种控制算法。为了解决最少拍控制系统实验教学环节中控制器算法与被控对象传输函数难以匹配而导致输出波形不理想的问题。文章针对一阶惯性积分系统的实验电路,验证了最少拍控制器的优点,并提出了一种实验方法,利用MATLAB仿真平台,提出了一种新的仿真思路,该仿真电路不仅实现了系统参数的匹配,提高系统快速响应性;而且把仿真电路与实际实验电路结合起来,实现了近似模拟实际实验电路,完成了实际实验电路的测试指标,仿真结果比实际实验电路输出结果更贴近理论计算结果,提高了实验数据的可读性,这就更易于初学者学

22、习掌握最少拍控制系统在实际系统中的应用,因而,这种仿真思路具有较高的参考价值。8.4 系统的有限字长数值问题数的定标：在进行数字系统设计时，无法将小数直接表示出来，因此需要指定小数点的位置。有2中方法：Qx表示法和Sm.n表示法。以8为数D7:0为例Qx中x的值表示在8位数中小数位有x位，整数位有8-x位，决定了所表示数的精度为2(-x)Sm.n表示在8位数中小数位有n位，整数位有m位（m+n=8）对于同样的8位数，小数点位置不同所表示的十进制数不同，因此表示的精度和范围就不同。当x越大精度越高，表示的范围越小。可见，数值范围和精度是互相矛盾的。数的2进制表示方法，所以任何一个数值都是用有限字

23、长的2进制数表示的，也就是说数值的表示精度和动态范围不会是无限大，所以在FPGA设计时需要考虑有限字长的影响。主要有3方面的误差：输入量化误差，系数量化误差，运算量化误差。FPGA器件的字长可以根据需要任意指定，字长越长，量化误差越小，但同时占用的片内资源越多，编译、仿真时间和系统成本也因之上升。8.5 软件抗干扰技术与干扰相关的几个概念：干扰：是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。干扰源：产生干扰信号的原因干扰对象：干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。 软件陷

24、阱：软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导引导指令（看作一个陷阱），程序正常运行，不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序段进行出错处理和程序恢复。9、分布式测控网络技术9.1 分布式控制系统(DCS)1、DCS在上世纪80年代甚至90年代还是技术含量高、应用相对复杂、价格也相当昂贵的工业控制系统。随着应用的普及，大家对信息技术的理解，DCS已经走出高贵的神秘塔，变成大家熟悉的、价格合理的常规控制产品。2、DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。过去的DCS 厂商基本上是以自主

25、开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的DCS 厂商更强调的系统集成性和方案能力，DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（采集发送器）、FCS、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。此外，各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。3、自20世纪80年代末以来，有几种现场总线技术已经逐渐发展成熟，并在一些特定的应用领域显示了影响力和优势，它们是可寻址远程变换器数据链路HART(Highway Addressable Remote Transducer)、

26、控制器局部网CAN(Controller Area Network)、局部操作网络LON(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(Process Fieldbus)和基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)，这些现场总线各具特色，对于现场总线技术的发展发挥着重要作用。9.2 现场总线控制系统1、现场总线控制系统的基本概念 访问方法 （Media Access）- 指在总线上通讯的权利。有三种主要的类型 ：（1）CD- 冲突监测（collision detection）- 所有的发送器必须同时是接收器。（2）BA- 逐位仲裁（Bitwi

27、se arbitration）-地址最低的节点，优先级最高，享有继续通讯的权力，而另一个节点则停止通讯。DeviceNet采用这种访问方法。2、现场总线控制系统的应用 现场总线技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线协议主要包括PROFIBUS、DeviceNet、Foundation、Fieldbus、Interbus_S 等。 在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的汽车生产线和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总

28、线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。10、计算机控制系统设计与实现10.1 系统设计的原则与步骤计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题 进行计算机控制系统的工程设计，不仅要掌握生产过程的工艺要求、被控对象的动态和静态特性，还要熟悉检测、计算机、通信、自动控制、微电子等技术。计算机控制系统的理论设计包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适

29、宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。1、原则：操作性能好，维护与维修方便；通用性好，便于扩展；可靠性高；实时性好，适应性强；经济效益好。2、步骤：确定任务阶段；工程设计阶段；离线仿真和调试阶段；在线调试和投运阶段。10.2 系统的工程设计与实现1、设计原则：对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但控制系统的设计原则是相同的。这就是满足工艺要求，可靠性高，操作性能好，实时性强，通用性好，经济效益高。2、实现介绍：作为一个计算机控制系统的工程项目，在设计研制过程中应经过哪些步骤，这是需要认真考虑的。如果步骤不清，或者每一步需要做什么不明确，就有可能引起研制过程中的混乱甚至返工。计算机控制系统的研制过程一般可分为4个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真及调试阶段和现场调试运行阶段。 参考文献：【1】 于海生 编著计算机控制技术；【2】 王孝武 编著现代控制理论等;