计算机控制与网络技术-复习资料

1简述几种典型计算机控制系统的原理与特点 (3)

1.1数据采集系统（DAS） (3)

1.2直接数字控制系统（DDC） (3)

1.3监督控制系统（SCC） (3)

1.4集散控制系统（DCS） (3)

1.5现场总线控制系统（FCS） (4)

1.6工业过程计算机集成制造系统（CIMS） (4)

1.7网络控制系统 (4)

2总线的概念及分类 (4)

3串行通信基础 (4)

4被控对象传函描述： (4)

4.1放大环节 (4)

4.2惯性环节 (4)

4.3积分环节 (5)

4.4纯滞后环节 (5)

4.5脉冲传递函数 (5)

5PID控制 (5)

5.1数字PID算法 (6)

5.2积分分离PID控制算法 (6)

5.3PID参数对控制性能的影响 (6)

5.4采样周期T的选取 (7)

6串级控制 (7)

7前馈-反馈控制 (8)

8数字控制器直接设计方法 (9)

8.1基本概念 (9)

8.2最少拍无差系统 (9)

8.3最少拍无纹波系统 (11)

9史密斯预估控制 (12)

10模糊控制 (12)

11现场总线的定义及特点 (12)

11.1现场总线的定义 (12)

11.2现场总线的技术特点 (12)

11.3现场总线的优点 (12)

11.4现场总线网络实现 (12)

11.5ISO OSI7层协议 (13)

12计算机控制系统设计方法 (13)

12.1测控任务确定 (13)

12.2选择系统的主机机型 (13)

12.3确定控制算法 (13)

12.4系统总体方案设计 (13)

12.5硬件设计 (14)

12.6软件设计 (14)

12.7选择工业自动化仪表 (14)

12.8系统调试 (14)

13离散系统状态空间描述的基本特征 (14)

13.1离散系统状态空间描述 (14)

13.2能达性能控性条件 (15)

1简述几种典型计算机控制系统的原理与特点

1.1数据采集系统（DAS）

数据采集系统是计算机应用于生产过程控制最早的一种类型，把需要采集的过程参数经过采样、A/D转换为数字信号送入计算机。计算机对这些输入量进行计算处理，并按需要进行显示和打印输出。

数据采集系统主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。

这种应用方式，计算机不直接参与过程控制，对生产过程不直接产生影响。

1.2直接数字控制系统（DDC）

直接数字控制系统是计算机在工业中应用最普遍的一种方式。它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数未定在给定值。

1.3监督控制系统（SCC）

计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC计算机，模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。SCC系统较DDC系统更接近生产变化的实际情况，他不仅可以进行给定值控制，而且还可以进行顺序控制、自适应控制及最优控制等。

监督控制系统系统有两种不同的结构形式：一种是SCC+模拟调节器控制系统，另一种是SCC+DDC控制系统。

1.4集散控制系统（DCS）

集散控制系统，又称分布式控制系统。它以微处理器为核心，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中地监视和操作，并实现复杂的控制和优化。DCS的设计原则是：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。结构上，由以微处理器为核心的基本数字控制器、高速数据通道、CRT操作站和监督计算机组成。

集散控制系统具有以下特点：

①控制分散，信息集中；

②系统模块化；

③数据通信能力较强；

④友好而丰富的人及接口；

⑤可靠性高。

1.5现场总线控制系统（FCS ）

1.6工业过程计算机集成制造系统（CIMS ）

1.7网络控制系统

2总线的概念及分类

就其功能来说，总线是计算机各模块间进行信息传输的通道。它包括通道控制、仲裁方法和传输方式等内容。

在计算机控制系统中，一般将总线分为内部总线（又称系统总线）和外部总线两部分。

3串行通信基础

在串行通信中，参与通信的两台或多台设备通常共享一条物理通路。发送者一次逐位发送一串数据信号，按一定的约定规则为接收者所接收。由于串行端口通常只是规定了物理层的接口规范，所以为确保每次传送的数据报文能准确到达目的地，使每一个接收者能够接收到所有发向它的数据，必须在通信连接上采取相应的措施。

①串行异步通信数据格式②连接握手③确认

④差错校验

4被控对象传函描述：

4.1放大环节

()G s K

=4.2惯性环节

12()(1)(1)(1)

n K

G s T s T s T s =

+++L ，1,2,n =L

4.3积分环节

()n

i K

G s T s =

，1,2,n =L 4.4纯滞后环节

()s

G s e τ?=4.5脉冲传递函数

零阶保持器：1()Ts

h e G s s

??=

被控对象传递函数为：()

o G s 有零阶保持器的脉冲传递函数为：()

1()[()()][]o h o G s z G z Z G s G s Z z s

?==

5PID 控制

比例调节：()p p u K e t =；比例调节作用大小，除了与偏差()e t 有关外，主要取决于比例系数p K 。p K 越大，调节作用越强，动态特性越好；反之，p K 越小，调节作用越弱。但是对于大多数惯性环节，p K 太大，会引起自激震荡。比例调节的缺点是存在静差，是有差调节。积分调节：()p i i

K u e t dt T =

∫；PI 调节既克服了单纯比例调节有静差存在的缺点，又避免了

积分调节相应慢的缺点，即静态和动态特性均得到了改善；式中i T 越大，积分速度越慢，积分左右越弱；反之，i T 越小，积分速度越快，积分作用越强。微分调节：()

d i p

de t u T K dt

=；微分调节的特点是，输出只能反应偏差输入变化的速度，而对于一个固定不变的偏差，不会起作用，因此微分作用不能消除静差，而只能在偏差刚刚出现时，差生一个很大的调节作用。

PID 调节算式：1()()[()()]p d i de t u t K e t e t dt T T dt

=+

+∫。5.1数字PID 算法

离散系统PID 算式：

(){()()[()()]}k

d

p j i

T T

u kT K e kT e jT e kT e kT T T T

==+

+

??∑或者：

()()(){[()()]()[()2()(2)]}d p i T T

u kT u kT u kT T K e kT e kT T e kT e kT e kT T e kT T T T

?=??=??+

+??+?令式中i p

i T

K K T =为积分系数，d d p T K K T

=为微分系数，()[()()]()[()2()(2)]

p i d u kT K e kT e kT T K e kT K e kT e kT T e kT T ?=??++??+?PID 数字控制器的Z 传递函数：11

()(1)1i

d d K D z K K z z

??=+

+??5.2积分分离PID 控制算法

系统中加入积分校正后，会产生过大的超调量，引入积分分离算法，既保持了积分作用，又减少了超调量。

积分分离算法要设置积分分离阈0E ，当0()e kT E <时，采用PID 控制，当0()e kT E ≥时，采用PD 控制。

10

10

()()()[()()]

1()0()k

p i d j u kT K e kT K K e jT K e kT e kT T e kT E K e kT E ==++???≤?=?

≥??∑5.3PID 参数对控制性能的影响

p K 的影响：①对动态性能：p K 加大，系统的动作灵敏速度加快，p K 偏大，振荡次数增多，

调节时间加长。p K 太大，系统会趋于不稳定。p K 太小，系统的动作缓慢。②对稳态性能：p K 加大，可以减小稳态误差ss e ，但是不能完全消除稳态误差。

i T 的影响：①对动态性能：i T 通常使系统稳定性下降。i T 太小，系统不稳定。i T 偏小，振

荡次数较多。i T 太大，对系统性能影响较小。

②对稳态性能：i T 能消除稳态误差，提高控制系统精度。但是i T 太大时，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。

d T 的影响：微分调节可以改善动态性能，如减少超调量，缩短调节时间等。d T 偏大时，超

调量p σ较大，调节时间s t 较长；d T 偏小时，超调量p σ也较大，调节时间s t 也较长。

5.4采样周期T 的选取

⑴采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信息无法反应瞬变过程。

采样频率应远大于信号变化频率，按香农定理，为了不失真的复现信号的变化，采样频率至少应为有用信号最高频率的2倍，实际常选用4~10倍。

⑵采样周期的选择应注意系统主要干扰的频谱，特别是工业电网的干扰。一般希望他们有整数倍的关系，这样对抑制在测量中出现的干扰和进行计算机数字滤波大为有益。

⑶当系统纯滞后占主导地位时，采样周期应该按之后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍。

6串级控制

1()D z 和2()D z 通常是PID 控制规律。

不管串级控制有多少级，计算的顺序总是从最外面的回路向内进行。⑴计算主回路的偏差1()e kT ：

111()()()e kT r kT y kT =?。

⑵计算主回路控制器1()D z 的输出1()u kT ：

11111110

()()()[()()]

k

p i d j u kT K e kT K e jT K e kT e kT T ==++??∑1111111111()[()()]()[()2()(2)]

p i d u kT K e kT e kT T K e kT K e kT e kT T e kT T ?=??++??+?其中

11

1i p i T

K K T =，111d d p T K K T

=；式中，1p K 为比例增益，1i K 为积分系数，1d K 为微分系数。⑶计算副回路的偏差2()e kT ：

212()()()e kT u kT y kT =?。

⑷计算副回路控制器2()D z 的输出2()u kT ：

2222222222()[()()]()[()2()(2)]

p i d u kT K e kT e kT T K e kT K e kT e kT T e kT T ?=??++??+?222()()()u kT u kT T u kT =?+?，

其中

22

2i p i T

K K T =，222d d p T K K T

=，式中，2p K 为比例增益，2i K 为积分系数，2d K 为微分系数。

7前馈-反馈控制

()n G s 是被控对象扰动通道的传函；()n D s 是前馈控制器的传函；()G s 是被控对象的传函；

扰动对输出的影响为：

()()()

()()1()()

n n D s G s G s Y s N s D s G s +=

+，

若要使前馈作用完全补偿扰动作用，则完全补偿条件为：

()()()0n n D s G s G s +=，

由此得前馈控制器的传函为：

()

()()

n n G s D s G s =?

。8数字控制器直接设计方法

8.1基本概念

系统闭环脉冲传函为：

()()

()1()()

D z G z z D z G z Φ=

+，

式中，1()[()]Ts

C e G z Z G s s

??=，

可得：

1()

()()1()

z D z G z z Φ=

?Φ。

若已知()G z ，并根据性能指标要求和其他约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数()z Φ。设计数字控制器的步骤如下：

⑴依控制系统的性能指标要求和其他约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数()z Φ；⑵根据1()

()()1()

z D z G z z Φ=

?Φ确定计算机的脉冲传递函数()D z ；

⑶根据()D z 编制控制算法的程序。

8.2最少拍无差系统

典型输入：

⑴阶跃输入()1()r t t =，其Z 变换为：

1

1

()1R z z ?=

?；

⑵等速输入()r t t =，其Z 变换为：

1

12

()(1)

Tz R z z ??=?；⑶等加速输入2

1()2

r t t =

，其Z 变换为：21113

(1)

()2(1)

T z z R z z ???+=?。最小拍误差系统中确定()z Φ的一般方法：

1

1(1)0111

()(1)()

u

m

q v i

q v i z z

b z

z z φφφ????+?+?=Φ=?+++∏L 式中，m 为广义对象的瞬变滞后；i b 为()G z 在z 平面单位圆外或者圆上的零点；u 为()G z 在z 平面单位圆外或者圆上的零点个数；v 为()G z 在z 平面单位圆外或者圆上的极点个数；

q 值典型输入函数为阶跃、等速、等加速输入时，分别为1，2，3；q v +个待定系数011,,,q v φφφ+?L 由下列q v +各方程所确定：

11

(1)11(1)1()'(1)0()(1)0

()1(1,2,,)

z q q q z j d z dz d z dz a j v =???=?Φ=?

Φ?

Φ==?????Φ?Φ==??Φ==??M L 式中，j a 为()G z 在z 平面单位圆外或圆上的非重极点。数字控制器的脉冲传函为：1()

()()1()

z D z G z z Φ=

?Φ，

由()()()Y z R z z =Φ，另外()()()Y z U z G z =，得到：

()()()

()()()

Y z R z z U z G z G z Φ=

=

。例子见李正军《计算机控制系统》P170，例6-5。

8.3最少拍无纹波系统

1设计最少拍无纹波系统的必要条件：

⑴对阶跃输入，当t NT ≥时，有()y t =常数；

⑵对速度输入，当t NT ≥时，有()y t =&常数；⑶对加速度输入，当t NT ≥时，有()y t =&&常数。

2最少拍无纹波系统中闭环脉冲传递函数()z Φ的确定方法：

⑴无纹波的必要条件是被控对象()C G s 中含有无纹波系统所必须的积分环节数；⑵满足有纹波系统的性能要求和()D z 的物理可实现的约束条件全部适用；

⑶无纹波的附加条件是，()z Φ的零点中包括()G z 在z 平面单位圆外，圆上和圆内的所有零点。

3无纹波系统的闭环脉冲传函中()z Φ必须选择为：

1

1(1)0111

()(1)()

w

m

q v i

q v i z z

b z

z z φφφ????+?+?=Φ=?+++∏L 式中，m 为广义对象()G z 的瞬变之后；q 为典型输入函数()R z 分母的1

(1)z ??因子的阶次；

i b 为()G z 所有的w 个零点；v 为()G z 在z 平面单位圆外或圆上的极点数，这些极点是12,,,v a a a L 。

待定系数011,,,q v φφφ+?L 由下列q v +个方程所确定，

(1)(1)1'(1)0(1)0()1(1,2,,)

q j a j v ??Φ=?

Φ=????Φ=??Φ==?M

L ()()()

()()()Y z R z z U z G z G z Φ=

=1()()()1()

z D z G z z Φ=

?Φ

例子见李正军《计算机控制系统》P173，例6-6。

9史密斯预估控制

大滞后系统中采用的控制方法是：按过程特性设计出一种模型加入到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性。

史密斯预估控制的特点：预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使滞后了τ的被控量超前反应到控制器，使控制器提前动作，从而明显减小超调量，加速调节过程。

10模糊控制

11现场总线的定义及特点

11.1现场总线的定义

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。

11.2现场总线的技术特点

⑴系统的开放性

⑵互可操作性和互用性

⑶现场设备的智能化与功能的自治性

⑷系统结构的高度分散性

⑸对现场环境的适应性

11.3现场总线的优点

⑴节省硬件数量与投资

⑵节省安装费用

⑶节省维护开销

⑷用户具有高度的系统集成主动权

⑸提高了系统的准确性和可靠性

11.4现场总线网络实现

大多数现场总线参考OSI7层协议标准，且大多采用其中的第1、2、7层，即，物理层，数据链路层及应用层，增加用户层。

11.5ISO OSI7层协议

⑴物理层

⑵数据链路层

⑶网络层

⑷传输层

⑸会话层

⑹表示层

⑺应用层

12计算机控制系统设计方法

12.1测控任务确定

1熟悉工艺过程和控制要求，构思控制系统的整体方案2系统是否有特殊控制要求

3计算机承担的任务

4编写设计任务书

12.2选择系统的主机机型

12.3确定控制算法

12.4系统总体方案设计

1分配软硬件功能

2选择系统总线

①内部总线选择

②外部总线选择

3选择输入输出通道模板

①模拟量输入模板

②模拟量输出模板

③数字量输入模板

④数字量输出模板

4可靠性设计

12.5硬件设计12.6软件设计

1数据采集和数据处理程序2控制算法程序3控制输出程序4实时时钟程序5数据管理程序6数据通信程序7公共服务程序

12.7选择工业自动化仪表

1传感器和变送器选取2执行器的选取

12.8系统调试

1硬件调试2软件调试3现场调试

13离散系统状态空间描述的基本特征

x

=Ax +Bu y =Cx +Du

&，0(0)=x x ，0

t ≥13.1离散系统状态空间描述

(1)()()()()()

k k k k k k +=+=+x Gx Hu y Cx Du 其中：

T e =A G ，0

T

t e dt

=∫A H B

13.2能达性能控性条件

12

(0)(1)()(0)(1)N N N N N ???????????=?

????????u u G x G x G H H H u L M 1

rank rank rank n R C n

???===?

?H W W G H GH L 13.3能观性

[]T

O rank rank n

==W C CG CG L