計(jì)算機(jī)控制及仿真

第1章 計(jì)算機(jī)控制概述

1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡(jiǎn)稱CCS)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)參與控制并借助一些輔助部件與被控對(duì)象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。這里的計(jì)算機(jī)通常指數(shù)字計(jì)算機(jī)，可以有各種規(guī)模，如從微型到大型的通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測(cè)裝置和執(zhí)行裝置等。與被控對(duì)象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系，可以是有線方式，如通過(guò)電纜的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系;也可以是無(wú)線方式，如用紅外線、微波、無(wú)線電波、光波等進(jìn)行聯(lián)系。

1.1.1 計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)

1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

1.1.3 計(jì)算機(jī)控制的控制過(guò)程

1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作方式和組成

1.2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作方式

1.2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機(jī)的輸入和輸出是數(shù)字信號(hào)，而現(xiàn)場(chǎng)采集到得信號(hào)或送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)大多是模擬信號(hào)，因此與常規(guī)的按偏差控制的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要有數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器這兩個(gè)環(huán)節(jié)。

計(jì)算機(jī)把通過(guò)測(cè)量元件、變送單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，直接反饋到輸入端與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)要求按偏差進(jìn)行運(yùn)算，所得到數(shù)字量輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。工業(yè)控制機(jī)硬件指計(jì)算機(jī)本身及外圍設(shè)備。硬件包括計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸入輸出接口、人機(jī)接口、外部存儲(chǔ)器等。軟件系統(tǒng)是能完成各種功能計(jì)算機(jī)程序的總和，通常包括系統(tǒng)軟件跟應(yīng)用軟件。

1.2.3 導(dǎo)彈計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)舉例

1.2.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)特點(diǎn)

1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

在這種應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)只承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集跟處理工作，而不直接參與控制。它對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各種工藝變量進(jìn)行巡回檢測(cè)、處理、記錄及變量的超限報(bào)警，同時(shí)對(duì)這些變量進(jìn)行累計(jì)分析和實(shí)時(shí)分析，得出各種趨勢(shì)分析，為操作人員提供參考。

計(jì)算機(jī)根據(jù)控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，然后將結(jié)果經(jīng)過(guò)過(guò)程輸出通道，作用到被控對(duì)象，從而使被控變量符合要求的性能指標(biāo)。與模擬系統(tǒng)不同之處在于，在模擬系統(tǒng)中，信號(hào)的傳送不需要數(shù)字化;而數(shù)字系統(tǒng)必須先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出控制信號(hào)也必須進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)有較強(qiáng)的計(jì)算能力，所以控制算法的改變很方便。

由于計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，所以要求實(shí)時(shí)性要好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。

這個(gè)系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的工況和已定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算，產(chǎn)生最優(yōu)化設(shè)定值，送給直接數(shù)字控制系統(tǒng)執(zhí)行。監(jiān)督計(jì)算機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)著高級(jí)控制與管理任務(wù)，要求數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大等，一般采用較高檔微機(jī)。

也就是DCS系統(tǒng)，具體請(qǐng)看集散控制系統(tǒng)的詞條。

也就是FCS，是新一代分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)改進(jìn)了DCS系統(tǒng)成本高，各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成不能互聯(lián)的弱點(diǎn)。

近年來(lái)，由于現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，智能傳感器跟執(zhí)行器也向數(shù)字化方向發(fā)展，用數(shù)字信號(hào)取代4-20mA模擬信號(hào)，為現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制裝置之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線被稱為21世紀(jì)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.1 按功能分類

1.3.2 按控制規(guī)律分類

1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容和基本要求

1.4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容

1.4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求

1.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

習(xí)題

第2章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)

2.1 信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理

2.1.1 采樣過(guò)程及其數(shù)學(xué)描述

2.1.2 前置濾波

2.1.3 采樣信號(hào)的復(fù)現(xiàn)

2.1.4 后置濾波

2.1.5 信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程

2.2 過(guò)程通道的組成和功能

2.2.1 模擬量輸入通道

2.2.2 模擬量輸出通道

2.2.3 數(shù)字量輸入通道

2.2.4 數(shù)字量輸出通道

習(xí)題

第3章 數(shù)字程序控制技術(shù)

3.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)

3.1.1 閉環(huán)數(shù)字程序控制

3.1.2 開(kāi)環(huán)數(shù)字程序控制

3.2 開(kāi)環(huán)數(shù)值控制的基本原理

3.2.1 數(shù)值控制的基本原理

3.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理

3.2.3 用Matlab實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)計(jì)算程序

3.3 步進(jìn)電機(jī)的控制

3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的工作方式

3.3.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

習(xí)題

第4章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的經(jīng)典設(shè)計(jì)及仿真

4.1 連續(xù)域-離散化設(shè)計(jì)

4.1.1 模擬化設(shè)計(jì)方法

4.1.2 離散化方法

4.1.3 連續(xù)域一離散化設(shè)計(jì)及仿真舉例

4.2 數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)及仿真

4.2.1 模擬PID控制器及仿真

4.2.2 數(shù)字PID控制算法及仿真

4.3 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)

4.3.1 位置式PID算法的積分飽和作用及其抑制

4.3.2 抑制干擾的PID算法

4.3.3 帶死區(qū)的PID控制算法

4.4 PID控制器參數(shù)選擇

4.4.1 采樣周期的選擇

4.4.2 參數(shù)整定方法

習(xí)題

第5章 PID控制在飛行器姿態(tài)控制中的應(yīng)用

5.1 導(dǎo)彈縱向通道姿態(tài)角控制系統(tǒng)組成原理

5.2 導(dǎo)彈彈體小擾動(dòng)線性化模型

5.3 導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

5.4 導(dǎo)彈縱向通道阻尼回路設(shè)計(jì)

5.5 導(dǎo)彈縱向通道姿態(tài)角控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真舉例

習(xí)題

第6章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)方法及仿真

6.1 z平面根軌跡設(shè)計(jì)

6.1.1 s平面和z平面之間的映射關(guān)系

6.1.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)和z域零極點(diǎn)的關(guān)系

6.1.3 z平面根軌跡的繪制法

6.1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的根軌跡設(shè)計(jì)方法及仿真

6.2 頻率域設(shè)計(jì)方法

6.2.1 w變換和w'變換

6.2.2 w'變換的特性

6.2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的頻率域設(shè)計(jì)方法及仿真

6.3 解析設(shè)計(jì)法

6.3.1 解析設(shè)計(jì)法的概念及步驟

6.3.2 最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

6.3.3 最少拍有波紋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.3.4 最少拍無(wú)波紋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.3.5 最少拍系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)--慣性因子法

6.3.6 復(fù)雜控制規(guī)律--純滯后對(duì)象的控制

習(xí)題

附錄 常見(jiàn)系統(tǒng)的Z變換和廣義Z變換

參考文獻(xiàn)

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