第1章计算机控制系统概述.doc
目录
TOC\o1-3\h\z\u第1章计算机控制系统概述1
1.1引言1
1.2计算机控制系统的根本概念2
1.2.1计算机控制系统的组成2
1.2.2计算机控制系统的应用要求3
1.2.3计算机控制系统的性能指标4
1.3计算机控制系统的通道和接口技术5
1.3.1过程通道6
1.3.2总线接口技术8
1.4模拟与数字信号之间的相互转换10
1.4.1D/A转换及其误差10
1.4.2A/D转换及其误差12
1.5计算机控制系统的理论问题14
1.5.1信号变换问题14
1.5.2对象建模与性能分析14
1.5.3控制算法设计14
1.5.4控制系统实现技术15
1.6计算机控制系统的根本类型15
本章小结20
习题与思考题21
第1章计算机控制系统概述
1.1引言
计算机控制是以控制理论与计算机技术为根底的一门新的工程科学技术,广泛应用于工业、交通、农业、军事等领域。随着控制理论和计算机技术的开展,以及工程技术人员对计算机应用技术的不断总结和创新,使得计算机控制系统的分析设计理论和方法不断得以完善和开展,成为从事自动化技术工作的科技人员必须掌握的一门专业知识。
世界第一台数字计算机诞生于1946年,从此在科学技术上引起了一场深刻的革命。20世纪50年代初产生了将数字计算机用于控制的思想,1955年美国TRW航空公司与美国一个炼油厂合作,开始进行计算机控制的研究,这一开创性工作为计算机控制奠定了根底;1962年英国的帝国化学工业公司应用计算机直接控制〔DDC〕被控过程的变量;1972年开始,微型计算机的出现和开展,推动计算机控制进入了崭新的开展阶段,并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统。20世纪80年代以后,微型处理器件的迅速开展对计算机控制产生了深远的影响,相互关联的微计算机组合、共同负担工作负荷的系统应运而生,计算机控制得到更为普及的应用,并快速向集散型、网络化的方向开展。
另一方面,控制理论也从20世纪40年代以传递函数模型为根底的古典控制理论,逐渐开展到20世纪60年代以状态空间模型为根底的现代控制理论,进而从20世纪80年代开始出现了以人工智能为根底的智能控制理论;与此同时,以最优控制、多变量控制、系统辨识及自适应控制、鲁棒控制、预测控制为代表的一系列先进控制理论和方法也得到了迅速开展,为计算机控制理论的开展创造了有利的条件。
与常规模拟控制相比,计算机参与的控制系统,也称数字控制系统,在性能得到大幅提高的同时,也产生了一系列新的根本理论和分析、设计方法。本书将从信号变换、对象建模与性能分析、控制算法设计、控制系统实现等4个方面系统讲述计算机控制系统分析和设计的根本理论和方法,其中在信号变换的工程化,控制算法的工程化,以及控制系统实现的工程化局部进行了重点阐述。
本章概要计算机控制系统的开展进程和,包括计算机控制系统的组成、特点、工业要求和常用的性能指标节介绍计算机控制系统的通道和总线接口技术;信号变换中的A/D与D/A转换原理节介绍本书涉及的计算机控制系统的理论问题;节介绍计算机控制系统的根本类型。
1.2计算机控制系统的根本概念
计算机控制系统的组成
由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统,被称为计算机控制系统。一个典型的电阻炉炉温计算机控制系统。
图1.2炉温计算机控制系统
炉温计算机控制系统工作过程如下:电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后,变成电信号〔毫伏级〕,再经变送器变成标准信号〔1-5V或4-20mA〕从现场进入控制室;经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,与计算机内部的温度给定比拟,得到偏差信号,该信号经过计算机内部的应用软件,即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量;控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制双向晶闸管对交流电压〔220V〕进行PWM调制,到达控制加热电阻两端电压的目的;电阻两端电压的上下决定了电阻加热能力的大小,从而调节炉温变化,最终到达计算机内部的给定温度。
将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统所示的计算机控制系统典型结构,其中图1.1中的A/D转换器包括图1.2中的A/D环节和采样开关。数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象组成控制的前向通道;而测量变送环节、采样开关和A/D转换环节组成控制的反应通道。
图1.2计算机控制系统典型结构
图中包括四种信号,数字信号:—给定输入,—经A/D转换后的系统输出,—由控制器计算的控制信号,—偏差信号;模拟信号:—系统输出〔被控制量〕;离散模拟信号:—经过采样开关的被控量信号〔