《计算机控制概述》课件

计算机控制概述计算机控制系统是现代工业自动化、信息化和智能化的核心技术它将计算机技术与控制技术相结合，实现对各种生产过程、设备和系统的自动控制课程导言本课程将介绍计算机控制系统的基本原理、方法和应用重点讲解计算机控制系统的结构组成、信号处理、控制算法设计以及应用实例通过学习本课程，学生将能够掌握计算机控制系统的基本理论知识和实践技能计算机控制系统的定义定义特点计算机控制系统是指利用计算与传统的模拟控制系统相比，机作为控制元件，通过对被控计算机控制系统具有更高的精对象的实时监测和分析，根据度、更强的灵活性和适应性，预先设定的控制策略，自动调以及更广泛的功能整控制变量，实现对被控对象的精确控制组成计算机控制系统通常由计算机、传感器、执行器、控制算法和通信网络等部分组成计算机控制系统的特点

1.高度自动化

2.灵活性和可重构性12计算机控制系统可以实现自计算机控制系统可以根据需动化生产和管理过程，提高要灵活调整控制策略，适应生产效率并降低人工成本不同的生产环境和控制目标，并进行系统升级和改造

3.精度和稳定性

4.智能化34计算机控制系统具有高精度通过人工智能技术，计算机和稳定性，能够实现对生产控制系统可以实现自学习、过程的精确控制，提高产品自适应和自优化，提高控制质量系统的智能化水平计算机控制系统的结构组成传感器传感器负责将物理量转换为电信号，以便计算机能够理解和处理执行机构执行机构将计算机的控制指令转换为实际的控制动作，例如电机转动或阀门开闭控制器控制器是计算机控制系统的核心，负责接收传感器数据、执行控制算法，并输出控制指令人机交互界面人机交互界面用于操作员与计算机控制系统进行交互，方便操作员设定参数、监视运行状态，以及进行故障处理信号传输与处理数据传输信号处理数字信号处理计算机控制系统中，传感器采集的数据传感器采集的信号往往需要进行预处理现代计算机控制系统通常采用数字信号需要传输到控制器，控制器的指令需要，例如滤波、放大、整形等处理技术，对信号进行数字化处理传输到执行机构和转换A/D D/A数模转换D/A数模转换将数字信号转换为模拟信号D/A转换器将数字信号转换模数转换A/D为连续变化的模拟信号模数转换将模拟信号转换为数字信号A/D转换器将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号采样和量化采样1将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，在时间轴上以固定的时间间隔对模拟信号进行取样量化2将采样后的离散信号用有限个量化级别表示，将连续的幅值转换成离散的数字量采样频率3采样频率决定了离散信号的精度，过低的采样频率会导致信息的丢失，而过高的采样频率会增加数据量数字控制算法

1.数字控制算法概述

2.常用数字控制算法12数字控制算法是将连续控制系统离散化，通过计算机进行控常用算法包括PID控制、状态反馈控制、自适应控制、模糊制控制、神经网络控制等

3.算法设计与实现

4.性能评估与优化34根据系统特性选择合适的控制算法，并将其转化为计算机程通过模拟仿真和实际实验对算法进行性能评估，并进行优化序实现控制算法PID比例控制积分控制微分控制比例控制根据偏差的大小进积分控制根据偏差的累积值微分控制根据偏差的变化率行控制，偏差越大，输出控进行控制，可以消除稳态误进行控制，可以抑制超调，制量越大比例控制可以快差，但响应速度较慢提高系统的稳定性，但对噪速响应偏差，但不能完全消声敏感除稳态误差离散控制系统的稳定性分析离散控制系统的稳定性分析对于确保系统正常运行至关重要稳定的离散控制系统能够在受到扰动或噪声影响时，保持输出信号的稳定，避免出现振荡、发散等不稳定现象分析方法包括频率响应法、根轨迹法和李雅普诺夫稳定性理论等频率响应法通过观察系统的频率特性来判断稳定性根轨迹法通过分析系统特征方程的根轨迹来确定系统稳定性李雅普诺夫稳定性理论通过构造李雅普诺夫函数来判断系统的稳定性12稳定性频率响应确保系统稳定运行分析系统频率特性34根轨迹李雅普诺夫分析特征方程的根轨迹构造李雅普诺夫函数状态空间建模状态空间建模是一种将系统描述为一组状态变量和输入变量之间的数学关系的方法这种方法可以有效地描述系统的动态特性，并为控制系统设计提供基础状态变量选择1选择合适的系统状态变量，如位置、速度、角度等状态方程建立2基于系统的物理特性建立状态变量之间的微分方程输出方程建立3描述系统输出与状态变量和输入变量的关系状态空间模型可以方便地进行系统分析和控制设计，例如，可以通过状态反馈控制来实现系统的稳定性和性能指标状态方程求解分析方法1拉普拉斯变换求解数值方法2龙格-库塔方法状态反馈控制3闭环系统稳定性状态方程是描述线性系统动态行为的数学模型求解状态方程，可以得到系统在不同时刻的状态状态方程的求解方法主要有分析方法和数值方法分析方法主要利用拉普拉斯变换，将状态方程转换为代数方程，从而求解系统的状态数值方法则利用计算机进行数值计算，例如龙格-库塔方法，可以得到系统状态的数值解状态反馈控制状态反馈控制原理状态反馈控制系统结构状态反馈控制性能优化将系统的状态变量反馈到控制器，根据状态反馈控制系统包含状态变量、控制通过设计反馈增益矩阵，可以优化系统误差信号产生控制信号，从而调节系统器、执行器、被控对象等部分的稳定性、动态性能和抗干扰能力输出观测器设计状态观测器反馈控制数据处理状态观测器用于估计系统内部状态，即观测器估计的状态值可用于反馈控制，观测器通过处理系统输入输出数据，估使状态不可直接测量提高系统性能计状态信息可控性和可观测性分析可控性可观测性可控性是指通过控制输入信号，将系统可观测性是指通过输出信号，估计或重状态从任意初始状态转移到任意期望状建系统状态的能力可观测性分析判断态的能力可控性分析判断是否可以设是否可以通过输出信号推断系统内部状计控制器，通过输入信号控制系统状态态分析方法可控性和可观测性分析可通过秩条件、特征值分析等方法进行它们是线性系统理论中的重要概念，在控制器和观测器设计中发挥关键作用离散系统的频域分析离散系统频域分析是研究离散系统在不同频率的输入信号作用下，其输出信号的特性频域分析方法可以帮助我们分析离散系统的稳定性、频率响应、带宽等性能指标常见的频域分析方法包括频率响应函数、Bode图、奈奎斯特图等离散系统的稳定性分析离散系统的稳定性分析至关重要，它决定了系统是否能够在扰动或误差的影响下保持正常运行常用的稳定性分析方法包括李雅普诺夫稳定性理论和频率响应分析方法李雅普诺夫稳定性理论频率响应分析方法基于系统状态变化的分析基于系统频率特性分析应用于非线性系统适用于线性系统数字滤波器设计滤波器类型频率响应应用领域数字滤波器可以分为有限冲激响应FIR通过设计数字滤波器的频率响应，可以数字滤波器在音频处理、图像处理、通滤波器和无限冲激响应IIR滤波器，它有效地滤除信号中的噪声和干扰，提取信系统、控制系统等领域都有广泛的应们在设计和应用上有所不同所需频率范围的信号用，提升信号质量，提高系统性能自适应控制算法环境变化模型不确定性自适应控制算法能够根据环境变对于模型不确定的系统，自适应化自动调整控制参数，以保证系控制算法可以根据实际运行数据统稳定运行例如，当系统受到在线识别系统的参数，并根据参外部干扰或参数变化时，自适应数变化调整控制器，从而提高系控制算法可以根据实时反馈信息统的控制性能进行调整，确保系统输出满足要求非线性系统优化性能自适应控制算法可以有效处理非自适应控制算法可以根据优化目线性系统，例如机器人控制、航标在线调整控制参数，以提高系空航天控制等统的性能，例如提高系统响应速度、降低系统误差等模糊控制算法模糊逻辑模糊规则模糊控制算法利用模糊逻辑处理不模糊规则使用语言描述系统行为，确定性信息例如“如果速度快，则减速”模糊推理去模糊化模糊推理引擎根据模糊规则和输入去模糊化将模糊控制信号转换为可值推导出控制输出执行的控制信号神经网络控制算法

1.自适应学习

2.非线性处理12神经网络可以从数据中学习神经网络能够处理非线性系，并根据系统变化自动调整统，克服传统控制算法在非控制参数线性系统中的局限性

3.鲁棒性强

4.广泛应用34神经网络控制系统对噪声和广泛应用于机器人、过程控扰动具有较强的鲁棒性制、飞行器等领域计算机控制系统的现场总线技术现场总线技术概述现场总线技术优势现场总线技术是现代计算机控制系统中重要的组成部分，用于•数据传输速率快连接传感器、执行器和控制器等设备•抗干扰能力强现场总线技术提高了系统效率，降低了成本，实现了数据共享•安装调试方便和分布式控制•可扩展性高•维护成本低现场总线通信协议协议标准网络层协议现场总线协议是工业自动化领域的网络层协议定义了数据在总线上的关键标准，确保不同设备之间能够传输规则，包括数据帧格式、地址互操作分配和错误检测机制应用层协议安全性应用层协议定义了特定应用领域的现场总线协议通常包含安全机制，信息交换方式，例如设备控制、数例如数据加密和访问控制，以保护据采集和远程监控网络安全工业现场总线应用实例现场总线技术应用广泛，涵盖工业自动化、过程控制、楼宇自控等领域例如，在自动化生产线中，现场总线可用于连接传感器、执行器、控制器等设备，实现数据采集、控制指令传输、实时监控等功能•数据采集•控制指令传输•实时监控计算机监控系统组成

1.数据采集与处理

2.控制单元12监控系统收集实时数据，并进行预处理和分析根据设定值和实际数据，控制单元发出控制指令，确保设备正常运行

3.人机交互界面

4.通信网络34操作人员通过界面实时监视系统运行状态，并进行参数设置连接各个子系统，实现数据传输和控制信号的传递和控制系统架构SCADA数据采集层数据采集层负责从现场设备获取实时数据，例如温度、压力、流量等数据通信层数据通信层负责将数据从采集层传输到监控层，并进行数据处理和转换监控层监控层负责对数据进行分析和处理，并提供可视化的监控界面，帮助操作员监控和控制整个系统管理层管理层负责对系统进行管理和维护，并提供数据分析和报告功能，帮助用户了解系统运行状态数据采集与监视系统数据采集监视数据采集是计算机监控系统的基础数据采集系统从现场设备数据监视系统将采集到的数据进行处理和分析，并实时显示在获取数据，并将其转换为计算机可读的格式常见的数据采集监控界面上监视系统可以对各种参数进行监控，例如温度、方式包括模拟信号数字化、数字信号采集和网络数据采集数压力、流量、电压、电流等监视系统还可提供报警功能，当据采集系统的性能直接影响着监控系统的准确性和实时性参数超出设定范围时，系统会发出警报监视系统可以通过图形界面、图表、报表等多种方式展示监控信息数据库与管理系统数据存储和管理数据可视化数据安全和备份系统监控和维护数据库系统用于存储和管理管理系统提供用户友好的界管理系统确保数据的安全性管理系统监控系统运行状况大量数据，并提供高效的检面，用于可视化数据，生成和完整性，并提供备份和恢，提供故障诊断和维护工具索和分析功能报表和进行数据分析复功能故障诊断与报警系统故障检测故障定位实时监控系统运行状态，检测根据报警信息，快速定位故障异常情况，并及时发出报警信发生的位置和原因，并提供诊号断信息故障处理安全保障提供故障处理建议，帮助操作确保系统安全运行，防止因故人员采取有效措施，解决故障障导致系统停机或造成其他损问题失计算机控制系统的应用领域工业自动化楼宇自动化广泛应用于制造业、电力、化工等领域，提用于智能建筑的控制和管理，例如空调、照高生产效率和产品质量明、安防等机器人控制航空航天机器人控制系统广泛用于工业生产、医疗、用于控制航天器、飞机等，实现自动驾驶和服务等领域飞行控制总结与展望计算机控制技术在现代工业生产中扮演着重要角色，不断发展未来，计算机控制系统将朝着更智能、更灵活、更可靠的方向发展，以满足不断变化的工业需求。