第1章 计算机控制系统概述
计算机控制的发展过程
- 30年代初期：分散控制→(控制分散、 管理分散)
- 30年代末期：集中控制→(控制分散、管理集中)
- 50年代末60年代初：集中控制→(控制集中、管理集中)
- 70年代:分布控制(控制分散、管理集中)
计算机控制系统的构成
计算机控制系统
- 硬件部分
- 控制计算机
- 外围设备
- 软件部分
- 系统软件
- 应用软件
1.1.1 计算机控制系统的特征与工作原理
1.结构特征
- 执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统
- 控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律
- 可同时控制多个回路
- 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。
3.控制方法特征
常用的设计方法有两种：
- 模拟调节规律离散化设计法
- 直接设计法
4.功能特征
- 以软件代替硬件
- 数据存储
- 状态、数据显示
- 管理功能
5.计算机控制系统的工作原理
计算机控制过程可归结为如下四个步骤：
⑴实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入
⑵实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为
⑶实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务
⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理
6.计算机控制系统的工作方式
(1)在线方式和离线方式
- 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式
- 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式
(2)实时
实时是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制
1.1.2 计算机控制系统的硬件组成
硬件组成
- 主机
- I/O接口
- 通用外部设备
- 检测元件与执行机构
- 操作台
1.1.3 计算机控制系统软件
按功能分类，分为系统软件和应用软件两大部分
系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。
应用软件是面向生产过程的程序，如A/D、D/A转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。
1.2 计算机控制系统的分类
- 按照控制方式分类：
开环控制闭环控制
- 按照控制规律分类：
- 程序和顺序控制、
比例积分微分控制（PID控制）、- 有限拍控制、
- 复杂规律控制、
- 智能控制等
- 按照系统的功能、工作特点分类：
- 操作指导控制系统，
- 直接数字控制系统，
- 监督计算机控制系统，
- 分布式计算机控制系统，
- 计算机集成制造系统
1.2.1 操作指导控制系统
(Operational Information System——OIS)
计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作
人来控制
1.2.2 直接数字控制系统
(Direct Digital Control system——DDC)
计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据预定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。（如计算机温度控制系统）
直接数字控制系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。
计算机自己控制
1.2.3 监督计算机控制系统
(Supervisory Computer Control——SCC)
计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程
模拟调节器或DDC计算机控制
1.2.4 集散控制系统（DCS）
1.2.5 现场总线控制系统(FCS)
现场总线
现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。
1.2.6 计算机集成制造系统(ClMS)
- 计算机集成制造系统(
CIMS，Computer Integrated Manufacturing System) - 是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术、系统工程等新技术发展的结果
- 将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，求得生产活动的最优化
1.3 计算机控制理论与新型控制策略
1.计算机控制理论
计算机控制系统理论主要包括
- 离散系统理论
- 采样系统理论
- 数字系统理论
离散系统理论
- 差分方程及
z变换理论 - 常规设计方法
- 按极点配置的设计方法
- 最优设计方法
- 系统辨识及自适应控制
采样系统理论
- 采样理论
- 连续模型及性能指标的离散化
- 性能指标函数的计算
- 采样控制系统的仿真
- 采样周期的选择
数字系统理论
数字系统理论包括：
- 离散系统和采样系统理论
- 数字信号整量化效应的研究
- 如：量化误差、非线性特性的影响等
- 数字控制器实现中的一些问题
- 如：计算延时、控制算法编程等
2.新型控制策略
在常规计算机控制中,我们总是假设已经知道了受控对象的模型,但由于实际中存在种种不确定因素,如:
- 参数变化
- 未建模动态特性
- 平衡点的变化
- 传感器噪声
- 不可预测的干扰输入
新型控制策略
- 鲁棒控制
- 预测控制
- 模糊控制
- 神经控制
- 专家控制
- 遗传算法
鲁棒控制
- 计算机控制系统中所建立的对象模型只能是实际物理系统的不精确的表示
- 鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在其他变化因素的条件下，使系统仍能保持预期的性能
- 如果
模型的变化和模型的不精确不影响系统的稳定性和其它动态性能，这样的系统我们称它为鲁棒控制系统
预测控制
- 预测控制是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略，其基本思想类似于人的思维与决策，即根据头脑中对外部世界的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从中择优予以实施。
- 三条基本原理：模型预测—滚动
优化—反馈校正
模糊控制
- 模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法
- 模糊控制是一种能够提高工业自动化能力的计算机控制技术
- 凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合都可采用模糊控制技术
神经网络控制
- 神经网络控制是一种基本上不依赖于模型的控制方法，它比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和学习功能
专家控制
- 专家控制系统是一种已广泛应用于故障诊断、各种工业过程控制和工业设计的智能控制系统
- 工程控制论与专家系统的结合形成了专家控制系统
- 黑板结构是一种强功能的专家系统结构和问题求解模型，它能够处理大量不同的、错误的和不完全的知识，以求解问题
- 注：所谓
黑板`是用来记录系统推理过程中用到的控制信息、中间假设和中间结果的数据库` .
遗传算法
- 遗传算法是一种新发展起来的优化算法，基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法
- 它将“适者生存” 的达尔文进化理论引入串结构，并且在串之间进行有组织但又随机的信息交换
- 基因任意组合所构成的串的集合
- 在控制中的应用主要是进行优化和学习，常和其它控制策略相结合
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