《研究生系列教材 计算机控制工程 计算机科学与技术 第2版》陈宗海，杨晓宇，汪玉洁编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《研究生系列教材 计算机控制工程 计算机科学与技术 第2版》

【作　者】陈宗海，杨晓宇，汪玉洁编

【丛书名】研究生系列教材

【页 数】 411

【出版社】 合肥：中国科学技术大学出版社 , 2021.03

【ISBN号】978-7-312-05112-8

【分 类】计算机控制-高等学校-教材

【参考文献】 陈宗海，杨晓宇，汪玉洁编. 研究生系列教材 计算机控制工程 计算机科学与技术 第2版. 合肥：中国科学技术大学出版社, 2021.03.

图书封面：

图书目录：

《研究生系列教材 计算机控制工程 计算机科学与技术 第2版》内容提要：

本书系统地介绍了计算机控制系统的相关理论、技术和应用，是作者根据多年教学和科研实践，并吸收国内外最新计算机控制技术成果撰写而成的。全书共10章，分别讨论和介绍了计算机控制系统的结构、组成，系统的描述与分析，控制器的设计与实现，控制计算机的特点，接口技术以及系统的设计与应用，计算机分布式控制系统。 本书可作为高等院校信息和工程领域的本科生或研究生教材，也可供相关科技人员参考。

《研究生系列教材 计算机控制工程 计算机科学与技术 第2版》内容试读

第1章绪论

随着计算机的发展与普及，自动控制技术在工农业生产、科学技术和国防建设等领域中已获得了广泛的应用。而且随着科学技术的进步，尤其是人工智能时代的到来，人们越来越多地用计算机来实现控制系统，因此，充分理解计算机控制系统是十分重要的。计算机控制是以自动控制理论与计算机技术为基础的，并随着计算机技术、先进控制策略、总线仪表和网络通信技术的发展而发展，其技术水平在不断提高。

本书的目的是介绍与计算机控制系统分析和设计的基本原理、基本方法，并结合面向工程实践这一最终目标，将计算机控制的基础知识、技术方法、工程实践及发展动向有机结合起来，为自动化专业学生、教学与科研人员、工程技术人员以及想进入该领域的相关人员提供全面的理论基础、技术方法和工程应用的知识准备和实践指导。

本章主要介绍计算机控制系统的一般概念、计算机控制系统的组成以及计算机控制系统的分类、研究现状及发展前景；展现计算机控制系统的完整图像，使读者对计算机控制系统的各部分有一个全面系统的初步认识。

1.1计算机控制系统的一般概念

所谓计算机控制系统是指各种各样以计算机作为主要组成部分的控制系统、针对连续过程系统的反馈控制，可以用数字计算机来实现控制器或校正网络。计算机控制系统可以用图1.1来简单描述，其中被控对象的输出y(t)是连续时间信号，A/D转换器以采样周期

T。对其进行采样并产生测量序列{y(k)}。计算机将根据某种算法处理{y(k)},进而给出控制信号序列{u(k)},再用D/A转换器将{u(k)}转换成模拟信号u(t)。可见，连续对象的计算机控制系统既含有连续时间信号，也含有采样信号（即离散时间信号），传统上把这类系统称为采样数字系统或者混合系统。

-计算机-

A/D

e(k)

算法

u(k)D/A

u(t)

过程系统

y()

图1.1计算机控制系统简图

。1

计算机控制工程○○。))●

不同类型的信号混合在一起，有时会引起麻烦，但是在大多数情况下，只描述系统在采样时刻的行为就足够了，这时我们感兴趣的仅仅是离散时间点上的信号，这类系统被称为离散时间系统。离散时间系统是用来处理数值序列的，所以描述这类系统的一种天然方法就是差分方程。正因为计算机控制系统在预先规定的离散时间点上采样数据，形成离散时间序列信号，所以我们通常应将时间序列信号变换到z域中加以分析和处理。

计算机控制系统中的控制器是由计算机的控制算法程序实现的，采集被控参数的A/D

转换器和输出参数的D/A转换器都只能是周期性工作的，因此控制系统引入计算机之后就

成为离散时间控制系统，其工作过程可以用图1.2表示。从本质上看，离散时间控制系统的工作过程可归纳为以下3个步骤：

给定值

控制器

D/A

执行机构

被控对象

A/D

检测装置

计算机

图1.2计算机控制系统工作过程示意图

(1)实时数据采集

对来自测量变送装置的被控参数的瞬时值进行检测、采样、转换并输入到计算机中。

(2)实时控制决策

对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按预先规定的控制规律进行计算，决定将要采取的控制行为。

(3)实时控制输出

根据控制决策，适时地对执行机构发出控制指令信号，以便完成相应的控制任务。计算机控制系统就是不断地重复上面3个步骤，使整个系统按一定的品质指标进行工作，并能对被控参数和设备本身出现的异常状态进行监督和及时处理。控制过程的3个步骤对计算机来说实际上只是执行算术、逻辑运算和输入输出操作。

这里的“实时”是指信号的输人、计算和输出都是在一定的时间范围内完成的，亦即计算机对输出的信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出反应或进行控制。实时

性指标取决于下列环节的延时：检测仪表延时、过程输入(A/D)延时、计算机运算延时、数据

传输(D/A)延时等。

·2

00心000000○○第1章绪论

1.2计算机控制系统的组成

模拟控制系统的典型结构可以用如图1.3所示的单位负反馈控制的框图来表示，它是由被控对象、测量环节、比较器、调节器和执行器构成的输出反馈控制系统，调节器的作用是使被控参数跟踪给定值。

给定值

调节器

执行器

对象

被控量

测量环节

图1.3典型的连续控制系统

输出反馈计算机控制系统的结构与典型的连续系统十分相似，只是调节器由数字计算机来实现。数字计算机只在特定间隔的时间点上采集、接受和处理数据。因此，针对连续被控对象，出于信号的匹配和工程实践的需要，其输入、输出两侧分别有多路开关、采样保持

器、A/D转换器、D/A转换器和保持器，以实现系统的正常工作，其结构如图1.4所示。

给定值

数字调节器

保持器

执行器

对象被控量

D/A

A/D

采样保持器

多路开关

测量环节

数字计算机

图1.4输出反馈计算机控制系统

下面就计算机控制系统的各基本组成部分作简略的介绍。

1.2.1被控对象

被控对象是指系统所要控制的设备、装置或过程。在传统的基于模型的控制系统中，当线性连续被控对象采用传递函数来表征时，其特性可以用4个量来描述，它们是：放大系数

K、惯性时间常数Tm,积分时间常数T:和纯滞后时间x。

众所周知，线性连续被控对象的传递函数就其形式而言，可以归纳为如下4类：

(1)放大环节

G(s)=K

(1.1)

(2)惯性环节

K

G(s)=(T15+1)(T2s+1)…(Ts+1d

(n=1,2,…)

(1.2)

当T1=T2=…=Tm=Tm时

·3·

计算机控制工程

机系统的总线上的。

1,模-数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)

ADC可实现模拟信号的采样、模拟数据保持及量化编码的功能，功能示意图如图1.8

所示。

采样

保持

量化编码

数字信号

图1.8ADC功能示意图

2.控制算法

一个控制用计算机可能承担多方面的任务，而执行非控制任务的机时甚至可能远超过执行控制任务所用的机时。在计算机控制系统中数字调节器的控制规律是一个算法程序，计算机通过执行算法程序来实现对被控对象的控制。在反馈控制系统中，计算机对控制信号的作用可描述为：

①对输入数字信号和反馈数字信号进行比较，求得误差(k):

②根据控制方案来加工误差信号，以得到反映控制作用大小的数字信号，其结构故如图1.9所示。

rk)+

e(k)

控制算法

u(k)

b(k)

图1.9数字调节器实现的示意图

3.数-模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)

DAC是将计算机算得的离散数字序列u(k)转换成连续模拟信号，以提供连续被控对

象所要求的控制量，它包括数字寄存器和D/A。

DAC是一种信号恢复装置，它首先将数字信号u(k)转化成离散模拟信号u'(t)(“(t)在时间上是离散的，在幅值上是连续的)，然后再利用保持器在时间上进行外推，便将u·(t)变换成模拟信号u(t)。

4.数字计算机

计算机控制系统中的数字计算机与外围设备一起，除了实现数字调节器的功能外，同时还具有显示、打印、报警、制表等功能，在某些高级的控制系统中，控制用计算机还有管理、诊断、远程通信等职能。控制用计算机系统如图1.10所示，其中：

①计算机主机是由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)等组成，它是控制系统

的核心，它根据输入通道送来的被控对象的状态参数，按照预先安排好的程序，自动进行信息处理、分析、计算，并做出相应的控制决策，然后以信息的形式通过输出通道发出控制命令，控制被控对象进行工作。

②标准外部设备主要有三类：输入设备、输出设备和外部存储器，它们根据系统功能的要求来决定配置的多少。

③输入输出通道：工业现场的被控参数往往是一些非电量（如温度、压力、流量、位移、

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···试读结束···