计算机控制及仿真

第1章 计算机控制概述

1.1 计算机控制系统的概念

计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系;也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。

1.1.1 计算机控制基础

1.1.2 计算机控制系统的基本特点

1.1.3 计算机控制的控制过程

1.2 计算机控制系统的工作方式和组成

1.2.1 计算机控制系统的工作方式

1.2.2 计算机控制系统的组成

计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和模/数转换器这两个环节。

计算机把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。这种系统称为闭环控制系统。

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。

1.2.3 导弹计算机控制系统举例

1.2.4 计算机控制系统的控制计算机特点

1.3 计算机控制系统的分类

在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。

计算机根据控制规律进行运算，然后将结果经过过程输出通道，作用到被控对象，从而使被控变量符合要求的性能指标。与模拟系统不同之处在于，在模拟系统中，信号的传送不需要数字化;而数字系统必须先进行模数转换，输出控制信号也必须进行数模转换，然后才能驱动执行机构。因为计算机有较强的计算能力，所以控制算法的改变很方便。

由于计算机直接承担控制任务，所以要求实时性要好、可靠性高和适应性强。

这个系统根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给直接数字控制系统执行。监督计算机系统承担着高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机。

也就是DCS系统，具体请看集散控制系统的词条。

也就是FCS，是新一代分布式控制系统。该系统改进了DCS系统成本高，各厂商的产品通信标准不统一而造成不能互联的弱点。

近年来，由于现场总线的发展，智能传感器跟执行器也向数字化方向发展，用数字信号取代4-20mA模拟信号，为现场总线的应用奠定了基础。现场总线是连接工业现场仪表和控制装置之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。现场总线被称为21世纪的工业控制网络标准。

1.3.1 按功能分类

1.3.2 按控制规律分类

1.4 计算机控制系统的研究内容和基本要求

1.4.1 计算机控制系统的研究内容

1.4.2 计算机控制系统的基本要求

1.5 计算机控制系统的优越性

习题

第2章 计算机控制系统的信号

2.1 信号的转换和处理

2.1.1 采样过程及其数学描述

2.1.2 前置滤波

2.1.3 采样信号的复现

2.1.4 后置滤波

2.1.5 信号的数字化过程

2.2 过程通道的组成和功能

2.2.1 模拟量输入通道

2.2.2 模拟量输出通道

2.2.3 数字量输入通道

2.2.4 数字量输出通道

习题

第3章 数字程序控制技术

3.1 数字程序控制基础

3.1.1 闭环数字程序控制

3.1.2 开环数字程序控制

3.2 开环数值控制的基本原理

3.2.1 数值控制的基本原理

3.2.2 逐点比较法插补原理

3.2.3 用Matlab实现直线插补计算程序

3.3 步进电机的控制

3.3.1 步进电机的工作原理

3.3.2 步进电机的工作方式

3.3.3 步进电机控制系统原理

习题

第4章 计算机控制系统的经典设计及仿真

4.1 连续域-离散化设计

4.1.1 模拟化设计方法

4.1.2 离散化方法

4.1.3 连续域一离散化设计及仿真举例

4.2 数字PID控制器设计及仿真

4.2.1 模拟PID控制器及仿真

4.2.2 数字PID控制算法及仿真

4.3 对标准PID算法的改进

4.3.1 位置式PID算法的积分饱和作用及其抑制

4.3.2 抑制干扰的PID算法

4.3.3 带死区的PID控制算法

4.4 PID控制器参数选择

4.4.1 采样周期的选择

4.4.2 参数整定方法

习题

第5章 PID控制在飞行器姿态控制中的应用

5.1 导弹纵向通道姿态角控制系统组成原理

5.2 导弹弹体小扰动线性化模型

5.3 导弹飞行控制系统数学模型

5.4 导弹纵向通道阻尼回路设计

5.5 导弹纵向通道姿态角控制系统设计仿真举例

习题

第6章 计算机控制系统的离散化设计方法及仿真

6.1 z平面根轨迹设计

6.1.1 s平面和z平面之间的映射关系

6.1.2 系统动态指标和z域零极点的关系

6.1.3 z平面根轨迹的绘制法

6.1.4 计算机控制系统的根轨迹设计方法及仿真

6.2 频率域设计方法

6.2.1 w变换和w'变换

6.2.2 w'变换的特性

6.2.3 计算机控制系统的频率域设计方法及仿真

6.3 解析设计法

6.3.1 解析设计法的概念及步骤

6.3.2 最少拍系统设计原则

6.3.3 最少拍有波纹系统设计

6.3.4 最少拍无波纹系统设计

6.3.5 最少拍系统的改进设计--惯性因子法

6.3.6 复杂控制规律--纯滞后对象的控制

习题

附录 常见系统的Z变换和广义Z变换

参考文献

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