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控制工程基础 控制工程基础 （第十章） 清华大学 10.1 计算机控制系统的组成 10.2 线性离散系统的数学模型和分析方法 10.3 离散状态空间模型 10.4 线性离散系统的稳定性分析 10.5 计算机控制系统的模拟化设计方法 利用计算机代替常规的模拟控制器，使它成为控制系统的一个组成部分，这种有计算机参加控制的系统简称为计算机控制系统。 计算机控制系统是以自动控制理论与计算机技术为基础的，目前控制系统都在向基于计算机控制的方向发展。 计算机控制系统的控制规律是由计算机来实现的，它可以实现常规控制方法难以实现的更为复杂的控制规律，可以避免模拟电路实现的许多困难。 一、计算机控制系统的组成 计算机控制发展过程 计算机控制系统组成图 计算机内信号的处理和传递过程 计算机控制理论 ▲ 计算机控制发展过程 开创期 1955年 直接数字控制期 1962年 小型计算机控制期 1967年 微型计算机控制期 1972年 数字控制普遍应用期 1980年 集散型控制期 1990年 计算机控制系统的分类 按功能分： 操作指导控制系统，监督控制系统，直接数字控制系统(DDC)等。 按控制规律分： 程序控制，数字PID控制，有限拍控制，极点配置控制，复杂规律控制等。 按结构形式分： 集中型计算机控制系统，分散型（或分布式）计算机控制系统等。 按控制方式分：开环控制，闭环控制 ▲ 计算机控制系统的组成图 采样时刻： 把实测信号转换成数字形式 的时刻。 采样周期： 两次相邻采样之间的时间， 记作 。最常用的是周期性 采样。 表示参考输入信号（给定信号） 表示系统的反馈信号 表示偏差信号 表示控制信号 被控对象 被控对象是指所要控制的设备，实际对象可能是这几种基本环节的串联。 执行器 执行器是向控制对象提供运动力的装置，是控制系统中的重要部件。 测量环节 测量环节通常由传感器和测量电路组成，它通常将被控对象的参数转换为电的信号。 ▲ 计算机内信号的处理和传递过程 数字调节器是以计算机为核心，加上采样保持器、模-数转换器、数-模转换器及保持器组成的。其硬件结构及信息传递过程如下图所示。 采样：指每隔一定的时间间隔把连续信号抽样成采样信号的过程。 理想采样器：理想采样器是一种数学抽象。 采样示意图 乃奎斯特证明，要把正弦信号从它的采样值中复现出来，每周期至少必须采样两次。 香农（Shannon）于1949年在他的重要论文中完全解决了这个问题。这就是著名的采样定理。 香农采样定理：如果连续信号 的傅里叶变换 在 以外为零，则当采样角频率 大于 时，此信号完全可由其等周期采样点上的值所唯一确定。这时应用插值公式 乃奎斯特频率 设连续信号 的频率特性为 ，则采样信号 的频率特性 为 模-数转换器（量化过程 ） 将离散的模拟信号 转换成时间和幅值均离散的数字量 。转换的精度取决于模-数转换器的位数 。 量化单位 量化误差 数字调节器（运算过程 ） 数字调节器的控制规律由计算机程序实现。控制律可用下式描述 由控制算法决定， 是计算机按照一定的控制规律计算出的控制信号。 数-模转换器（ ） 将数字量 转换成离散模拟信号 保持：把离散模拟信号转变成模拟信号的过程。 保持器：实现保持作用的电路。保持器起外推器的作用，根据过去时刻的离散值，外推出采样点之间的数值。 零阶保持器(Zero Order Holder，缩写为ZOH)： 把 时刻的信号一直保持到 时刻前的