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计算机控制理论基础课件

目录?计算机控制系统概述?控制理论基础?计算机控制系统设计?计算机控制系统实现?计算机控制系统应用

PART01计算机控制系统概述

定义与特点定义计算机控制系统是指利用计算机实现生产过程的自动控制，即利用计算机技术对工业生产过程中的各种参数进行检测、处理、控制，并驱动执行机构进行工作的一种系统。特点高精度、高效率、高可靠性、易实现复杂的控制算法等。

计算机控制系统的组成控制部分被控对象传感器执行机构由计算机、输入输出设备、控制算法等组成，负责控制被控对象。用于检测被控对象的各种参数，并将检测结果根据控制部分发出的指令，驱动被控对象进行工作。指需要实现自动控制的工业设备或生产过程。转换为电信号或数字信号。

计算机控制系统的分据采集系统直接数字控制系统监督控制系统分散控制系统主要用于对生产过程中的各种参数进行实时采集和监控。采用计算机直接控制被控对象，实现数字化控制。通过计算机对被控对象进行监督控制，实现生产过程的优化和调度。将多个计算机控制系统连接起来，实现分散控制和集中管理。

PART02控制理论基础

开环与闭环控制系统开环控制系统开环控制系统是指系统的输出只受输入信号的控制，而不受其他反馈信号影响的系统。开环控制系统的结构相对简单，控制精度和稳定性较低。闭环控制系统闭环控制系统是指系统中存在反馈回路，系统输出信号会反馈回输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整系统输出的系统。闭环控制系统具有较高的控制精度和稳定性。

传递函数与频率响应传递函数传递函数是描述线性时不变系统动态特性的数学模型，它描述了系统对输入信号的响应过程。传递函数通常用复数形式表示，包含了系统的极点和零点信息。频率响应频率响应是描述系统对不同频率输入信号的响应特性，通常以幅频特性和相频特性来描述。频率响应是控制系统分析和设计的重要依据。

控制系统的稳定性稳定性是控制系统的重要特性之一，是指系统在受到扰动后能否恢复到原始状态的能力。如果系统受到扰动后能够逐渐恢复到原始状态，则称为稳定系统；反之，则称为不稳定系统。判断系统稳定性的方法有：劳斯判据、赫尔维茨判据、奈奎斯特判据等。

根轨迹法根轨迹法是一种通过分析系统的极点位置来研究系统动态特性的方法。根轨迹是指当系统的某个参数变化时，极点的轨迹。通过分析根轨迹，可以判断系统的稳定性、响应速度和超调量等特性。根轨迹法在控制系统分析和设计中具有广泛的应用，可以用于设计调节性能好、稳定性强的控制系统。

极点配置法极点配置法是一种通过调整系统极点的位置来优化系统性能的方法。通过合理配置系统的极点，可以使得系统的动态特性满足特定的要求，如快速跟踪、减小超调量等。极点配置法通常用于设计线性二次型最优控制器，使得系统的状态变量或输出变量的二次范数最小化。极点配置法广泛应用于现代控制系统的设计和分析中。

PART03计算机控制系统设计

数字控制器的设计数字控制器的离散化设计将连续的被控对象离散化，通过离散化模型来设计数字控制器。数字控制器的稳定性分析分析数字控制器的稳定性，确保系统在控制下能够稳定运行。数字控制器的动态性能分析分析数字控制器的动态性能，如超调量、调节时间等，以满足系统对动态性能的要求。

离散化方法差分法状态空间平均法零极点配置法通过差分方程来描述离散时间系统的动态行为，是离散化方法中最常用的一种。将连续时间状态方程离散化，通过状态空间平均法来描述离散时间系统的动态行为。通过配置离散系统的极点和零点，来设计数字控制器，使系统具有所需的动态性能。

数字PID控制器设计PID控制原理010203介绍PID控制的基本原理，包括比例、积分和微分三个部分的作用。数字PID控制器算法介绍数字PID控制器的算法实现，包括离散化后的比例、积分和微分控制作用。数字PID控制器参数整定介绍数字PID控制器参数的整定方法，如试凑法、临界比例法等。

PART04计算机控制系统实现

硬件实现控制器输入输出接口执行器与传感器人机界面作为计算机控制系统的核心，控制器负责接收输入信号，根据控制算法计算输出信号，并输出到被控对象。常见的控制器有可编程逻辑控制器（PLC）和数字信号处理器（DSP）。输入输出接口负责接收和发送信号，实现控制器与被控对象之间的数据交换。常见的输入输出接口有模拟量输入输出和数字量输入输出。执行器根据控制器的输出信号驱动被控对象，常见的执行器有电机、气缸等；传感器则负责采集被控对象的各种参数，如温度、压力、流量等。人机界面是操作员与计算机控制系统进行交互的设备，常见的有人机界面（HMI）和可编程控制器（PLC）编程软件。

软件实现控制算法数据处理控制算法是计算机控制系统的核心，常见的控制算法有PID控制、模糊控制、神经网络控制等。数据处理包括对采集到的数据进行