微机计算机控制技术 第 14讲
在经典控制理论中，用传递函数模型来设计和
分析单输入单输出系统，但传递函数模型只能反
映初系统的输出变量和输入变量之间的关系，而
不能了解到系统内部的变化情况。在现代理论中，
用状态控件模型来设计和分析多输入多输出系统，
便于计算机求解，同时也为多变量系统的分析研
究提供了有力的工具。
第五章 现代控制技术
5.1 采用状态空间的输出反馈设计法
设线性定常系统被控对象的连续状态方程为
其中,x(t)是 n维状态向量；
u(t)是 r维控制向量；
y(t)是 m维输出向量；
A是 n*n维状态矩阵；
B是 n*r维控制矩阵；
C是 n*m维输出矩阵；
系统的闭环结构形式如下图示。
利用状态空间表达式，设计出数字控制器
D(z)，使得多变量计算机控制系统满足所需要的
性能指标，即在控制器 D(z)的作用下，系统输出
y(t)经过 N次采样后，跟踪参考输入函数 r(t)的瞬
间响应时间为最小。
5.1.1 连续状态方程的离散化
等效离散状态方程
5.1.2 最小拍无纹波的跟踪条件
y(N)=C x(N)=r0
x (N)=0
5.1.3 输出反馈设计法的设计步骤
1.将连续状态方程进行离散化
2.求满足跟踪条件和附加条件的控制序列
u(k) 的 Z变换 U(z)。
3.求取误差序列 e(k)的 Z变换 E(z)。
4.求控制器的脉冲传递函数 D(z)。
5.2 采用状态空间的极点配置设计法
5.2.1 按极点配置设计控制规律
为了按极点配置设计控制规律，暂设控制规
律反馈的实际对象的全部状态，而不是重构状
态，如下图所示。
反馈控制规律 L满足如下方程：
|zI-F+GL|=β (z)
L具有唯一解的充分必要条件是被控对象完全能控。
5.2,2按极点配置设计状态观察器
1 预报观察器
2 现时观察器
3 降阶观察器
5.2,3按极点配置设计控制器
1 控制器的组成
2 分离性原理
3 状态反馈控制器的设计步骤
4 观察器及观察器类型选取
5.3 采用状态空间的最优化设计法
本节首先在所有状态都可用的条件下导出了
LQ问题的最优控制规律，如果全部状态是不可
测的，就必须估计他们，这可用状态观察器完
成。然后对随机扰动过程，可以求出使估计误
差的方差最小的最优估计器，它称卡尔曼滤波
器。这种估计器的结构与状态观测器相同，但
其增益矩阵 K的确定方法是不同的，而且它一
般为时变的。最后根据分离性原理来求解 LQG
问题的最优控制，并采用卡尔曼滤波器来诡计
状态。采用 LQG最优控制器的调节系统 r(k)=0
如下图所示。
5.3,1 LQ最优控制器设计
1 问题的描述
系统控制的目的按线性二次型性能指标函数
上式即为 LQ最优控制器。带 LQ最优控制
器调节系统如下所示。
2,二次型性能指标函数离散化
3,最优控制规律计算
5.3.2 状态最优估计器设计
1,连续被控系统的状态方程离散化
2,卡尔曼滤波公式的推导
3,卡尔曼滤波增益矩阵 K(k)的计算
5.3.4 跟踪系统的设计
微机计算机控制技术 第 15讲
在计算机控制系统中，除了硬件电路外，还有
软件。所谓应用软件就是面向控制系统本身的程
序，他是根据系统的具体要求，由用户自己设计
的。在进行计算机控制系统设计时，大量的工作
就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用
程序。
第六章 应用程序设计与实现技术
6.1 程序设计技术
程序设计过程见右图
6.1.1 模块化与结构化程序设计
1,模块化程序设计
自底向上模块化设计
自顶向下模块化设计
2,结构化程序设计
顺序、选择、循环
6.1.2 高级语言与汇编语言混合编程
1.汇编语言编程
程序执行速度快，要求的硬件少。
2.高级语言编程
运算能力强，编写方便。
3.高级语言和汇编语言混合编程
用高级语言编写计算，图形绘制，显示，
打印程序，用汇编语言编写时钟管理，中断管
理和输入输出程序等。
6.1.3 工业控制组态软件
1,控制组态
2,图形生成系统
3,显示组态
6.2 数据结构及其应用技术
6.2.1 基本术语
数据、数据元素、数据对象、数据结构
6.2.2 数据结构类型
1.顺序结构
（ 1）线性表：一组有序的数据元素。
（ 2）数组：线性表的推广，其中每个元素
是由一个数值和一组下标组成。
（ 3）堆栈：特殊结构的线性表，只能在一
端插入或删除。
（ 4）队列：是先进先出的表。
2.链形结构
链表由若干个节点组成，每个节点有两个域：
一个数据域，用来存放数据元素；另一个是指针
域，用来存放下一个节点的数据域首址。
3.树形结构
每个记录有四个域：记录名，数据，左指针，右
指针。把记录抽象为一个节点，则称为树形结构。
6.2.3 数据查找技术
1.顺序查找
2.折半查找
3.分块查找
4.直接查找
6.2.4 数据排序技术
1.插入排序
2.希尔排序
3.选择排序
4.快速排序
6.3 测量数据预处理技术
6.3.1系统误差的自动校准
1.全自动校准
2.人工自动校准
6.3.2 线性化处理和非线性补偿
1.铂热电阻的阻值与温度的关系
-200－ 0度,Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
0－ 850度,Rt=R0[1+At+Bt2]
2.热电偶的热电势与温度的关系
3.孔板差压与流量的关系
4.气体体积流量的非线性补偿
6.3.3 标度变换方法
1.线性变化公式
前提是参数值与 A/D转换结果之间为线性关系。
Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)/(Nmax-Nmin)+Ymin
2.公式转换法
3.其他标度变换法
如多项式插值，线性插值，查表等。
6.3.4 越限报警处理
上限报警，下限处理，上下限处理。
6.4 数字控制器的工程实现
数字控制器算法的工程实现可以分为 6个部分，如
下图所示。
6.4.1 给定值和被控量处理
6.4.2 偏差处理
计算偏差，偏差报警，输入补偿，非线性特性。
6.4.3 控制算法的实现
6.4.4 控制量出处理
1.输出补偿
2.变化率限制
3.输出保持
4.安全输出
6.4.5 自动手动切换
软自动 /软手动，控制量限幅，自动 /手动，
无平衡无扰动切换
6.5 系统的有限字长数值问题
1.量化误差来源
A/D转换的量化效应，控制规律计算中的
量化效应，控制参数的量化效应和 D/A转换的
量化效应。
2,D/A转换器的字长选择
3.运算的字长选择
6.6 软件抗干扰技术
6.6.1 数字滤波技术
通过一定的计算或判断程序减少干扰在
有用信号中的比重。实质上是一种程序滤波。
1,算术平均值法
2,中位值滤波法
3,限幅滤波法
4,惯性滤波法
6.6.2 开关量的软件抗干扰技术
1.开关量信号输入抗干扰措施
2.开关量信号输出抗干扰措施
6.6.3 指令冗余技术
多采用单字节指令，并在关键的地方人为
地插入一些单字节指令（ NOP）或将有效单字
节指令重复书写。能保证弹飞的程序迅速纳入
正轨。
6.6.4软件陷阱技术
用一条引导指令，强行将捕获的程序引向
一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出
错进行处理的程序。
在经典控制理论中，用传递函数模型来设计和
分析单输入单输出系统，但传递函数模型只能反
映初系统的输出变量和输入变量之间的关系，而
不能了解到系统内部的变化情况。在现代理论中，
用状态控件模型来设计和分析多输入多输出系统，
便于计算机求解，同时也为多变量系统的分析研
究提供了有力的工具。
第五章 现代控制技术
5.1 采用状态空间的输出反馈设计法
设线性定常系统被控对象的连续状态方程为
其中,x(t)是 n维状态向量；
u(t)是 r维控制向量；
y(t)是 m维输出向量；
A是 n*n维状态矩阵；
B是 n*r维控制矩阵；
C是 n*m维输出矩阵；
系统的闭环结构形式如下图示。
利用状态空间表达式，设计出数字控制器
D(z)，使得多变量计算机控制系统满足所需要的
性能指标，即在控制器 D(z)的作用下，系统输出
y(t)经过 N次采样后，跟踪参考输入函数 r(t)的瞬
间响应时间为最小。
5.1.1 连续状态方程的离散化
等效离散状态方程
5.1.2 最小拍无纹波的跟踪条件
y(N)=C x(N)=r0
x (N)=0
5.1.3 输出反馈设计法的设计步骤
1.将连续状态方程进行离散化
2.求满足跟踪条件和附加条件的控制序列
u(k) 的 Z变换 U(z)。
3.求取误差序列 e(k)的 Z变换 E(z)。
4.求控制器的脉冲传递函数 D(z)。
5.2 采用状态空间的极点配置设计法
5.2.1 按极点配置设计控制规律
为了按极点配置设计控制规律，暂设控制规
律反馈的实际对象的全部状态，而不是重构状
态，如下图所示。
反馈控制规律 L满足如下方程：
|zI-F+GL|=β (z)
L具有唯一解的充分必要条件是被控对象完全能控。
5.2,2按极点配置设计状态观察器
1 预报观察器
2 现时观察器
3 降阶观察器
5.2,3按极点配置设计控制器
1 控制器的组成
2 分离性原理
3 状态反馈控制器的设计步骤
4 观察器及观察器类型选取
5.3 采用状态空间的最优化设计法
本节首先在所有状态都可用的条件下导出了
LQ问题的最优控制规律，如果全部状态是不可
测的，就必须估计他们，这可用状态观察器完
成。然后对随机扰动过程，可以求出使估计误
差的方差最小的最优估计器，它称卡尔曼滤波
器。这种估计器的结构与状态观测器相同，但
其增益矩阵 K的确定方法是不同的，而且它一
般为时变的。最后根据分离性原理来求解 LQG
问题的最优控制，并采用卡尔曼滤波器来诡计
状态。采用 LQG最优控制器的调节系统 r(k)=0
如下图所示。
5.3,1 LQ最优控制器设计
1 问题的描述
系统控制的目的按线性二次型性能指标函数
上式即为 LQ最优控制器。带 LQ最优控制
器调节系统如下所示。
2,二次型性能指标函数离散化
3,最优控制规律计算
5.3.2 状态最优估计器设计
1,连续被控系统的状态方程离散化
2,卡尔曼滤波公式的推导
3,卡尔曼滤波增益矩阵 K(k)的计算
5.3.4 跟踪系统的设计
微机计算机控制技术 第 15讲
在计算机控制系统中，除了硬件电路外，还有
软件。所谓应用软件就是面向控制系统本身的程
序，他是根据系统的具体要求，由用户自己设计
的。在进行计算机控制系统设计时，大量的工作
就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用
程序。
第六章 应用程序设计与实现技术
6.1 程序设计技术
程序设计过程见右图
6.1.1 模块化与结构化程序设计
1,模块化程序设计
自底向上模块化设计
自顶向下模块化设计
2,结构化程序设计
顺序、选择、循环
6.1.2 高级语言与汇编语言混合编程
1.汇编语言编程
程序执行速度快，要求的硬件少。
2.高级语言编程
运算能力强，编写方便。
3.高级语言和汇编语言混合编程
用高级语言编写计算，图形绘制，显示，
打印程序，用汇编语言编写时钟管理，中断管
理和输入输出程序等。
6.1.3 工业控制组态软件
1,控制组态
2,图形生成系统
3,显示组态
6.2 数据结构及其应用技术
6.2.1 基本术语
数据、数据元素、数据对象、数据结构
6.2.2 数据结构类型
1.顺序结构
（ 1）线性表：一组有序的数据元素。
（ 2）数组：线性表的推广，其中每个元素
是由一个数值和一组下标组成。
（ 3）堆栈：特殊结构的线性表，只能在一
端插入或删除。
（ 4）队列：是先进先出的表。
2.链形结构
链表由若干个节点组成，每个节点有两个域：
一个数据域，用来存放数据元素；另一个是指针
域，用来存放下一个节点的数据域首址。
3.树形结构
每个记录有四个域：记录名，数据，左指针，右
指针。把记录抽象为一个节点，则称为树形结构。
6.2.3 数据查找技术
1.顺序查找
2.折半查找
3.分块查找
4.直接查找
6.2.4 数据排序技术
1.插入排序
2.希尔排序
3.选择排序
4.快速排序
6.3 测量数据预处理技术
6.3.1系统误差的自动校准
1.全自动校准
2.人工自动校准
6.3.2 线性化处理和非线性补偿
1.铂热电阻的阻值与温度的关系
-200－ 0度,Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
0－ 850度,Rt=R0[1+At+Bt2]
2.热电偶的热电势与温度的关系
3.孔板差压与流量的关系
4.气体体积流量的非线性补偿
6.3.3 标度变换方法
1.线性变化公式
前提是参数值与 A/D转换结果之间为线性关系。
Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)/(Nmax-Nmin)+Ymin
2.公式转换法
3.其他标度变换法
如多项式插值，线性插值，查表等。
6.3.4 越限报警处理
上限报警，下限处理，上下限处理。
6.4 数字控制器的工程实现
数字控制器算法的工程实现可以分为 6个部分，如
下图所示。
6.4.1 给定值和被控量处理
6.4.2 偏差处理
计算偏差，偏差报警，输入补偿，非线性特性。
6.4.3 控制算法的实现
6.4.4 控制量出处理
1.输出补偿
2.变化率限制
3.输出保持
4.安全输出
6.4.5 自动手动切换
软自动 /软手动，控制量限幅，自动 /手动，
无平衡无扰动切换
6.5 系统的有限字长数值问题
1.量化误差来源
A/D转换的量化效应，控制规律计算中的
量化效应，控制参数的量化效应和 D/A转换的
量化效应。
2,D/A转换器的字长选择
3.运算的字长选择
6.6 软件抗干扰技术
6.6.1 数字滤波技术
通过一定的计算或判断程序减少干扰在
有用信号中的比重。实质上是一种程序滤波。
1,算术平均值法
2,中位值滤波法
3,限幅滤波法
4,惯性滤波法
6.6.2 开关量的软件抗干扰技术
1.开关量信号输入抗干扰措施
2.开关量信号输出抗干扰措施
6.6.3 指令冗余技术
多采用单字节指令，并在关键的地方人为
地插入一些单字节指令（ NOP）或将有效单字
节指令重复书写。能保证弹飞的程序迅速纳入
正轨。
6.6.4软件陷阱技术
用一条引导指令，强行将捕获的程序引向
一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出
错进行处理的程序。
