第一章 绪 论
?1.1 计算机控制系统概述
?1.2 计算机控制系统的类型
?1.3 计算机控制理论
?1.4 计算机控制系统应用实例
?1.5 计算机控制系统的发展
1.1 计算机控制系统概述
? 1.计算机控制系统的一般概念
? 2.计算机控制系统的组成
? 3.计算机控制系统的特点
1.计算机控制系统的一般概念
在连续控制系统框图 1.1中, 给定值与反馈值经过比较器比较产
生偏差, 控制器对偏差进行控制运算, 产生控制信号驱动执行机构 。
系统内信号通常是模拟信号 。
将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来实现,
就组成了一个典型的计算机控制系统 （ 如图 1.2） 。 在计算机控制系
统通常是模拟信号和数字信号的混杂系统 。 因此, 在系统内部, 需
要进行模拟信号和数字信号之间的相互转换 （ A/D和 D/A转换 ） 。
计算机控制系统的控制过程为数据采集及处理和实时控制 。
图 1.1 连续控制系统的典型结构 图 1.2 计算机控制系统基本框图
2.计算机控制系统的组成
? 硬件
? 计算机 过程输入、输出通道
? 外部设备 操作台
? 软件
? 系统软件 应用软件
图 1.3 计算机控制系统的组成框图
3.计算机控制系统的特点
? 模拟, 数字混合系统
? 便于修改控制规律
? 可实现复杂的控制规律
? 离散控制
? 可分时控制多个回路
? 便于实现控制与管理一体化
1.2 计算机控制系统的类型
根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的,
可将计算机控制系统分为以下几种类型 。
? 操作指导控制系统
? 直接数字控制系统
? 监督计算机控制系统
? 分级计算机控制系统
操作指导控制系统
所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控制被
控对象, 只是每隔一定时间, 计算机进行一次数据采集,
将系统的一些参数经 A/D 转换后送入计算机进行计算及
处理, 然后进行报警, 打印和显示 。 操作人员根据这些
结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构 。
图 1.4 操作指导系统结构图
直接数字控制系统
直接数字控制 （ DDC） 系统是计算机用于工业过程
控制最普遍的一种方式 。 计算机通过检测元件对一个或
多个系统参数进行巡回检测, 并经过输入通道送入计算
机 。 计算机根据规定的控制规律进行运算, 然后发出控
制信号直接去控制执行机构, 使系统的被控参数达到预
定的要求 。
图 1.5 直接数字控制系统
监督计算机控制系统
监督计算机控制 （ SCC） 结构如图 1.6所示 。 在 SCC系统中, 由
计算机按照描述生产过程的数学模型, 计算出最佳控制输出送给模
拟调节器或者 DDC计算机, 最后由模拟调节器或者 DDC计算机控制
生产过程, 从而使生产过程始终处于最佳工作状态 。
图 1.6 监督计算机控制系统
分级计算机控制系统
装置控制级（ DDC级） 工厂集中控制级
车间监督级（ SCC级） 企业管理级
图 1.7分级计算机控制系统
1.3 计算机控制理论
对计算机控制系统的分析和设计，不只是简单地推
广连续系统的理论，同时也需要一些专门理论来对它进
行研究。计算机控制系统理论主要包括离散系统理论、
采样系统理论及数字系统理论。
?离散系统理论
?采样系统理论
离散系统理论
?差分方程及 z变换理论
?常规设计方法
?极点配置设计法
?最优设计方法
?系统辩识及自适应控制
采样系统理论
采样系统理论除了包括离散系统的理论外，还包括
以下一些内容：
? 采样理论
? 连续模型及性能指标的离散化
? 采样控制系统的仿真
? 采样周期的选择
? 数字信号整量化效应的研究，如量化误差、非线
性特性的影响等
1.4 计算机控制系统应用实例
?卫星模型
?直流伺服电机模型
?工业机器人模型
卫星模型
卫星模型常应用于卫星姿态控制系统中 。 卫星常要求进行姿
态控制, 以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位 。 为
此, 需要利用推进器对三个轴进行姿态控制, 分别控制卫星的偏
离角, 倾斜角和转动角 。
图 1.9 卫星结构图
直流伺服电机模型
直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制, 即励磁绕组加恒定
励磁电压, 电枢绕组加控制电压, 当负载转矩恒定时, 电枢的控制电
压升高, 电动机的转速就升高；反之, 减小电枢控制电压, 电动机的
转速就降低；改变控制电压的极性, 电机就反转；控制电压为零, 电
机就停转, 故可实现对被控对象的机械运动的快速控制 。
图 1.10直流伺服电机结构图
工业机器人模型
工业机器人被广泛应用于工业过程控制, 成为制造业生产自动
化中非常重要的机电一体化设备 。
图 1.11工业机器人结构示意图
工业机器人模型
工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子
装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的时变要求进行移动，从
而完成某一工业生产的作业要求。
图 1.12 机械臂关节结构示意图 图 1.13 机械臂关节模型
1.5 计算机控制系统的发展
? 计算机控制系统的发展过程
? 计算机控制系统的发展趋势
计算机控制系统的发展过程
?1946年，世界上第一台电子计算机
?50年代末，计算机控制系统投入实际应用
?60年代末，小型计算机
?1972年，微型计算机，以单片机为代表
?分级计算机控制、集散控制系统、集成制造系统（ CIMS）
?基于网络的控制技术（简称网络控制）
计算机控制系统的发展趋势
? 可编程序控制器
? 集散控制系统
? 计算机集成制造系统
? 嵌入式系统
? 网络控制系统
可编程控制器
在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按规定
的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控
制的装置称为顺序控制器。随着大规模集成电路和微处
理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似
微型计算机的通用结构，把程序存储在存储器中，用软
件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的
功能，形成了可编程逻辑控制器 PLC。
集散控制系统
目前, 在过程控制领域, 集散控制系统技术已日趋
完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统 。 集散控制系统
发展初期是以实现分散控制为主, 而进入 80年代以后,
集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管理,
因其具有分散控制和综合管理两方面特征, 故称为分散
型综合控制系统, 简称为集散控制系统 。
计算机集成制造系统
计算机集成制造系统 CIMS是在自动化技术, 信息技
术及制造技术的基础上, 通过计算机及其软件, 将工厂
中的全部生产环节, 包括产品设计, 生产规划, 生产控
制, 生产设备, 生产过程等所需使用的各种分散的自动
化系统有机的集成起来, 消除, 自动化孤岛,, 实现多
品种, 中小批量生产的总体高效率, 高柔性的智能制造
系统 。
嵌入式系统
嵌入式系统 （ Embedded System） 以计算机技术为
基础, 是计算机技术, 通信技术, 半导体技术, 微电子
技术, 语音图象数据传输技术, 甚至传感器等先进技术
和 Internet网络技术与具体应用对象相结合后的产物 。
嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机嵌入到一个
具体应用对象体系中去 。
网络控制系统
网络控制 （ Internet Based Control） 系统是以网络为
媒介对被控对象实施远程遥控制, 遥操作的一种新兴的
计算机控制系统 。 网络控制技术的发展与网络技术, 计
算机应用技术, 嵌入式应用技术和控制理论与应用技术
的发展息息相关 。 网络控制已经引起了各个方面的广泛
的关注 。
?1.1 计算机控制系统概述
?1.2 计算机控制系统的类型
?1.3 计算机控制理论
?1.4 计算机控制系统应用实例
?1.5 计算机控制系统的发展
1.1 计算机控制系统概述
? 1.计算机控制系统的一般概念
? 2.计算机控制系统的组成
? 3.计算机控制系统的特点
1.计算机控制系统的一般概念
在连续控制系统框图 1.1中, 给定值与反馈值经过比较器比较产
生偏差, 控制器对偏差进行控制运算, 产生控制信号驱动执行机构 。
系统内信号通常是模拟信号 。
将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来实现,
就组成了一个典型的计算机控制系统 （ 如图 1.2） 。 在计算机控制系
统通常是模拟信号和数字信号的混杂系统 。 因此, 在系统内部, 需
要进行模拟信号和数字信号之间的相互转换 （ A/D和 D/A转换 ） 。
计算机控制系统的控制过程为数据采集及处理和实时控制 。
图 1.1 连续控制系统的典型结构 图 1.2 计算机控制系统基本框图
2.计算机控制系统的组成
? 硬件
? 计算机 过程输入、输出通道
? 外部设备 操作台
? 软件
? 系统软件 应用软件
图 1.3 计算机控制系统的组成框图
3.计算机控制系统的特点
? 模拟, 数字混合系统
? 便于修改控制规律
? 可实现复杂的控制规律
? 离散控制
? 可分时控制多个回路
? 便于实现控制与管理一体化
1.2 计算机控制系统的类型
根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的,
可将计算机控制系统分为以下几种类型 。
? 操作指导控制系统
? 直接数字控制系统
? 监督计算机控制系统
? 分级计算机控制系统
操作指导控制系统
所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控制被
控对象, 只是每隔一定时间, 计算机进行一次数据采集,
将系统的一些参数经 A/D 转换后送入计算机进行计算及
处理, 然后进行报警, 打印和显示 。 操作人员根据这些
结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构 。
图 1.4 操作指导系统结构图
直接数字控制系统
直接数字控制 （ DDC） 系统是计算机用于工业过程
控制最普遍的一种方式 。 计算机通过检测元件对一个或
多个系统参数进行巡回检测, 并经过输入通道送入计算
机 。 计算机根据规定的控制规律进行运算, 然后发出控
制信号直接去控制执行机构, 使系统的被控参数达到预
定的要求 。
图 1.5 直接数字控制系统
监督计算机控制系统
监督计算机控制 （ SCC） 结构如图 1.6所示 。 在 SCC系统中, 由
计算机按照描述生产过程的数学模型, 计算出最佳控制输出送给模
拟调节器或者 DDC计算机, 最后由模拟调节器或者 DDC计算机控制
生产过程, 从而使生产过程始终处于最佳工作状态 。
图 1.6 监督计算机控制系统
分级计算机控制系统
装置控制级（ DDC级） 工厂集中控制级
车间监督级（ SCC级） 企业管理级
图 1.7分级计算机控制系统
1.3 计算机控制理论
对计算机控制系统的分析和设计，不只是简单地推
广连续系统的理论，同时也需要一些专门理论来对它进
行研究。计算机控制系统理论主要包括离散系统理论、
采样系统理论及数字系统理论。
?离散系统理论
?采样系统理论
离散系统理论
?差分方程及 z变换理论
?常规设计方法
?极点配置设计法
?最优设计方法
?系统辩识及自适应控制
采样系统理论
采样系统理论除了包括离散系统的理论外，还包括
以下一些内容：
? 采样理论
? 连续模型及性能指标的离散化
? 采样控制系统的仿真
? 采样周期的选择
? 数字信号整量化效应的研究，如量化误差、非线
性特性的影响等
1.4 计算机控制系统应用实例
?卫星模型
?直流伺服电机模型
?工业机器人模型
卫星模型
卫星模型常应用于卫星姿态控制系统中 。 卫星常要求进行姿
态控制, 以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位 。 为
此, 需要利用推进器对三个轴进行姿态控制, 分别控制卫星的偏
离角, 倾斜角和转动角 。
图 1.9 卫星结构图
直流伺服电机模型
直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制, 即励磁绕组加恒定
励磁电压, 电枢绕组加控制电压, 当负载转矩恒定时, 电枢的控制电
压升高, 电动机的转速就升高；反之, 减小电枢控制电压, 电动机的
转速就降低；改变控制电压的极性, 电机就反转；控制电压为零, 电
机就停转, 故可实现对被控对象的机械运动的快速控制 。
图 1.10直流伺服电机结构图
工业机器人模型
工业机器人被广泛应用于工业过程控制, 成为制造业生产自动
化中非常重要的机电一体化设备 。
图 1.11工业机器人结构示意图
工业机器人模型
工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子
装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的时变要求进行移动，从
而完成某一工业生产的作业要求。
图 1.12 机械臂关节结构示意图 图 1.13 机械臂关节模型
1.5 计算机控制系统的发展
? 计算机控制系统的发展过程
? 计算机控制系统的发展趋势
计算机控制系统的发展过程
?1946年，世界上第一台电子计算机
?50年代末，计算机控制系统投入实际应用
?60年代末，小型计算机
?1972年，微型计算机，以单片机为代表
?分级计算机控制、集散控制系统、集成制造系统（ CIMS）
?基于网络的控制技术（简称网络控制）
计算机控制系统的发展趋势
? 可编程序控制器
? 集散控制系统
? 计算机集成制造系统
? 嵌入式系统
? 网络控制系统
可编程控制器
在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按规定
的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控
制的装置称为顺序控制器。随着大规模集成电路和微处
理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似
微型计算机的通用结构，把程序存储在存储器中，用软
件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的
功能，形成了可编程逻辑控制器 PLC。
集散控制系统
目前, 在过程控制领域, 集散控制系统技术已日趋
完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统 。 集散控制系统
发展初期是以实现分散控制为主, 而进入 80年代以后,
集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管理,
因其具有分散控制和综合管理两方面特征, 故称为分散
型综合控制系统, 简称为集散控制系统 。
计算机集成制造系统
计算机集成制造系统 CIMS是在自动化技术, 信息技
术及制造技术的基础上, 通过计算机及其软件, 将工厂
中的全部生产环节, 包括产品设计, 生产规划, 生产控
制, 生产设备, 生产过程等所需使用的各种分散的自动
化系统有机的集成起来, 消除, 自动化孤岛,, 实现多
品种, 中小批量生产的总体高效率, 高柔性的智能制造
系统 。
嵌入式系统
嵌入式系统 （ Embedded System） 以计算机技术为
基础, 是计算机技术, 通信技术, 半导体技术, 微电子
技术, 语音图象数据传输技术, 甚至传感器等先进技术
和 Internet网络技术与具体应用对象相结合后的产物 。
嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机嵌入到一个
具体应用对象体系中去 。
网络控制系统
网络控制 （ Internet Based Control） 系统是以网络为
媒介对被控对象实施远程遥控制, 遥操作的一种新兴的
计算机控制系统 。 网络控制技术的发展与网络技术, 计
算机应用技术, 嵌入式应用技术和控制理论与应用技术
的发展息息相关 。 网络控制已经引起了各个方面的广泛
的关注 。
