【matlab】计算机控制系统设计

本文基于中国MOOC上东北大学的《计算机控制系统设计》，完成的课程笔记，并无原创想法。

一、概述

1.1 本课程所需掌握的基础知识

• 数学基础知识（高等数学、复变函数、矩阵理论）
• 专业基础知识（自动控制原理、微机原理、实时控制网络、电力电子技术、matlab编程基础）

1.2 计算机控制系统内容简介

1.2.1 计算机控制系统的基本概念

什么是计算机控制系统？

计算机控制系统就是由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，即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。

• 计算机：指各种规模的数字计算机，如从微型到大型的通用或专用计算机。
• 控制：使事物按照一定的规律运行（变化）。
• 辅助部件：主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。
• 被控对象：包括生产过程、机械装置、机器人、实验装置、仪器仪表等。

计算机与被控对象和部件之间的联系：有线or无线，均可。 

控制的目的：使被控对象的状态或运动过程达到某种要求or达到某种最优化。

1.2.2 计算机控制系统的基本结构

1.2.3 计算机控制系统的性能指标

• 系统稳定性：当扰动作用消失后，系统恢复原平衡状态的能力。稳定性是控制系统最重要的性能指标。闭环系统极点（特征根）的位置决定了系统的稳定性。
• 稳态指标：衡量控制系统控制精度的指标，用稳态误差来表示。
• 动态指标：能够比较直观地反应控制系统的控制过程特性，即系统从初始状态到稳态之间的过程特性。包括超调量、调节时间、峰值时间、震荡次数，用的最多的是超调量和调节时间。
• 综合指标：在最优控制设计中，既要考虑到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实现。

1.2.4 计算机控制系统的基本类型

（按功能进行划分）

• 操作指导型计算机控制系统OGCS

• 直接数字控制系统DDC

• 计算机监督控制系统

（按系统结构进行划分）

• 集中式计算机控制系统ICS：具有高度集中的控制结构，安全可靠性得不到保障。

• 集散控制系统DCS

这是一个两级结构的DCS。第一级为直接控制单元，又称下位机，它直接控制被控对象完成实时控制。第二级为中央处理机，又称上位机，完成管理监控等功能，实现最优控制。

一个控制单元控制一个生产设备，“分散控制，集中管理的原则”。弱点在于，控制室和现场之间需要铺设大量电缆，施工费用高，且信号远距离传输容易受干扰。

• 总线控制系统FCS

将处于控制室的控制单元（IO模块等），直接植入到现场设备中。因此现场设备具有通信能力，实现了彻底的分散控制。

• 网络控制系统NCS

通过一个广域网，把现场的各种设备和远端的计算机有机的联系起来，实现了更大范围的分散。也就是控制对象和控制计算机之间，可以距离很远。

现阶段由于互联网的性能还不够好，所以NCS系统还处于理论的研究阶段，但NCS相关的理论和技术问题已成为计算机控制系统的研究热点。

1.3 过程通道和总线接口技术

1.3.1 计算机系统的组成

计算机控制系统的硬件组成：

1. 过程装置：包括被控对象，执行机构和测量变送装置。
2. 输入输出通道：包括过程通道和总线接口。
3. 计算机系统：包括计算机和外部设备。外部设备包括人机交互设备（如鼠标、键盘等）和通用外部设备（如显示器、打印机等）。

计算机控制系统的软件组成：

1. 系统软件：指为提高计算机使用效率和扩大功能、为用户使用和维护计算机提供方便的程序的总称，一般包括操作系统、程序设计系统和公共与诊断系统。
2. 应用系统：用户为实时控制问题、完成特定功能而设计和编写的各种程序的总称，一般包括过程监控程序、过程控制程序和信息管理程序。
3. 数据库系统：用于支持数据管理、存取的软件，它包括数据库和数据管理系统等。

1.3.2 过程通道

• 过程输入/输出通道：分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。
• 过程输入通道：把生产对象的被控参数变换成计算机可以接收的数字信号。
• 过程输出通道：把计算机输出的控制命令和数据，变换成可以对工业对象进行控制的数据。

•  模拟量输入通道

• 模拟量输出通道

• 数字量输入通道

• 数字量输出通道

1.3.3 总线接口技术

       任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。

       为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。

 计算机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线：

• 内部总线：计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连。
• 系统总线：计算机中各插线板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连。
• 外部总线：计算机和外部设备之间的总线，计算机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据互换，它用于设备一级的互连。

1.4 模拟与数字信号之间的相互转换

D——数字量输入信号 (8位，10位，12位，16位等)
A——模拟量输出信号(5V，10V等)

1.4.1 D/A转换及其误差

1.4.2 A/D转换及其误差 

二、信号变换

2.1 

2.2 信号转换分析

2.3 z变换与z反变换

三、系统建模与性能分析

四、数字控制器设计

4.1 数字控制器的模拟化设计方法

4.2 数字控制器的直接设计方法

五、控制器的仿真与实现

基于状态空间模型的极点配置设计方法