计算机控制系统-高金源
计算机控制系统教材，自动控制原理学习可以参考，比较系统和工程计算杋在实时控制领域获得了广泛的应用。在国民经济及国防等各个领域中采用计算机控制是现代化的亘要标志。计算机控制学科将涉炇计算机控制的基木理论、分析、设计与工程实现等众多方面的内容。本书是依高等学校自动化专业本科及研究生的教学要求而编写的。力图使读者通过本书的学习,除了掌握一定的计算机控制的基本理论和分析、设计方法外,对计算机控制系统的工程实现技术以及近年来工业上获得广泛应用的一些新的计算机控制技术亦有所了解。仝书除第1章外主要包括四大部分内容:①计算机控制的理论基础(包括计算机控制系统内的信号、系统的描述与分析方法等),(第2章~第4章);②计算机控制系统的经典与现代设计方法(包括连续域设计离散化方法、直接离散域设计以及W、δ域设计和状态空间的极点配置LQR设计等),(第5章、第6章);③计算机控制系统工程实现技术(包括计算机控制系统的硬什、软件、控制算法的编排、总线技术、采样周期的选用以及抗干扰与可靠性技术、设计步骤与设计实例等),(第7章、第8章);④第10章~第12章重点介绍∫现代计算机控制的一些新技术(包括可编程控制器技术、分布式讣算机控制技术、集散型计算机控制等)。考虑到许多复杂的计算机控制系统是多采样速率系统,故专门用1章(第9章)概要地介绍∫多采样速率系统的分析、设计与实现方面的问题。鉴于自动化专业的学生,在选修课中已对微机原理及接口技术有了专门的学习,故木书对有关计算机硬件系统将不予专门的介绍。学习本书的知识背景是:一般连续控制理论(或信号与系统)的基本知识以及微机原理和微机接口的基本知识。根据多年的教学经验,在学习木课程时应安排必要的简单计算机控制系统设计与实现的实验内谷,或者后续课程安排专门的计算机控制系统的系列实验课,这对于巩固学习效果、对于学生将来参加计算机控制系统开发的实际工作是很有益处的考虑到本书要兼顾作为工学或工程硕士研究生的计算机控制课的教材,选用的内容多于通常本科生教学大纲所规定的内容。教学时可以根据本科生及研究生不同的教学大纲及学时要求,适当选用不同的章节。多余章节亦可作为学习的参考。本书是本教学小组在总结近20年计算机控制教学经验以及参阅了近年来国内外有关院校的教材,并结合我们的科硏实践经验编写的。全书由高金涼教授统编并负责编写第1章和第9章;王醒华教授负责编写第2章~第5章;张平副教授负责编写第6章及5.5节;夏洁副教授负责编写第7章、第8章、第10章~第12章。全书承陈忠信研究员进行了详细的审阅,并提出了许多宝贵意见,在此表示衷心的感谢本书的岀版受到了北航教材科领导的大力攴持与帮助。责任编辑张光斌先生为本书的凸版做∫大量细致工作。在此对他们的关心与支持表示衷心的谢意由于编者的知识与经验不足,时间有限,不妥之处在所难免,期望得到读者及同学们的批评指止编者2000年5月录第1章绪论1.1计算机控制系统的组成12计算机控制系统典型应用分关·:·13关于计算机控制系统的理论与设计问题第2章讣算机控制系统的信号21计算机控制系统中信号的种类22埋想采样过程的数学描述及特性分析···鲁·1323实际采样过程的数学描述及特性分析…2424采样定理及其讨论…···2725信号的恢复与重构…2926信号的整量化习题36第3章计算机控制系统的数学描述31z变换3832扩展Z变换48差分方程34脉冲传递函数·55小题第4章计算机控制系统分析4.1稳定性分析6742稳态误差分析7743时域响应特性分析…8244系统的频域分析…87习题91第5章计算机控制系统的绎典设计方法51连续域一离散化设计9452数字PID控制器设计11253Z平面根轨迹设计11954W变换及频率域设计12755δ变换及δ域设计136题142第6章计算机控制系统的状态空间设计6.1状态空间描述14562离散系统的可控、可观性……15363状态反馈控制律的极点配置设计64状态观测器设计16565调节器设计(控制律与观测器的纽合)…l712·计算机控制系统——理论、设计与实现66计算机控制系统最优二次型设计…∴1746.7最优状态估计器与二次型最优调节器…18468其他现代数字控制方法简介186鲁··、··鲁鲁………∴89第7章计算机控制系统硬件与软件7控制用计算机系统的一般要求19272计算机系统的输入输出接口……………19873实时计算机系统的总线技术………………………20674计算机控制系统的实时软件设计……………217习题225第8章计算机控制系统工程实现中的某些冋题8』计算机控制系统中测试信号的处理22682控制算法的编排实现23083量化、溢出及其量化效应分析....…………………23484采样频峯的选取24485计算机控制系统的抗千扰及可靠性抆术24886计算机控制系统的设计与实现258与题268第9章多采样速率系统91多采样速率的配置………27092多速率系统的等效变换27193多速率系统性能分析28194多速率系统的设计方法28595多速率系统的实现·鲁287习题a:..··4·294第10章可编程控制器及应用101概述296102可编程控制器的结构和工作原理299103可编程控制器常用编程语言303104常用可编程控制器及其选用308105应用举例…习题312第11章分布式计算机控制系统111概述313112分布式计算机控制系统控制方案316113分布式计算机控制系统的硬件组成…32014分布式计算机控制系统的通讯322329第12章集散型计算机控制系统及其应用12Ⅰ集散型计算机控制系统概述…∴330122软件模块的纠态原埋………335123集散系统的可扩展性..4““4:.·.338124集散系统应用举例鲁··、··鲁鲁341习题345附录拉普拉斯变换和Z变换表参考文献第1章绪论数字计算机的出现和发展,在科学技术上引起了一场深刻的革命。数字计算机不仅在科学计算、数据处理等方面获得了广泛的应用,而且在自动控制领域也得到了越来越广泛的应用。数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控制,承担∫控制系统中控制器的任务,从而形成了计算机控制系统。它的参与对控制系统的性能、系统的结构以及控制理论等多方闻都产生了极为深刻的影响。木章简要介绍计算机控制系统的组成、工作原理以及它的特点,并着重说明计算机参与控制后给控制埋论及控制系统设计所带来的新问题l.1计算机控制系统的组成1.1.1计算机控制系统的组成图1-1为一个典型的雷达天线位置伺服控制系统。为了改善系统的特性,该系统采用了滞后ˉ超前岀联校正网络,该校正网络是利用常规的有源模拟运算放大器实现的。如果系统的恔正网络非常复杂,釆用这种模拟运算放大器的有源网终实现将是非常困难的。如果将系统中对信号的这种变换和处理利用数字计算机来实现,那么就构成了常规的计算机控制系统。M校正网络指令信号电位计反馈电位计图雷达天线位置伺服控制系统这里计算机实现了原控制系统中控制器的作用。由于数字计算机工作的特点,为了使计算机能接收系统的模拟信号,并输岀迕续的模拟信号给大线的拖动机构,所以,除∫要引入数字计算机外,还要加入其他的外部设备,如AD、DA转换器,从而形成了如图|-2所示的计算机控制系统的组成框图从图1-2可见,计算机控制系统的组成与连续模拟控制系统组成类似,是由下述几部分构成的2·计算机控制系统——理论、设计与实现MGAD计算机DA指令信号1A/D电位计1计算机系统反馈电位计图1-2天线位置计算机控制系统1.被控对象:本例为雷达天线2.执行机构:木例为直流电机叫路3.测量装置:本例为测量电位计;4.指令给定装置∴木例为天线指令发生器(指令信号电位计);5.计算机系统:包括下述主要部件。ΔD变换器,将直流模拟信号转换为断续的数字二进制信号,送入计算机DA变换器,将计算机产生的数宇指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件数字计算机(包括硬件及柑应软件),实现信号的变换处埋,按给定的算法产生相应的挖制指令。如同连续控制系统一样,讣算机控制系统亦可分为闭环控制、开环控制以及复合控制等不同的控制类型计算机控制系统主要特点和优点相对连续控制系统而言,计算机控制系统的主要特点可以归纳为以下几点系统结构特点计算机控制系统必须包括有计算机,它是一个数字式离散处理器;此外,由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,因此,还必须加入信号变换装置(如ΔD炇DA变换器)。所以,计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统。若系统中各部件全为数字部件,则称为全数字式控制系统。本书主要研究混合系统。信号形式上的特点迕续系统中各氐信号均为连续模拟信号,而计算机控制系统有多种信号形式。由于计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔(称为采样周期)对连续信号进行采样,将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机。所以,它除有连续模拟信号外,还冇离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式,是一种混合信号形式系统(详细分析见第2章)系统工作方式上的特点在迕续控制系统中,控制器通常都是由不同的电路构成,并且一台控制器仅为一个控制回路服务。在计算机控制系统中,一台计算机可冋时控制多个被控量或被控对象,即可为多个控制回路服务。每个控制回路的控制方式由软件来形成。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制。尽管由常规仪表组成的连续控制系统巳获得了广泛的应用,并具有可靠、易维护操作等优点,但随着生产的发展、技术的进步,对自动化的要求越来越晑,这种常规连续控制系统的应用受到了极大的限制。例如,难于实现多变量复杂的控制,难于实现自适应控制等等。与连续控第1章绪论·3制系统相比,计算机控制系统除∫能完成常规连续控制系统的功能外,还表珝」如下一些独特的优点。由丁计算机的运算速度快、精度高、县冇极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力,因此,能实现复狝的控制规律,如最优控制、自适应控制及自学习等,从而可达到较高的控制质量。计算机控制系统的功能价格比值高。尽管一台计算机最初投资较大,但增加一个控制回路的费用却很少。对亍连续系统,模拟硬件的成木几乎和控制规律复杂程度、控制回路多少成正比;而计算机控制系统中的一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路,因此,它的功能价格比值较高。由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实现的,并且计算机其有强大的记忆和判断功能,所以,极易实蚬工作状态的转换,实现不同的控制功能,因此,它的适应性强,灵活性高。此外,计算机是一种可编程的智能元件,易丁修改系统功能和特性,构成∫一种柔性(弹性)系统。随着徵电子技术的发展,大规模集成电路的出现,计算机体积减小,重量轻、成木下降。与连续控制系统相比,计算机控制系统也有一些缺氐与不足。例如,抗干扰能力较低,特别是由于系统中插入数字部件,信号复杂,给设计实现带来一定困难。但全面比较起来,随着对自动控制系统功能要求的不断提高,计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。现代的控制系统不管是筲单的,还是复杂的,几乎都是采用计算机进行控制的。12计算机控制系统典型应用分类根据应用特点及控制目的和系统构成的不同,计算机控制系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类。21数据采集处理系统数据采集处理系统结构如图Ⅰˉ3所示。严格说,这种系统不属于计算机控制,计算机并不直接参与控制。这种系统的主要作用是信号测试模拟量输入显示被控对象计算打印机数字量输入告警图1-3数据采集处理系统结构生产过程的集中监视计算机对生产过程(被监视对象)的不同变量参数进行巡回检测,并将采集到的数据以一定格式在监视器上显示或通过打印机打印出来,实现对生产过程的4·计算机控制系统——理论、设计与实现集中监视操作指导计算机对采集到的数据进行分析处理,并给出对生产过程控制的建议,由过程的操纵者依给定的建议实现对过程的控制122直接数字控制系统(DDC系统)直接数字控制系统结构如图Ⅰ-4所示。计算杋通过输入通道进行实时数捃采集,并按已给定的控制规律进行实吋决策,产生控制指令,通过输岀通道,对生产过程(被控对象)实直接控制。这种控制方式是应用最普遍的一种方式。由于这种系统中的计算机直接参与生产过桯的控制,所以,要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。本书主要硏究这种系统的设计与实现问题。信号测试}模拟、数字量输入显示被控对象打印机执行部件模拟、数字量输出操纵台图1-4直接数字控制系统结构123监督计算机控制系统(SCC系统)监督计算杋控制系统结构如图1-5所示。该系统是2级计算柷控制。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制;而监督计算机则根据生产过程工况和已知的数学模型,进行优化分析,产生最优设定值,作为直接数字控制的指令信号,由直接数字控制系统执行。监督计算机由亍承担上一级控制与管理任务,要求其数据处理功能强,存储容量大等控制DDdSCC工业数据被控对象测量计算机系统计算机系统品示打印状态信息记录图1-5监督计算机控制系统结构124分散型计算机控制系统(DCS)随着工业生产过程规模的扩大和综合管理与控制要求的提高,人们开始应用以多台计算机为基础的分散型控制系统,如图1-6所示。该系统采用分散控制原理、集中操作、分级管理与控制和综合协调的设计原则,把系统从上而下分成生产管理级、控制管理级和过程控制级等,形成分布式控制。各级之间通过数据传输总线及网终相互连接起来。系统中的过程控制级完成过程的检测任务。控制管理级通过协调过程控制器工作,实现生产过程的动态优化。
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多智能体系统的协同群集运动控制
《多智能体系统的协同群集运动控制》以多智能体系统协同群集运动控制为主线，首先介绍了图论和控制器设计所用到的基础理论知识；其次，分别从拓扑结构的边保持和代数连通度两个角度介绍了连通性保持条件下的协同群集运动控制协议设计方法；进而，针对典型的轮式移动机器人非完整约束模型介绍了连通性保持条件下的协同控制策略，为简化系统复杂拓扑结构，还介绍了基于骨干网络提取的协同群集运动控制策略；书中将个体动态模型提升到高阶非线性系统模型，介绍了高阶非线性系统协同控制协议设计方法；最后，针对多智能体系统非合作行为检测与隔离进行了详细介绍，并提出了相关算法。内容简介本书以多智能体系统协同群集运动控制为主线,首先介绍了图论和控制器设计所用到的基础理论知识;其次,分别从拓扑结构的边保持和代数连通度两个角度介绍了连通性保持条件下的协同群集运动控制协议设计方法;进而,针对典型的轮式移动机器人非完整约束模型介绍了连通性保持条件下的协同控制策略,为简化系统复杂拓扑结构,还介绍了基于骨干网络提取的协同群集运动控制策略;书中将个体动态模型提升到高阶非线性系统模型,介绍了高阶非线性系统协同控制协议设计方法;最后,针对多智能体系统非合作行为检测与隔离进行了详细介绍,并提出了相关算法。本书可作为系统与控制及其相关研究领域的科研工作者、工程技术人员、高等院校师生的参考书,也可作为研究生和高年级本科生的教科书。图书在版编目(CIP)数据多智能体系统的协同群集运动控制/陈杰,方浩,辛斌著.一北京:科学出版社,2017(系统与控制丛书)ISBN978-7-03-051165-2L.①多…Ⅱ.①陈…②方…③辛…Ⅲ.①人工智能-研究Ⅳ.①TP18中国版本图书馆CP数据核字(2016)第310934号责任编辑:杨向萍裴育纪四稳/责任校对:桂伟利责任印制:张倩/封面设计:蓝正舞学出服出版北京东黄城根北街16号邮政编码:100717http://www.sciencep.com京通州皇家印刷厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2017年1月第一版开本:720×10001/162017年1月第一次印刷印张:1414字数:268000定价:95.00元(如有印装质量问题,我社负责调换)《系统与控制丛书》编委会主编:郭雷中国科学院数学与系统科学研究院副主编:陈杰北京理工大学编委:洪奕光中国科学院数学与系统科学研究院黄捷Chinese University of Hong Kong姜钟平Polytechnic Institute of New YorkUniversity USAFrank lewisUniversity of Texas at Arlington, USA林宗利University of Virginia, USA申铁龙Sophia University, Japan谈自忠Washington University, USA谢立华Nanyang Technological UniversitySingapore殷刚Wayne State University, USA张纪峰中国科学院数学与系统科学研究院周东华清华大学编者的话我们生活在一个科学技术飞速发展的信息时代,诸如宇宙飞船、机器人、因特网、智能机器及汽车制造等高新技术对自动化提出了更高的要求。系统与控制理论也因此面临着更大的挑战。它必须能够为设计高水平的物理或信息系统提供原理和方法,使得设计出的系统能感知并自动适应快速变化的环境。为帮助系统控制专业的专家、工程师以及青年学生迎接这些挑战,科学出版社和中国自动化学会控制理论专业委员会合作,设立了《系统与控制丛书》的出版项目。本丛书分中、英文两个系列,目的是出版一些具有创新思想的高质量著作,内容既可以是新的研究方向,也可以是至今仍然活跃的传统方向。研究生是本丛书的主要读者群,因此,我们强调内容的可读性和表述的清晰。我们希望丛书能达到这些目的,为此,期盼着大家的支持和奉献!《系统与控制丛书》编委会2007年4月1日序言自20世纪50年代以来,控制科学不断发展,诞生了诸如最优控制、鲁棒控制、非线性控制等众多研究方向以及大量的科研成果,极大地推动了第三次工业革命的发展。但近年来,由于控制对象规模呈爆炸式增长、信息化社会生成海量数据,系统与控制科学作为一门面向应用的学科正面临着许多重大挑战;同时,计算机科学以及人工智能的兴起也为系统与控制科学的发展带来了新的机遇和启示。受到自然界广泛存在的生物种群有序运动现象的启发,多智能体的研究开始受到广大学者的关注。70年代末期,智能体概念初现,主要研究如何通过协作方式分布式求解问题。90年代,多智能体系统涌现出自主性、社会能力、反应性等特性,使多智能体协同成为控制领域的研究热点。目前,多智能体协同已经应用于智能机器人交通控制、柔性制造、网络自动化和作战智能体模型等领域。毫无疑问,未来几年多智能体协同仍将吸引更多学者的广泛关注,继续在系统与控制科学的发展中扮演十分重要的角色。多智能体协同控制所要解决的根本问题在于如何设计合理的控制协议来协调多个个体统一完成任务,这与传统基于单一对象的控制理论有很大的区别。陈杰教授团队对此进行了大量的研究工作,并取得了很好的研究成果。该书以多智能体系统协同群集运动控制为主线,结合作者在该领域多年的研究积累及国内外最新的研究成果,给出了基于代数连通度估计、基于骨干网络等多种分布式群集运动控制方法,同时考虑了系统连通性保持、模型参数不确定性、多任务约束等诸多限制条件,扩展了相应成果的应用范围。全书内容丰富,论述深入浅出,既有严谨的理论推导与证明,又有数值仿真与实物实验验证,是一本难得的介绍控制理论在多智能体协同控制方面最新研究进展的学术专著。当前世界正在发生着深刻的变革,以互联网产业化、工业智能化、工业一体化为代表的第四次工业革命正悄然到来。该书所研究的内容顺应了当前工业发展的潮流,在民用、军用等领域有着广阔的应用前景,也非常适合相关领域的学者和工程技术人员参考阅读。序言我相信,该书的出版能够对多智能体协同控制领域的研究发展有所帮助,也希望作者能够在该方向上持续研究,取得更多的高水平研究成果。郑列了西安交通大学教授中国自动化学会理事长中国工程院院士2016年12月前言智能体的概念来源于分布式人工智能的思想,通常而言,可以把智能体定义为用来完成某类任务,能作用于自身和环境、有生命周期的一个物理的或抽象的计算实体。智能体的特点是具有自主性、局部通信/感知能力、分布式协作能力、任务分解能力、自适应性和推理能力。而多智能体系统是由多个智能体组成的具有松散耦合结构的,并且通过系统中智能体之间以及智能体与环境之间的通信、协商和协作来共同完成单个智能体( Agent)因能力、知识或资源上的不足而无法解决的问题的系统。多智能体系统通过相互协作,可以完成超出它们各自能力范围的任务,使得系统整体能力大于个体能力之和。鲁棒性、分散性、自组织性是多智能体系统动态行为的基本特征。多智能体协同控制是目前控制科学研究领域的一个热点课题在许多国际期刊及会议中,每年均有大量关于多智能体系统的研究文章出现。多智能体系统由个体的动态模型、通信网络拓扑、分布式控制律(或者协议/规则)三个基本要素构成。本书以多智能体系统协同群集运动控制为主线,围绕上述三个基本要素,首先介绍图论和控制器设计所用到的基础性理论等背景知识;其次面向典型应用,考虑实际约東条件,分别从拓扑结构的边保持和代数连通度两个角度介绍通信连通性保持条件下的协同群集运动控制协议设计方法;进而,从个体动态模型和拓扑结构模型两方面继续深入,针对典型的轮式移动机器人非完整约束模型介绍连通性保持条件下的协同控制策略,为简化系统拓扑结构对控制器设计的影响,介绍基于骨干网络提取的协同群集运动控制策略;书中还将个体动态模型由简单的一阶、二阶线性模型提升到高阶非线性系统模型,介绍高阶非线性系统协同控制协议设计方法;最后针对多智能体系统非合作行为检测与隔离进行详细介绍,并提出相关算法。本书内容自成体系,旨在向读者详细介绍多智能体系统协同群集运动控制的基础理论和最新研究成果本书由11个章节构成。第1章为基础知识部分,首先对多智能体群集运动控制、一致性控制以及非合作行为检测与补偿进行全面的综述,其次介绍在理论推导过程中所用到的代数图论的基础理论知识。第2章介绍在无法获取动态领航者智能体的加速度信息的条件下,进行连通性保持的有界群集运动控制方法。第3章从前言全局连通性的角度,介绍基于代数连通度分布式估计的连通性保持控制方法。第4章针对非完整约束轮式机器人,介绍连通性保持下的多移动机器人群集控制。第5章介绍层次型骨干网络的建立方法,以及基于骨干网络提取的协同避障运动控制方法。第6章针对参数不确定的高阶非线性多智能体系统,设计分布式控制器实现系统的一致性。第7章针对 Brunovsky型高阶非线性多智能体系统,设计分布式一致性控制器。第8章针对高阶非线性多智能体系统,设计自适应鲁棒一致性控制器,并对控制器性能进行分析。第9章在多任务约束下,设计多智能体一致性控制器。第10章介绍一阶多智能体系统的非合作行为检测、隔离与修复算法。第11章介绍基于邻居相关状态的多智能体非合作行为检测与隔离算法。感谢中国自动化学会控制理论专业委员会、《系统与控制丛书》编委会对本书出版的大力支持。本书得到了国家杰出青年科学基金项目(60925011)、国家自然科学基金创新研究群体项目(61321002、61621063)、国家自然科学基金重大国际合作研究项目(61120106010)、国家自然科学基金项目(61573062、61304215、61673058)、北京市优秀博士学位论文指导教师科技项目(20131000704)的资助,在此表示衷心的感谢。同时,还要感谢本领域相关同行学者在本书撰写过程中给予的热心支持,以及毛昱天、黄捷、杨庆凯、李俨、尉越、卢少磊、吴楚、王雪源、商成思、开昰雄、罗明等同学对本书出版给予的大力帮助。由于作者水平有限,书中疏漏和不妥之处在所难免,敬请读者批评指正。作者2016年11月目录编者的话序言前言第1章绪论··················.······1.1多智能体分布式群集运动控制12多智能体一致性控制概述51.2.1低阶积分器多智能体一致性……1.2.2高阶线性多智能体一致性…111.2.3高阶非线性多智能体一致性1713多智能体非合作行为检测与补偿概述2114代数图论背景知识…………26第2章连通性保持条件下多智能体系统群集运动控制3121研究背景3122问题描述312.3领航跟随群集运动控制律∴……………………………·3224稳定性分析……………3425仿真和实验372.51数值仿真37252实物实验,,,,·,,,,,………………402.6结论………………43第3章基于代数连通度估计的多智能体系统群集运动控制·4431研究背景443.2问题描述…………………………………………443.3控制律设计∴………………4634入2的分布式估计473.5稳定性分析52
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