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控制理论中的代数基础
中科大的教材，属于基础类的数学课程，课本教材简单通俗易懂，望大家下载啊前言在自动控制专业中,线性代数或矩阵论是一个重要的数学基础.比如,矩阵范数、矩阵函数及矩阵微分方程是线性系统理论必不可少的预备知识,线性系统多变量频域法建立在多项式矩阵及有理分式矩阵理论基础上,现代鲁棒控制方法可以采用线性矩阵不等式工具来实现.即便刈于非线性系统,除了需要引入更深刻的数学工具之外,矩阵分析方法仍是不可或缺的手段因此,一些人学自动控制专业特别将矩阵分析纳入研究生课程体系,就是要在人学本科线性代数的基础上,进一步增加内容以符合控制相关学科的专业需求作者在中国科学技术大学自动化系从事“控制理论中的代数基础”教学多年从选择现成教材到开始自编讲义,讲义形式从电子版到胶印版,内容在不断扩充中现在讲义内容己超出60至80学时的教学量,教师可以选择一部分讲授,其余部分可以计学生自学或作为可随时查阅的参考书.本书涉及范围较广,编写中参阅了不少经典文献.编写风格上追求叙述简洁、注重逻辑体系严谨性.因篇幅所限及个人倾向性,本书很少讨论相关的计算方法,虽然算法问题也很重要.如果作为教学用书,教师可自行选择讲授范围并增加一些实例.本书也可作为其它专业研究生、工程师和科研人员的参考书.本书共分八章.第一、二章扼要介绍抽象代数基础.第三、四章讲述线性空间与线性映射,特别是不变子空间分解定理等.第五章从多项式矩阵入手,讨论多项式矩阵 Smith标准形和复矩阵 ordan标准形,并介绍投影矩阵、正规矩阵和Hermite二次型等.第六章介绍矩阵范数、矩阵级数和矩阵函数,并讨论线性系统的稳定性、可控性与可观性.第七章包括各类广义逆矩阵、矩阵方程及矩阵不等式.第八章讨论多项式矩阵的互质、分式矩阵的既约分解,以及线性系统的零极点与实现理论.在本书编写过程中,承蒙中国科学技术大学自动化系各位同仁的支持,特别是奚宏生教授、吴刚教授的鼓励与支持.在本书排版与定稿过程中,中国科学技术大学出版社张莹莹、沈轩和韩继伟等编辑提岀了宝贵意见并给予帮助.硏究生魏波、王兴虎和陈珊杰对书稿进行了仔细校对.作者在此一并深表感谢.限于作者水平书中不妥与错误之处在所难免,敬请读者批评指正.作者2008年春lI目录第一章集合、映射与关系31.1集合1.2映射习题1-11.3代数运算1267831.4代数关系31.5等价类10习题12第二章基本代数系统142.1群142.2环与域162.2.1环162.2.2域..19§23代数系的同态习题2-124子群与陪集习题22§25环的理想§2.6多项式环§27同态基本定理423602习题2-3第三章线性空间与线性映射44531线性空间44532线性空间的基与维数533线性映射.52习题3-15734商空间58535对偶空间目录3.6内积空间37酉变换习题3-2..第四章线性变换与空间分解75§41不变子空间7542特征值问题75§43投影算子77§4.4最小多项式§4.5空间互质分解844.6空间循环分解87习题4198第五章相似变换与酉变换1015.1多项式矩阵1012 Smith标准形10653 Jordan标准形110习题5-111854正交投影与正规矩阵.12055二次型127§5.6奇值分解134习题52..137第六章矩阵范数与矩阵函数14056.1向量范数14056.2矩阵范数.146563向量和矩阵的极限153§6.4特征值与谱半径的估计158习题6-1160§6.5矩阵幂级数16266矩阵函数.164§6.7函数向量或矩阵的微积分173§68常用矩阵函数176§6.9线性系统的稳定性、可控性与可观性179目录习题62187第七章广义逆矩阵、矩阵方程189§7.1广义逆矩阵..18987.2 Penrose- Moore厂义逆矩阵193§7.3 Drazin逆与群逆习题71....20374矩阵的 Kronecker积.20437.5线性矩阵不等式209习题72214第八章多项式矩阵与有理分式矩阵21581多项式矩阵的理想21582多项式矩阵的因子与互质.21683有理分式矩阵.22584有理分式矩阵的既约分解228习题8-1..23238.5系统矩阵的等价变换233§86线性系统的实现理论23987传递函数矩阵的状态空间实现与可控可观24288线性系统的零板点249习题8-225参考书目260索引261目录第一章集合、映射与关系在认识世界的过程中,我们常常倾向于从一些具体事件中归纳出有规律性的东西来.比如说,我们把数字与具体对象分离开来,得到初等数学中数的概念,并给予了加、减、乘、除等运算规律:在髙等数学里,我们知道对向量、矩阵、函数等可以进行类似的计算在数学上,往往重要的不是对象本身,而是对象之间的关系这样就把对象抽象成集合.一般代数(或抽象代数)的主要内容就是研究所谓的代数系统,即具有运算的集合.一般代数在数学的其它分支以及相关学科里都有重要的作用.本书的前二章对一般代数作一个初步介绍81.1集集合的概念大家以前在不同场合会遇到过,这里我们来回顾一下有关的定义及常用记号若十个(有限或无限)确定的事物的全体叫做一个集合,组成一个集合的事物叫做这个集合的元素.一个没有元素的集合称为空集.通常我们用大写字母A,B,C,表示集合,用小写字母a,b,c,表示集合的元素,用②表示空集面的二种方式都可以表示一个集合:A={a1,a2,}其中第一种方式可用来表示有限或可列集合,第二种方式可读为满足条件P(x)的所有x组成的集合若a是集合A的一个元素,就说a属于A或A包含a,用符号a∈A或A3a米表示;反之若a不是集A的元,就说a不属于A或A不包含a,用符号agA或Aa米表示若集合B的每一个元素都属于集合A,就说B是A的子集,用符号BcA或A>B表示;否则就说B不是A的子集,用符号BgA或AB表示.任集合A总可以空集和其自身A作为该集合的子集,这两个子集称为平凡子集由一个集合A的所有子集作为元素而构成的集合,称为集A的幂集.不难证明,如果集A是有限集,并具有n个元素则A的幂集将有2个元素.在这个意义上我们常将A的幂集记为24第一章集合、映射与关系若集合A和集合B所包含的元素完全相同,那么A与B实际上表示同一个集合,这时称A等于B,即A_B.显然有A=B→ACB,AB式中双向蕴含号“←→”表示其左右两边互为(充分必要的)等价命题下面对二个集合A,B定义一些常见的运算并集AUB={x:x∈A或r∈B}交集A∩B={x:∈A且r∈B}差集4B={x:x∈A且xgB}直积A×B={(x,y):∈A,y∈B}集合的并和父都满足结合律与父换律,并且并与父之间还符合分配律,即对任意三个集合A,B,C有Au(B∩C)=(AUB)n(AUC)A∩(BUC)=(∩B)∪(A∩C)在很多情况下,我们的矿究对象是限制在定的范围内,形成个基本集合(全集),我们感兴趣的是基本集合里的了集之间的关系.现设有基本集合E,以及其中的集合A(AcE),称差集EA为集A的补集(余集),记x=EA作为直积的一个例子,两个实数集R的直积为平面点集R2=R×R多个集合之直积可以类似地定义为41×A2×……An={(x1,x2,…,mn):x;∈A,=1,2,…,m}式中(x1,x2,,xn)是元有序组812映射我们知道,函数概念反映了数与数之间的对应关系,现在我们把函数意义推广一下,考查一般集合里的元素之间的对应关系定义1.21(映射)对于两个集合A和B,如果能够建立某种规则∫,使得对任给a∈A,存在唯一的元b∈B与之对应,记为f:a口b或f(a)=b,那么就称∫是由集A到集B的一个映射,记作∫:A→B或A→B,其中a和b可分别叫做映射f的原象与象
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基于形态学滤波器对心电信号的去噪与识别
主要叙述了新电信号的发展史 以及涉及的基于数字滤波器及形态学滤波器对心电信号的去噪与识别 本文主要设计了新的滤波器来对心电信号去噪
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程序员必读的职业生涯规划书【精品】.pdf
程序员是一种逻辑动物，只有当他们理解求职到底是一种什么行为以后，才能做出有意义的行动。 所以本书不讲职场、不灌鸡汤，从价值论开始，以独创的职业画布工具展开，从四大象限、九大方面为你讲解。 有果更有因、有理更有据，分析数据、简历模板、书写工具、技能树图一应俱全，实为程序员们应该人手一本的职业规划书。原理篇我之所以会去研究求职,以至于最后在人才这个方向创业,很大程度上是因为以前所有的求职指导都是经验论,缺乏逻辑性。而程序员是一种逻辑动物,只有当他们理解求职到底是一种什么行为以后,才能做出有意义的行动。我花了很久去寻找背后的理论支持,直到我重逢了价值论。原理篇从价值理论开始,讲述我们求职行为的本质。价值论人才的使用价值供需信息透明度交薪资换雇主价值自从中国转冋市场经济以后,市场规则就开始左右一切。虽然人才不完全等同于其他物品,但现在先让我们把人才也作为一类商品来看待。使用价值除了我们这些做人力资源相关行业的公司外,绝大部分公司购买人才都是为了使用,所以他们看中的是其使用价值。这个使用价值说得更直白一点,就是人才如何直接或者间接的为公司挣钱。使用价值不是独立存在的,而是相对于使用者存在。所以我们程序员自己的价值,也是相对于公司而言的。有同学说,我技术很好啊,又会机器学习又会编译原理,凭什么那些写 Javascript的薪水比我高一倍?谁让你在一家建站公司上班呢。对一家做网站的公司而言,机器学习和编译原理是不能为它带来收益的,而 Javascript写成的带有完美动画的交互组件却能实实在在的拉升公司产品的销售。而同样是这个人,如果他去一家以大数据分析为核心业务的公司工作,那么他的价值就不样了。所以你的价值,和你牛不牛无关,只和你能为你的雇主提供多少价值有关。(当然,大多数情况下,你能力越牛越能提供更多价值。)这是最根本的规则。增加自己的使用价值很简单,提升自己的业务能力就好。供需有个80后自嘲的段子是这么说的读小学时,大学不要钱;读大学时,小学不要钱;还没工作时,工作是分配的;可以工作时,得自谋职业;没挣钱时,房子是分配的;能挣钱时,发现一辈子的薪水也买不起房子。我不知道国内人才市场是什么时侯市场化的,就算成悲催的80后开始工作时吧。人才市场化意味着你有了选择公司的权利,同时也意味着公司有了选择你的权利。这个时候,交换价值就出来了。虽然交换价值以使用价值为基础,但它更容易受供需的影响简单的说,当企业的职位空缺远少于找工作的人数时,人才的价格就会下降;而当企业的职位空缺比找工作的人数更多时,人才的价格就会上升。在过去相当长时间里,我们都处于前一种情况。这意味着求职者要彼此竞争,而招聘方可以选择要价更低的候选人。这在大家大学毕业找工作时应该深有体会。幸运的是,供需也是可以调整的,技巧就在于选择更好的细分市场。因为需求的多样性是存在的,所以如果你能在一个大的需求中切入一个需大大大于求的细分市场,那么你就能得到远高于其他人的回报。举个例子,同样是管服务器,普通运维工程师和云计算运维工程师的薪资差异是非常大的。一个普通运维要变成云计算运维,需要补充的知识并不是特别多。所以你只要合理安排好自己的职业规划,比如以相对较低的薪资到类似新浪云这样的地方工作一到两年,你的能力和交换价值都会大幅度提升。信息透明度当人才市场很小的时候,信息是很透明的。因为很容易了解到各自的情况。但当信息量变大后,你就会发现虽然整个市场很大,但只有你接触到的才对你有意义。比如北京现在有100家公司都在招聘PHP,但你只知道其中3家,这个时候,其他97家公司的存在对你而言是没有意义的,即使这3家给你的薪资比其他公司低,你也只能被迫接受。这就是信息透明度对我们求职的影响。没有网络招聘的时候,我们很难对这些公司进行比较,折腾过几家公司后,就屈服了。有了网络招聘,求职者活得稍微好一些了,可以不岀门看到全国的招聘情况;但Jobboard形式的招聘站是为招聘方设计的,它们通过构造信息不对称,向求职者优先显示那些付费却未必最好的公司,迫使求职者以更低的薪资为这些可见的公司工作。(这无可厚非,所有中介体都是通过信息不对称来收费的)所以要想拿到足够好的薪资和获得足够多的机会,我们要学会和信息不对称进行抗争。定要在短时间内获取到大量的机会,这样才能「做选择题」而不是「做判断题」。关于如何改变信息不对称,操作篇中的「渠道」部分我们会详细说明。跳槽不是什么跳槽不是为了追求价值最大化虽然前边我们从纯商业的角度讨论了跳槽这件事,但实际上我们并不推荐求职者单纯地通过薪资的高低来选择雇主。原因有两个。工作是生活的一部分你每天有24小时,上班8小时,它是你三分之一的生命。如果你只是因为高薪选择了一家上班不开心的公司,那么接下来三分之一的日子你都会在痛苦中渡过。而你得到的,只是多出来的那么每月几千块钱而已。职业的不可逆性别的事情错了我们可以重来,而职业选择上,每一步都是好几年的时光。一旦走下去,就很难回头,因为一旦换职业方向、哪怕换个开发语言,都意味着你之前的积累很可能前功尽弃。所以眼光放长远点,不要只看眼前的高薪,更要看好未来的发展,方向错了,跑得越猛输得越狠。跳槽不是找工作跳槽不是找工作,而是换工作。所以它和你刚毕业时找工作不一样,它是有成本的到一家新的公司,需要放弃原来公司的期权,需要重新熟悉业务,重新和同事搞好人际关系,上班路上需要花更多的时间,甚至需要离开自己熟悉的城市。你并不是一无所有,虽然往往只有在你失去后才发现。所以跳槽之前要考虑好自己的付出和收益:衡量好得失:没事别裸辞。跳槽不是加薪的砝码不要以跳槽为砝码去谈加薪,这种迫胁性的谈薪资方式会使主管对你丧失信仼。不管涨薪成不成功,他都不得不为你的离职做好准备,而当准备完成后,你就可以走人了。类似的,当你提珧槽时,如果你的主管通过加薪来挽留你,最好也不要同意。程序员如何谈薪资如果你对现在公司很满意,只是觉得薪资大低,那么可以先和你的主管聊聊我一般这么谈加薪的首先,讲一讲自己最近在工作上的成长,看主管是否认同;●然后,从能力提升角度,向主管要一个更大的发展空间和更大的业务挑战;最后,问问当你的能力达到这个新的水平时,蒜资是否可以同步提升起来。这样谈有几个好处:它建立了一个谈话基础,那就是薪资应该和能力相匹配它不谈现在的薪资,而是谈未来,一方面表明你对现在的薪资还算满意(以减少主管顾虑),另一方面对主管来讲,他没有立刻给你涨薪的压力;·它体现了你对自己能力提升的渴求,而如果在谈话中出现任何不顺利,你可以把中途把对话结束,根本不提加薪的事情。当然,坏处就是你得隔段时间才能加薪了。跳槽到底为什么说了那么多跳槽不是什么,那跳槽到底为什么呢?求职的本质在跳槽之前,你想过我们为什么要工作么?其实并不是真的如我们父辈们认为的那样,人活着就是要有一份工作的。工作最重要的目的是累积金钱。这是我们在这个现实世界用以维持生计的必需资源。挣钱这件事,至少有四种形式:帮别人挣钱(打工);为自己挣钱(SOHO);雇别人挣钱(企业主);让钱自己挣钱(投资)。为什么我们总是选择第一种呢?因为第一种门槛和风险都最低。而求职只是我们在自己资源和能力不足以进入后几种挣钱形式时,通过出卖自己的劳动能力换取资源的阶段性行为当然,如果能在第一种形式下获得自己满意的物质回报和精神满足,你也可以永远不考虑其他形式,但其他形式在挣钱的效率和数量上是有优势的。这个我们在稍后的章节会细聊。跳槽的意义跳槽其实是打工这种挣钱形态下,我们进行自我调节的方式,通过合理地跳槽,我们可以寻找到市场需求和自我实现的最佳匹配,从而在金钱和成长上双丰收。「市场需求」描述了企业渴求的员工;「自我实现」描述了你想要的生活;当它们重合到起,梦想就照进了现实。这会带给你几年非常愉快的工作生活,但随着我们不断成长,职位和能力可能出现不匹配,这时候我们又需要通过跳槽来再次调节。很多时候,这也是很无奈的事情,不进则退,人在江湖身不由己。跳槽的原则我有一个很好用的跳槽原则,之前发到微博上被赞了上百次:
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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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