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1  引言

    在控制理論中，所謂"控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)"是指把負(fù)反饋控制的原理應(yīng)用到實(shí)際的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中去，不是指計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。應(yīng)用控制理論討論控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題有一個(gè)隱含的前提，就是該計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)正常運(yùn)行，起碼也要設(shè)計(jì)就緒。關(guān)于這一點(diǎn)，許多人都缺乏應(yīng)有的認(rèn)識(shí)。

    于是在控制理論中，"設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)"就是"設(shè)計(jì)控制器"。這個(gè)控制器，其實(shí)是指控制系統(tǒng)框圖中控制器方框的算式，和測(cè)控系統(tǒng)中的控制器部件含義不同。而計(jì)算機(jī)控制理論的"設(shè)計(jì)控制器"就是首先推導(dǎo)出合乎要求的控制器算式，然后按照該控制器算式編寫一段程序模塊，插入到計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行程序中，以便使該計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)滿意的負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的潛在能力，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)控制。

2  關(guān)于G(z)與D(z)的分子分母階差的搭配

    在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控設(shè)備模型G(z)的分子分母階次差只有兩種（如圖1所示）：(1) 同階（同拍）模型就是用當(dāng)前的控制量u(k)和以前的數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前的輸出量y(k)。(2) 差一階（一拍延遲）模型就是用前一拍的控制量u(k-1)和已有的數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前的輸出量y(k)。

    沒必要建立多拍延遲的模型。例如二拍延遲設(shè)備模型：
    y(k)＝－a₁y(k－1)－a₂y(k－2)－a_ny(k－n)＋b₂u(k－2)＋b_nu(k－n)

    就是說，用前二拍的控制量u(k-2)和已有的數(shù)據(jù)，算出當(dāng)前的輸出量y(k)。這意味著沒有及時(shí)利用最新情報(bào)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)可以做到每個(gè)測(cè)控周期測(cè)一對(duì)數(shù)據(jù)，就是說，在k時(shí)刻，已經(jīng)知道了u(k-1)，為什么不利用呢？至于那些具有延遲性能的設(shè)備，也可以本著充分利用最新情報(bào)的原則，仍然建立同階或差一階的模型，盡管可能其b₀，b₁，b₂等很小或者為0。

    控制器程序只是計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行程序的一部分而已。當(dāng)控制工程（計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的建造）完工投產(chǎn)時(shí)，當(dāng)然至少包含了一個(gè)運(yùn)行程序和執(zhí)行開關(guān)、調(diào)節(jié)、測(cè)量和狀態(tài)監(jiān)控等基本操作功能。編寫控制器程序就是在這樣的運(yùn)行程序的基礎(chǔ)上，用同樣的編程語言，編寫一段程序，實(shí)現(xiàn)根據(jù)控制理論設(shè)計(jì)出來的讀入y(k)和寫出u(k)關(guān)系算式（即所設(shè)計(jì)的控制器），達(dá)到良好控制或者優(yōu)化控制的目的。在控制器框圖中，往往又細(xì)分為好多的"器"（方框），其實(shí)它們只是一些相互關(guān)聯(lián)的算式或算法而已。再多的"器"和方框在程序中就是一些相互關(guān)聯(lián)的一段程序。它們可以歸納為一個(gè)大方框-"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"，如圖5所示。

    關(guān)于讀寫操作的具體化，就是根據(jù)具體測(cè)控系統(tǒng)，編寫讀寫操作語句（或者子程序、函數(shù)）。讀操作和寫操作，在編寫控制器程序時(shí)只需從現(xiàn)有的測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行程序中復(fù)制。

    開關(guān)動(dòng)作是在開機(jī)、關(guān)機(jī)或者換檔時(shí)才用的，一般在控制器程序中不考慮。至于運(yùn)行狀況檢測(cè)或者定期巡檢以及中斷服務(wù)子程序，最好能包含在控制器程序中，從現(xiàn)有的運(yùn)行程序中搬過來就行了。程序暫停和終止的設(shè)定，通常也是原來的運(yùn)行程序已經(jīng)考慮過的問題。

    控制器程序的"出口"條件有：(1) 連續(xù)多次，測(cè)量的輸出值y(k)和計(jì)算的輸出值相差太大。(2) 設(shè)備故障，跳到中斷服務(wù)子程序，或者由人工干預(yù)。(3) 從控制臺(tái)上由操作工發(fā)出暫停或退出的命令。(4) 工作完成，如預(yù)定時(shí)間到，或出產(chǎn)的產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定的數(shù)量，或生產(chǎn)過程完畢。

    其它要考慮的實(shí)際問題還有：(1) 反饋濾波器，即測(cè)量信號(hào)的濾波，現(xiàn)在有數(shù)字信號(hào)處理DSP軟件工具可用。(2) 對(duì)于測(cè)量"野點(diǎn)"（過分偏離回歸線的數(shù)據(jù)），用電路限幅或用程序剔除。(3) 注意"負(fù)載效應(yīng)"，因?yàn)樵O(shè)備在空載時(shí)和帶各種大小負(fù)載時(shí)，性能不同，數(shù)學(xué)模型也不同。(4) 注意非線性現(xiàn)象，如飽和、準(zhǔn)飽和、自振蕩等。(5) 在同一個(gè)控制系統(tǒng)中，往往根據(jù)幾種不同情況設(shè)計(jì)幾個(gè)控制器，以便在操作時(shí)"分擋選擇"。

    在編寫控制器程序時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，可能還需要考慮其它輔助操作。

5  編程思路

(1)  計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行就緒：系統(tǒng)狀態(tài)的初始化、開機(jī)、正常運(yùn)行等。

(2)  數(shù)組設(shè)定：例如r(10000)、u(10000)、y(10000)、u1(10000)、u2(10000)，其中預(yù)定值r(k)事先定好了，數(shù)組的維數(shù)由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，其中10000是隨意數(shù)值。

(3)  預(yù)置數(shù)據(jù)（初始化）：例如for(i=0；i<n；i++)，預(yù)置r(i)、u(i)、y(i)、u1(i)、u2(i)等。注意r(i)、u(i)、y(i)與r(k)、u(k)、y(k)的關(guān)系是k=i-n（n是設(shè)備階次）。

(4)  在每個(gè)控制節(jié)拍（測(cè)控周期）中，如果是現(xiàn)時(shí)控制器，編程思路：
    for(i=n；i<10000；i++)           或用 while()句
    用讀指令測(cè)y(k)；
    計(jì)算u(k)；
    用寫指令發(fā)出u(k)；
    其他計(jì)算操作和等待下一時(shí)刻；
    如果是預(yù)報(bào)控制器，編程思路：
    for(i=n；i<10000；i++)            或用 while()句
    用寫指令發(fā)出u(k)；
    用讀指令測(cè)y(k)；
    計(jì)算u(k＋1)；
    其他計(jì)算操作和等待下一時(shí)刻；

(5)  在每個(gè)控制節(jié)拍（測(cè)控周期）中，即在for(i=n；i<10000；i++)之內(nèi)，還要做的操作有：① 用設(shè)備模型G(z)計(jì)算輸出yg(k)，用系統(tǒng)模型H(z)計(jì)算輸出yh(k)，以便比較，監(jiān)測(cè)控制狀況。② 控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況的定期檢測(cè)及其處理。③ 其他控制運(yùn)行所必須的操作。④ 數(shù)組用到頭時(shí)要"周而復(fù)始"，例如：設(shè)置if（k=10000-n），在數(shù)組快到頭時(shí)，要把末幾個(gè)數(shù)據(jù)移到頭幾個(gè)位置去，以便數(shù)組重頭使用。⑤ 用等待函數(shù)delay(T)或wait(T)，T是測(cè)控周期，單位ms，必要時(shí)，還要減去計(jì)算時(shí)間。

(6) 出口或結(jié)束：見上述的"程序出口條件"。
    以上所述，是從事計(jì)算機(jī)控制的人員在編寫控制器程序時(shí)必須考慮的問題。至于基于狀態(tài)方程的控制器設(shè)計(jì)與編程，讀者可以觸類旁通。