三个分量各自的特点#

PID 控制总体特点#

1. 算法简单：物理意义清晰，参数整定方法成熟（如 Ziegler-Nichols）
2. 鲁棒性强：不依赖被控对象精确数学模型，对参数变化和扰动适应性好
3. 应用广泛：工业控制中 90% 以上的回路采用 PID 及其变形
4. 三种作用互补：P 保证响应速度，I 消除稳态误差，D 改善动态品质
5. 可以退化使用：根据对象特点可使用 P、PI、PD、PID 等不同组合
6. 缺点：对非线性、时变、大滞后系统效果较差，需要与现代控制方法结合（如模糊 PID、自适应 PID、神经网络 PID）

三种作用何时使用#

主要特点（7 条，必背）#

1. 可靠性高、抗干扰能力强

   • 采用大规模集成电路 + 屏蔽 + 滤波 + 隔离 + 看门狗等多重抗干扰措施
   • 平均无故障时间（MTBF）通常超过 5 万小时

2. 编程简单、使用方便

   • 主要使用梯形图（LD） 编程，类似继电器控制电路图，电气工程师容易上手
   • 也支持 IL（指令表）、SFC（顺序功能图）、FBD（功能块图）、ST（结构化文本）

3. 功能完善、性价比高

   • 集成了逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理、模拟量控制、通信等功能
   • 相比继电器控制柜，体积小、成本低、维护方便

4. 硬件配套齐全、系统组合灵活

   • 模块化设计：CPU 模块、电源模块、I/O 模块、特殊功能模块（A/D、D/A、PID、运动控制、通信）可按需组合

5. 安装简单、维护方便

   • I/O 端子直接接现场设备，无需复杂电路
   • 故障诊断功能完善（指示灯 + 软件诊断），便于排查

6. 工作方式特殊：循环扫描

   • 三个阶段：输入采样 → 程序执行 → 输出刷新
   • 与微机的”中断响应”方式不同，实时性较好但有滞后（一个扫描周期）

7. 适应恶劣工业环境

   • 工作温度 0~55°C，可耐振动、潮湿、电磁干扰

PLC 与继电器控制系统对比#

基本结构#

DCS（Distributed Control System，集散控制系统） 又称分布式控制系统，采用 “分散控制、集中管理” 的设计思想。典型 4 层结构：

1
┌─────────────────────────────────────┐
2
│  第 4 层  企业管理层（ERP / MES）       │  ←→ 经营决策
3
├─────────────────────────────────────┤
4
│  第 3 层  生产管理层（监控计算机/操作站） │  ←→ 优化调度
5
├─────────────────────────────────────┤
6
│  第 2 层  过程控制层（现场控制站 FCS）   │  ←→ 实时控制
7
├─────────────────────────────────────┤
8
│  第 1 层  现场仪表层（传感器/执行器）    │  ←→ 数据采集 / 执行
9
└─────────────────────────────────────┘
10
            ↕ 通过高速通信网络连接

各层作用：

设计思想（4 点，必考）#

1. 分散控制（Distributed Control）

   • 控制功能分散到多个现场控制站，每个站独立完成局部控制
   • 目的：危险分散——一个站故障不影响其他站，提高系统可靠性

2. 集中管理（Centralized Management）

   • 通过通信网络将所有数据汇总到操作员站
   • 目的：操作员在控制室即可监视全厂运行，便于统一调度

3. 分级递阶（Hierarchical Structure）

   • 系统按功能分为 4 层，每层职责明确
   • 下层为上层提供数据，上层向下层下达指令

4. 综合协调（Integration & Coordination）

   • 通过通信网络实现信息共享和功能协调
   • 集成各种先进控制策略（PID、模糊、神经网络、专家系统）

DCS 的特点#

• ✅ 可靠性高（分散控制）
• ✅ 开放性好（标准通信协议）
• ✅ 灵活性强（模块化）
• ✅ 协调性好（网络通信）
• ✅ 易于扩展

定义#

物联网控制系统 是指以物联网为信息传输和处理平台，将感知层、网络层、应用层与控制理论、控制系统深度融合，实现对物理对象远程、实时、智能控制的系统。

简单理解：

传统控制系统 + 物联网 = 物联网控制系统

把传感器、控制器、执行器通过物联网连接起来，让系统具备互联、感知、智能的能力。

组成部分（5 部分）#

1
        ┌─────────────────────────┐
2
        │  ① 感知层（传感器/RFID）  │ ← 采集数据
3
        └──────────┬──────────────┘
4
                   ↓
5
        ┌─────────────────────────┐
6
        │  ② 网络层（通信网络）     │ ← 传输数据
7
        └──────────┬──────────────┘
8
                   ↓
9
        ┌─────────────────────────┐
10
        │  ③ 应用层（云平台/服务器）│ ← 处理与决策
11
        └──────────┬──────────────┘
12
                   ↓
13
        ┌─────────────────────────┐
14
        │  ④ 控制层（控制器/PLC）   │ ← 生成控制指令
15
        └──────────┬──────────────┘
16
                   ↓
17
        ┌─────────────────────────┐
18
        │  ⑤ 执行层（执行机构）     │ ← 控制物理对象
19
        └─────────────────────────┘

各部分作用：

定义#

系统辨识（System Identification）：根据系统的输入和输出数据，在指定的模型类中，按某种准则函数（如最小二乘），确定一个与被辨识系统等价的数学模型的过程。

L.A. Zadeh（扎德）的经典定义：

辨识就是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型类中确定一个与所测系统等价的模型。

三个基本要素（必考！）#

系统辨识的步骤（补充）#

1. 先验知识 → 确定模型结构
2. 实验设计 → 选择输入信号、采样周期
3. 数据采集
4. 模型结构辨识 → 确定阶次、时延
5. 参数估计 → 用最小二乘等方法估计参数
6. 模型验证 → 残差分析、交叉验证

常用辨识方法#

• 最小二乘法（LS） —— 最经典、最常用
• 递推最小二乘（RLS） —— 在线辨识
• 极大似然法（ML）
• 梯度校正法
• 神经网络辨识

物联网控制的过程（5 步）#

1
   ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
2
   │ ① 数据采集│ →  │ ② 数据传输│ →  │ ③ 数据处理│ →  │ ④ 决策控制│ →  │ ⑤ 执行反馈│
3
   └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘
4
      传感器          网络层          应用层          控制层          执行层
5
                                                                       ↑
6
                                                                       └─ 反馈回 ①

1. 数据采集：传感器感知温度、压力、流量等物理量
2. 数据传输：通过有线/无线网络将数据上传
3. 数据处理：云平台对数据滤波、分析、计算（运行控制算法）
4. 决策控制：生成控制指令并下发
5. 执行反馈：执行机构动作，新状态被传感器感知，形成闭环

通道类型（4 种，必考！）#

简记：AI / AO / DI / DO（4 大通道）

模拟量输入通道（AI 通道）#

完整结构（数据流向从现场到计算机）：

1
被测对象 → 传感器 → 信号调理 → 多路开关 → 采样保持 → A/D 转换 → 接口电路 → 计算机
2
            (变送器)   (放大滤波)  (MUX)      (S/H)     (ADC)

各环节作用：

模拟量输出通道（AO 通道）#

数据流向从计算机到现场（与 AI 反向）：

1
计算机 → 接口电路 → D/A 转换 → 多路开关 → 信号调理 → 功率放大 → 执行机构
2
                    (DAC)       (MUX)       (滤波)     (V/I 转换)

各环节作用：

通用框图记忆#

AI = 传感器 + 调理 + MUX + S/H + ADC + 接口 AO = 接口 + DAC + 保持 + 调理 + V/I + 放大 + 执行器

定义（国标 GB/T 7665-2005）#

传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，输出多为电信号（电压、电流、频率）。

组成结构#

1
被测量 → ┌──────────┐ → ┌──────────┐ → ┌──────────┐ → 电信号输出
2
        │ 敏感元件  │   │ 转换元件  │   │ 转换电路  │
3
        └──────────┘   └──────────┘   └──────────┘
4
        感受物理量      非电量→电量    放大、调理
5
        如热敏电阻      如电阻→电压    桥式电路等

主要特性指标#

• 静态特性：灵敏度、线性度、精度、迟滞、重复性、分辨力、漂移
• 动态特性：频率响应、阶跃响应、固有频率、阻尼比

分类#

物联网定义#

物联网（IoT, Internet of Things）：通过 RFID、传感器、GPS、激光扫描器等信息感知设备，按约定协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。

ITU 定义：Anytime、Anywhere、Anything 的连接。

物联网的三层结构#

物联网与互联网的关系（重点！）#

两者既有联系又有区别：

主要应用领域（7 类）#

1. 工业自动化生产线

   • 流水线顺序控制（汽车焊接、装配线）
   • 机器人联动控制

2. 过程控制

   • 温度、压力、流量、液位 PID 调节
   • 化工反应釜、锅炉燃烧控制

3. 运动控制

   • 步进电机/伺服电机的速度、位置控制
   • 数控机床、印刷机

4. 数据采集与监控（SCADA）

   • 采集现场温度、压力、能耗
   • 通过 PLC 上传到物联网云平台（阿里云、华为云）

5. 智能楼宇与智慧农业

   • 中央空调、电梯、照明控制
   • 温室大棚的温湿度、光照、灌溉自动控制

6. 智能仓储与物流

   • AGV 调度、立体仓库堆垛机控制
   • 与 RFID、条码扫描器配合实现物品追踪

7. 新能源

   • 风电变桨系统、光伏跟踪控制
   • 储能电站 BMS

PLC 在物联网中的关键作用#

1
现场设备 ──→ PLC ──→ 工业网关 ──→ 云平台
2
(传感器/电机)   ↑       (4G/5G)      (大数据分析)
3
              本地控制
4
              + 协议转换
5
              （Modbus → MQTT）

• ✅ 就地控制：保证实时性、可靠性（断网也能运行）
• ✅ 协议转换：把现场总线（Modbus、PROFIBUS）转为物联网协议（MQTT、HTTP）
• ✅ 数据预处理：在边缘端滤波、压缩、报警，减少云端负担（边缘计算）
• ✅ 远程运维：通过物联网实现 PLC 程序远程升级、故障诊断

总体结构#

计算机控制系统 = 计算机 + 控制对象 + 输入/输出通道 + 软件

典型框图：

1
                   ┌───────────────────────────────────┐
2
                   │           计算机（CPU）           │
3
                   │   - 控制算法                      │
4
                   │   - 数据处理                      │
5
                   └────┬──────────────────────────┬───┘
6
                        ↓ DO/AO                    ↑ DI/AI
7
              ┌──────────────────┐       ┌──────────────────┐
8
              │  输出通道（D/A）  │       │  输入通道（A/D）  │
9
              └────────┬─────────┘       └────────▲─────────┘
10
                       ↓                          │
11
              ┌──────────────────┐       ┌──────────────────┐
12
              │   执行机构        │ ──→   │    被控对象       │ ──→ 传感器/变送器
13
              │ (阀门/电机)       │       │  (温度/压力/液位) │
14
              └──────────────────┘       └──────────────────┘

组成部分（5 部分）+ 作用#

软件组成（也要会答）#

• 系统软件：操作系统、编译器、数据库
• 应用软件：
  • 控制算法软件（PID、模糊、最优控制）
  • 数据采集与处理软件
  • 人机界面 HMI
  • 报警、记录、报表软件
  • 通信软件（与上位机/云平台通信）

实时性定义#

实时性（Real-Time）：计算机控制系统在规定的时间内（截止时间 deadline）对外部事件作出正确响应的能力。

特点：

• 正确性 ≠ 实时性：结果对但超时也算失败
• 强调”按时”，不是”快速”
• 分两种：
  • 硬实时：错过截止时间 → 系统失效（如飞行控制、ABS 制动）
  • 软实时：偶尔超时可容忍但性能下降（如视频流、报表）

如何保证实时性（必考！6 个方面）#

例题 1：连续 PID 离散化（位置式 PID）#

题目：已知连续 PID 控制律：

求离散化后的位置式 PID 表达式。

解：

设采样周期为 $T$，第 $k$ 次采样时刻：

• 积分项用矩形积分近似：

• 微分项用后向差分近似：

代入得到位置式 PID：

特点：

• 输出 $u(k)$ 是全量值（直接对应执行机构位置）
• 需要累加所有历史误差，运算量大，易积分饱和
• CPU 故障时输出会大幅变化（不安全）

例题 2：增量式 PID（必考！）#

题目：由位置式 PID 推导增量式 PID。

解：

用 $u(k)$ 减去 $u(k-1)$：

展开：

其中：

• $K_i = K_p \cdot T / T_i$
• $K_d = K_p \cdot T_d / T$

增量式 PID 的优点（必考）：

1. ✅ 不需要累加历史误差——计算量小、不会积分饱和
2. ✅ 输出是增量 $\Delta u$，CPU 故障时影响小（执行机构保持原位）
3. ✅ 切换控制方式时无冲击（自动 ↔ 手动平滑切换）
4. ✅ 只需保存 $e(k)$、$e(k-1)$、$e(k-2)$ 三个值

缺点：积分作用弱，对稳态精度要求高的场合仍用位置式。

例题 3：阶跃响应曲线（画图题）#

题目：画出一阶惯性环节 $G(s) = \frac{K}{Ts+1}$ 在单位阶跃输入下的响应曲线。

解：

时域解为：

画图步骤（带笔来）：

1
y(t)
2
 ↑
3
K├──────────────── ←── 稳态值 = K
4
 │           ╭─────
5
 │      ╭────
6
 │   ╭──
7
0.632K ┤  ←── t = T 时 y(T) = 0.632K（必标注！）
8
 │ ╱
9
 │╱
10
 └──────────────────→ t
11
 0  T   2T   3T   4T
12

13
特征点：
14
• t = T   →  y = 0.632 K  （63.2%）
15
• t = 2T  →  y = 0.865 K
16
• t = 3T  →  y = 0.950 K
17
• t = 4T  →  y = 0.982 K  （过渡过程基本结束）

画图要点：

1. 横坐标 $t$，纵坐标 $y(t)$
2. 起始点 $y(0) = 0$
3. 稳态值 $y(\infty) = K$ 用虚线标出
4. 必须标注 $t=T$ 时 $y=0.632K$
5. 曲线初始斜率最大，逐渐变缓（指数曲线）

题型 A：画系统结构方框图#

例如”画出计算机控制系统结构图”：

1
┌─────────┐   ┌──────┐   ┌──────┐   ┌─────────┐
2
│  R(s)   │ → │ A/D  │ → │计算机│ → │  D/A    │ → 执行器 → 对象 → Y(s)
3
│ 给定值  │   │      │   │ 算法  │   │         │                    │
4
└─────────┘   └──────┘   └──────┘   └─────────┘                    │
5
                  ↑                                                  │
6
                  └──────────────── 传感器 ←─────────────────────────┘

画图要点：

• 各方框命名清晰（A/D、D/A、计算机、对象、传感器）
• 信号流向用带箭头的线
• 反馈回路要画完整闭环

题型 B：求脉冲传递函数（Z 变换）#

例：已知 $G(s) = \frac{1}{s+a}$，求加零阶保持器后的脉冲传递函数 $G(z)$。

解：零阶保持器 $G_h(s) = \frac{1-e^{-Ts}}{s}$

查 Z 变换表：

化简：

题型 C：判断稳定性（Jury 判据 / 单位圆）#

离散系统稳定的充要条件：闭环传递函数所有极点都在 z 平面单位圆内（$|z| < 1$）。

Jury 判据：通过特征多项式系数判断（教材有详细步骤）。