计算机控制系统PPT-1.

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1、计算机控制系统计算机控制系统 1 开课目的和任务 (1/2) 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制 正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技 术。 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于 工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控 制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。 Date1第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1 开课目的和任务 (2/2) 本课程是自动化和测控专业的专业基础课和专 业主干课程之一。 哪几门？ 自动控制理论，现代控制理论，微机原理及接 口技术，微机控制技术，运动控制系统，过程控 制

2、系统。 该加系统工程理论?+管理? Date2第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 2 主要的参考文献 作者书书名 出版社年 张张德江等计计算机控制系统统 机械工业业出版社2008 刘士荣等计计算机控制系统统机械工业业出版社2009 王慧等计计算机控制系统统化学工业业出版社2005 于海生等微型计计算机控制技术术机械工业业出版社2008 孙孙增圻等计计算机控制理论论及应应用清华华大学出版社 Date3第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 第一章第一章 绪论绪论 IntroductionIntroduction Automation Research Institute, BUC

3、TAutomation Research Institute, BUCT *4 计算机控制系统计算机控制系统 本章主要内容本章主要内容 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与实现 计算机控制系统的发展概况与趋势计算机控制系统的发展概况与趋势 Date5第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 第一节第一节 Unit 1Unit 1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念 Introduction of Computer Introduction of Computer Contr

4、ol SystemControl System *6 计算机控制系统计算机控制系统 本节主要内容本节主要内容 计算机控制系统的概述计算机控制系统的概述 计算机控制系统的信号特点计算机控制系统的信号特点 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 计算机控制系统的经济效益计算机控制系统的经济效益 Date7第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 “一些自动化实验实验装置图片 ” *8 计算机控制系统计算机控制系统 实验实验 装置装置 -1-1 水处理 生产线 装置 Date9第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 实验装置实验装置 - 2- 2 填料塔换热 装置 Date10第一章 绪

5、 论 计算机控制系统计算机控制系统 实验装置实验装置 - 3- 3 加热反应器 开环不稳 定的对象 Date11第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 实验实验 装置装置 -4-4 非线性 液位对 象 Date12第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 实验实验 装置装置 机房机房 Date13第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-1 1-1-1 概述（概述（1 1） 常规控制系统的工作原理常规控制系统的工作原理 模拟调节器执行机构被控对象 测量变送器 设定值r e u 被调参数 y 图a 单回路常规控制系统示意图 ym 按偏差按偏差e e进行控制，目的是减少或消除

6、偏差。进行控制，目的是减少或消除偏差。 Date14第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-1 1-1-1 概述（概述（2 2） 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理 u 计算机保持器广义对象 测量变送器 e(kT)u(kT)被调参数 y 图b 单回路计算机控制系统示意图 ym 采样器A/D D/A 计算机系统 设定值r Date15第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 计算机控制系统的组成框图 Date16第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面： 实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量 的瞬时值进行检测和

7、输入。 实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和 处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行 为。 实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行 机构发出控制信号，完成控制任务。 Date17第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 （2）几个概念 在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的 方式称为在线方式或联机方式； 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。 实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的 速度进行控制，超出

8、了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。 ！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非 常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同 ：发酵过程和导弹防御系统的对比！ Date18第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 思考两个问题 一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？ 一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。 Date19第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-1 1-1-1 概述（概述（3 3） 计算机控制系统的主要优点计算机控制系统的主要优点 zz组成方式

9、灵活组成方式灵活 zz能实现复杂的控制规律能实现复杂的控制规律 zz获取更大的经济效益获取更大的经济效益 zz为实现企业综合自动化打下了良好的基为实现企业综合自动化打下了良好的基 础础 Date20第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-2 1-1-2 信号特点信号特点（1 1） 计算机控制系统的信号形式计算机控制系统的信号形式 连续模拟信号连续模拟信号: :时间与幅值上均连续，如时间与幅值上均连续，如 y(t)y(t)、u(t)u(t) 离散模拟信号离散模拟信号: :时间是离散的，幅值上连续，如时间是离散的，幅值上连续，如y y * * (t)(t)、 u u* * (t)(t

10、) 连续数字信号连续数字信号: :时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内 部存储和处理信号部存储和处理信号 离散数字信号离散数字信号: :时间离散的，幅值为数字量，如时间离散的，幅值为数字量，如y(kTy(kT) )、u(kTu(kT) ) 采样器 A/D计算机D/A保持器 y(t)y*(t) y(kT) u(kT) u*(kT) u(t) Date21第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-2 1-1-2 信号特点（信号特点（2 2） 计算机控制系统中的量化计算机控制系统中的量化 将离散模拟信号将离散模拟信号用用二进制代码逼近为数字信号

11、二进制代码逼近为数字信号 的过程的过程 （如采样值（如采样值y y * * (t) (t) 量量化为化为y(kTy(kT) ) 的的过程过程） 量化单位量化单位q q q=M/2 q=M/2n n ， ，MM为被转换的模拟量电信号满为被转换的模拟量电信号满 量程，量程， n n为为A/DA/D的转换位数的转换位数 量化误差量化误差 e=q/2e=q/2 Date22第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-2 1-1-2 信号特点（信号特点（3 3） 计算机控制系统的采样过程计算机控制系统的采样过程 y(t) t 采样器 y(t)y*(t) y*(t) 2T4T t 原始过程信号信

12、号通过采样器采样后的信号 过程信号采样过程示意图 Date23第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-2 1-1-2 信号特点（信号特点（4 4） 计算机控制系统的采样的合理性计算机控制系统的采样的合理性 采样器接通时间采样器接通时间 远小于采样周期远小于采样周期T T 理想采样器（接通电阻理想采样器（接通电阻R R 0 0，开路电阻开路电阻R R） 采样信号采样信号y*(t)y*(t)复现原信号在采样瞬间的值复现原信号在采样瞬间的值y(t)y(t) A/DA/D转换后转换后， y*(t) y*(t) y(kTy(kT), k), k=1=1，2 2， 采样周期采样周期T T须满

13、足香农定理须满足香农定理 采样频率大于采样频率大于2 2倍原始信号频率倍原始信号频率 当满足上述条件时，当满足上述条件时， y*(t) y*(t) 与与y(kTy(kT) )只相差量化误只相差量化误 差差 Date24第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-2 1-1-2 信号特点（信号特点（5 5） 设(t-kT) 是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则 采样周期T的选择相当重要。 因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关， 故采样信号可用下式表示： Date25第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-2 1-1-2 信号特点（信号特点（6 6） 信

14、号的保持信号的保持 目的：是将离散采样信号恢复为被控对目的：是将离散采样信号恢复为被控对 象能够感知的连续模拟信号象能够感知的连续模拟信号 方法：采用保持器，由现在或过去时刻方法：采用保持器，由现在或过去时刻 的采样值的采样值, , 用某种函数去逼近用某种函数去逼近2 2个采样时刻间个采样时刻间 的原信号的原信号 常用的保持器：零阶、一阶及高阶常用的保持器：零阶、一阶及高阶 （常数、线性函数、抛物线（常数、线性函数、抛物线 ） Date26第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-2 1-1-2 信号特点（信号特点（7 7） 零阶保持器恢复信号的示意图零阶保持器恢复信号的示意图 6

15、T 4T 2T t y 采样信号y(kT) 原信号y(t) 恢复信号yh(t) 零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT) 0tT, k=0, 1, 2, 由于它只是简单地 外推，故只有当T 足够小时，零阶保 持器才能较好地恢 复原信号。 Date27第一章 绪 论 计算机控制系统计算机控制系统 1-1-3 1-1-3 计算机控制系统的组成及计算机控制系统的组成及 作用作用 软件部分 计算机控制系统 硬件部分 控制计算机 主机、外设、系统总线 生产过程输入输出通道 人机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等 系统软件 应用