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1、计算机控制技术授课教案1、 课程性质：专业必修课，工程实用性强，强调课程的重要性。2、 先修课程及相关课程：先修课程为微机原理、微机接口技术、自动控制原理。相关课程有：过程控制、自动控制系统、毕业设计。3、 本门课学习方法：抓住主要矛盾； 理论联系实际；善于运用对比的方法。第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 计算机控制系统概论计算机控制系统概论一、计算机控制系统的一般概念一、计算机控制系统的一般概念1 1自动控制系统的结构自动控制系统的结构生产中的自动控制系统随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构不同而有很大的差别，但一般可归纳为两大类，即闭环控制系统和开环控制系统。由于开环控制系统控制性能
2、较闭环控制系统差，因此在控制要求较高时均采用闭环控制。闭环控制系统的典型结构如图 1.1 所示。图 1.1 闭环控制系统的典型结构图2 2计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。如果计算机是微型计算机，就是微型计算机控制系统。典型的计算机控制系统结构如图 1.2 所示。图 1.2 计算机控制系统结构图3 3计算机控制系统的工作步骤计算机控制系统的工作步骤计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。(2)实时
3、决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。4 4几个术语几个术语（1）实时所谓“实时” ，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。（2） “在线”方式在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。(3)“离线”方式若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机
4、的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。二、计算机控制系统的发展概况二、计算机控制系统的发展概况计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，因此计算机控制系统的发展是与自动控制理论与计算机的发展密不可分的。1 1自动控制原理的发展自动控制原理的发展（1）经典控制理论（2）现代控制理论（3）智能控制理论2 2计算机技术的发展计算机技术的发展1946 年第一台计算机问世至今，计算机技术迅速发展。3 3计算机控制技术的发展计算机控制技术的发展（1）开创阶段(1955 年1965 年)1952 年，开始把计算机用于生产过程，实现了自动测
5、量和数据处理，为操作人员提供了对管理有用的信息。1954 年用计算机构成了开环控制系统，能够帮助操作人员对一部分被控参量进行正确调节。1957 年采用计算机构成闭环控制系统，最初应用于石油蒸馏过程的调节；一年后，又在一个电站和一个炼油厂采用直接数字控制方式，实现了计算机闭环定值控制，这是计算机在线过程控制系统。1960 年，在合成氨和丙烯腈生产过程中完成了计算机监督控制，计算机开始侧重于最优控制，并逐步向分级控制和网络控制方向发展。虽然每隔二、三年计算机应用于生产过程控制就有一些新发展，但在 1965 年以前基本上处于单项工程试验阶段。（2）小型计算机时期(1965 年1972 年)在试验阶段
6、用于控制的计算机基本上还是模拟常规调节仪表所采用的调节规律，只在控制形式上由连续变为离散，因而调节效果得不到明显改善。直到 60 年代后期出现了小型机，才使计算机控制得以普及。由于小型机具有体积小、速度快、工作可靠、价格较便宜等特点，所以使得计算机控制系统不再只是大型企业的工程项目，对于较小的工程问题也能利用计算机来控制了。这一时期主要是计算机集中控制，即用一台计算机控制尽可能多的调节回路。在高度集中控制时，若计算机出现故障，将对整个生产产生严重影响。提高可靠性的措施就是采用多机并用的方案，即增加小型机数目。因此由于小型机的出现，过程控制计算机的台数迅速增长。这一时期为实用及普及阶段。（3）微
7、型计算机时期(1972现在)随着计算机技术的发展，出现了微型机，从而使计算机控制技术进入了崭新的阶段。这一时期以微型机为主体。在控制结构上，对于简单生产过程或装置，采用单台微型机独立控制，如以单片机、工业控制机、可编程控制器为核心的计算机控制系统；对复杂生产过程或装置则采用集散型控制系统，将计算机分散到生产装置中去，采用多级分布式结构，从下而上分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级，进行分散控制、集中操作、分级管理、统一协调的工作，既能使危险分散，又能实现整体的协调和优化，大大提高了系统的安全可靠性和通用灵活性。所以这一时期也是大量推广和分级控制阶段。三、计算机控制系统的发展趋势三
8、、计算机控制系统的发展趋势大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。1.1. 普及应用可编程序控制器普及应用可编程序控制器可编程控制器(Programmable Controller)，缩写为 PC，也可称之为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，是一种专为工业环境应用而设计的微机系统。它用可编程序的存储器来存储用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完
9、成确定的逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能。某些 PLC 还可进行 I/O 控制，多台 PLC 之间进行通讯与联网，因此 PLC 在工业控制中得到了广泛的应用。近年来 PLC 几乎都采用微处理器作为主控制器，且采用大规模集成电路作为存储器及 I/O 接口，因而其可靠性、功能、价格、体积等都比较成熟和完美。特别是具有智能的 I/O 模块的开发成功，使 PLC除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID 运算及网络等功能，从而大大地扩大了 PLC 的应用范围。目前从单机自动化到工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络都可寻觅到 PLC 的踪影。2.2. 采用集散控
10、制系统采用集散控制系统集散控制系统是以微机为核心，把微机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合起来的一种计算机控制系统，它为生产的综合自动化创造了条件。目前出现了以位总线(Bitbus)、现场总线(Fieldbus)技术等先进的网络通信技术为基础的集散型控制结构。若采用先进的控制策略，会使自动化系统向低成本、综合化、高可靠性的方向发展，实现计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacture System)。3.3. 研究和发展智能控制系统研究和发展智能控制系统经典控制理论主要研究的对象是单变量常系数线性系统，它
11、只适用于单输入单输出控制系统。系统的数学模型采用传递函数表示，系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹法和频率法。现代控制理论主要采用最优控制(二次型最优控制、H控制等)、系统辨识和最优估计、自适应控制等分析和设计方法。系统分析的对象为多输入多输出线性系统，系统分析的数学模型主要用状态空间描述。随着要研究的对象和系统越来越复杂，依赖于数学模型的传统控制理论难以解决复杂系统的控制问题，尤其是在具有如下特点的一类现代控制工程中：(1)不确定性的模型：传统控制是基于模型的控制，模型包括控制对象和干扰模型。传统控制通常认为模型是已知的或经过辨识可以得到的，对于不确定性的模型，传统控制难以满足要求。(2)高
12、度非线性：在传统的控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性控制方法可供使用，但总的来说，目前非线性控制理论还很不成熟，有些方法又过于复杂，无法广泛应用。(3)复杂的任务要求：在传统的控制系统中，控制任务往往要求输出量为定值(调节系统)或者要求输出量跟随期望的运动轨迹(跟踪系统)，因此控制任务比较单一。但过于复杂的控制任务诸如智能机器人系统、复杂工业过程控制系统、计算机集成制造系统、航天航空控制系统、社会经济管理系统、环保及能源系统等传统的控制理论都无能为力。在上述情形下智能控制便应运而生了。智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，是用机器模拟人类
13、智能的一个重要领域。智能控制包括学习控制系统、分级递阶智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。应用智能控制技术和自动控制理论来实现的先进的计算机控制系统，将有力地推动科学技术进步，并提高工业生产系统的自动化水平。第二节第二节 微型计算机控制系统的组成及特点微型计算机控制系统的组成及特点一、微型计算机控制系统的硬件组成一、微型计算机控制系统的硬件组成图 1.3 给出了微机控制系统的组成框图。微型机控制系统的硬件包括：1.1.主机主机这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过
14、程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。图 1.3 微机控制系统组成框图2 2输入输出通道输入输出通道这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。3 3外部设备外部设备这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输
15、入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。4 4检测与执行机构检测与执行机构(1)测量变送单元在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成 mV 信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(05V 或 420mA)后，再送入微机。(2)执行机构要控制生产过程，必须
16、有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。二、微型机控制系统的软件组成二、微型机控制系统的软件组成软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。1.1. 系统软件系统软件它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。系统软件包括：(1)操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；(2)诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序；(3)开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装
