计算机控制技术第一章

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1、 计算机控制技术主讲教师：张艳兵班级：08050541、42开课学期：11/12第一学期总学时：56 学时 课程体系计算机控制技术是工业电气自动化、 自动控制、计算机应用等专业的主要课程 之一。内容涉及到微机原理、单片机及接 口技术、自动控制理论、自动控制系统、 汇编语言、电子技术等相关内容。计算机控制技术涉及内容广泛，实 践性、综合性比较强 ，要求同学们有较 强的系统设计能力，要有全局观，统筹考 虑，才能设计出符合要求的系统。学习目的n掌握计算机控制系统设计较完整的知识 体系n掌握计算机控制系统设计的基本技能， 能设计出常用的计算机控制系统。学习内容n1、计算机控制系统的硬件n2、计算机控制

2、系统的软件n3、控制算法设计n4、计算机控制系统设计步骤、设计理念 、设计方法课程特点n1、以自控理论、计算机技术、自动化仪 表为基础n2、与过程控制、电力拖动控制系统密切 相关n3、技术性，综合性，实践性，实用性强学习方法n多看相关杂志，书籍，上网查阅最新资 料n认真做好实验和课程设计n做好笔记，认真听讲课程内容安排n总学时56学时n理论学习50学时n实验6学时n课程设计2周第一章 绪论 本章要点 1.掌握计算机控制系统的概念、特点及工 作过程2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组 成。3. 初步认识微型计算机控制系统分类与装 置种类 4. 了解计算机控制系统的发展 本章主要内容 1.1 计

3、算机控制系统概述 1.2 计算机控制系统的组成 1.3 计算机控制系统分类 1.4 计算机控制系统的发展概况和趋 势引言计算机控制技术是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的 一门综合性学科，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控 制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一 个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要 的实现手段。本课程立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普 通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。 下图为一个制药车间的自动化生产流程。1.1 计算机控制系统概述主要知识点:1、计算机 控制系统概念2、计算机控制系统特点3、

4、计算机控制系统的工作过程 1、计算机控制系统概念计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而 来的;常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制 要求，一般分成闭环控制(图1-1a所示)与开环 控制(图1-1b所示)两种结构形式;计算机控制系统原理组成用控制计算机代替 图1-1的控制器，如图1-2所示；（1）闭环控制系统闭环控制系统-闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测 ，把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器 将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相 应的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量 跟踪趋近给定值，从而实

5、现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了 闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。euqy 控制器执行器被控对象测量变送器偏差给定值控制作用操纵变量被控量 测量值r+ _zf干扰图1-1(a) 闭环控制系统（2）开环控制系统开环控制系统-不同于闭环系统，它不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动 执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方 向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统。 uqy控制器执行器被控对象给定值控制作用操纵变量被控量 r(b) 开环控制系统（3）计算机闭环控制系统原理组成 计算机闭环控制系统的原理组成-

6、是把图1-1中的控制 器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A （数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递 ，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将 模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字 量转换为模拟量作为其输出信号。 图1-2 计算机控制系统原理图 什么是系统？n系统是按照一定秩序相互联系着的一组 事物。n系统的特点：有共同目的，有特定功能 ，相互关联、制约、作用，一个整体。n系统论：整体大于部分之和。n要求：可靠、稳定。什么是控制？n控制是为了实现一定的目标所采取的方 法和手段。它使系统保持稳定，朝着一 个方向发展。n自动

7、控制：不需要人工干预，由控制器 按照预期的规律，自动完成控制任务， 并满足一定的指标要求。n计算机控制系统：就是由计算机完成控 制功能的自动控制系统。2、计算机控制系统的特点n（1）结构上是一个混合系统n（2）包含多种信号形式n（3）系统的设计和分析需要先进的理论n（4）能实现复杂的控制规律n（5）控制规律灵活多变n（6）可分时控制多个回路n（7）提高了企业的自动化程度3、计算机控制系统的控制过程a.实时数据采集-对来自测量变送器的被控量的 瞬时值进行采集和输入 ； b.实时控制决策-对采集到的被控量进行分析、 比较和处理，按一定的控制规 律运算，进行控制决策； c.实时控制输出-根据控制决策

8、，适时地对执行 器发出控制信号，完成监控任 务； 计算机控制系统的设计必须满 足实时性要求。n什么是实时？实时是指信号的输入、计 算和输出都要在一定的时间间隔（采样 周期）内完成，计算机对输入的信息必 须以足够快的速度进行处理并在一定的 时间内作出反映或者进行控制。一旦超 出了这个时间间隔，就失去了控制的时 机，控制就失去了意义。n实时的概念不能脱离具体的受控过程，应 该与工艺要求紧密相连。例如对炉温和液 位控制时，其变化过程比较缓慢，在几秒 钟内完成一次循环，其控制仍然是实时的 ；对火炮系统来说，当目标状态变化时， 必须在几毫秒之内及时控制，否则就不能 击中目标，因此间隔时间必须短一些。n实

9、时性指标是计算机控制系统设计中必 须重点考虑的指标要求，工作于在线方 式的系统不一定是实时系统，但一个实 时系统必定工作于在线方式。计算机控 制系统的实时性指标通常取决于检测仪 表的延时、过程量的输入延时、微处理 器的运算延时、控制量的输出延时以及 控制算法的复杂程度等因素。1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统硬件一般包括：主机-CPU RAMROM系统总线 常规外部设备-输入/输出设备、外存储器等过程输入输出通道AI、AO、DI、DO操作台CRT、LED、LCD 等通信设备交换机、modem、集线器等图 1-4所示硬件组成框图图1-4 计算机控制系统硬件组成框图 链接动画硬件仅为计算机

10、控制系统的躯体。要使计算机正确地 运行解决各种问题，必须为它编制软件。所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它 是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是 在软件程序指挥下协调工作的。软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件 一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机 本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编 制的各种应用程序。 1.3 计算机控制系统的分类 主要知识点操作指导控制系统 (OGC) 直接数字控制系统（DDC）监督计算机控制系统（SCC） 分散控制系统（DCS） 现场总线控制系统（FCS） 嵌入式控制系统（ECS）1、操作指导控制系统(OGC)操作指导控

11、制系统-是基于数据采集系统的 一种开环结构，如图1-6所示。计算机根据采集 到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出 的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象， 而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个 控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导 的作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半 自动工作状态。OGC系统的优点是结构简单，控 制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到 限制，不能同时控制多个回路。 链接动画2、直接数字控制系统（DDC）DDC系统-是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭

12、环控制，为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。计算机生产过程显示打印机报警操作台）ID，D/A（入输程过）OD，A/D（出输程过图1-7 直接数字控制系统 链接动画3、计算机监督控制系统（SCC）监督计算机控制系统即SCC-是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统，如图1-8所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其

13、实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。链接动画4、分布式控制系统（DCS）分布式控制系统-是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制 的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制 系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国 外将该类系统取名为分散控制系统，国内也有人将 其称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。 分散控制系统简称为DCS。DCS 采用分散控制、集 中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原 则。 链接动画5、 现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统即FCS-是新一代分布

14、式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准 不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于 一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原 DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个 彻底的分散控制模式。每个现场仪表(例如变送器、执行 器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成 测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接 在一起统筹工作。6、嵌入式控制系统n嵌入式系统（Embedded System）诞生至 今，已有30多年的历史。依据英国电机工 程师协会的定义，嵌入式系统为控制、监 视或辅助设备、机器或者工厂运作的装置 ，它是一种电脑

15、软体与硬体的综合体，并 且特别强调“量身定做”的原则，也就是基于 某一种特殊用途，我们就会针对这项用途 开发出截然不同的一项系统出来。n在新兴的嵌入式系统产品中，常见的有 手机、掌上PDA（个人数字处理）、GPS （全球定位系统）、电视机顶盒或是嵌 入式伺服器（embedded server）及精简 型终端设备（thin client）等。n关于嵌入式系统目前尚无严格的统一定 义，通常定义为：嵌入式系统是以应用 为中心，整合了计算机软件、硬件技术 ，通信技术和微电子技术，以“量体裁衣” 的方式把所需的功能嵌入到应用系统的 设备中，适用应用系统对功能、可靠性 、成本、体积、功耗等严格要求的专用

16、计算机系统。它一般由嵌入式微处理器 、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及 用户的应用程序等四个部分组成，用于 实现对其他设备的控制、监视或管理等 功能。n嵌入式系统一般指非PC系统，包括硬件 和软件两部分。硬件包括处理器/微处理 器、存储器及外设器件和I/O端口、图形 控制器等。软件部分包括操作系统软件 （OS）（要求实时和多任务操作）和应 用程序编程。有时设计人员把这两种软 件组合在一起。应用程序控制着系统的 运作和行为；而操作系统控制着应用程 序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统具有以下特点：n（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的n（2）适用于实时和多任务的体系。n（3）集成度高，技术性强n（4）生命周期长，发展稳定n（5）系统的开发需要工具和环境1.4、计算机控制系统发展n1、计算机控制系统发展史n（1）计算机控制系统开创期（20世纪50 年代）n标志性成果：1956年TRW3000n（2）直接数字控制阶段（ 20世纪60年 代）n代表性的成果：1962，