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1、,计算机控制技术,计算机控制系统的一般概念与组成,工业控制计算机的特点,第一章 绪论,计算机控制系统的分类,计算机控制系统的发展概况与趋势,自动控制系统的一般形式,1.1 自动控制系统的一般形式,图1-1 自动控制系统的基本结构,自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。 这些功能是由检测元件、变送装置、控制器和执行机构来完成的。 控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。,图1-2 计算机控制系统基本框图,计算机控制系统将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来代替。,在计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就
2、能实现对被控参数的控制。,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,武汉大学,实时数据采集，对被控参数的瞬时值进行实时检测，并输入给计算机； 实时决策，对采集到的被控参数进行处理后，按照已经确定的控制规律，决定当前的控制量； 实时控制，根据实时计算的结果，适时地向执行机构发出控制信号，实施控制。 “实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。所需时间将依具体系统特性确定。,计算机控制系统的控制过程可以归结为：,AD转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机； DA转换器，将计算机产生的数字指令信号
3、转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件； 数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。,计算机控制系统系统主要包括：,计算机控制系统是混合信号系统，具有多种信号形式：计算机是一个数字式离散处理器 。被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的 模拟与数字部件组成的混合系统。,计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。,计算机控制系统的特点,1. 易实现复杂控制规律 计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储能力，容易实现复杂的控制规律，如各种智能控制等，可以极大地提高系统性
4、能。 2. 计算机控制系统的性价比高 一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的功能/价格比值较高。 3. 适应性强灵活性高 控制算法是由软程序实现，通过修改或执行不同的软件可使系统具有不同性能，适应性强，灵活性高。计算机是一种可编程的智能元件 。 一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制。,4. 系统测量灵敏度高 数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度。 软件可以对传感器特性进行修正与补偿，提高了精度。 5. 控制与管理容易结合实现更高层次的自动化 利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产过程与经营的管理控制一体化。 6. 系统可靠性和容错能力高 计
5、算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便，提高了系统的可靠性和容错及维修能力。 计算机控制系统一些缺点与不足-抗干扰能力较低；-插入数字部件，信号复杂，设计实现有一定困难。,通用外部设备,主机及操作台,外部通道,接口,检测及变送,控制对象,传感器,变送器,图1-3计算机控制系统原理图,1.2.2 计算机控制系统的组成,计算机主机：计算机控制系统的核心 -中央处理器（CPU）-RAM、ROM等存储器、定时器-接口适配器，显示、打印、操纵台等,1. 计算机控制系统的硬件组成,计算机按照预先存放在存储器中的程序、指令，不断通过过程输入通道获取反映被控对象运行工况的信息，并按程序中规定的控制算法，或操
6、作人员通过键盘输入的操作命令自动地进行运算和判断，及时地产生并通过过程输出通道向被控对象发出相应控制命令，以实现对被控对象的自动控制,过程通道：-模数（A/D）转换器 -数模（D/A）转换器 -传感器 -信号调理电路功能：传感器将非电量的物理量变换成电量，该电量并不一定适合A/D直接采样转换，常需通过放大、滤波等措施后，才能送入A/D转换器。 -数字量输入通道或数字量输出通道。,软件是计算机工作程序的总称，实现信息采集、处理及输出功能的各种程序的集合。 -系统软件：计算机的通用软件。-应用软件：系统软件支持下实现各种应用功 能的专用程序。包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理
7、程序。通常，应用软件由控制系统设计人员根据所选用的硬件及软件环境和系统要求开发编写。 在构成系统硬件及软件时，要充分保证系统运行的实时性及可靠性。,2 计算机控制系统的软件,1.3 工业控制计算机的特点,工控机主要用于过程测量、控制、数据采集等，其特点如下：,1可靠性高和可维修性好可靠性设备在规定的时间内运行不发生故障，为此需要采用可靠性技术来解决；可维修性工业控制机发生故障时，维修快速、方便、简单。,2控制的实时性好工控机对生产过程进行实时控制和监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化，当发生异常时能及时处理和报警。因此需要配有实时操作系统和中断系统。,3环境适应性强要求工控机具
8、有防尘、防潮、防腐蚀、耐高温以及抗震动等能力。,4输入和输出通道配套好工控机要具有丰富的输入和输出通道配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入和输出模板。具有多种类型的信号调理功能，如各类热电偶、热电阻信号的输入调理等。,5系统的扩充性好随着工厂自动化水平的提高，控制规模不断地扩大，要求工控机具有灵活的扩充性。,6控制软件包功能强具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时和历史的趋势记录与显示功能；具有实时报警及事故追忆功能；具有丰富的控制算法程序等。,7系统通信功能强有了强有力的通信功能，工控机便可以构成更大的控制系统，所以要求工控机具有串行通信
9、和网络通信功能。,1.4 计算机控制系统的分类,1.操作指导系统（Operational Information System）,开环控制结构。其优点是控制过程简单，即使计算机发生故障，也不会影响正常生产过程， 其缺点则是需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。,2. 直接数字控制 (Direct Digital Control，DDC) 系统计算机取代常规模拟式控制器而直接对生产过程或被控对象进行控制。 要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。,3. 计算机监督控制 (Supervise Control by Computer，SCC) 系统针对某一生产过程
10、或被控对象，依生产过程的各种状态，按生产过程的数学模型和给定指标要求，进行优化分析计算，产生最佳设定值，并将其自动地作为执行级DDC的设定控制目标值，由DDC行使控制。,4. 分散型计算机控制系统 (Distributed Control System，DCS) -应用以多台计算机 为基础的分散型控 制系统。 -分散控制基础上的 又形成了集散型计算 机控制系统，又称为 分散型综合控制系统 （Total DCS）。 -“控制要分散，管理要集中” 。,1.5 计算机控制系统的发展概况与趋势,1. 开创时期（19551962年）难于直接参与系统的闭环控制。计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。 2.
11、直接数字控制时期（19621967年）计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因而被称为直接数字控制（DDC)。 3. 小型计算机时期（19671972年）各种类型适合工业控制的小型计算机。许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。 4. 微型计算机时期（1972年至今）微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更普及的应用。,5. 集散型控制微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统。 微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。如嵌入式计算机控制系统；
12、网络计算机控制；专用控制器迅速的发展。,性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制系统分析、设计理论的支持。-采样系统的基本理论； -现代离散控制理论； -各种智能控制理论，如模糊控制、神经网络。限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应用受到了限制。 加强先进控制理论的可行性研究，发展各种简便易行的先进控制策略，提高系统控制水平。,计算机控制系统的发展趋势,1普及应用PLC，并向微型化、网络化和开放性方向发展 2自动化仪器仪表向数字化、智能化、网络化和微型化方向发展 3采用新型的DCS和FCS发展以位总线（Bitbus）、现场总线等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS控制结构，并采用先进
13、的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展，实现计算机集成制造系统。,4实现最优控制最优控制就是恰当地选择控制规律，在控制系统的工作条件不变以及某些物理条件的限制下，使得系统的某种性能指标取得最大值或最小值，即获得最好的经济效益。,5自适应控制若在系统本身工作条件变化的情况下，能自动地改变控制规律，使系统仍能处于最佳工作状态，其性能指标仍能取得最佳，这就是自适应控制。自适应控制包括性能估计（系统辨识）、决策和修改三部分。,6人工智能人工智能是用计算机来模拟人工所从事的推理、学习、思考、规划等思维活动，从而解决需要人类专家才能处理的复杂问题。其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人。,（
14、1）专家系统即计算机专家咨询系统，是一个具有大量专门知识的计算机程序系统，它将各领域专家的知识分类，以适当的形式存放于计算机中，根据这些专门知识系统，可以对输入的原始数据做出判断和决策，以回答用户的咨询。,（2）机器人是一种能模拟人类智能和肢体工作的装置，它不仅能提高工业产品的质量和生产效率，降低成本，而且能完成有害地区的工作，从而具有实用价值。,7模糊控制在自动控制领域中，对于难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制对象，模糊控制技术具有很好的适应性。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。,8模型预测控制由于
15、工业对象通常是多输入、多输出的复杂关联系统，具有非线性、时变性、强耦合与不确定性等特点，难以得到精确的数学模型。出现了一类新型计算机控制算法，如动态矩阵控制、模型算法控制。这类算法以对象的阶跃响应或脉冲响应直接作为模型，采用动态预测、滚动优化的策略，具有易于建模、鲁棒性强的显著优点，十分适合复杂工业过程的特点和要求。,性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制系统分析、设计理论的支持。-采样系统的基本理论； -现代离散控制理论； -各种智能控制理论，如模糊控制、神经网络。限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应用受到了限制。 加强先进控制理论的可行性研究，发展各种简便易行的先进控制策略，提
16、高系统控制水平。,现场总线控制系统与传统的分布式控制系统相比，具有哪些特点？ 嵌入式系统具有哪些特点？,模拟量输入通道,模拟量输出通道,第二章,数字量输入输出通道,计算机控制系统是混合信号系统，具有多种信号形式：,2.1 信号的采样与恢复,-模拟信号采样：按一定时间间隔对连续信号采样，将其变成时间上是断续的离散信号；-信号幅值的整量化：将采样信号幅值按有限字长的最小量化单位分层取整，变成幅值为离散的信号； -数字编码 ：将已整量化的分层信号变换为等值的二进制数码信号，即数字信号。,A/D转换器通常包含下述三种形式的变换：,-数字解码 把数字量转换为等值的模拟脉冲信号；-信号恢复 把解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化信号 。,D/A变换器通常包含有下述两种形式的变换：,
