计算机控制技术课件一

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1、,计算机控制技术 主讲教师：张艳兵 班级：09050541、42 开课学期：2012/2013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,掌握计算机控制系统设计较完整的知识体系 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,1、计算机控制系统的硬件 2、计算

2、机控制系统的软件 3、控制算法设计 4、计算机控制系统设计步骤、设计理念、设计方法,课程特点,1、以自控理论、计算机技术、自动化仪表为基础 2、与过程控制、电力拖动控制系统密切相关 3、技术性，综合性，实践性，实用性强,学习方法,多看相关杂志，书籍，上网查阅最新资料 认真做好实验和课程设计 做好笔记，认真听讲,课程内容安排,总学时56学时 理论学习50学时 实验6学时 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

3、 计算机控制系统概述,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,

4、3、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，从而实现

5、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。,（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。,（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-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

6、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？,系统是按照一定秩序相互联系着的一组事物。 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。 系统论：整体大于部分之和。 要求：可靠、稳定。,什么是控制？,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。 自动控制：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。,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。严格来说，计算机控制系统是建立在计算机控制理论的基础上，为完成控制任务，以计算

7、机作为控制器，通过程序实施实时控制的自动控制系统。 计算机控制系统必须满足一定的性能指标要求，各个部分的设计必须全盘考虑，综合设计。如果系统中的计算机是微型计算机，则称之为微型计算机控制系统。,2、计算机控制系统的特点,（1）结构上是一个混合系统 （2）包含多种信号形式 （3）系统的设计和分析需要先进的理论 （4）能实现复杂的控制规律 （5）控制规律灵活多变 （6）可分时控制多个回路 （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

8、控制决策； c.实时控制输出-根据控制决策，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。,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。,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

9、短一些。,实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

10、,硬件仅为计算机控制系统的躯体。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）,计算机监督控制系统（SCC）,分布式控制系统（DCS）,现场总线控制系统（FCS）,嵌入式控制系统（ECS）,计算机集成制造系统（CI

11、MS）,1、操作指导控制系统(OGC),操作指导控制系统-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

12、通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，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。 缺点：计算机负担太重，不堪重负时，系统易瘫痪。,链接动画,3、计算机监督控制系统（SCC）,计算机监督控制系统即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，要求其实时性好，可靠性高和

13、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,特点：分层递阶式网络结构，集中管理，分散控制，从而使危险分散。 5. 计算机集成制造系统（CIM

14、S） 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS）的概念是由美国的约瑟夫哈林顿（Joseph Harrington）博士在1973年首先提出的。,。CIMS是计算机技术、自动控制技术、制造技术、信息技术、管理技术、网络技术、系统工程技术等发展的结果。企业采用信息技术改善设计过程、管理决策过程、加工制造过程，在网络和数据库的支持下，实现信息集成，进而优化生产，以提高企业的市场竞争力。 CIMS以集成的观点、信息的观点对待制造业，消除自动化孤岛，使原本几乎相互无关或关系不密切的技术学科走到一起，大幅度提高生产效率，形成了基于计

15、算机的集成制造系统。,CIMS采用多任务分层体系结构，把需要完成的任务按照层次分级成层状或树状的命令/反馈控制方式。上级装置控制下级装置，下级装置负责具体的控制功能，最后一级装置完成要求的最后一道任务。经过多年的发展，已经形成多种方案。,1986年，我国把CIMS列入国家高技术发展规划，以“发展高科技、实现产业化”为宗旨，战略目标是跟踪国际上CIMS高技术的发展，掌握关键技术，建立能获得综合效益又能带动全局的示范点。 经过二十多年的实践，我国在制造业信息化方面取得了举世瞩目的成绩，在国际上取得了一席之地，1994 年、1999年清华大学和华中理工大学分获美国制造工程师协会（SME）大学领先奖。

16、,1995年北京第一机床厂获SME工业领先奖。 CIMS可以说是二十一最主要的生产模式，作为一种生产技术，已经在许多行业得到了广泛的应用。CIMS是在DCS系统之后发展起来的更高一级的控制系统，反映了企业信息化、现代化的潮流，具有十分广阔的发展前景。,6、 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。,特点（1）开放的互联网络，面向所有厂商和用户，资源共享； （2）分散的功能块，每个现场仪表都能独立测量、变换、校正、通信，提高可靠性； （3）设备的互操作性，实现即接即用； （4）适应性强，可靠