[工程科技]数字技术控制概论

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1、开课目的和任务,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。,开课目的和任务,本课程是自动化专业的专业主干课程之一。 自动控制理论，计算机硬件技术基础，现代控制理论，运动控制系统，过程控制系统。,自动控制,在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,自动控制理论发展简史,经典控制理

2、论 ( 19世纪初 ),专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法,时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法,现代控制理论 ( 20世纪60年代 ),线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统,智能控制理论 ( 20世纪70年代 ),基本控制方式,1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制,（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

3、使被控对象的被控量跟踪趋近给定值，从而实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。,（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。开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。,开环控制与闭环控制各有优缺点，应对其优缺点有所了解。本课主要讨论和研究闭环控制系统。,开环控制系统不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上。与闭环控制系统相比，它的控制性能较差。,开

4、环控制系统：结构比较简单，成本较低。缺点是控制精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。一般用于可以不考虑外界影响或精度要求不高的场合，如洗衣机、交通灯的控制等。,开环控制系统与闭环控制系统的比较,闭环控制系统：不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统内部的变化，只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除偏差。因此，闭环控制抑制干扰能力强，与开环控制相比，系统对参数变化不敏感，可以选用不太精密的元件构成较为精密的控制系统，获得满意的动态特性和控制精度。但是采用反馈装置需要添加元部件，造价较高，同时也增加了系统的复杂性，如果系统的结构参数选取不适当，控制过程可能变得很差

5、，甚至出现振荡或发散等不稳定的情况，因此，如何分析系统，合理选择系统的结构参数，从而获得满意的系统性能，是自动控制理论必须研究解决的问题。,?,反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生影响之后才能做出相应的控制。尤其当控制对象具有较大延迟时间时，反馈控制不能及时地影响输出的变化，会影响系统输出的平稳性。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结合起来，构成复合控制，可以有效提高系统的控制精度。,复合控制 ？,例 1 炉温控制系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,方框图中各符号的意义,元部件 方框（块）图 信号（物理量）

6、及传递方向 中的符号 比较点 引出点 表示负反馈,例 2 函数记录仪,函数记录仪方框图,水温调节系统,水温调节系统工作原理图,?,?,工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。 其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。 这是一个

7、按干扰补偿的复合控制系统。,控制系统的组成 (1),被控对象 控制系统 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件,控制系统的组成 (2),控制系统的分类,按给定信号的形式 按系统是否满足叠加原理 按系统参数是否随时间变化 按信号传递的形式 按输入输出变量的多少,恒值系统 / 随动系统,线性系统 / 非线性系统,定常系统 / 时变系统,连续系统 / 离散系统,单变量系统 / 多变量系统,?,?,对控制系统的基本要求,1. 稳：（基本要求） 要求系统要稳定 2. 准：（稳态要求） 系统响应达到稳态，输出跟踪精度要高 3. 快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程要快速,

8、第一章 计算机控制概述,本章要点 1.了解计算机控制系统的构成原理 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,本章主要内容,引言,1.1 计算机控制系统组成,1.2 计算机控制系统分类,1.3 计算机控制装置种类,本章小结,思考题,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问，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

9、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 计算机控制系统的组成,主要知识点:,1.1.1 控制系统概念,1.1.2 硬件组成,1.1.3 软件组成,1.1.1 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1-1所示)与开环控制(图1-2所示)两种结构形式; 计算机控制系统原理组成用计算机代替图1-1的控制器，如图1-3所示；,（1）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中的控制器用微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A（数/模）转换接口

10、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1-3 计算机控制系统原理图,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。,实时：信号的输入、处理和输出都必须在一定的时间范围内完成。实时性与具体生产过程密切相关，一个实时控制系统必定是在线的，但一个在线的系统不一定是实时的。,?,

11、?,（2）计算机控制系统的监控过程步骤,（3） 计算机控制系统的特点, 便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程 度进一步提高。, 从系统结构上来讲，计算机控制系统是由模拟部件及 数字部件组成的混合系统；, 从信号形式上来讲，计算机控制系统中存在多种信号 形式的变换，是一种模拟和数字混合信号系统；, 控制规律通过软件实现（数字控制器），具有更大的 灵活性和适应性，能方便地实现复杂控制规律，并且 修改方便；, 它是离散控制系统，一个数字控制器可采用分时控制 的方式控制多个回路；,1.1.2 硬件组成,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

12、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原理图,要控制的生产装置或设备,系统硬件主要由以下几部分构成： （1）主机 作用:是系统核心，检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等。 选型：STD总线机、工业PC机、8位、16位或32位单片机、PLC等。 （2）输入/输出通道（过程通道） 作用:在计算机和生产过程之间架设信息传递和变换的连接桥梁。 种类：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道 I/O接口包括： 并行接口8255或

13、8155 串行接口8251 直接数据传输控制器8237 中断控制器8259 定时器/计数器8254 A/D转换器ADC0809等 D/A转换器DAC0832等,（3）通用外部设备 作用：显示、打印、存储、传输数据。 （4）检测元件 作用：对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标准电信号（0-5V或4-20mA）。 器件：各种传感器、变送器 （5）执行机构 作用：根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。 设备：电动的、气动的、液压传动的等。 （6）操作台 作用：实现人-机对话，进行各种操作 组成：功能键、数字键、开关、按钮、LED数码管或CRT显示器。,1.1.3 软件组成,硬

14、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。,应用软件，是控制计算机在特定环境中完成某种控制功能及相关任务所必需的程序，一般分为以下几类：,（1）过程监控 包括的程序有：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断、过程分析等。 （2）过程控制计算 包括的程序有：

15、控制算法（PID算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故处理、信息管理（信息生成与管理、文件管理、输出、打印、显示等）。 （3）公共服务 包括的程序有：基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。,Editor fr Erfahrenen Anwender,Editor fr Erfahrenen Anwender,1.2 计算机控制系统分类,主要知识点,1.2.1 数据采集系统（DAS）,1.2.2 操作指导控制系统 (OGC),1.2.3 直接数字控制系统（DDC）,1.2.4 监督计算机控制系统（SCC）,1.2.5 分散控制系统（DCS）,1.2.6 现场总线控制系统（FCS）,1.2.1 数据采集系统（DAS）,数据采集系统(Data Acquisition System)-是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和AI通道或DI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。,1.2.2 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