计算机控制系统概述

1、计算机控制技术 随着自动控制理论、自动化技术和计算机技术的飞速发展，计算机控制系统不仅在国防、航空航天等高精尖学科得到了广泛的应用，而且在现代化的工农业生产以及医疗卫生等领域也发挥着越来越重要的作用。所以在现代工业企业自动化中，计算机控制技术是核心，它是计算机技术和控制理论有机结合的产物。第一章第一章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述计算机控制技术该课程先修课程较多，其中自控原理是自动化类专业学生必修课程。 模拟电子技术 数字电子技术 微型计算机原理与接口技术 单片机原理与接口技术 自动控制原理自动控制原理计算机控制技术 系统集成 工程设计 实际应用计算机控制技术 通过深入讲解典型微机总线

2、结构，阐明一般输入输出接口电路设计方法； 介绍将生产现场各种物理量引入计算机中的方法，为实现计算机对生产现场的检测、控制提供必要的硬件基础； 在经典控制理论的指导下，针对不同被控对象和系统性能指标要求，研究数字控制器的一般设计方法； 结合控制理论发展的新动向，介绍新型控制策略的设计与实现方法； 通过对于典型计算机控制系统设计实例的讲解，培养学生的计算机控制系统设计能力。计算机控制技术 赖寿宏.微型计算机控制技术.机械工业出版社 谢剑英. 微型计算机控制技术. 电子科技大学出版社 王平,肖琼,陈敏娜. 计算机控制系统.高等教育出版社 顾德英.计算机控制技术.北京邮电大学出版社计算机控制技术 计算

3、机控制系统特征和组成计算机控制系统特征和组成 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机控制系统的发展概况及计算机控制系统的发展概况及发展发展趋势趋势 主要内容：主要内容：计算机控制技术1.1 1.1 计算机控制系统特征与组成计算机控制系统特征与组成 控制器控制器(模拟调节器模拟调节器)执行执行机构机构被控被控对象对象检测装置检测装置被控量反馈量设定量+计算机控制技术典型的计算机控制系统：将模拟自动控制系统中的控制器的功典型的计算机控制系统：将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现能用计算机来实现图1.1 计算机控制系统基本框图计算机控制系统计算机控制系统硬件部分硬件部分软件部分

4、软件部分控制计算机控制计算机外围设备外围设备系统软件系统软件应用软件应用软件计算机控制系统的构成计算机控制系统的构成 A/D控制器控制器 D/A执行机构执行机构被控对象被控对象检测装置检测装置给定值给定值输出值输出值微型机或计算机微型机或计算机+-计算机控制技术 计算机的特点： 运算、逻辑判断、记忆 计算机是如何实现自动控制的？计算机是如何实现自动控制的？1. 给定值和反馈值经过A/D转换器转换为数字量，输入计算机2. 计算机依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如 PID运算）3. 计算结果（数字信号）再经过D/A转换器，将数字信号转换为模拟控制信号输出到执行机构。计算机控制技术结构特征结构特

5、征 执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统 控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；可同时控制多个回路可同时控制多个回路 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。 1.1.1计算机控制系统的特征与工作原理计算机控制系统的特征与工作原理 计算机控制技术信号特征信号特征 t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模拟信号模拟信号e (

6、nT)r (nT)y (t)u*(t)u(nt)y (nT)y*(t)控制控制器器D/AA/D执行执行器器被控被控对象对象传感传感器器y (t)采样器采样器计算机计算机离散模离散模拟信号拟信号数字信号数字信号数字信号数字信号量化模拟信号量化模拟信号系统输入系统输入系统输出系统输出2. 信号特征：信号特征：计算机控制系统的信号有连续模拟、离散模计算机控制系统的信号有连续模拟、离散模拟、离散数字等多种信号形式拟、离散数字等多种信号形式计算机控制技术 按照计算机控制系统中按照计算机控制系统中信号的传输方向信号的传输方向，系统的信息，系统的信息通道由三部分组成通道由三部分组成 过程输出通道过程输出通道

7、，包含由，包含由D/A转换器组成的模拟量输出通道和转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道。开关量输出通道。 （如无输入通道，计算机（如无输入通道，计算机开环开环控制控制系统系统）过程输入通道过程输入通道，包含由，包含由A/D转换器组成的模拟量输入通道和转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道。开关量输入通道。（如无输出通道，计算机采集系统、（如无输出通道，计算机采集系统、开环系统开环系统）人机交互通道人机交互通道，系统操作者通过人机交互通道向计算机控，系统操作者通过人机交互通道向计算机控制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等，制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等，计

8、算机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、计算机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对像控制效果等。系统工作状态、对像控制效果等。 计算机控制技术控制方法特征控制方法特征 常用的设计方法有两种：常用的设计方法有两种：模拟调节规律离散化设计法模拟调节规律离散化设计法 是采用连续系统的分析和设计方法，先设计出连续的控制器，再是采用连续系统的分析和设计方法，先设计出连续的控制器，再将它离散化转换成差分方程，最后编程实现。缺点是只有当采样周期很短时，将它离散化转换成差分方程，最后编程实现。缺点是只有当采样周期很短时，才能达到原设计的连续系统的性能指标。才能达到原设计的连

9、续系统的性能指标。 直接设计法直接设计法 是基于线性离散系统理论，直接设计数字控制器，它存在的问题是基于线性离散系统理论，直接设计数字控制器，它存在的问题是忽视了两采样点之间系统的动态过程，可能导致在各采样点系统满足性能是忽视了两采样点之间系统的动态过程，可能导致在各采样点系统满足性能指标要求，而实际系统的输入指标要求，而实际系统的输入/输出特性很差。输出特性很差。使用连续信号指标函数，考虑采样点之间系统的动态特性，直接对具使用连续信号指标函数，考虑采样点之间系统的动态特性，直接对具有有混合结构混合结构的系统进行优化设计。这种方法最能反映系统的实际物理过程的系统进行优化设计。这种方法最能反映系

10、统的实际物理过程。 计算机控制技术功能特征功能特征 以软件代替硬件 模拟硬件的成本几乎和控制规律复杂程度成正比。控制规律是用软件实现，有很大灵活性和适应性。 具有一定通用性，不同的控制对象硬件改动小，软件重新设计。数据存储 多种介质：软硬盘、U盘、光盘、纸质、E2ROM、RAM 多种性质： 海量、历史、及时、缓冲、备份状态、数据显示 设备多：CRT类、打印绘图类、模拟类 模式多：字符、图形、影像、虚拟 内容多：数值、状态、轨迹、图表、波形 方式多：静态、动态、多维管理功能 联网功能，实现网络管理、资源共享、优势互补 管控一体化，实现生产过程和生产规划、组织、决策、管理的最优化结合。计算机控制技

11、术5 5 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理实时数据采集：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并输入。对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入。实时控制决策：实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，按已定的控制规律，对采集到的被控量进行分析和处理，按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。决定将要采取的控制行为。实时控制输出：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。制任务。信信 息息 管管 理理 ：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算随着网络技术和控

12、制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。机控制系统必须完成的功能。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作工作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理. 计算机控制过程可归结为如下四个步骤：计算机控制过程可归结为如下四个步骤：计算机控制技术计算机控制系统的工作方式计算机控制系统的工作方式 (1)(1)、在线方式和离线方式、在线方式和离线方式 (2)(2)、实时、实时 计算机控制系统的实时指信号的输入、计算和输出计算机控制系统的实时指信号的输入、计算和输出都要在一定

13、的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制以足够快的速度进行控制 。 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；称为在线方式或联机方式； 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。机方式。 计算机控制技术1.1.2计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 接口接口接口接口接口接口A/DA/DD/A

14、D/A开关量输入开关量输入开关量输出开关量输出传感器、传感器、变送器变送器多路开关多路开关多路开关多路开关接口接口显示终端显示终端打印机打印机磁盘磁盘驱动器驱动器通通信信设设备备人人机机联联系系接口接口接口接口接口接口微微型型计计算算机机执行机构执行机构生生产产过过程程软件软件通用外部设备通用外部设备主机主机及操作台及操作台I/OI/O通道通道信号信号检测与变送检测与变送生产对象生产对象I/O接口接口I/O接口接口计算机控制技术主机主机核心部分，由核心部分，由CPU、RAM、ROM、时钟、复位等构成。、时钟、复位等构成。根据根据输入通道送来的生产工况参数输入通道送来的生产工况参数，按程序按程序

15、（控制规律）自动数据采集、处理、分析、计算，（控制规律）自动数据采集、处理、分析、计算，作出作出相应的控制决策或调节，通过输出通道，及时发出控制指令。相应的控制决策或调节，通过输出通道，及时发出控制指令。I/O接口接口I/O接口与接口与I/O通道是主机与外部连接的桥梁通道是主机与外部连接的桥梁I/O接口接口是主机与外围器件或设备的连接接口，有并行、串行等。是主机与外围器件或设备的连接接口，有并行、串行等。I/O通道通道是是过程通道，通过模拟量通道将生产过程参量传送给计算机过程通道，通过模拟量通道将生产过程参量传送给计算机 输出模拟信号控制执行机构输出模拟信号控制执行机构 通过数字量通道将生产过

16、程开关量传送给计算机通过数字量通道将生产过程开关量传送给计算机 输出开关信号控制执行机构输出开关信号控制执行机构计算机控制技术 通用外部设备通用外部设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它们用来显示、储存、打印、记录各种数据。通用外围设备按功能可分为输入们用来显示、储存、打印、记录各种数据。通用外围设备按功能可分为输入设备、输出设备和外存储器三类。设备、输出设备和外存储器三类。 检测元件与执行机构检测元件与执行机构检测元件检测元件：传感器传感器 将被检测的非电学量参数转变成电学量将被检测的非电学量参数转变成电学量 变送器变送器 将传感的电信号转成

17、适于输入通道的标准电信号将传感的电信号转成适于输入通道的标准电信号执行机构执行机构：为控制生产过程动作机构。如开关，阀，电机，步进电机等。为控制生产过程动作机构。如开关，阀，电机，步进电机等。 操作台操作台人机对话的联系纽带人机对话的联系纽带操作人员操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；计算机计算机可向操作人员显示系统运行状况发出报警信号可向操作人员显示系统运行状况发出报警信号 计算机控制技术1.1.3 计算机控制系统软件计算机控制系统软件 按功能分类，软件软件分为系统软件和应用软件两大部分按功能分类，软件软

18、件分为系统软件和应用软件两大部分 系统软件系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。 应用软件应用软件是面向生产过程的程序，如A/D、D/A转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。计算机控制技术1.21.2计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 操作指导控制系统，操作指导控制系统，直接

19、数字控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统，监督计算机控制系统，分布式计算机控制系统，分布式计算机控制系统，计算机集成制造系统计算机集成制造系统 按照控制方式分类：按照控制方式分类：开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 按照控制规律分类：按照控制规律分类：程序和顺序控制，比例积分微分控制程序和顺序控制，比例积分微分控制（PID控制），有限拍控制，复杂规律控制，智能控制等控制），有限拍控制，复杂规律控制，智能控制等 按照系统的功能、工作特点分类：按照系统的功能、工作特点分类：计算机控制技术1.2.1操作指导控制系统操作指导控制系统 操作指导控制系统操作指导控制系统（Operational

20、 Information SystemOIS）指计算机不直接用来控制生产对象，只对系统过程参数进行收指计算机不直接用来控制生产对象，只对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作要的操作 显示终端打印机微型机工业对象A/D转换器采样器测量元件调节器计算机控制技术操作操作指导指导计算机计算机 A/D多路多路开关开关检测检测元件元件生产生产过程过程显示显示打印打印操作者操作者执行执行机构机构优点：机构简单、控制灵活安全，特别适合用于未摸清控优点：机构简单、控制灵活安全，特别适合用于未摸清控制规律的系统或用于

21、实验新的数学模型和调试新的制规律的系统或用于实验新的数学模型和调试新的控制程序等。控制程序等。缺点：由于最终需人工操作，故不适用于快速过程的控制。缺点：由于最终需人工操作，故不适用于快速过程的控制。计算机控制技术1.2.2直接数字控制系统直接数字控制系统显示显示打印打印接口接口计计算算机机执行执行机构机构检测检测输入输入通道通道生生产产过过程程接口接口输 出输 出通道通道设定值设定值直接数字控制系统直接数字控制系统（Direct Digital Control systemDDC） 是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。 计算机通过输入通道对一或多

22、个物理量进行巡回检测，并计算机通过输入通道对一或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，发出控制信号，通过输出通道根据规定的控制规律进行运算，发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。（直接控制调节阀等执行机构。（如计算机温度控制系统）如计算机温度控制系统）计算机控制技术1.2.3监督计算机控制系统监督计算机控制系统监督计算机控制系统监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control systemSCC） 计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器

23、或DDC计算机控制生产过程。 监督控制方式的控制效果，主要取决于数学模型的优劣。这个数学模型一般是针对某一目标函数设计的，如果这一数学模型能使某一目标函数达到最优状态，那么，这种控制方式就能实现最优控制。当数学模型不理想时，控制效果也不会太理想。 分两类： 1. SCC+模拟调节器 2. SCC+DDC控制系统计算机控制技术1.2.3监督计算机控制系统监督计算机控制系统SCC+模拟调节器模拟调节器 SCC+DDC控制系统。控制系统。 SCC计算机计算机设定值设定值 测量值测量值A/D多路开关多路开关传感器传感器模拟调节器模拟调节器生产过程生产过程SCC计算机计算机设定值设定值 检测值检测值DD

24、CD/A多路开关多路开关生产过程生产过程A/D多路开关多路开关传感器传感器二级控制系统 计算机控制技术1.2.4集散控制系统（集散控制系统（DCS）集散控制系统集散控制系统（Distributed Control systemDCS） 是企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控是企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，实现分散控制、集中管理的系统。制，实现分散控制、集中管理的系统。企业（公司）管理级企业（公司）管理级工厂管理级工厂管理级车间管理级车间管理级车间管理级车间管理级过程控制级过程控制级过程控制级过程控制级生产过程生产过程总的协调、安排总生产总的协调、安排总生产计划

25、、经营方向决策计划、经营方向决策全厂各车间生产协调全厂各车间生产协调本车间各设备间协调本车间各设备间协调最底层，对生产设备最底层，对生产设备进行直接数字控制进行直接数字控制计算机控制技术1.2.4集散控制系统（集散控制系统（DCS）生产管理生产管理计算机计算机操作员操作员站站工程师工程师站站过程控过程控制站制站生产过程生产过程决策管理决策管理计算机计算机计算机计算机网关网关决策管理计决策管理计算机算机决策管理决策管理计算机计算机生产管理生产管理计算机计算机生产管理生产管理计算机计算机计算机计算机网关网关监控计监控计算机站算机站决策管理网络决策管理网络生产管理网络生产管理网络控制网络控制网络计算

26、机计算机网关网关过程控过程控制站制站过程控过程控制站制站过程控过程控制站制站决策管理层决策管理层生产管理层生产管理层操作监控层操作监控层直接控制层直接控制层计算机控制技术1.2.5 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、数字式、开放的、双向开放的、双向的通信网络。的通信网络。 现在国际上流行的设备级的通信网络现在国际上流行的设备级的通信网络,如如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF 等等 系统结构采用全分散化系统结构采用全分散化, 现场总线的节点是现场设备或现场仪现场总

27、线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。表，如传感器、变送器、执行器等。 信号传输实现了全数字化信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向最高层均采用通信从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连网络互连; 现场设备具有互操作性现场设备具有互操作性,改变了改变了DCS 控制层的封闭性和专用性控制层的封闭性和专用性,不同厂家的现场设备既可互连也可互换不同厂家的现场设备既可互连也可互换,并可以统一组态并可以统一组态; 通信网络为开放式互连网络通信网络为开放式互连网络,可极其方便地可极其方便地实现数据共享实现数据共享; 技术和标准实现了全开放技术和标准实现了全开放,面向任何一个制造商和用户

28、。面向任何一个制造商和用户。现场总线控制系统现场总线控制系统（Field Control SystemFCS）计算机控制技术 是计算机技术，网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术、系统工程技术等新技术发展的结果 将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来,进行统一控制,求得生产活动的最优化。 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System)计算机控制技术 CIM的理念包括两个基本出发点 第一点是企业的各个生产环节不可分割的，需要统一考虑； 第二点

29、整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。 主要应包括工程设计自动化、产品加工自动化和生产管理信息化等三个方面。 计算机控制技术1.3计算机控制的发展概况及趋势计算机控制的发展概况及趋势1.3.1计算机控制的发展过程计算机控制的发展过程 第一台电子计算机于第一台电子计算机于1946年在美国问世年在美国问世 50年代末，用于过程控制年代末，用于过程控制 ； 1962年年,英国帝国化学工业公司实现了一个英国帝国化学工业公司实现了一个DDC系统系统 ； 60年代后期年代后期 ，集成电路技术的发展集成电路技术的发展 ，出现了适合工业生产过出现了适合工业生产过程控制的小型计算机程控制的小

30、型计算机 ； 1972年出现了微型计算机年出现了微型计算机 ，分布式控制系统分布式控制系统DCSDCS；计算机控制技术1.3.2 计算机控制理论与新型控制策略计算机控制理论与新型控制策略 计算机控制系统理论主要包括计算机控制系统理论主要包括离散系统理论离散系统理论采样系统理论采样系统理论数字系统理论数字系统理论 计算机控制理论计算机控制理论 计算机控制技术 差分方程及差分方程及z变换理论变换理论 差分方程是微分方程的离散化 ，根据采样的各离散变量之间及时间上变化关系，如递推关系，描述系统离散型模型，得到各变量运行规律。 z变换理论：分析线性时不变系统问题的重要工具，常用以求线性时不变差分方程的

31、解 ，根据零、极点分布分析系统的稳定性和因果性;定性分析系统的频域特征。 常规设计方法常规设计方法 以z传递函数（离散域传递函数）作为数学模型对离散系统进行常规设计的各种方法的研究。 如：有限拍控制、根轨迹法设计、离散PID控制、参数寻优设计及直接解析设计法等。 按极点配置的设计法按极点配置的设计法 在已知被控对象的状态空间模型的前提下，可按极点配置来设计控制器，使闭环系统既有克服扰动的能力，又有跟踪给定值的能力。 系统辨识及自适应控制系统辨识及自适应控制 根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型，系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。计算机控制技术采样理论

32、主要包括香农采样定理、采样频谱及混叠、采样信号的恢复及采样系统的结构图分析等。连续模型及性能指标的离散化 连续系统的模型包括传递函数和状态方程，性能指标是连续的，用离散系统分析设计，则需离散化。性能指标函数的计算 用离散的控制系统计算连续的控制对象的性能指标函数。采样控制系统的仿真采样周期的选择计算机控制技术 数字系统理论除了包括离散系统和采样系统的双论外 还包括数字信号整量化效应的研究，如量化误差、非线性特性等 现实中的一些问题：如计算延时、控制算法编程等。计算机控制技术新型控制策略新型控制策略鲁棒控制鲁棒控制 预测控制预测控制 模糊控制模糊控制 神经控制神经控制 专家控制专家控制 遗传算法遗传算法 计算机控制技术 在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控对在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控对象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素：象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素： 参数变化；参数变化； 未建模动态特性；未建模动态特性； 平衡点的变化；平衡点的变化； 传感器噪声；传感器噪声； 不可预测的干扰输入；不可预测的干扰输入； 所以我们所建立的对象模型只是实际物理系统的不精