第一章 计算机控制技术绪论

1、计算机控制技术2010-08-30Ge Sibo, Department of Automation2教材：于海生等编著，微型计算机控制技术，清华大学出版社，2004年5月参考书：u张桂香，王辉编著，计算机控制技术，电子科技大学出版社，1999年5月u薛弘晔，刘原，马永编著，计算机控制技术，西安电子科技大学出版社，2003年8月TextbookGe Sibo, Department of Automation3葛思擘 西安交通大学电信学院自动化系Tel: (029)82668665-167(o)E-mail: Instructor Ge Sibo, Department of Automati

2、on4 Main Topics 计算机控制系统的基本概念 计算机控制系统的输入输出通道 计算机控制系统分析设计的数学基础 典型数字控制器设计 抗干扰技术 计算机控制系统数据采集和处理的若干问题 计算机控制系统的设计和实现Ge Sibo, Department of Automation5 学时安排 Ge Sibo, Department of Automation6第一章 绪论 计算机控制系统的基本概念 1.1 计算机控制系统的组成 1.2 工业控制机的组成和特点 1.3 计算机控制系统的分类 1.4 计算机控制系统的发展概况和趋势Ge Sibo, Department of Automati

3、on7自动控制：在无人参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动地按预定规律运行，或使其某个参数按预定的要求变化。自动控制系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定的方式连接起来，完成一定的自动控制任务，并具有预定性能的动力学系统。 1.1 计算机控制系统的组成Ge Sibo, Department of Automation8 图中，控制器可以是控制仪表，也可以由计算机来实现；检测装置一般是各种传感器和变送装置。典型自动控制系统原理图 1.1 计算机控制系统的组成自动控制系统原理Ge Sibo, Department of Automation9 如果计算机用来充

4、当控制器，就是狭义上的计算机控制系统。从广义上说，现代计算机控制系统应该包括检测、控制、显示、储存、管理和通信几部分功能。计算机控制系统：利用工业控制计算机（工控机）来实现生产过程自动控制的系统。 计算机成为自动控制技术不可分割的重要组成部分。 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统Ge Sibo, Department of Automation10典型计算机控制系统的原理图： 系统可分为两部分。一部分是计算机控制装置，包括数字控制器，模数转换装置A/D、数模转换装置D/A等。另一部分是生产过程，包括执行机构，被控对象以及检测变送装置等。 1.1 计算机控制系统的组成典型计算机控制系统G

5、e Sibo, Department of Automation11计算机控制系统（COMPUTER CONTROL SYSTEM，CCS）的工作步骤（工作原理，一个控制循环）：（1）实时数据采集：对来自检测装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。这个过程主要由A/D或DI完成。（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，按照给定的控制规律，计算出控制量，决定将要采取的控制行为。这个过程由数字控制器完成。（3）实时控制输出：根据计算出的控制量，作为控制信号送给执行机构，以完成控制任务。这个过程主要由D/A或DO完成。 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的工作步骤Ge Sibo, D

6、epartment of Automation12（4）实时显示和数据保存：将用户感兴趣的数据显示在人机交互界面上（可以是数值或曲线或图表等形式），并将数据保存备用。（5）联网通信（测控管一体化）：将实时控制过程及各种历史数据通过网络等形式传送给相关部门，供决策、控制和管理使用。 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的工作步骤Ge Sibo, Department of Automation13（1）在线和离线方式：在CCS中，生产过程与计算机连接，且受计算机控制的方式称为在线方式。生产过程不与计算机连接，即不受计算机控制，称为离线方式，或称为脱机方式。（2）实时的含义：所谓实时，是指被

7、控量的检测，控制信号的计算，控制信号的输出都必须在一定的时间间隔内完成。这个时间间隔或由计算机中断自动产生，或采用查询方式产生，或由用户自行设定，要视实际工作要求而定。 1.1 计算机控制系统的组成两个名词Ge Sibo, Department of Automation14 比如，流量需要1分钟控制一次，压力需要10毫秒控制一次，就是说，要在1分钟或10毫秒内要至少完成上述前三项工作。若在规定的时间内不能完成这些工作，就会失去控制的时机，控制就会失败。 这个失败包含两个含义：一、若控制时间间隔取的太长，则控制效果可能变差。二、若控制时间间隔取的太短，计算机在这个时间间隔内不能完成上述三项工作

8、，也会引起控制质量下降。 1.1 计算机控制系统的组成Ge Sibo, Department of Automation15 需要说明的是，控制过程的显示以及数据的存储及传输不一定要在上述时间内完成，可将这些数据暂存于内存缓冲区中，以适当时间间隔进行处理，以提高计算机的控制效率。 一个在线的系统不一定是一个实时系统，但是一个实时系统必定是在线系统。 1.1 计算机控制系统的组成Ge Sibo, Department of Automation16CCS的组成：由工业控制机和生产过程两部分组成。工控机是按生产过程控制的特点而设计的，包括硬件和软件。生产过程包括被控对象、检测装置、执行机构、电器开

9、关等。 1.1 计算机控制系统的组成Ge Sibo, Department of Automation17 硬件由计算机、输入输出通道、外部设备检测与执行机构组成。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的硬件组成Ge Sibo, Department of Automation181.计算机 计算机是计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。计算机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行

10、预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的硬件组成Ge Sibo, Department of Automation192过程输入输出通道 过程输入输出通道是计算机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成计算机可以接收的数字代码。过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字（开关）量输入输出通道。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的硬件组成Ge Sibo, Department of Automation203外部设备

11、 这是实现计算机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的硬件组成Ge Sibo, Department of Automation214检测与执行机构(1)测量变送单元在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如

12、热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(05V或420mA)后，再送入计算机。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的硬件组成Ge Sibo, Department of Automation22(2)执行机构 要控制生产过程，必须有执行机构。它是计算机控制系统中的重要部件，其功能是根据计算机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，计算机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油

13、)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等形式。比如电动的有马达、步进电机及可控硅元件等，液压和气动的有电液伺服阀和汽缸等。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的硬件组成Ge Sibo, Department of Automation23 软件软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是计算机控制系统的中枢神经。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的软件组成Ge Sibo, Department of Automation241. 系统软件 它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程

14、序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。系统软件包括：(1)操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；(2)诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序；(3)开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等；(4)信息处理：指文字翻译、企业管理等。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的软件组成Ge Sibo, Department of Automation252. 应用软件 它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际控制问题而编写的各种程序

15、。应用软件包括：(1)过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等；(2)过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；(3)公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的软件组成Ge Sibo, Department of Automation26软件组成：系统软件，支持软件和应用软件系统软件（操作系统）：最好选择实时多任务操作系统，也可选择W

16、INDOWS或DOS操作系统。需要说明的是高版本的WINDOWS操作系统的实时性有时不好，需要底层开发。 支持软件（工具软件）：包括汇编语言，各种高级语言，编译程序，调试程序和诊断仿真程序等。 应用软件：计算机控制人员的重点工作。针对具体生产过程而编写的控制和管理软件。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的软件组成Ge Sibo, Department of Automation27 计算机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点： 控制规律灵活多样，改动方便； 控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制； 能够实现数据统计和工况显示，控制效率高； 控制与管理一体化，进一步提高

17、自动化程度。 1.1 计算机控制系统的组成-计算机控制系统的特点Ge Sibo, Department of Automation28工控机硬件结构图 1.2 工业控制机（工控机）-组成结构Ge Sibo, Department of Automation29工控机的组成结构l 主机板：CPU，RAM，ROMl 内、外部总线：信息交流的通道。PC、STD总线等（内部）；RS232、IEEE-488等通信总线（外部）。l 人机交互接口：键盘，显示器，打印机等l 系统支持板：定时器，掉电检测，后备存储器，实时时钟l 磁盘系统：l输入和输出通道：工控机和和生产过程之间的信息传递和变换的通道。主要有A

18、D、DA、DI和DO等。 1.2 工业控制机（工控机）-组成结构Ge Sibo, Department of Automation30 工控机的特点： 可靠性高，可维护性好； 环境适应性好。抗高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘和强电磁干扰； 控制的实时性好； 完善的输入输出通道； 丰富的软件资源。工业控制软件向组态化、虚拟仪器方向发展； 具有适当的运算速度和精度。视选型而定。 1.2 工业控制机（工控机）-特点Ge Sibo, Department of Automation31（一）按照功能分类： 操作指导控制系统（ODCS） 这类系统属于开环控制系统。计算机可进行数据采集和处理，能实时显示

19、，并且能够提供最优操作条件和操作方案，供操作员参考。操作员根据这些建议去改变控制器或直接操作执行机构。优点：结构简单，控制灵活，相对安全。缺点：人工执行，速度慢，不能控制多个对象。 1.3 计算机控制系统的分类-按照功能分类Ge Sibo, Department of Automation32 直接数字控制系统Direct Digital Control (DDC）: 1.3 计算机控制系统的分类-按照功能分类Ge Sibo, Department of Automation33 1.3 计算机控制系统的分类-按照功能分类 DDC属于闭环控制系统，是工业生产过程中使用最多的一种控制系统。计算机

20、首先通过A/D或DI实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行运算，得出控制信号通过D/A或DO直接控制执行机构。这种系统集采集、控制于一体，实时性好，可靠性高，适应性好。通常一台计算机可控制几个或几十个回路（参数）。对计算机和软件的要求高。控制过于集中，若计算机崩溃则控制系统瘫痪。1.3 计算机控制系统的分类-按照功能分类Ge Sibo, Department of Automation34 监督控制系统Supervisory Computer Control (SCC）: 也称为设定值控制（Set Point Control）。根据工艺信息和参数，按照生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变

21、模拟调节器或DDC的给定值，使生产过程始终处于最优工况（保持高质量、高效率、低消耗、低成本等）。有SCC+模拟调节器和SCC+DDC两种结构形式： 1.3 计算机控制系统的分类按照功能分类Ge Sibo, Department of Automation35 1.3 计算机控制系统的分类按照功能分类1、SCC模拟调节器：该系统是由SCC计算机对系统各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出控制对象的最优给定值送给模拟调节器，是工况保持在最优状态。当SCC计算机出现故障时，可以由模拟调节器独立完成操作。Ge Sibo, Department of Automation

22、362、SCCDDC分级控制系统：由模拟调节器用DDC计算机代替而得。该系统是一个二级控制系统，控制原理和操作过程同1。SCC与DDC计算机之间的通信通过接口（并口或串口）进行。 1.3 计算机控制系统的分类按照功能分类Ge Sibo, Department of Automation37 分布式控制系统Distributed Control System (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，把系统从上到下分散为过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级，形成分级、分布式控制。 1.3 计算机控制系统的分类按照功能分类Ge Sibo, Departme

23、nt of Automation38DCS的体系结构通常分为三级。第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本级的通信网络进行联系。分散过程控制级：此级是直接面向生产过程的，是DCS的基础，它直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，其过程输入信号是面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器（温度、压力、液位等）及开关量信号，其输出是驱动执行机构。 1.3 计算机控制系统的分类按照功能分类Ge Sibo, Department of Automation39 1.3 计算机控制系统的分类按照功能分类集中操作监控级

24、：这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能，面向操作员和控制系统工程师。综合信息管理级：这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成。从而实现整个企业的综合信息管理。Ge Sibo, Department of Automation40 现场总线控制系统 Fieldbus Control System (FCS): FCS是新一代分布式控制系统。DCS的结构模式是“操作站控制站现场仪表”三层结构。系统成本较高，而且各厂商的DCS由各自的标准，互联困难。FCS与DCS不同，其结构模式为“工作站现场总线智能仪表”二层结构，降低了成本，国际标准统一后可实现真正的开放式互联系统结构。

25、 1.3 计算机控制系统的分类按照功能分类Ge Sibo, Department of Automation41 数字程序控制：所谓数字程序控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械按照规定的工作顺序、运动轨迹和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。主要用于机床的自动控制，比如数控机床，能够加工形状复杂的零件，加工精度高，生产效率高，是实现机床自动化的一个重要方向。 1.3 计算机控制系统的分类按照控制规律分类Ge Sibo, Department of Automation42 1.3 计算机控制系统的分类按照控制规律分类 数字顺序控制：可以看作是程序控制的扩展，在各个时间段给出的

26、设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前控制结果的逻辑判断。Ge Sibo, Department of Automation43 比例积分微分控制（ Proportional-Integral-Differential Controller，简称PID控制）： 控制器的输出信号是控制器输入信号（通常是误差信号）的比例、积分和微分的函数。PID控制是工程技术人员最熟悉的控制技术，其优点是结构简单，参数调整易掌握，控制效果好。缺点是以满足控制参数为目的，而非最优控制。因此，在数字控制（计算机控制）中的多数情况下，仍然使用PID控制及其变形结构。 1.3 计算

27、机控制系统的分类按照控制规律分类Ge Sibo, Department of Automation44 1.3 计算机控制系统的分类按照控制规律分类 在某些特殊的情况下，PID控制器可以进行适当的变形，以适应系统控制的要求。这些控制器称为变形PID控制器。比如，积分分离PID控制器，变速PID控制器，微分先行PID控制器，抗饱和PID控制器，Fuzzy PID控制器等形式。Ge Sibo, Department of Automation45 最少拍控制：最少拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内（在有限拍，或有限个采样周期内）完成调节过程。常用在数字随动控制系统中。 1.3 计算

28、机控制系统的分类按照控制规律分类Ge Sibo, Department of Automation46 1.3 计算机控制系统的分类按照控制规律分类 复杂规律控制：对于存在随机扰动以及大延迟环节的系统，使用PID控制有时难以达到满意的性能指标，这时可以考虑采用更复杂一些的控制方案，比如串级控制，前馈控制，纯滞后补偿（大林算法，斯密斯补偿算法），多变量解耦控制，自适应控制等。另外，系统性能指标的提法，也不仅是常规过渡过程的品质指标（超调量，调整时间等），还包括能耗最小，产量最高，质量最好等综合性指标，这时可以采用最优控制等算法。Ge Sibo, Department of Automation4

29、7 智能控制：智能控制是一类无需人的干预就能自主驱动智能机器实现其目标的控制过程。目前的研究方向大致有以下几个方面：l 模糊控制系统l 专家控制系统l 自学习控制系统l 神经网络控制系统l 遗传算法等 1.3 计算机控制系统的分类按照控制规律分类Ge Sibo, Department of Automation48 计算机控制系统，或称为数字控制系统，同样可以分为开环和闭环控制系统。本课程主要讨论计算机控制系统分析和设计的理论和实现方法。着重讨论直接数字控制系统（DDC）的分析和设计中的相关问题。 1.3 计算机控制系统的分类按照控制方式分类Ge Sibo, Department of Aut

30、omation49 计算机控制技术是自动控制理论和计算机技术相结合的产物，它的发展与自动控制理论和计算机的发展是密不可分的。在生产过程中采用数字计算机的思想出现在50年代中期的美国。其发展可以分为四个阶段。 计算机控制技术的发展： 开创时期（19551962年）：计算机价格昂贵，可靠性差，只能用于一些大型操作指导和设定值的控制。这个时期发明了中断技术。 直接数字控制时期（19621967年）：将开创时期模拟控制部分改为由计算机取代DDC。 1.4 计算机控制系统的发展计算机控制技术的发展概况Ge Sibo, Department of Automation50 小型计算机时期(19671972

31、年)：出现了小型计算机，使得计算机的成本下降，运算速度提高，可靠性更好。应用也由大型项目扩展到较小型的项目。 微型计算机时期（1972今）：大规模超大规模集成电路的发展，出现了微型计算机和计算机控制系统，成本进一步降低，运算速度更高，可靠性更好。目前，网络技术和多媒体计算机的发展必将推动计算机控制技术的进一步发展。 1.4 计算机控制系统的发展计算机控制技术的发展概况Ge Sibo, Department of Automation51 1.4 计算机控制系统的发展计算机控制技术的发展概况 相对于硬件技术的发展，软件技术的发展则要缓慢的多。上世纪80年代以前，大多数的计算机控制系统采用汇编语言

32、编程，有其优点和缺点。80年代以后，陆续出现了高级程序语言。目前在控制领域常用有C，C+，VC，VB等。另外大量的面对过程控制的组态软件也得到了很大的发展。Ge Sibo, Department of Automation52 计算机控制理论发展： 计算机控制系统的理论基础是采样系统理论。已经取得了很多重要成果，目前仍然在发展过程中。(1)采用定理：计算机控制系统是离散控制系统，只能根据离散的过程变量值来工作。香农(Shannon)采样定理。(2) 差分方程：类似于连续系统，离散系统的很多特性可以用一组线性时不变差分方程来描述。(3) Z变换法：离散系统的一种变换理论。表达为：0)()(kkkTfzkTfZ 1.4 计算机控制系统的发展计算机控制理论发展概况Ge Sibo, Department of Automation53(4) 状态空间理论(5) 最优控制和随机控制(6) 系统辨识、自适应控制、智能控制 1.4 计算机控制系统的发展计算