计算机控制技术

1、2021-12-81计算机控制技术计算机控制技术 陶文华 讲师2021-12-82参考书籍参考书籍1 计算机控制原理与技术刘明俊国防科技大学出版社2计算机控制原理及应用江秀汉西安电子科技大学出版社2021-12-831 11 1 计算机控制系统的概念、组成与特点计算机控制系统的概念、组成与特点一概念一概念计算机控制系统是建立在计算机控制理论基础上的一种以计算计算机控制系统是建立在计算机控制理论基础上的一种以计算机为手段的控制系统。若计算机是微型机，则称微型机控制系机为手段的控制系统。若计算机是微型机，则称微型机控制系统。统。 控制系统从信号类型上的分类控制系统从信号类型上的分类连续系统连续系统

2、离散系统离散系统离散系统又分为：离散系统又分为：离散时间序列系统离散时间序列系统采样系统采样系统数字系统数字系统2021-12-84二二 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 控制器控制器 广义被控对象广义被控对象 = = 控制系统控制系统控制器：控制用计算机系统控制器：控制用计算机系统控制计算机系统：控制计算机系统：通用计算机系统通用计算机系统 各种过程接口各种过程接口广义被控对象：执行装置，被控对象，检测装置广义被控对象：执行装置，被控对象，检测装置 2021-12-85 微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。图1-1给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框

3、图。闭环控制系统框图闭环控制系统框图微型计算机控制系统的组成返回本章首页控制器执行机构被控对象测量元件变换发送单元给定信号被控参数2021-12-86微型计算机控制系统原理图微型计算机控制系统原理图1硬件组成2021-12-87 2 软件组成软件组成 系统软件是指帮助人们使用和管理计算机的一些软件。如单系统软件是指帮助人们使用和管理计算机的一些软件。如单板机的监控程序；板机的监控程序；IBM机等的机等的DOS、高级语言的解释和编译系、高级语言的解释和编译系统诊断跟综等。这些都由厂家提供。统诊断跟综等。这些都由厂家提供。 应用软件是指用户自己编制的为完成自己的具体任务的应用软件是指用户自己编制的

4、为完成自己的具体任务的些些程序。例如巡回检测与数据处理程序，控制算法程序、报警及程序。例如巡回检测与数据处理程序，控制算法程序、报警及事故处理程序、打印和绘图程序等。事故处理程序、打印和绘图程序等。2021-12-883计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程 计算机控制系统的控制过程分为以下三个方面：计算机控制系统的控制过程分为以下三个方面： (1)实时数据采集：即对被控量的瞬时值进行检测和输入。实时数据采集：即对被控量的瞬时值进行检测和输入。(2)实时决策：对实时的给定值和被控量的数值进行已定实时决策：对实时的给定值和被控量的数值进行已定的控制规律运算，决定下一步的控制过程。的控制

5、规律运算，决定下一步的控制过程。(3)实时控制：根据决策适时地对执行机构发出控制实时控制：根据决策适时地对执行机构发出控制信号。信号。实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间（采样间隔）内完成，越出了这个时间就失去了控制的（采样间隔）内完成，越出了这个时间就失去了控制的时机，控制也就失去意义。时机，控制也就失去意义。2021-12-89三三 计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点1 1计算机控制系统是离散控制系统。计算机控制系统是离散控制系统。出、入计算机的信号均为二进制数字信号，因此需要出、入计算机的信号均为二进制数字信号，因此需要D

6、A和和AD2 2具有灵活性。具有灵活性。控制信号通过软件加工处理，充分利用了计算机的运算、逻控制信号通过软件加工处理，充分利用了计算机的运算、逻辑判断和记忆功能，因而改变控制算法只要改变程序而不必辑判断和记忆功能，因而改变控制算法只要改变程序而不必改动硬件电路改动硬件电路2021-12-8101计算机控制系统的一般结构计算机控制系统的一般结构主要有下述两种形式：主要有下述两种形式： (1)输出反馈型输出反馈型 (2)状态反馈型状态反馈型1 12 2 计算机机控制系统的应用形式计算机机控制系统的应用形式2021-12-8112021-12-8122021-12-8132 计算机控制系统分类计算机

7、控制系统分类计算机控制系统一般可按系统的功能分类，计算机控制系统一般可按系统的功能分类，也可按控制规律来分类。也可按控制规律来分类。一、按功能分类一、按功能分类按功能不同，计算机控制系统可分为按功能不同，计算机控制系统可分为6类类1 数据处理系统（数据处理系统（DPS）2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）3监督控制监督控制 系统（系统（SCC）4分布式控制（集散控制系统分布式控制（集散控制系统DCS）5递阶控制递阶控制6 计算机网络计算机网络2021-12-8141数据处理系统（数据处理系统（DPS）操作指导控制系统图图1-5 操作指导控制系统组成框图操作指导控制系统组成框图返回本节

8、2021-12-8152）工作原理：）工作原理：在计算机的指挥下，定期地对生产过程的参数在计算机的指挥下，定期地对生产过程的参数作巡回检测，并对其进行处理、分析、记录及参数越限报警作巡回检测，并对其进行处理、分析、记录及参数越限报警等。等。3)特点：特点：计算机不直接参与过程控制，而是由操作人员计算机不直接参与过程控制，而是由操作人员(或别的控制装或别的控制装置置)根据测量结果改变设定位或进行必要的操作。出于计算机根据测量结果改变设定位或进行必要的操作。出于计算机的结果可以帮助、指导人的操作，故这种系统也称的结果可以帮助、指导人的操作，故这种系统也称“操作指导操作指导系统系统”。2021-12

9、-8162直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）（1）结构）结构4）优点）优点（1）一台计算机可以代替大量常规显示仪表和记录仪表，）一台计算机可以代替大量常规显示仪表和记录仪表，从而对整个生产过程进行监控。从而对整个生产过程进行监控。（2）对大量数据集中处理，能够得到更精确的结果，对知）对大量数据集中处理，能够得到更精确的结果，对知道生产过程有利。道生产过程有利。（3）在计算机控制系统设计的初级阶段，尚无法构成闭环）在计算机控制系统设计的初级阶段，尚无法构成闭环系统，可用系统，可用DPS来弄清系统的数学模型、控制规律和调试来弄清系统的数学模型、控制规律和调试控制程序。控制程序。2021-

10、12-8172直接数字控制系统（DDC） 图图1-6 DDC控制系统原理图控制系统原理图返回本节管理命令DDC微型机报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件D/A反多路开关生产过程2021-12-818(3)特点：与特点：与DPS相比以下几个特点：相比以下几个特点：计算机参与了直接控制，系统经计算机构成了闭环，而计算机参与了直接控制，系统经计算机构成了闭环，而DPs中中是通过人工或别的装置来控制，计算机与对象末形成闭环。是通过人工或别的装置来控制，计算机与对象末形成闭环。 给定值是预先设定好后送给或存入计算机内，控制过程中不给定值是预先设定好后送给或存入计算机内，控制过程中不变化变化(2

11、)工作原理：工作原理：计算机对多个被控参数进行巡回检测，并将检测结果与给定值进行计算机对多个被控参数进行巡回检测，并将检测结果与给定值进行比较再按已定的控制规律进行计算，计算结果经输出通道对生产过比较再按已定的控制规律进行计算，计算结果经输出通道对生产过程进行控制。程进行控制。(3)优点：与优点：与DPS相比以下几个特点：相比以下几个特点：一台计算机替代多个模拟调节器，利用了计算机分时特点。一台计算机替代多个模拟调节器，利用了计算机分时特点。 不必更换硬件，只需改变程序就可实现各种复杂控制规律不必更换硬件，只需改变程序就可实现各种复杂控制规律2021-12-8193计算机监督系统（SCC） 计

12、算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称SCC系统。 SCC系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。（1）SCC+模拟调节器控制系统该系统原理图，如图1-7所示。（2）SCC+DDC控制系统SCC+DDC控制系统原理图，如下图1-8所示。2021-12-820图图1-7 SCC+模拟调节器控制系统原理图模拟调节器控制系统原理图 管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关. 图图1-8 SCC+DCC控制系统原理图

13、控制系统原理图 2021-12-821(2)工作原理：工作原理：在计算机控制下，不断检测生产过程的参数，并根据给定的工在计算机控制下，不断检测生产过程的参数，并根据给定的工艺数据，管理命令和控制规律计算出最佳给定值。这个给定艺数据，管理命令和控制规律计算出最佳给定值。这个给定值可以送给模拟调节器或数字调节器值可以送给模拟调节器或数字调节器DDC，进而控制生产过程。，进而控制生产过程。由于这儿给定值是根据当时各种参数计算出的最佳给定，由于这儿给定值是根据当时各种参数计算出的最佳给定，故可使生产过程始终处在最优工况状态。故可使生产过程始终处在最优工况状态。2021-12-822(3)特点：特点：这

14、儿给定值是计算出来的，要保证系统最优工况运行，因而又这儿给定值是计算出来的，要保证系统最优工况运行，因而又称设定值控制，而称设定值控制，而DDC中设定值是预先给定的，不随参数或中设定值是预先给定的，不随参数或命令而改变。命令而改变。(4)优点：优点：（1）能根据工况变化，改变给定值，实现最优控制）能根据工况变化，改变给定值，实现最优控制（2）SCC+模拟调节器适合于老企业改造，即利用原来的模模拟调节器适合于老企业改造，即利用原来的模拟调节器，又利用计算机实现给定植控制。拟调节器，又利用计算机实现给定植控制。（3）可靠性好。）可靠性好。SCC 故障十，可用故障十，可用DDC或模拟调节器工作，或模

15、拟调节器工作，或或DDC故障时，用故障时，用SCC代之。代之。（4）仍有）仍有DDC的特点。的特点。2021-12-8234分布式控制（集散控制系统分布式控制（集散控制系统DCS）（1）结构）结构 2021-12-824集散控制系统集散控制系统是分散型综合控制系统（Total Distributed Control Systems）或分散型微处理器控制系统（Distributed Microprocessor Control Systems）的简称。图1-10是集散控制系统的组成框图。它以微型计算机为核心，把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入 /输出通道、模拟仪表等有机地

16、结合起来，采用组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。2021-12-825管理计算机监控计算机CTR操作台高 速 数 据 通 道基本控制器数据采集器基本控制器DEP面板工 业 对 象小规模中规模大规模集散系统组成框图集散系统组成框图返回本节2021-12-826(2)工作原理：工作原理：以微处理机为核心的基本控制器实现地理上和功能上的分散控制。以微处理机为核心的基本控制器实现地理上和功能上的分散控制。又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来送到监控计算机又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来送到监控计算机和操作站，以进行集中监视和操作并实现高级复杂规律的控制

17、。和操作站，以进行集中监视和操作并实现高级复杂规律的控制。 (3)特点：特点： 分散性。这有两层含义，一是控制功能上的分散，各基本分散性。这有两层含义，一是控制功能上的分散，各基本控制器控制不同的参数或对象；二是地理位置的分散，各控制控制器控制不同的参数或对象；二是地理位置的分散，各控制单元可分散在现场。因此，这种系统结构灵活，可采用积木式，单元可分散在现场。因此，这种系统结构灵活，可采用积木式，即组合组装式，以便于扩展；另外可靠性高，现场某一控制单即组合组装式，以便于扩展；另外可靠性高，现场某一控制单元出问题不致影响其它，将单计算机集个控制中元出问题不致影响其它，将单计算机集个控制中“危险集

18、中危险集中”化为化为“危险分散危险分散”，而且备用控制单元可随时切入。，而且备用控制单元可随时切入。 集中性。用集中监视和操作，代替庞大的仪表屏，因而灵集中性。用集中监视和操作，代替庞大的仪表屏，因而灵活方便。活方便。 有通讯功能。有通讯功能。（4）优点：）优点：具有高可靠性，控制灵活具有高可靠性，控制灵活2021-12-8275递阶控制递阶控制它有三种基本结构形式。它有三种基本结构形式。结构形式结构形式1)：分级控制。：分级控制。它是按生产规模或者说按对象自身结构的它是按生产规模或者说按对象自身结构的分级持点进行分解的结构方案。分级持点进行分解的结构方案。2021-12-828分级计算机控制

19、系统 分级计算机控制系统是一个四级系统，各级计算机的功能如图1-9所示。装置控制级（DDC级） 车间监督级（SCC级） 工厂集中控制级（MIS） 企业管理级（MIS） 2021-12-829图图1-9 分级计算机控制系统分级计算机控制系统企业级经营管理计算机工厂级集中控制计算机车间级监控计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D至其它工厂至其它工厂装置控制级（DDC）返回本节2021-12-8302）分层控制。这是按控制任务或要求来分层次。）分层控制。这是按控制任务或要求来分层次。2021-12

20、-8313)分段控制。它是按控制职能分层次。分段控制。它是按控制职能分层次。其特点是：其特点是：按控制职能分层。按控制职能分层。最下层的控制过程按时序进行，其时序控制由调度层控制和最下层的控制过程按时序进行，其时序控制由调度层控制和切换。切换。2021-12-8326 计算机网络计算机网络 计算机网络就是把许多分散于各地的独立的计算机连计算机网络就是把许多分散于各地的独立的计算机连接起来。实现数据通讯、信息变换和资源洪享。它是通接起来。实现数据通讯、信息变换和资源洪享。它是通讯技术和计算机科学相结合的产物。讯技术和计算机科学相结合的产物。计算机网络可分为广域网和同域网两种。计算机网络可分为广域网和同域网两种。2021-12-833 二、按控制规律分类二、按控制规律分类1程序控制和顺序控制程序控制和顺序控制 程序控制：被控量按预先规定的时间函数变化，它属于开环控程序控制：被控量按预先规定的时间函数变化，它属于开环控制方式。例如退火炉的温度控制要求对某种材料按一定的温度制方式。例如退火炉的温度控制要求对某种材料按一定的