计算机控制01

1、计算机控制第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.2 1.2 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 1.3 1.3 计算机控制理论计算机控制理论 思考题思考题自动控制领域自动控制领域 计算机技术计算机技术计算机控制技术计算机控制技术. .计算机控制系统概述计算机控制系统概述自动控制工程是计算机技术的一个重要应用领域。计算机控技术是自动控制工程的一个重要实现手段。计算机控制是一门综合性学科。开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应/鲁棒控制自学习控制智能控制进展方向系统复杂性时间经典控制理论阶段智能控制理论阶段现代控制理论阶段采用计算机的数字控制系统数

2、字控制系统为先进控制理论的应用提供了有效的手段。用数字控制增加控制方案的灵活性，使数字控制系统具有决策和逻辑判断能力，在分担控制任务的同时还可以满足其它的要求。 控制对象复杂，性能要求高；控制对象复杂，性能要求高； 计算机技术在硬件和软件方面都有极大的发展与提高；计算机技术在硬件和软件方面都有极大的发展与提高； 先进控制理论的应用。（模糊控制、神经网络控制等）先进控制理论的应用。（模糊控制、神经网络控制等）促进了计算机控制理论与技术的应用和发展。促进了计算机控制理论与技术的应用和发展。研究的内容：研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技主要研究控制理论、计算机技术（

3、软、硬件技术）、网络通信技术术、测量技术、信号处理技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。制方法及其应用。主要的特点：主要的特点：1 1）理论性强）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等：应用各种控制理论、信号处理理论等2 2）综合性强）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术网络技术、测量技术、信号处理技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等、电子技术等3 3）实践性强）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中：所有设计、计算必须要反复进行实

4、验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等积累了大量的经验方法、经验数据等4 4）理论与实践相结合）理论与实践相结合5 5）实用性强）实用性强6 6）应用广泛等）应用广泛等1.1.1 计算机控制技术研究的内容及特点计算机控制技术研究的内容及特点1.1.2 计算机控制系统的结构及组成计算机控制系统的结构及组成典型模拟控制系统（连续控制系统）典型模拟控制系统（连续控制系统）典型计算机控制系统典型计算机控制系统CPURAMROM输输入入设设备备输输出出设设备备外外存存储储器器通通信信设设备备操操作作台台接接口口接接口口接接口口接接口口接接口口系系统统总总线线工工业业对对象象接接口口接接口口接接口口

5、接接口口换换转转换换转转开开关关输输出出开开关关输输入入测测量量变变送送驱驱动动执执行行过过程程输输入入输输出出通通道道计计算算机机基基本本系系统统主主机机常常规规外外部部设设备备图1-4 计算机控制系统硬件组成框图D/AA/D计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成电机转速数字控制系统1.计算机控制系统的硬件计算机控制系统的硬件 硬件包括计算机、过程输入输出通道、外硬件包括计算机、过程输入输出通道、外部设备和操作台等。部设备和操作台等。（1） 主机主机 作用：作用：为系统核心，通过接口发出各种命令，为系统核心，通过接口发出各种命令，接受被控对象和过程的各种检测数据。接受被控对象和过程的各种检

6、测数据。 程序存储、执行、检测、数据处理、逻辑判断、程序存储、执行、检测、数据处理、逻辑判断、计算、控制、报警等。计算、控制、报警等。 选型：选型：工业工业PCPC机、机、PLCPLC、8 8位或位或1616位或位或3232位单片位单片机、机、DSPDSP等等。（2） 输入输入/输出通道输出通道 作用：作用：输入通道把被控对象的被控参数转换成计输入通道把被控对象的被控参数转换成计算机可以处理的数字代码。输出通道把计算机发算机可以处理的数字代码。输出通道把计算机发生的控制信号转换成可以对被控对象控制的信号。生的控制信号转换成可以对被控对象控制的信号。 主要分为：模拟量输入主要分为：模拟量输入/

7、/输出通道，数字量输入输出通道，数字量输入/ /输出通道。输出通道。 选型：选型：并行接口并行接口82558255或或81558155串行接口串行接口82518251等；等； 直接数据传输控制器直接数据传输控制器82378237；中断控制器；中断控制器82598259； 定时器定时器/ /计数器计数器82538253； A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809等；等； D/AD/A转换器转换器 DAC0832DAC0832等。等。 （3 3）通用外部设备）通用外部设备 作用：作用：显示、打印、存储、传输数据。显示、打印、存储、传输数据。（4 4）检测元件）检测元件作用：作用：对各种

8、信息进行采集，将非电信号、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（非标准信号转换成标准电信号（0-5V0-5V或或4-20mA4-20mA）。）。器件：器件：各种传感器、变送器。各种传感器、变送器。（5 5）执行机构）执行机构作用：作用：根据控制信号进行动作，如改变转根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。速、流量、温度等。设备：设备：电动的、气动的、液压传动的等。电动的、气动的、液压传动的等。（6 6）操作台）操作台作用：作用：实现人实现人-机对话，进行各种操作机对话，进行各种操作组成：组成：功能键、数字键、开关、按钮、功能键、数字键、开关、按钮、LEDLED数码

9、管或数码管或CRTCRT显示器。显示器。 控制用主机种类控制用主机种类（1）商用计算机（个人）：）商用计算机（个人）： 可靠性差，没有机械防振、耐冲击、防可靠性差，没有机械防振、耐冲击、防尘、高温、抗电磁、抗电流浪涌、抗化学尘、高温、抗电磁、抗电流浪涌、抗化学腐蚀等措施。腐蚀等措施。 没有采用开放式的总线结构：没有数据没有采用开放式的总线结构：没有数据采集、输出等采集、输出等I IO O模板。模板。 通用性较差，没有适合工业用的各种组通用性较差，没有适合工业用的各种组态软件，多任务实时操作系统也较少。态软件，多任务实时操作系统也较少。 (2) (2) 控制用控制用PCPC：工业控制计算机，是基

10、于总线技术和模工业控制计算机，是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。机箱加密封、防振、电源抗干扰、防电磁等。机箱加密封、防振、电源抗干扰、防电磁等。依赖于某种标准总线，工业标准设计，各种模块化的接口依赖于某种标准总线，工业标准设计，各种模块化的接口板如板如CPUCPU板、板、I/OI/O板、板、A/DA/D、D/AD/A板等。板等。PCPC总线：总线：STDSTD总线、总线、Q QBUSBUS、MultiMultiBUSBUS、

11、ISAISA、ESAESA、PCIPCI、USBUSB等。等。与商用与商用PCPC相比，取消了系统母板；采用开放式的总线结构；相比，取消了系统母板；采用开放式的总线结构；I IO O模板可直接插在总线槽上；选用工业级抗干扰电源；模板可直接插在总线槽上；选用工业级抗干扰电源；按要求配置相应的模板，实现最小配置。按要求配置相应的模板，实现最小配置。 特点：模块化结构、软件资源极其丰富、软件开发容易、特点：模块化结构、软件资源极其丰富、软件开发容易、使用方便等使用方便等普通的集成化主板A/D、DA转换板1 研华研华PCL-812PG插入式数据采集卡插入式数据采集卡MultiLab模拟量和数字量I/O

12、卡详细介绍：6路单端12位模拟量输入 2路12位模拟量输出 采样速率可编程，最快达30KHz 带DMA或中断的A/D 16路数字量输出 2 研华采集卡研华采集卡PCI-1711 100K/S,12位，16通道单端输入多功能卡 。详细介绍：PCI1711有2路模拟量输出通道。 12位 A/D转换器, 采样速率可达 100kHz 16 路单端模拟量输入 板载1K 采样 FIFO 缓冲器每个输入通道的增益可编程 自动通道/增益扫描 (3) PLC(3) PLC（可编程控制器）（可编程控制器） 早期是从继电器逻辑控制系统和计算机技术结合早期是从继电器逻辑控制系统和计算机技术结合而发展起来的，低端即为逻

13、辑控制的代用品，而发展起来的，低端即为逻辑控制的代用品，高端是一种高性能的计算机实时控制系统。现高端是一种高性能的计算机实时控制系统。现在的在的PLCPLC已有了运动控制功能、过程控制功能、已有了运动控制功能、过程控制功能、PIDPID控制模块等等。控制模块等等。特点：工作可靠；抗干扰能力强；可与工业现场信特点：工作可靠；抗干扰能力强；可与工业现场信号直接相连；积木式结构；构成灵活；扩展方号直接相连；积木式结构；构成灵活；扩展方便；编程调试容易；易于安装及维修。便；编程调试容易；易于安装及维修。功能：功能：1 1条件控制具有很强的逻辑控制能力，可条件控制具有很强的逻辑控制能力，可以代替继电器进

14、行开关量控制。以代替继电器进行开关量控制。2 2定时控制定时控制3 3 计数控制计数控制4 4顺序控制顺序控制5 A/D5 A/D、D/AD/A转换转换 5 5 数据处理。数据处理。6 6通信连网。通信连网。模拟量输入模拟量输入行程开关行程开关继电器触点继电器触点各种开关各种开关传感器传感器CPUROM、RAM电源部件电源部件输输出出接接口口输输入入接接口口外设接口外设接口照明照明电磁装置电磁装置执行机构执行机构采用光电采用光电隔离装置隔离装置继电器、可控硅、继电器、可控硅、晶体管电路晶体管电路编程器编程器打印机打印机计算机计算机(4) (4) 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式微控制器又称单片

15、机，以一种微处理器嵌入式微控制器又称单片机，以一种微处理器为核心，芯片内集成为核心，芯片内集成ROMROMEPROMEPROM、RAMRAM、总、总线、总线逻辑、定时计数器、线、总线逻辑、定时计数器、WatchdogWatchdog、I IO O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A AD D、D DA A、FlasFlashRAMhRAM、EEPROMEEPROM等各种功能的外设。为适应不等各种功能的外设。为适应不同的需求，有多种衍生品，处理器的内核是一样同的需求，有多种衍生品，处理器的内核是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可

16、以最大限度地和应用需求相匹配，从而可以减可以最大限度地和应用需求相匹配，从而可以减少功耗和成本，提高可靠性。少功耗和成本，提高可靠性。单片机的特点：单片机的特点：1.1.集成度高、功能强。集成度高、功能强。2.2.结构合理采用结构合理采用HarvardHarvard结构，这是数据存储器和程序存结构，这是数据存储器和程序存储器相对独立的一种结构。储器相对独立的一种结构。3.3.扰干扰能力强各种功能都集成在单片机内部，这样布扰干扰能力强各种功能都集成在单片机内部，这样布线短，数据大多在单片机内部传输，可靠性高。线短，数据大多在单片机内部传输，可靠性高。4.4.指令丰富。特别是位操作十分方便，如指令

17、丰富。特别是位操作十分方便，如MCS51MCS51单片机有专单片机有专门的布尔处理器，和布尔指令集。使单片机能在逻辑控门的布尔处理器，和布尔指令集。使单片机能在逻辑控制、顺序控制、开关量控制中发挥广泛的作用。制、顺序控制、开关量控制中发挥广泛的作用。5.5.由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方

18、面仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用得到了极为广泛的应用嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（EMPUEMPU）又称单板机，和工业控制机相比，它具有体积又称单板机，和工业控制机相比，它具有体积小、成本低、重量轻、可靠性高等优点。如小、成本低、重量轻、可靠性高等优点。如STD-BSTD-BUSUS、PC104PC104等。等。（5 5）嵌入式）嵌入式DSPDSP处理器处理器对系统的结构和指令系统进行了专门的设计，使对系统的结构和指令系统进行了专门的设计，使其适合执行其适合执行DSPDSP（数据处理）算法，编译效率较高。（数据处理）算法，编译效率较高。在数字滤波、在数字

19、滤波、FFTFFT（傅里叶分解）、谱分析等方面（傅里叶分解）、谱分析等方面DSDSP P算法正在大量进入嵌入式领域。如算法正在大量进入嵌入式领域。如Texas InstrumeTexas Instrumentsnts的的TMS320TMS320系列和系列和Motorola DSP56000Motorola DSP56000系列系列。计算机控制系统的监控过程步骤计算机控制系统的监控过程步骤a.a.实时数据采集实时数据采集-对来自测量变送器的被控量的对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入瞬时值进行采集和输入 ；b.b.实时数据处理实时数据处理-对采集到的被控量进行分析、对采集到的被控量进行

20、分析、比较和处理，按一定的控制规比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；律运算，进行控制决策； c.c.实时输出控制实时输出控制-根据控制决策，适时地对执行根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任器发出控制信号，完成监控任务；务； 2.计算机控制系统的软件（包括系统和应用软件）计算机控制系统的软件（包括系统和应用软件）系统软件：系统软件：系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用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；具有一定的能用性，包括操作系和管理计算机本身的程序；具有一定的能用性，包括操作系统，数据库系统和一些公共服务软件统，数据库系统和一些

21、公共服务软件. .程序设计语言：汇编语言、算法语言（如：Basic、Pascal、Fortran、C语言等等）语言处理程序：汇编语言、算法语言、编译程序等等。服务语言：装配程序、编辑程序。模拟主系统：系统模拟、仿真、移植软件等等。数据管理系统信息处理：文字翻译，企业管理等等开发系统：操作系统：管理程序、磁盘操作系统程序等。诊断系统：调节程序、诊断程序等等。系统软件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PID算法模糊控制算法最优化算法串级控制前馈控制系统辨识其它控制算法程序事故处理程序信息管理程序信息生成调度文件管理输出显示打印过程

22、控制程序基本运算程序函数运算程序数码转换程序格式编码程序公共服务程序过程监视应用程序应用软件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。是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序。1.1.3与连续控制相比计算机控制的特点与连续控制相比计算机控制的特点1结构上是数字式处理器，A/D变换器的作用：离散和量化。量化过程是一个非线性函数。2功能强大，很强的运算和逻辑判断功能，可以实现复杂的控制规律。3是一个实时采样控制系统 能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。qqxQRx定点制舍入处理的量化特性 4. 可以进行多回路控制 连续控制系统中，一个控制器只控制一个回路（单输入单输出）。计算机

23、控制系统中的数字控制器可以采用分时控制的方式控制多个回路。5. 控制功能由软件实现 可以容易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能；适应性，灵活性高，易于修改，具有很高的柔性。1.2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 1 1 指导操作系统指导操作系统 是一种开环控是一种开环控制系统统，结构制系统统，结构简单，控制灵活，简单，控制灵活，安全。但需要人安全。但需要人的参与，速度受的参与，速度受到限制。到限制。DDC控制系统原理图2. 2. 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDDDC C，Direct Digital ConDirect Digital Controltro

24、l） 计算机取代模拟计算机取代模拟调节器直接参与调节器直接参与闭环控制。实现闭环控制。实现多回路的多回路的PIDPID控制。控制。通过改变程序可通过改变程序可以实现较为复杂以实现较为复杂的控制。的控制。3. 3. 监督计算机控制系统监督计算机控制系统 (SCC,Supervisory(SCC,Supervisory Computer control) Computer control) 在在SCCSCC系统中，是由计算机描述生产过程的数学模型，系统中，是由计算机描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDCDDC计算机，最后计算机，最后由模拟

25、调节器或者由模拟调节器或者DDCDDC计算机控制生产过程，从而使生产计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳工作。过程始终处于最佳工作。 属于计算机在线属于计算机在线最优控制最优控制的一种形式。当上位机出现的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。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，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任靠性高和抗干扰能力强；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。务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。工艺数

26、据工艺数据工艺数据工艺数据显示显示打印打印报警报警显示显示打印打印报警报警机机算算计计CCS机机算算计计CCS测量测量测量测量控制控制控制控制模拟控制器CDD生生产产过过程程生生产产过过程程用用计计算算机机(a)统统系系器器制制控控拟拟模模+ +CCS图1-8 监督计算机控制系统的两种结构形式图1-8 监督计算机控制系统的两种结构形式给定值给定值给定值给定值采集采集采集采集统统系系制制控控CDD+CCS (b)监督计算机控制系统两种不同的结构形式。监督计算机控制系统两种不同的结构形式。4.4.集散控制系统（集散控制系统（DCS,DistributeDCS,Distribute control

27、control systemsystem）（分级计算机控制系统）（分级计算机控制系统） 也称为分布式控制系统，或是分散式控制系统。也称为分布式控制系统，或是分散式控制系统。 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。程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。 采用采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调综合协调的设计原则。的设计原则。系统结构系统结构 由三级组成：由三级组成：底层的分散过程控制级（底层的分散过程控制级（DDCDDC）、中）、中间层的

28、监督控制级（间层的监督控制级（SCCSCC）、上层的生产管理级）、上层的生产管理级（MICMIC）。）。 是计算机技术、信号处理技术、测量是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。各级功能各级功能 分散过程控制级分散过程控制级DDCDDC，用于直接生产控制，完成用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机数据，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。为核心的工作站组成。 监督控制级监督控制级

29、SCCSCC，任务是对生产过程的监视与操任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。 管理级管理级MICMIC（Manage information Manage information ControlControl），），是整个系统的中枢，接受管理者的指令；对信息进行是整个系统的中枢，接受管理者的指令；对信息进行存储与管理；给管理者提供各种信息与报表；根据下存储与管理；给管理者提供各种信息与报表；根据下级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令等。策略，对下一

30、级下达指令等。PLC工程师工程师 操作员操作员 监控监控 网间网间操作站操作站 操作站操作站 计算机计算机 连接器连接器 管理管理计算机计算机 网间网间连接器连接器 现场现场 智能智能 其他测控其他测控控制站控制站 调节器调节器 装置装置分散过程控制级分散过程控制级DDC集中操作监控级集中操作监控级SCC综合信息管理级综合信息管理级MIC至其它局域网至其它局域网 DCS结构示意图结构示意图 局部网络局部网络（LAN） 控制网控制网5.5.计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS） 分层递阶控制分层递阶控制 （Hierarchical Hierarchical Control)C

31、ontrol) 一种把所需要一种把所需要完成的任务按层次完成的任务按层次分级的层状或树状分级的层状或树状的命令的命令/ /反馈控制反馈控制方式，高一级的装方式，高一级的装置控制低下级的装置控制低下级的装置。低一级的任务置。低一级的任务更为具体。更为具体。6. 6. 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）（网络控制系统）（网络控制系统）n 是新一代分布式控制结构。是新一代分布式控制结构。集散控制系统集散控制系统DCSDCS的替代品。的替代品。n 数字化的信息传输。实现高速、双向、多变量、多地点的数字化的信息传输。实现高速、双向、多变量、多地点的可靠信息传输。可靠信息传输。n 分散的系

32、统结构。采用分散的系统结构。采用集管理控制集管理控制功能于一身的工作站与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，把原现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCSDCS控制站的功能控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，每个现场仪表分散到智能型现场仪表中去，每个现场仪表( (例如变送器、例如变送器、执行器执行器) )都作为一个智能节点，都作为一个智能节点，都带都带CPUCPU单元，可分别独立完单元，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，在一起统筹工作，形成一个彻底的分散控制模式，靠网络协形成一个

33、彻底的分散控制模式，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。议把它们连接在一起统筹工作。 方便的互操作性。改进了方便的互操作性。改进了DCSDCS成本高和由于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各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点。互联等弱点。 开放的互联网络。开放的互联网络。FCSFCS的技术和标准全部是的技术和标准全部是开放的，从总线标准、产品检验到信息发布开放的，从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的。面向所有的产品制造商和用户。都是公开的。面向所有的产品制造商和用户。可以实现信息共享。可以实现信息共享。现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）（网络控制系统）（网络控制系统）现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）（网络控制系统）（网络控制系统）采样系统的时变特性1.3计算机控制理论1.3.11.3.1关于计算机控制的