计算机控制技术

1、第一章第一章：绪绪 论论授课人：高延峰授课人：高延峰南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰2课程简介课程简介联系方法联系方法电话箱：gyf_基础知识基础知识自动控制原理现代控制理论计算机接口技术计算机软件技术南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰3课程简介课程简介课程安排课程安排总课时量：32学时课堂教学：30学时实验教学： 2学时参考书籍参考书籍计算机控制系统原理设计与实现高金源北航出版社 计算机控制系统原理与设计Karl Astrom 高教出版社成绩计算成绩计算卷面成绩(50%) + 实验成绩(10%)

2、+ 平时成绩(40%)南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰4计算机控制系统的概念计算机控制系统的概念连续控制系统与离散控制系统连续控制系统与离散控制系统连续控制系统中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行控制运算，产生控制作用驱动执行机构进行动作，达到“利用偏差利用偏差消除偏差消除偏差”的目的，系统内的信号都是连续的模拟信号；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰5计算机控制系统的概念计算机控制系统的概念连续控制系统与离散控制系统连续控制系统与离散控制系统将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来实现，就组成

3、了一个典型的计算机控制系统。计算机控制系统通常是模拟信号模拟信号和数字信号数字信号的混杂系统。在计算机控制系统内部，需要进行模拟信号和数字信号之间的相互转换(A/D 和D/A 转换)，因此属于离散控制系统的范畴；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰6计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰7计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构硬件：被控对象、测量变送装置、执行机构、计算机系统(主机和输入输出通道)

4、、外部设备等；软件：系统软件应用软件过程监视程序：过程监视程序：巡回检测、数据处理、上下限检查及报警、操作面板服务、数字滤波及标度变换、判断、过程分析等；过程控制计算程序：过程控制计算程序：控制算法、事故处理和信息管理(信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示等) ；公共服务程序：公共服务程序：基本运算、函数运算、数码转换、格式编码；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰8计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成主机主机定义：是指用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心；主机的分类

5、：单片机、PLC、工业PC等；主机的作用：完成数据的存取、程序的执行、外部设备的控制、实现人机对话和网络通信等功能；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰9计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成输入输出通道模拟量输入通道(AI)：完成被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号；模拟量输出通道(AO)：大多数执行机构只能接收模拟信号，计算机的运算结果是数字信号，通过模拟量输出通道完成数字量到模拟量的转换，输出给执行机构并保持；数字量输入通道(DI)：数字量输入通道是把被控对象的开关量以并行

6、或串行的方式传入计算机；数字量输出通道(DO)：数字量输出通道是将计算机运算之后的数字信号输出给外部设备；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰10计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成操作控制台主要作用：操作控制台是人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制指令，还可以修改控制方案；功能分类：信息的输入、信息的显示、信息的记录、工作方式的选择；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰11计算机控制系统的组成计算机控制系统

7、的组成南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰12计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成通信设备企业信息化的需求要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统；计算机控制系统作为企业管理控制网络上一个结点的方案已经被广泛采纳；通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分，这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰13计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成系统软件系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于

8、管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断等；这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具；系统软件一般由专业人员开发，不需要用户自己设计开发；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰14计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成应用软件应用软件是指用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘处理、控制算法、输出与控制等程序；用于应用软件开发的程序设计语言有：汇编、C# 、C+、VB、VC、De

9、lphi、PB等。目前也有一些专门用于控制的组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很好的应用前景；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰15计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点计算机控制系统的主要特点计算机控制系统的主要特点模拟信号和数字信号混合的系统便于控制规律的修改可实现复杂的控制规律属于离散控制的范畴可分时控制多个控制回路便于实现管理控制一体化南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰16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典型应用类型计算机控制系统的典型应用类型根据计算机在控制系统中的控制功能和

10、控制目的，可进行如下分类：根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可进行如下分类：数据采集处理系统直接数字控制系统监督计算机控制系统分散型计算机控制系统南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰17计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类数据采集处理系统数据采集处理系统生产过程的集中监控：计算机对生产过程的不同变量参数进行巡回检测，并将采集到的数据以一定格式在监视器上显示或通过打印机打印出来；操作指导：计算机对采集到的数据进行分析处理，并给出合理化建议，由过程的操纵者根据建议实现控制作用；数据挖掘、决策支持数据挖掘、决策支持；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学

11、院航空制造工程学院高延峰高延峰18计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类数据采集处理系统数据采集处理系统SCADA系统： SCADA，Supervisory Control And Data Acquisition，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能； 决策支持系统：DSS，Decision Support System

12、，是以人机交互方式为决策者提供帮助的计算机应用系统。它是管理信息系统(Management Information System, MIS)向更高一级发展而产生的先进信息管理系统。它为决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰19计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类直接数字控制系统直接数字控制系统直接数字控制(Direct Digital Control, DDC) 系统：是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。计算机通过检测元件对一个或多个系统参数

13、进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。计算机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接控制执行机构，使系统的被控参数满足预定要求；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰20计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类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(Supervisory Computer Control, SCC)系统：SCC系统是一种2级计算机控制系统。在SCC系统中，由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳控制输出送给DDC计算机，然后由DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳工作状态；南昌航空大学南昌航空大学航空制造

14、工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰21计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统分布式控制系统：Distributed Control System, DCS。国内又称集散式控制系统，是一个由过程控制级和过程监控级组成的多级计算机系统。DCS系统综合了计算机Computer、通信Communication、显示CRT和控制Control等4C技术，其基本思想是满足流程企业分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便的需求；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰22计算机控制系统应用示例计算机控制系统应用示例音乐喷泉音乐

15、喷泉南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰23计算机控制系统应用示例计算机控制系统应用示例音乐喷泉音乐喷泉音乐喷泉是一种典型的计算机控制系统，计算机主要完成音乐喷泉的自动选曲、同步演示、控制和存储乐曲等功能；喷泉的控制方法主要有两种：(1) 控制水泵电机转速；(2) 控制喷嘴阀门开度的大小。水泵电机调速，变化多样，宜于配合抒情和优雅的旋律；阀控调速响应快，适用于轻松跳跃的节奏；音乐喷泉计算机控制系统主要有以下功能：自动选曲；水型和乐曲同步控制；水型的音量随动控制；水型的节奏随动控制；声音的延时控制；用电负荷的自动控制和自动保护；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程

16、学院航空制造工程学院高延峰高延峰24计算机控制系统应用示例计算机控制系统应用示例燃煤锅炉燃煤锅炉DCS系统系统南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰25计算机控制领域的研究课题计算机控制领域的研究课题计算机控制研究的课题主要涉及计算机控制研究的课题主要涉及控制理论控制理论以及以及控制理论在工程中控制理论在工程中的应用与实现的应用与实现两个方面的内容；两个方面的内容；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰26计算机控制领域的研究课题计算机控制领域的研究课题控制理论方面涉及到的课题控制理论方面涉及到的课题数字描述和分析方法计算机控制系统的

17、外特性应该同模拟系统是一样的；但是，在实际处理过程中，计算机控制系统是离散系统。所以计算机控制系统的设计和分析多年来一直存在模拟模拟和离散离散两种分析方法；模拟系统通常用微分方程微分方程、拉氏变换拉氏变换和传递函数传递函数来描述；离散系统通常用差分方程差分方程、Z变换变换和离散状态空间方程离散状态空间方程来描述；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰27计算机控制领域的研究课题计算机控制领域的研究课题控制理论方面涉及到的课题控制理论方面涉及到的课题采样周期的选取模拟系统离散化的一个关键问题就是采样周期的选择。严格地讲，计算机控制系统的采样周期分为信号采集的采样周期

18、采样周期和计算机控制输出的控制周期控制周期；模拟信号通过采样转换为离散信号，采样周期通常越小越好；但是，采样周期又受制于计算机的性能和控制策略的复杂度，为了保证采样信号能够正确反映模拟信号，采样周期选取时需要满足满足香农定理：最低采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍最低采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍。南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰28计算机控制领域的研究课题计算机控制领域的研究课题先进控制方法的研究先进控制方法的研究计算机软硬件技术的发展，使现代控制理论中的许多设想可以实现。智能控智能控制、模糊控制、神经网络控制、内模控制、预测控制、最优控制、自

19、适应控制、模糊控制、神经网络控制、内模控制、预测控制、最优控制、自适应控制制等先进控制方法的研究也变得越来越热门；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰29计算机控制领域的研究课题计算机控制领域的研究课题控制系统的硬件技术研究控制系统的硬件技术研究可编程序控制器(PLC)PLC实现了控制系统由继电器-接触器的硬接线控制到可编程逻辑控制的转变。随着技术的发展，PLC改变了以往主要用于开关量逻辑控制的用途，许多专用的过程控制模块和网络通讯模块已经结合PLC成为计算机控制系统中的主力军；南昌航空大学南昌航空大学航空制造工程学院航空制造工程学院高延峰高延峰30计算机控制领域的研究课题计算机控制领域的研究课题控制系统的硬件技术研究控制系统的硬件技术研究可编程序调节