第01章.计算机控制技术绪论

1、1计算机控制技术 第1章 绪论机械与储运工程学院机械与储运工程学院张张 蓬蓬中油大厦南楼中油大厦南楼6 62323室室89738973376237622计算机控制技术 第1章 绪论2References 微型计算机控制新技术，曹承志 ，机械工业出版社机械工业出版社 微型计算机控制技术实用教程，潘新民，电子工业出版社 计算机控制技术及工程应用，林敏，国防工业出版社3计算机控制技术 第1章 绪论3Checking 总成绩总成绩=课堂成绩课堂成绩70%+实验成绩实验成绩30% 其中：其中：课堂成绩课堂成绩=平时平时 20%+期末考试期末考试80%平时：平时： 出勤+作业的综合成绩4计算机控制技术 第

2、1章 绪论4讲授内容及时间安排讲授内容及时间安排第1章 微型计算机控制系统概述第2章 数字PID控制第3章 模糊控制技术第4章 常用工业控制计算机简介第5章 计算机控制系统的输入通道第6章 计算机控制系统输出通道第7章 现场总线技术第8章 过程控制数据处理方法第9章 人机交互技术第10章 常用工业控制软件第11章 计算机控制系统的设计5计算机控制技术 第1章 绪论实验1、基于PCI的XY数控平台的电机驱动实验实验2、基于PLC的XY数控平台的电机驱动实验实验3、气动控制设计实验（设计性）实验4、组态王界面设计实验（设计性）实验5、数据采集实验以上以上5个实验全部在中油大厦机电系的实个实验全部在

3、中油大厦机电系的实验室做，由于设备有限看选课人数分组验室做，由于设备有限看选课人数分组6计算机控制技术 第1章 绪论第第1章章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.1 微型计算机控制系统的组成微型计算机控制系统的组成1.2 微型机控制系统的分类微型机控制系统的分类1.3 计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势67计算机控制技术 第1章 绪论71.1.1 1.1.1 常规仪表控制系统框图常规仪表控制系统框图 1.1.2 1.1.2 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图1.1.3 1.1.3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图1.1.4 1.1.4 计算机控制系

4、统中的软件计算机控制系统中的软件1.1 微型计算机控制系统的组成微型计算机控制系统的组成8计算机控制技术 第1章 绪论 手动控制手动控制系统系统 传感器传感器调理电路调理电路模块模块显示仪表显示仪表执行机构执行机构被被测测控控参参数数1.1.1 1.1.1 常规仪表控制系统框图常规仪表控制系统框图 9计算机控制技术 第1章 绪论图图1-1 某热电厂锅炉仪表集中控制室某热电厂锅炉仪表集中控制室 10计算机控制技术 第1章 绪论11计算机控制技术 第1章 绪论图图1-2 某热电厂锅炉计算机控制室某热电厂锅炉计算机控制室 12计算机控制技术 第1章 绪论13计算机控制技术 第1章 绪论图图1-6 计

5、算机操作控制台计算机操作控制台 14计算机控制技术 第1章 绪论141.自动控制系统的概念自动控制系统的概念 自动控制系统是指无人直接自动控制系统是指无人直接参与的情况下，自动使被控对象参与的情况下，自动使被控对象按照预定的规律运行的系统。按照预定的规律运行的系统。 15计算机控制技术 第1章 绪论15第第1 1章章 绪论绪论2.自动控制系统实例自动控制系统实例 有计算机控制的自动控制系统实例有计算机控制的自动控制系统实例无计算机控制的自动控制系统实例无计算机控制的自动控制系统实例16计算机控制技术 第1章 绪论163. 计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例17计算机控制技术 第1章

6、绪论17 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例18计算机控制技术 第1章 绪论18无无人人驾驾驶驶车车 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例19计算机控制技术 第1章 绪论19 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例20计算机控制技术 第1章 绪论20战斗部战斗部发动机发动机自动驾驶自动驾驶/ /制导装置制导装置热电池热电池蓄能器蓄能器控制尾翼控制尾翼姿态测量装置姿态测量装置激光导引头激光导引头 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例21计算机控制技术 第1章 绪论21产品自动装箱系统的原理图产品自动装箱系统的原理图 3.计算机自动控制系统实例计算机

7、自动控制系统实例22计算机控制技术 第1章 绪论 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例23计算机控制技术 第1章 绪论23舵机舵机-+ +水平尾翼水平尾翼电位器电位器放大器放大器输入装置输入装置指指令令输入输入装置装置舵机舵机平尾平尾飞机飞机俯仰俯仰输输出出电位器电位器放大器放大器第第1 1章章 绪论绪论uqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 r(b) (b) 开环控制系统开环控制系统1.1.2 1.1.2 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图24计算机控制技术 第1章 绪论24变换变换/ /处理处理( (控制器控

8、制器) )执行执行机构机构被控被控对象对象检测装置检测装置( (传感器传感器) )-输输出出垂直陀螺垂直陀螺飞机的俯仰运动飞机的俯仰运动舵机和平尾舵机和平尾 飞机飞机误差误差舵机舵机-+ +水平尾翼水平尾翼电位器电位器放大器放大器输入装置输入装置输入输入装置装置指指令令比较比较( (电位计电位计) )第第1 1章章 绪论绪论25计算机控制技术 第1章 绪论 图图1.11.1常规仪表控制系统框图常规仪表控制系统框图闭环：根据测量值的偏差进行调节开环：只根据给定值调节 euqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象测测量量变变送送器器偏偏差差给给定定值值控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量

9、量 测测量量值值r+_zf干干扰扰uqy控控制制器器执执行行器器被被控控对对象象给给定定值值控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量 图图1 1- -2 2 常常规规仪仪表表控控制制系系统统原原理理框框图图r( (a a) ) 闭闭环环控控制制系系统统( (b b) ) 开开环环控控制制系系统统26计算机控制技术 第1章 绪论 如果把图如果把图1-11-1中的控制器用微型计算机来代替，就中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如图可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如图1.21.2所所示。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，示。在微型计算机控制系统中，

10、只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。样的程序，就能实现对被控参数的控制。 图图1.2 计算机控制系统基本框图计算机控制系统基本框图DA转换器AD转换器被控对象执行机构被控参数微处理器微型计算机给定信号27计算机控制技术 第1章 绪论271.计算机自动控制系统的三个基本要素计算机自动控制系统的三个基本要素 检测检测 处理处理 执行执行 传感器，相当于人的感觉器官；传感器，相当于人的感觉器官； 控制器，相当于人的大脑；控制器，相当于人的大脑； 执行机构，相当于人的四肢。执行机构，相当于人的

11、四肢。变换变换/ /处理处理( (控制器控制器) )执行执行机构机构被控被控对象对象检测装置检测装置( (传感器传感器) )-输输出出输入输入装置装置比较比较第第1 1章章 绪论绪论28计算机控制技术 第1章 绪论282.计算机作为控制器的主要任务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对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入的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分析、比较和处理，按一定的控制比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；规律运算，进行控制决策； c.c.实时输出控制实时输出控制-根据

12、控制决策，适时地对执根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监行器发出控制信号，完成监控任务；控任务； 29计算机控制技术 第1章 绪论 微型计算机控制系统由微型计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等组成，其原理如图1.3所示。 29图1.3典型微机控制系统原理图1.1.3 1.1.3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图30计算机控制技术 第1章 绪论计算机控制系统硬件一般包括：计算机控制系统硬件一般包括：1.1.主机主机-CPU CPU RAMRAMROMROM系统总线系统总线 2.2.常规外部设备常规外部设备-输入输入/ /输出设备、外存储器等输出设备、外存

13、储器等3.3.过程输入输出通道过程输入输出通道AIAI、AOAO、DIDI、DODO4.4.操作台操作台CRTCRT、LEDLED、LCDLCD 等等5.5.通信设备通信设备交换机、交换机、modemmodem、集线器等、集线器等6.检测元件及执行机构检测元件及执行机构301.1.3 1.1.3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图31计算机控制技术 第1章 绪论 2I/O通道通道 (1)模拟量输入通道，关键部件A/D（把模拟量变成数字量） (2)模拟量输出通道，关键部件D/A（把数字量变成模拟量） (3)数字量输入/输出通道 3.接口外部设备，用以扩大主机的功能接口外部设备，

14、用以扩大主机的功能 显示、打印、存储等311.1.3 1.1.3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图32计算机控制技术 第1章 绪论4检测元件及执行机构检测元件及执行机构 1检测元件：把非电量变成电量（传感器）。如热电偶、节流装置、压力变送器。 2变送器：把传感器的输出信号变成 CPU 所能接收的电压信号。 3执行机构：接收 CPU 输出的控制量并加以动作，以对生产参数进行控制的机构。如阀、开关、电机等。321.1.3 1.1.3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图33计算机控制技术 第1章 绪论5.操作台和实时时钟操作台和实时时钟 人机对话的联系纽带 1操

15、作台的组成 （1）作用开关：电源开关；数据、地址选择开关；操作方式选择开关，等。 （2）功能键：用以向CPU申请中断，以得到相应的服务，如复位键、启动键、打印键、显示键、连接工作或单步工作方式键等。 （3）显示：LED或CRT显示器件，显示数据，图、表、流程图等。 （4）数字键：用以送入数据或修改控制系统参数。 2实时时钟331.1.3 1.1.3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图34计算机控制技术 第1章 绪论软件组成软件组成(1)系统软件 系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司推出的iRMX86实时多任务操作系统，美国Ready S

16、ystem 公司推出的嵌入式实时多任务操作系统VRTXOS。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用MSDOS和Windows等系统软件。(2)支持软件 支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。(3)应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。 341.1.4 1.1.4 计算机控制系统中的软件计算机控制系统中的软件35计算机控制技术 第1章 绪论3536计算机控制技术 第1章 绪论1.2 微型机控制系统的分类微型机控制系统的分类 根据被控对象的

17、特点、环境、要求, 可采用不同类型的控制系统。36 一一. .按照结构功能分类按照结构功能分类 二二. .按照控制规律分类按照控制规律分类 三三. .按照控制方式分类？按照控制方式分类？37计算机控制技术 第1章 绪论一一. .按照结构功能分类按照结构功能分类A A操作指导控制系统操作指导控制系统 B B直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC） C C计算机监督系统（计算机监督系统（SCCSCC） D D分级计算机控制系统分级计算机控制系统 38计算机控制技术 第1章 绪论1.1.按照功能来分类按照功能来分类A.操作指导控制系统38优点：结构简单，控制灵活和安全。 缺点：开环控制。由

18、人操作，实时性差，不能控制多个对象。操作过程操作过程： （1）计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，而后输出（显示或打印），提供准确的参照数据。 （2）现场人员参照显示（数字显示）的数据，根据经验对系统进行调节。39计算机控制技术 第1章 绪论B直接数字控制系统（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 操作过程：操作过程： 1. 计算机对多个参数进行巡回检测计算机对多个参数进行巡回检测，并将检测值与给定值加以比较，并将检测值与给定值加以比较，根据偏差的情况，按适当的

19、控制规根据偏差的情况，按适当的控制规律对系统进行控制，使检测值律对系统进行控制，使检测值给给定值。定值。 2. 应用场合：应用场合： 一台计算机可同时控制多回路（一台计算机可同时控制多回路（省却了许多调器），省却了许多调器）， 可靠（因为计可靠（因为计算机可对数据进行处理）算机可对数据进行处理） 3. 特点特点: 控制灵活：控制灵活： 每个参数的控制可各异每个参数的控制可各异,每种参数每种参数的不同时刻、不同情况也可改变控的不同时刻、不同情况也可改变控制规律应用广泛。制规律应用广泛。40计算机控制技术 第1章 绪论C. 计算机监督系统（计算机监督系统（SCC）1. 操作过程： 在这种系统中，给

20、定值不是人为预先给定，而是由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，再送给模拟调节器或 DDC 单片机对生产过程进行控制2. 特点: (1) 给定植为最佳； (2) 增加了 CPU 的冗余量。 计算机监督系统（计算机监督系统（S Supervisory upervisory C Computer omputer C Controlontrol）简称）简称SCCSCC系统。系统。 41计算机控制技术 第1章 绪论D分级计算机控制系统分级计算机控制系统 分级计算机控制系统是一个四级系统，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各级计算机的功能如图1-91-9所示。所示。装

21、置控制级（装置控制级（DDCDDC级）级） 车间监督级（车间监督级（SCCSCC级）级） 工厂集中控制级（工厂集中控制级（MISMIS） 企业管理级（企业管理级（MISMIS） 42计算机控制技术 第1章 绪论图图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）43计算机控制技术 第1章 绪论DD现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)(FCS) 新一代分布式控制系统

22、，采用“工作站-现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。主要有五种： CAN总线（controller area network,控制器局域网络） LONGWORKS总线(local operating network局部操作网络) PROFIBUS (process field bus 过程现场总线) HATR总线（可寻址远程传感器数据网络） FF总线（基金会现场总线）4344计算机控制技术 第1章 绪论 2）分散的系统结构FCS中： （1）把I/O单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表智能化现场仪表； （2）现场仪表中，每个仪表（作为一个节点）都含有CP

23、U，分别完成测量、校正、调节、诊断等功能； （3）靠网络协议将各节点联系起来统筹工作； （4）节点出问题只影响其本身，不影响全局。4445计算机控制技术 第1章 绪论3）方便的互操作性 不同结构的FCS产品，可组成统一的系统兼容4）开放的互联网络 （1）FCS技术级标准均采用开放是政策，面向所有的产品制造商和用户。 （2）通信网络可以和其它系统网络、高速网络相连，即用户可共享网络资源。5）传输媒介和拓朴结构 根本原因在于是数字通信方式。（根据系统终结点的情况） 总之，FCS的出现改变了传统的信息交换方式、信号形式和系统结构，改变了传统的自动化仪表功能概念和结构形式，也改变了系统的设计及调试方法

24、，开创了控制领域的新纪元。4546计算机控制技术 第1章 绪论从本质上说，它是一种数字通信协议：从本质上说，它是一种数字通信协议：l 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络通信网络。l 是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合，具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散的功能块、通信线供电、开放式互连网络等技术特点。l 这些特点不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和自动控制的需求，而且使它与Internet网互连构成不同层次的复杂网络成为可能，代表代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。了今后工业控制体系结构发展的一种方向。464

25、7计算机控制技术 第1章 绪论二二. .按照控制规律分类按照控制规律分类（1）数字程序和顺序控制（2）比例积分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）复杂规律的控制（5）智能控制 4748计算机控制技术 第1章 绪论（1 1）程序和顺序控制）程序和顺序控制 定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。 顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出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，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。4849计算机控制技术 第1章 绪论（2 2）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制）控制） 定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。 PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。这同样是我们学习的一个重点内容。4950计算机控制技术 第1章 绪论（3 3）最小拍控制）最小拍控制 最小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完成调节过程。 最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。 最小拍控制是直接离散控制系统设计的5051计算机控制技术 第1章 绪论（4 4）复杂规律的控制）复杂规律的控制 在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，