chapter1-绪论

1、华夏学院 计算机控制技术多媒体教学课程涵义 工业控制是计算机的一个重要应用领域, 计算机控制技术正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术, 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于生产过程, 并设计出所需要的计算机控制系统. 因此计算机控制技术是我国高等学校各类自动化、 计算机应用、 电子与电气工程等专业的主干专业课程。微型计算机控制技术微型计算机控制技术是自动化专业的主干专业课之一。是自动化专业的主干专业课之一。课程总目标教 材 作 者： 于海生 出 版 社：机械工业出版社 版 别：第1版第1次 出版日期：2007.6 微型计算机控制技术 高国琴微型计算机控制技术 机械工业出

2、版社 2006 赖寿宏微型技术机控制技术机械工业出版社 冯培悌 计算机控制技术浙江大学出版社 陶永华 尹怡欣 葛芦生新型PID控制及其运用 机械工业出版社 潘日芳计算机控制技术清华大学出版社 王锦标 方崇智过程计算机控制清华大学出版社 何克忠、李伟编著计算机控制系统 清华大学出版社 刘乐善 微型计算机接口技术及应用华中理工大学出版社阅读期刊： 工业控制机、控制工程、测控技术、电工业控制机、控制工程、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表动化装置，化工自动化及仪表 等等。等等。 介绍计算机控制系统及其组成、 分类、 发展概况及趋

3、势。分别讨论输入输出接口与过程通道的硬件和软件设计、数字程序控制技术和常规及复杂控制技术、计算机控制系统的应用程序设计与实现技术以及计算机控制系统的设计原则、 步骤及工程实现等, 并给出了应用实例。 A/D转换器及模拟量输入通道设计 D/A转换器及模拟量输出通道设计 数字控制器的连续化与离散化设计技术 PID控制 先修课程 本课程涉及的知识范围较广, 除了计算机的知识外还涉及到传感器技术与执行机构, 自动控制技术等领域. 与所学如下课程相关:第1章 绪论第2章 输入输出接口与过程通道第3章 数字程序控制技术第4章 常规及复杂控制技术 第5章 现代控制技术第6章 应用程序设计与实现技术 第7章分

4、散型测控网络技术 第8章 计算机控制系统设计与实现平时: 20%实验： 20%笔试： 60% 本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。第1章 绪论 计算机控制系统是自动控制理论、自动化技术与计算机技术紧密结合的产物，控制理论的发展，尤其是现代控制理论的发展，与计算机技术息息相关。 利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。 计算机控制系统应用简介（1）计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，（2）以计算机为核心部

5、件的过程控制系统和运动控制系统。（3）从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。 计算机控制技术及工程应用实例：一个制药车间的自动化生产流程实例：一个制药车间的自动化生产流程。 计算机控制系统应用于工业控制实践所提出来的一系列理论与工程上的问题，又进一步促进和推动了控制理论和计算机技术的发展。 计算机控制系统的应用领域非常广泛，不但是国防、航空航天、导弹制导等高精尖学科必不可少的组成部分，而且在现代化的工、农、医等领域也已发挥着越来越重要的作用。 随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机

6、控制技术水平必将大大提高。 计算机控制系统应用简介1.1 计算机控制系统概述1.2 计算机控制系统的典型形式1.3 计算机控制的发展与展望内 容 计算机控制系统的应用领域非常广泛，控制对象和控制任务可从小到大，从简单到复杂，小到控制单个电机的运转或阀门的开关，大到可以控制和管理一条生产线、一个车间乃至整个企业；既可以是单回路参数的简单控制，又可以是复杂控制规律的自适应控制、最优控制、模糊控制和神经控制等。下面首先通过几个典型的计算机控制系统介绍，以了解计算机控制系统的使用、组成结构、功能以及特点，进而给出计算机控制系统的分类。 1.1 计算机控制系统概述 计算机控制系统 (1)计算机控制系统的

7、原理 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图。 图1-2中给出了开环控制系统框图。它与闭环控制系统，不同它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的控制性能较差。 如果把图1-1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1-3所示。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。 1.1 计算机控制系统概述控制器执行机构被控对象变换发送单元给

8、定信号被控参数测量元件+-图1-1 闭环控制系统框图图1-2 开环控制系统框图控制器被控对象执行机构给定信号被控参数图1-3 计算机控制系统基本框图AD转换器DA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返回典型测量变送生产过程工业控制机 计算机控制系统 (2)在线控制和离线控制 在线方式（或联机方式）： 在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。 离线方式（脱机方式）：生产过程不与计算机相连，并且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式。 (3)实时控制 所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围那完成，亦即计算机对输入信息，以

9、足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 1.1 计算机控制系统概述 在线系统是否一定是实时系统？在线系统是否一定是实时系统？ 实时系统是否一定是在线系统？实时系统是否一定是在线系统？ 如何保证系统的实时性？如何保证系统的实时性？ 计算机控制系统的组成 计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。计算机控制系统的组成框图如图1-4所示。 工业控制机：指按生产过程控制的特点和要求来设计的计算机，它包括硬件和软件两个部分。 生产过程：包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。 1.1 计算机控制系统概述工业控制机生产过程CPU/MEM人机接口系统

10、支持板磁盘配适器内部总线模拟量输入（AI）通道模拟量输出（AO）通道数字量输入（DI）通道数字量输出（DO）通道测量变送执行机构电气开关电气开关被控对象图1-4 计算机控制系统的组成框图 微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如图1-5所示。1.1 计算机控制系统概述图1-5 微型计算机控制系统原理图1.1 计算机控制系统概述 软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。 软件它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。 软件通常分为两大类： 系统软件 应用软件1.1 计算机控制系统概述表1-1 计算机控制系统软件

11、分类表1-1 计算机控制系统软件分类软件软件系统软件系统软件操作系统操作系统管理程序、磁盘操作系统程序管理程序、磁盘操作系统程序诊断系统诊断系统调节程序、诊断程序等调节程序、诊断程序等开发系统开发系统数据管理系统数据管理系统信息处理信息处理文字翻译、企业管理文字翻译、企业管理应用软件应用软件过程监视过程监视上、下限检查及报警、巡回检测、操作面板服务、滤波上、下限检查及报警、巡回检测、操作面板服务、滤波及标度变换、判断程序、过程分析等及标度变换、判断程序、过程分析等过程控制计算过程控制计算控制算法程序控制算法程序PID算法、最优化控制、串级算法、最优化控制、串级调节、系统辨识、比值调节、调节、系

12、统辨识、比值调节、前馈调节、其他前馈调节、其他事故处理程序事故处理程序信息管理程序信息管理程序文件管理、输出、打印、显文件管理、输出、打印、显示示公共服务公共服务数码转换程序、格式编辑程序、函数运算程序、基本运数码转换程序、格式编辑程序、函数运算程序、基本运算程序算程序1.2 计算机控制系统的典型形式 根据计算机控制系统的功能及结构特点,可以将计算机控制系统大致分为: 操作指导控制系统(OGC) 直接数字控制系统DDC 监督控制系统SCC 分散控制系统DCS 现场总线控制系统（FCS） 综合自动化系统（1）操作指导控制系统定义：计算机测得的信号数据，根据一定的控制算法，计算出定义：计算机测得的

13、信号数据，根据一定的控制算法，计算出 供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。 优点：结构简单，控制灵活和安全。优点：结构简单，控制灵活和安全。 缺点：开环控制。由人操作，实时性差，不能控制多个对象。缺点：开环控制。由人操作，实时性差，不能控制多个对象。计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回检测，经过程输入通道输入计算机，并根据规定的控制规律和给定值进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使各个被控制量达到预定的要求。 在DDC系统中，计算机不仅能完全取代模拟调节器参加闭环控制过程，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制规

14、律，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。（2）直接数字控制(DDC)定义：计算机首先通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。 优点： 能够实现自动控制、多回路控制，能够灵活的把各种算法施加于生产过程。缺点：结构复杂，投资高。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图1-7 DDC系统控制原理图AD转换器转换器DA转换器转换器被控对象被控对象执行机构执行机构被控参数被控参数微处理器微处理器微型计算机微型计算机给定给定信号信号

15、+-计算机首先通过模拟量输入通道、开关计算机首先通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程输出通道直接控制生产过程检测变送检测变送计算机过程控制系统计算机过程控制系统微型计算机控制的电动机调速系统微型计算机控制的电动机调速系统计算机数字程序控制系统计算机数字程序控制系统监督控制系统有两种不同的结构形式： SCC模拟调节器 SCCDDC控制系统。原理：原理：计算机按照描述生产过程的数学模型

16、计算出计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值后，送给模拟调节器或最佳给定值后，送给模拟调节器或DDCDDC计算机，并计算机，并由模拟调节器或由模拟调节器或DDCDDC计算机控制生产过程计算机控制生产过程优点：优点：根据工作状态的变化，改变给定值，以实现根据工作状态的变化，改变给定值，以实现最优控制最优控制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1-7 SCC+模拟调节器控制系统原理图 图1-8 SCC+DCC控制系统原理图 管理命令管理命令报告报告人工监管人工监管给定值给定

17、值测量值测量值A/D多路开关多路开关检测元件检测元件生产过程生产过程.图1-8 SCC+模拟调节器控制系统原理图 由计算机系统对各物理量进由计算机系统对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学行巡回检测，并按一定的数学模型，计算出模型，计算出最佳给定值最佳给定值并送并送给模拟调节器给模拟调节器 此给定值在模拟调节器中与此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后，其偏差值检测值进行比较后，其偏差值经经模拟调节器计算模拟调节器计算，然后输出，然后输出到执行机构，以达到调节生产到执行机构，以达到调节生产过程的目的过程的目的 当当SCC计算机出现故障计算机出现故障时，时，可由模拟调节器独立完成操作可由模拟调

18、节器独立完成操作计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器的给定值，从而使生产过程始终变模拟调节器的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况处于最优工况(如保持高质量、高效率、低消耗、如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等低成本等等)。从这个角度上说，它的作用是改。从这个角度上说，它的作用是改变给定值变给定值管理命令管理命令报告报告人工监管人工监管给定值给定值测量值测量值A/D多路开关多路开关检测元件检测元件生产过程生产过程DDCD/A反多路开关反多路开关. 图1-

19、9 SCC+DCC控制系统原理图 图1-9 SCC+DDC控制系统原理图 一个两级计算机控制系统，一级为监一个两级计算机控制系统，一级为监控级控级SCC，另一级为，另一级为DDC 监控级监控级SCC：完成车间或工段等高一：完成车间或工段等高一级的级的最优化分析和计算最优化分析和计算，并给出，并给出最佳给最佳给定值定值送给送给DDC级直接控制生产过程两级级直接控制生产过程两级计算机之间通过接口进行信息交流计算机之间通过接口进行信息交流 当当DDC级计算机出现故障时，可由级计算机出现故障时，可由SCC级计算机完成级计算机完成DDC的控制功能，大的控制功能，大大提高了系统的可靠性大提高了系统的可靠性 SCC级计算机承担了先进控制、过程级计算机承担了先进控制、过程优化与部分管理任务，信息存储量大，优化与部分管理任务，信息存储量大，计算任务重，一般选用高档微型机或小计算任务重，一般选用高档微型机或小型机作为型机作为SCC级计算机级计算机 集散控制系统（Distributed Control SystemDCS），又称分散或分布式控制系统分级计算机控制系统， 由于计算机控制和管理范围的缩小，使其应用灵活方便，可靠性增高；特点: 将控制功能和危险性分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理； 电缆和敷缆成本低，易于施工，且施工周