第1章 计算机控制

1、微型计算机控制技术微型计算机控制技术蒋荣华蒋荣华E-mail: 四川大学电气信息学院四川大学电气信息学院Offfice:JC-B215 引言引言一个制药车间的自动化生产流程一个制药车间的自动化生产流程 引言引言 计算机控制技术计算机控制技术-是把计算机技术与自动化控制是把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，是系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发：自动化控制工程是其重要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；的一个应用领域；从自动化控制工程来看：计

2、算机技术又是一个主要的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。实现手段。本课程立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普本课程立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用及其工程应用。 u第一章：介绍计算机控制系统及其第一章：介绍计算机控制系统及其组成组成、计算机控、计算机控制系统的制系统的典型形式典型形式、工业控制机的组成结构及、工业控制机的组成结构及特点特点、计算机控制系统的计算机控制系统的发展概况发展概况和趋势；和趋势； u第二章：讨论输入输出接口与过程通道的第二章：讨论输入输出

3、接口与过程通道的硬件硬件和和软软件设计件设计； u第三章：讨论数字程序控制技术，重点介绍了第三章：讨论数字程序控制技术，重点介绍了逐点逐点比较法插补原理比较法插补原理和和步进电机步进电机控制技术（工作原理以及控制技术（工作原理以及工作方式）；工作方式）； 本课程主要内容本课程主要内容u第四章：主要讲解数字控制器的第四章：主要讲解数字控制器的连续化设计技术连续化设计技术、离离散化设计技术散化设计技术以及相关的各类控制算法，介绍一下常以及相关的各类控制算法，介绍一下常规及复杂控制技术；规及复杂控制技术； u第五章：讨论现代控制技术，主要介绍了采用状态空第五章：讨论现代控制技术，主要介绍了采用状态空

4、间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；法；u第六章：讨论计算机控制系统的应用程序设计与实现第六章：讨论计算机控制系统的应用程序设计与实现技术，重点放在数据处理、数字控制器的工程实现以技术，重点放在数据处理、数字控制器的工程实现以及软件抗干扰技术；及软件抗干扰技术；本课程主要内容本课程主要内容u第七章：讨论分散型测控网络技术，给大家阐述通第七章：讨论分散型测控网络技术，给大家阐述通信网络技术、信网络技术、DCSDCS控制技术，介绍一下现场总线技术；控制技术，介绍一下现场总线技术； u第八章：讨论计算机控制系统的设计原则、步骤和第八章：讨论

5、计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出设计实例。工程实现，并给出设计实例。 本课程主要内容本课程主要内容教材教材教材教材:微型计算机控制技术微型计算机控制技术于海生等编著于海生等编著,清华大学出版清华大学出版社社,2009年年9月第二版月第二版.参考资料参考资料1.微型计算机控制技术微型计算机控制技术 谢剑英谢剑英 编著编著,国防工业出版国防工业出版社社,1991年年4月第月第二版二版2. 计算机控制技术及工程应用计算机控制技术及工程应用林敏等编林敏等编,国防工业出版国防工业出版社社,2005年年8月第一版月第一版3.计算机控制技术计算机控制技术施保华等编施保华等编,华中科技大学出版

6、社华中科技大学出版社,2007年年1月第一版月第一版 4. Computer-Controlled Systems Theory and designThird Edition K.J.Astrom, B.Wittenmark, 清华大学出版社，清华大学出版社，2002年年1月第月第三三版版5.期刊：工业控制机期刊：工业控制机(技术性比较强技术性比较强)、测控技术、电气自动、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表等等。表等等。教学安排与课程考核教学安排与课程考核教学安排教学安排:课堂教学课堂教学(40学时学时

7、)实验实验(8学时学时)课程考核：课程考核：u平时成绩平时成绩(30) 期末考试期末考试(70)1.作业及小班讨论作业及小班讨论(15)2.考勤考勤(5)3.实验实验(10 )实例实例1. 各种用途的机器人系统各种用途的机器人系统 焊接机器人系统焊接机器人系统(核心为计算机控制系统核心为计算机控制系统)具有视觉器件的机器人示意图具有视觉器件的机器人示意图 2. 以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统 现代民用飞机座舱数字控制电子设备现代民用飞机座舱数字控制电子设备 飞机飞行高度计算机控制系统飞机飞行高度计算机控制系统 3. 广泛使用计算机实现分散控

8、制和集中监视系统广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统 分散控制集中管理的组成图分散控制集中管理的组成图4.工业炉控制的典型情况工业炉控制的典型情况为了保证燃料在炉膛内为了保证燃料在炉膛内正常燃烧正常燃烧，必须，必须保持燃料和空气保持燃料和空气的比值恒定的比值恒定。它可以防止空气太多时，过剩空气带走大。它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的为了保持所需的炉温炉温，将测得的炉温送入计算机计算，将测得的炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空

9、气阀门的开度。进而控制燃料和空气阀门的开度。4.工业炉控制的典型情况工业炉控制的典型情况为了保持为了保持炉膛压力恒定炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，必须采用压力控制回路。测得的炉膛压缝隙逸出炉外，必须采用压力控制回路。测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。为了提高炉子的为了提高炉子的热效率热效率，还须对炉子排出的废气进行分，还须对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，

10、通过析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制。计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制。5-1.典型典型模拟式模拟式火炮位置控制系统的原理结构图火炮位置控制系统的原理结构图5-2：典型火炮位置：典型火炮位置计算机控制系统计算机控制系统的原理结构图的原理结构图被控对象：本例为火炮炮身；被控对象：本例为火炮炮身；(2) 执行机构：本例为直流电机；执行机构：本例为直流电机；(3) 测量装置：本例为测量电位计及测速电机；测量装置：本例为测量电位计及测速电机；(4) 指令给定装置：本例为火炮高低角及方位角的指指令给定装置：本例为火炮高低角及方位角的指令生成装置

11、；令生成装置；(5) 计算机系统：包括下述主要部件：计算机系统：包括下述主要部件： A/D变换器；变换器； D/A变换器；变换器； 数字计算机数字计算机(包括硬件及相应软件，实现信号的变换处包括硬件及相应软件，实现信号的变换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相应理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相应的控制指令的控制指令)。仪表控制仪表控制计算机控制计算机控制转换转换 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常规仪表控制系统框图常规仪表控制系统框图 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 某

12、热电厂锅炉计算机控制室某热电厂锅炉计算机控制室 图图1-6 计算机操作控制台计算机操作控制台 第一章第一章 绪论绪论计算机技术计算机技术自动控制技术自动控制技术检测与传感技检测与传感技术术CRT显示技术显示技术通信与网络技术通信与网络技术微电子技术微电子技术 计算机控制系统及其组成计算机控制系统及其组成 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统的发展概况及趋势计算机控制系统的发展概况及趋势本章要点本章要点1.了解计算机控制系统的构成原理2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。3. 初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类 本章重点、难点及掌握的内容本章重点、难点及掌握

13、的内容重点与难点重点与难点关于实时系统的理解关于实时系统的理解区分内部总线与外部总线区分内部总线与外部总线掌握内容掌握内容计算机控制系统的定义，以及实时、在线、离线计算机控制系统的定义，以及实时、在线、离线的含义的含义计算机控制系统的五种典型形式，并分析各种形计算机控制系统的五种典型形式，并分析各种形式的优缺点，对结构框图进行分析式的优缺点，对结构框图进行分析工业控制机的组成和总线结构工业控制机的组成和总线结构1.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

14、运行的系统。 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3. 计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例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 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例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产品自动装箱

15、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自动控制系统实例 3.计算机自动控制系统实例计算机自动控制系统实例1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述自动控制系统自动控制系统所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过况下，通过控制器控制器使生产过程自动地按照预使生产过程自动地按照预定的规律运行。定的规律运行。 图图1-1 自动控制系统自动控制系统舵机舵机-+ +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uqy控制器控制器

16、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计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图变换变换/ /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) ) 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闭环：

17、根据测量值的偏差进行调节(反馈或负反馈控制反馈或负反馈控制) 开环：只根据给定值调节开环：只根据给定值调节(非反馈控制非反馈控制) 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 如果把如果把图图1.1中的控制器用微

18、型计算机来代替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，其基本框图如图就可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如图1.2所示。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，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仪表控制仪表控制计算机控制计算机控制完成完成自动控制的精髓自动控制的精髓反

19、馈控制反馈控制例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）给定给定电位器电位器 给定给定电压电压 加热炉加热炉+-交流交流电源电源 电热丝电热丝功功率率放放大大器器工件工件温度温度检测检测给定给定电位器电位器 控制量控制量 加热炉加热炉控制器控制器误差误差 e e 温度变送器温度变送器 变换电压变换电压 u uf f电热丝电热丝温度温度传感器传感器功功率率放放大大器器温度信号温度信号+-交流电源交流电源 给定电压给定电压u ur ru u输出量输出量 y y （炉温）（炉温） +-工件工件电加热炉的炉温反馈控制（自动控制）电加热炉的炉温反馈控制（自动控制

20、） 控制器控制器加热炉加热炉炉温检测炉温检测u ur r扰动扰动y ye eu uf fu u相加点相加点( (综合点综合点) )检测噪声检测噪声给定给定电位器电位器 控制量控制量 加热炉加热炉控制器控制器误差误差 e e 温度变送器温度变送器 变换电压变换电压 u uf f电热丝电热丝温度温度传感器传感器功功率率放放大大器器温度信号温度信号+-交流电源交流电源 给定电压给定电压 u ur ru u输出量输出量 y y （炉温）（炉温） +-工件工件正反馈例：音响系统、振荡电路等正反馈例：音响系统、振荡电路等有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性好

21、，控制精度高好，控制精度高负反馈（广泛应用），正反馈（很少用）负反馈（广泛应用），正反馈（很少用）控制装置控制装置受控对象受控对象检测环节检测环节给定信号给定信号扰动扰动反馈信号反馈信号控制量控制量误差误差被控量被控量反馈控制系统的基本结构：开环：开环： 简单简单 不准确不准确 闭环：闭环： 准确准确 复杂、设备多复杂、设备多Qi浮子浮子测量元件测量元件HQo执行阀执行阀控制器控制器液面给定液面给定（1）为何闭环控制能满足要求）为何闭环控制能满足要求 直观上应能满足直观上应能满足控制框图控制框图方框图方框图如上如上原理：原理：偏差调节偏差调节控制控制KG(S)测量测量1y输出输出yyor=Qi

22、(2)设计控制器的几大要点设计控制器的几大要点 稳定性稳定性什么是不稳定：如水溢出、流干什么是不稳定：如水溢出、流干稳定性是压倒一切的。稳定性是压倒一切的。对线性系统，有成熟的稳定性分析方法。对线性系统，有成熟的稳定性分析方法。对非线性复杂系统，很难，需要高深的数学对非线性复杂系统，很难，需要高深的数学是自动控制重要研究是自动控制重要研究 内容内容tYo=HoHoy稳态误差稳态误差稳态误差稳态误差 动态特性动态特性(3)控制器的发展控制器的发展 模拟模拟模拟数字混合式模拟数字混合式 全数字式全数字式 计算机计算机(软件实现软件实现)线性线性非线性非线性简单简单复杂复杂常规常规智能智能基本结构基

23、本结构对象对象变送器变送器模模/数数计算机计算机传感器传感器微弱信号微弱信号标准电信号标准电信号5V/20mA数字信号数字信号测量的重要性：相当人的眼睛、耳朵、触觉、测量的重要性：相当人的眼睛、耳朵、触觉、 嗅觉、味觉嗅觉、味觉高质量的控制离不开高质量的控制离不开高精度的测量高精度的测量电子控制器电子控制器： 两大类：两大类： 核心：自动控制原理及其实现核心：自动控制原理及其实现数字控制器数字控制器(计算机计算机)：今后发展趋势：今后发展趋势模拟控制器：目前仍有较广用途模拟控制器：目前仍有较广用途 如家用电器如家用电器2、控制器、控制器目前绝大多数为电子控制器目前绝大多数为电子控制器分立元件分

24、立元件 IC 计算机计算机 集散控制系统集散控制系统 (3)混合类混合类(电动作式电动作式控制非电量控制非电量) 电机电机(气、液、固体气、液、固体)阀门、开关阀门、开关 (2)非电类非电类(气液动作式气液动作式控制非电量控制非电量) 阀门、开关阀门、开关(气液动作式气液动作式)3、执行器、执行器 (1)电类电类(电动作式电动作式控制电量控制电量) 继电器、接触器继电器、接触器 电机电机 电力电子电力电子1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.1.1 1.1.1 计算机控制系统计算机控制系统 计算机控制系统就是利用计算机计算机控制系统就是利用计算机( (通常称为工业控制通常称为

25、工业控制计算机，简称工业控制机计算机，简称工业控制机) )来实现生产过程自动控制的系来实现生产过程自动控制的系统。统。 1.1.计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理 2.2.在线方式和离线方式在线方式和离线方式3.3.实时的含义实时的含义 计算机控制系统计算机控制系统的工作原理的工作原理从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：下三个步骤：实时数据采集实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。时值进行检测和输入。实时控制决策实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理

26、，：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 实时控制输出实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。发出控制信号，完成控制任务。 计算机控制相关概念计算机控制相关概念在线方式和离线方式：在线方式和离线方式：on-line/off-lineon-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；的方式称为在线方式或联机方式； 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，生

27、产过程不和计算机相连，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称为离线方而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。式或脱机方式。计算机控制相关概念计算机控制相关概念实时：指信号的输入、计算和输出都要在实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的一定的时间范围内时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控快的速度进行控制，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。制的时机，控制也就失去了意义。 ！而且这个而且这个时间范围时间范围的大小跟被空对象联系非的大小跟被空对象联系非常的紧密

28、常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不不同的被控对象，对时间范围的要求不同：发酵过程和导弹防御系统的对比同：发酵过程和导弹防御系统的对比！思考两个问题思考两个问题一一. .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？二二. .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？思考两个问题思考两个问题一一. .不一定。在线采集的数据不一定在当时就进不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！行处理，只要把数据采集来就可以！二二. .是。不在线肯定不能满足实时性。是。不在线肯定不能满足实时性。1.1.2 1.1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系

29、统的组成 计算机控制系统由计算机计算机控制系统由计算机( (工业控制机工业控制机) )和生产过程两大和生产过程两大部分组成。部分组成。 计算机控制系统的组成框图计算机控制系统的组成框图微型计算机控制系统原理图微型计算机控制系统原理图硬件部分：主机、接口电路、过程输入硬件部分：主机、接口电路、过程输入/输出通道、外输出通道、外 部设备、部设备、 操作台操作台1.1.3 1.1.3 常用的计算机控制系统主机常用的计算机控制系统主机1.1.可编程序控制器（可编程序控制器（PC/PLCPC/PLC）2.2.工控机（工控机（IPCIPC）3.3.嵌入式系统嵌入式系统4.4.智能调节器智能调节器可编程控制

30、器可编程控制器 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器-简称可编程控制器或简称可编程控制器或PLCPLC，是计，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由工业控制计算机。它主要由CPUCPU、存储器、输入组件、输、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）特点：）特点：一种数字运算操作的电子系统一种数字运算操作的电子系统,

31、 ,专为工业环专为工业环境下应用而设定境下应用而设定; ;采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；式、模拟式的输入和输出；应用广泛应用广泛-不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色； PLCPLC具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干

32、扰能力强；易，抗干扰能力强； 智能调节器智能调节器智能调节器智能调节器-又称单回路调节器、可编程调节器、数字调节器又称单回路调节器、可编程调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、过程。它主要由微处理单元、过程I IO O（输入（输入/ /输出）输出） 单元、面板单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图所单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图所示。示。 智能调节器特点：智能调节器特点：u一种仪表化了的微型控制计算机一种仪表化了的微型控制计算机u易操作，易编程、方便灵活易操作，易编程、方便灵活u设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计

33、u软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言u具有断电保护、自诊断功能、通信等功能具有断电保护、自诊断功能、通信等功能u可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控制和管理制和管理 u大型分散控制系统中最基层的控制单元大型分散控制系统中最基层的控制单元u适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中 1.2 1.2 计算机控制系统的典型型式计算机控制系统的典型型式1.2.1 1.2.1 操作指导控制系统操作指导控制系统 计计算算机机模拟量输入（模拟量输入（AI）通道）通道数字量输入（

34、数字量输入（DI）通道）通道CRT打印机打印机操作操作人员人员调节器调节器生生产产过过程程操作指导控制系统操作指导控制系统优点：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。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）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。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。）现场人员参照显示（数字显示）的数

35、据，根据经验对系统进行调节。1.2.2 1.2.2 直接数字控制系统直接数字控制系统( (DDC)CRT打印机打印机报警报警操作台操作台计计算算机机输入通道输入通道（AI，DI）输出通道输出通道（AO，DO）生生产产过过程程直接数字控制系统要求实时性好，可靠性高和适应性强直接数字控制系统要求实时性好，可靠性高和适应性强管理命令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，按适当的控制规根据偏差的情况，

36、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。1.2.3 1.2.3 监督控制系统监督控制系统(SCC)(SCC)生生产产过过程程生生产产过过程程模拟模拟调节器调节器DDC计算机计算机SS

37、C计计算算机机SSC计计算算机机记录记录显示显示打印打印记录记录显示显示打印打印调节调节测量测量调节调节测量测量工艺数据工艺数据工艺数据工艺数据a SCC+ SCC+模拟调节器的控制系统模拟调节器的控制系统b SCC+DDC SCC+DDC的分级控制系统的分级控制系统设定值设定值设定值设定值根据工艺信息和参数要求，按照数学模型，自动改变模拟调节器根据工艺信息和参数要求，按照数学模型，自动改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中给定值，使生产过程最优。或以直接数字控制方式工作的微型机中给定值，使生产过程最优。1. 操作过程：操作过程：在这种系统中，给定值不是人为预在这种系统中，给定值不是

38、人为预先给定，而是由计算机按照描述先给定，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单片机对生产过程进行控制2. 特点特点: (1) 给定值为最佳；给定值为最佳； (2) 增加了增加了 CPU 的冗余量。的冗余量。 计算机监督系统（计算机监督系统（Supervisory Computer Supervisory Computer ControlControl）简称）简称SCCSCC系统。系统。 1.2.4 1.2.4 集散控制系统集散控制系统(DCS)(DCS) 管理管理计

39、算机计算机网间网间联接器联接器工程师工程师操作站操作站操作员操作员操作站操作站监控监控计算机计算机网间网间联接器联接器现场现场控制站控制站PLC智能智能调节器调节器其他测其他测控装置控装置综合信息管理级综合信息管理级分散过程控制级分散过程控制级集中操作监控级集中操作监控级局部网络（局部网络（LAN）至其他局域网至其他局域网通信联络通信联络DCS结构示意图结构示意图又叫分布式控制系统，采用分散控制、集中操作、分级管理、又叫分布式控制系统，采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的方法、把系统从上到下分为分散控制分而自治和综合协调的方法、把系统从上到下分为分散控制级、集中操作监控级、综

40、合信息管理级，形成分级分布式控级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。制。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）新一代分布式控制系统。现场总线是连接智能现场设备和自动化新一代分布式控制系统。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多

41、节点、总线式的全数字通讯。志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。目前使用的现场总线有：目前使用的现场总线有：CAN总线总线 LONWORKS（局部操作网络）（局部操作网络）PROFIBUS(过程现场总线过程现场总线)HART(可寻址远程传感器数据通路可寻址远程传感器数据通路)FF（现场总线基金会）现场总线（现场总线基金会）现场总线1.2.6 1.2.6 综合自动化系统综合自动化系统 由企业资源信息管理系统由企业资源信息管理系统ERPERP（Enterprise Resources Enterprise Resources PlanningPlanning）、生产执行系统）、生产执行系统M

42、ESMES（Manufacturing Execution Manufacturing Execution SystemSystem）和生产过程控制系统）和生产过程控制系统PCSPCS（Process Control SystemProcess Control System）构成）构成的三层结构，已成为综合自动化系统的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。的整体解决方案。 计算机集成过程系统（计算机集成过程系统（CIPS-Computer CIPS-Computer Integrated Process SystemIntegrated Process System） 1.3.1 工业

43、控制机的组成工业控制机的组成 1、硬件组成、硬件组成: 微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等. 2、软件组成、软件组成 系统软件、支持软件、应用软件系统软件、支持软件、应用软件1.3 1.3 工业控制机的组成结构及特点工业控制机的组成结构及特点内部总线内部总线主机板主机板通信通信接口接口系统系统支持支持磁盘磁盘系统系统人人-机机接口接口模拟量模拟量输入通道输入通道(AI)数字量数字量输入通道输入通道(DI)数字量数字量输出通道输出通道(DO)模拟量模拟量输出通道输出通道(AO)外部总线外部总线工业控制机的硬件组成结构工业控制机的硬件组成结构总

44、线总线:一组信号线的集合，定义了各引线的信号、电气、机一组信号线的集合，定义了各引线的信号、电气、机械特性，是计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之械特性，是计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。间建立信号联系，进行信息传送和通信。内部总线：计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是内部总线：计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。 按功能分为：数据总线按功能分为：数据总线DB、地址总线地址总线AD、控制总线控制总线CB和和电源总线电源总线PB四部分。四部分。常见的内部总线有常

45、见的内部总线有ISAPCI(P11)外部总线：是指计算机与计算机之间或计算机与其他外部设外部总线：是指计算机与计算机之间或计算机与其他外部设备之间的通讯。备之间的通讯。常见的外部总线有常见的外部总线有RS-232/GPIB/USB1.3.2 工业控制机的总线结构工业控制机的总线结构1.3 1.3 工业控制机的组成结构及特点工业控制机的组成结构及特点RS-232CRS-232C串行通信总线串行通信总线 RS-232CRS-232C是一种串行外部总线，电气特性要求总线信号是一种串行外部总线，电气特性要求总线信号采用负逻辑。采用负逻辑。 规定：使用一个规定：使用一个25 25 芯标准连接头芯标准连接

46、头, ,每个引脚有固定的定义每个引脚有固定的定义(P15(P15表表1 1-1);-1);通信距离不大于通信距离不大于1515米米; ;传送的信号速率不大于传送的信号速率不大于20kbps;20kbps;每个信号一根导线并用一根信号地线。每个信号一根导线并用一根信号地线。 由于采用单端输入和公共信号地线，所以容易引进干扰。由于采用单端输入和公共信号地线，所以容易引进干扰。一些约定及特点：一些约定及特点：u总线电缆是一条无源的电缆线，包括总线电缆是一条无源的电缆线，包括1616条信号线和条信号线和9 9条地线条地线u系统中通过总线互连的设备不超过系统中通过总线互连的设备不超过1515台台u总线电

47、缆长度不超过总线电缆长度不超过2020米米u信号传输速率一般为信号传输速率一般为500kbps500kbps，最大速率为，最大速率为1Mbps1Mbpsu地址容量为：地址容量为：“听听”地址地址3131个，个，“讲讲”地址地址3131个，最多地址可个，最多地址可扩展到扩展到961961个个u总线上传输的消息为负逻辑总线上传输的消息为负逻辑u采用按位并行、字节串行、三线握手、双向异步的传输方式采用按位并行、字节串行、三线握手、双向异步的传输方式总线的一般描述：总线的一般描述：IEEE-488IEEE-488总线上所连的设备有三种：控者、听者、讲者。这三种总线上所连的设备有三种：控者、听者、讲者。

48、这三种设备之间用一根设备之间用一根2424线的无源电缆互连线的无源电缆互连IEEE-488IEEE-488总线的引线分配及功能总线的引线分配及功能IEEE-488IEEE-488总线采用总线采用2424芯芯D D型插头座型插头座( (包括包括8 8条地线，条地线，1616条信号线条信号线) )IEEE-488IEEE-488并行通信总线并行通信总线( (也称为也称为GPIBGPIB总线总线) )GPIB的引线分布如下的引线分布如下可靠性高和可维修性好可靠性高和可维修性好环境适应性强环境适应性强控制的实时性控制的实时性完善的输入输出通道完善的输入输出通道丰富的软件丰富的软件适当的计算机精度和运算

49、速度适当的计算机精度和运算速度1.3.3 工业控制机的特点工业控制机的特点1.4.1计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程计算机技术的发展过程计算机技术的发展过程电子管时代电子管时代直接数字控制时期直接数字控制时期小型计算机时期小型计算机时期微型计算机时期微型计算机时期1.4 计算机控制系统的发展概况及趋势计算机控制系统的发展概况及趋势(1)采样定理采样定理(2)差分方程差分方程(3)Z变换法变换法(4)状态空间理论状态空间理论(5)最优控制与随机控制最优控制与随机控制(6)代数系统理论代数系统理论(7)系统辨识与自适应控制系统辨识与自适应控制(8)先进控制技术先进控制技术计算机控制

50、理论的发展过程计算机控制理论的发展过程(1)时钟同步时钟同步计算机控制系统的实际理论问题计算机控制系统的实际理论问题若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统后，它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否后，它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。同步有关。连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率的正连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率的正弦信号，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信号频率弦信号，但计算机控制

51、系统的稳态正弦响应与输入信号频率和采样周期有关。和采样周期有关。 计算机控制系统的正弦激励响应计算机控制系统的正弦激励响应 频率为频率为4.9 Hz的输入信号的输入信号 连续系统的输出连续系统的输出采样间隔时间为采样间隔时间为0.1 s时，时，则会发生振荡周期为则会发生振荡周期为10s的的差拍现象。差拍现象。计算机控制系统的实际理论问题计算机控制系统的实际理论问题(2) 正弦激励响应正弦激励响应93(3)字长有限的问题。字长有限的问题。A/D或或D/A变换器、计算机内存及运算器的字长有限。变换器、计算机内存及运算器的字长有限。字长有限引起的极限环字长有限引起的极限环计算机控制系统的实际理论问题

52、计算机控制系统的实际理论问题尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的。但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的。 例如，一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制例如，一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统时，若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不系统时，若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。可控。计算机控制系统的实际理论问题计算机控制系统的实际理论问题(4)连续系统控制理论应用连续系统控制理论应用有限调节时间系统有限调节时间系统 实线表示连续系统，实线表示连续系统，虚线是同一被控对象虚线是同一被控对象的计算机控制系统。的计算机控制系统。 计算机控制系统的实际理论问题计算机控制系统的实际理论问题(4)连续系统控制理论应用连续系统控制理论应用 (6)系统的稳定性也是值得关注的问题。系统的稳定性也是值得关注的问题。对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的。大系数为任意值，系统均是稳定的。 (5)一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是