计算机控制系统及应用课件

1、 第一章 绪 论 1.1 计算机控制系统概述 1.2 计算机控制系统的类型 1.3 计算机控制理论 1.4 计算机控制系统应用实例 1.5 计算机控制系统的发展 1 1.1 计算机控制系统概述 1.计算机控制系统的一般概念 2.计算机控制系统的组成 3.计算机控制系统的特点21.计算机控制系统的一般概念 在连续控制系统框图1.1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，产生控制信号驱动执行机构。系统内信号通常是模拟信号。 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，就组成了一个典型的计算机控制系统（见图1.2）。计算机控制系统通常是模拟信号和数字信号的混合系

2、统。因此，在系统内部，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）。 计算机控制系统的控制过程为数据采集及处理和实时控制。 图1.1 连续控制系统的典型结构图1.2 计算机控制系统基本框图3 2.计算机控制系统的组成 图1.3 计算机控制系统的组成框图4 3.计算机控制系统的特点 模拟、数字混合系统 便于修改控制规律 可实现复杂的控制规律 离散控制 可分时控制多个回路 便于实现控制与管理一体化5 1.2 计算机控制系统的类型 根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可将计算机控制系统分为以下几种类型。 操作指导控制系统 直接数字控制系统 监督计算机控制系统 分级计算机

3、控制系统6 操作指导控制系统 所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控制被控对象，只是每隔一定时间，计算机进行一次数据采集，将系统的一些参数经A/D转换后送入计算机进行计算及处理，然后进行报警、打印和显示。操作人员根据这些结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。 图1.4 操作指导系统结构图7 操作指导控制系统半自动洗衣机8 直接数字控制系统 直接数字控制（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去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定值。图1.

4、5 直接数字控制系统9 直接数字控制系统全自动洗衣机10 监督计算机控制系统 监督计算机控制（SCC）系统结构如图1.6所示。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模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者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。 图1.6 监督计算机控制系统11 监督计算机控制系统变频洗衣机12 分级计算机控制系统装置控制级（DDC级） 工厂集中控制级 车间监督级（SCC级） 企业管理级图1.7分级计算机控制系统13 分级计算机控制系统14 1.3 计算机控制理论 对计算机控制系统的分析和设计，不只是简单地推广连

5、续系统的理论，同时也需要一些专门理论来对它进行研究。计算机控制系统理论主要包括离散系统理论、采样系统理论及数字系统理论。 离散系统理论 采样系统理论 15离散系统理论 差分方程及z变换理论 常规设计方法 极点配置设计法 最优设计方法 系统辨识及自适应控制 16采样系统理论 采样系统理论除了包括离散系统的理论外，还包括以下一些内容： 采样理论 连续模型及性能指标的离散化 采样控制系统的仿真 采样周期的选择 数字信号整量化效应的研究，如量化误差、非线性特性的影响等171.4 计算机控制系统应用实例 卫星模型 直流伺服电机模型 工业机器人模型18卫星模型 卫星模型常应用于卫星姿态控制系统中。卫星常要

6、求进行姿态控制，以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位。为此，需要利用推进器对三个轴进行姿态控制，分别控制卫星的偏离角、倾斜角和转动角。图1.9 卫星结构图19 “通过三次成功的近月制动，嫦娥一号已经进入了正常的设计轨道。但是，嫦娥一号卫星现在只是实现了轨道的环月，它的姿态还是采取面向太阳的一种巡航的方式，这还需要一段时间进行调整。”2007-11-07 来源：中国新闻网 卫星模型实例1实例220太空探索实例221直流伺服电机模型 直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制，即励磁绕组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减小电枢

7、控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极性，电机就反转；控制电压为零，电机就停转，故可实现对被控对象的机械运动的快速控制。图1.10 直流伺服电机结构图22工业机器人模型 工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。图1.11工业机器人结构示意图23工业机器人模型 工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。图1.12 机械臂关节结构示意图图1.13 机械臂关节模型2425262728 1.5 计算机控制系统的发展 计算机控制系统的发展过程 计算机控制

8、系统的发展趋势29计算机控制系统的发展过程 1946年，世界上第一台电子计算机 20世纪50年代末，计算机控制系统投入实际应用 20世纪60年代末，小型计算机 1972年，微型计算机，以单片机为代表 分级计算机控制、集散控制系统、集成制造系统（CIMS） 基于网络的控制技术（简称网络控制）30计算机控制系统的发展趋势 可编程控制器 嵌入式系统 集散控制系统 现场总线控制系统 计算机集成制造系统 网络控制系统31可编程控制器 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按规定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控

9、制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储在存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程逻辑控制器PLC。32嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded System）以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和Internet网络技术与具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机嵌入到一个具体应用对象体系中去。 33集散控制系统 目前，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统。集散控制系统发展初期是以实现分散控制为主，而进入20世纪8

10、0年代以后，集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管理，因其具有分散控制和综合管理两方面特征，故称为分散型综合控制系统，简称为集散控制系统。 34现场总线控制系统 现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。 35计算机集成制造系统 计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将工厂中的全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机地集成起来，消除“自动化孤岛”，实现多品种、中小批量生产的总体