计算机控制系统

第一章绪论

Introduction12/25/20221培训专用本章主要内容计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的组成及特点计算机控制系统的分类计算机控制系统的发展概况与趋势12/25/20222培训专用第一节Unit1计算机控制概述IntroductionofComputerControlSystem燕山大学自动化系12/25/20223培训专用本节主要内容计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的组成12/25/20224培训专用1-1-1概述（1）常规控制系统的工作原理模拟调节器执行机构被控对象测量变送器设定值reu被调参数y图a单回路常规控制系统示意图ym按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。12/25/20225培训专用1-1-1概述（2）计算机控制系统的工作原理u计算机保持器广义对象测量变送器e(kT)u(kT)被调参数y图b单回路计算机控制系统示意图ym采样器A/DD/A计算机系统设定值r12/25/20226培训专用1）在线方式和离线方式★在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。★离线方式或脱机方式：生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作相应操作的方式。2）实时的含义★实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。★实时控制系统必定是在线系统。12/25/20227培训专用1-1-2信号特点（1）计算机控制系统的信号形式连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如y(t)、u(t)离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t)离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)采样器

A/D计算机

A/D保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)12/25/20228培训专用1-1-2信号特点（2）计算机控制系统的采样过程y(t)t采样器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始过程信号信号通过采样器采样后的信号过程信号采样过程示意图12/25/20229培训专用1-1-2信号特点（3）

信号的保持目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能够感知的连续模拟信号方法：采用保持器常用的保持器：零阶、一阶及高阶

12/25/202210培训专用1-1-2信号特点（4）

零阶保持器恢复信号的示意图

6T

4T

2Tt

y采样信号y(kT)原信号y(t)恢复信号yh(t)零阶保持器算式yh(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是简单地外推，故只有当T足够小时，零阶保持器才能较好地恢复原信号。12/25/202211培训专用

1-1-3计算机控制系统的组成及作用软件部分计算机控制系统

硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道人—机联系设备、通信设备

现场仪表（测量传感器、执行机构等）

操作系统、汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等

系统软件

应用软件

过程输入/输出程序、过程控制程序、人机接口程序、打印显示程序、各种公共子程序、历史数据库、实时数据库计算机控制系统的组成示意图12/25/202212培训专用图1-4微型计算机控制系统原理图12/25/202213培训专用★主机中央处理器（CPU）内存储器(RAM和ROM)★接口电路:主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁★过程输入/输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道★外部设备★

操作台输入设备输出设备外存储器（CRT）显示器或(LED)数码显示器键盘（功能键和数字键）12/25/202214培训专用高可靠性和可维护性环境的适应性强控制的实时性较完善的输入输出通道较丰富的软件1-1-4工业控制机的特点12/25/202215培训专用第二节Unit2计算机控制系统的分类及典型系统简介浙江大学控制科学与工程学系12/25/202216培训专用本节主要内容操作指导系统直接数字控制系统监督控制系统分级计算机控制系统典型的计算机控制系统12/25/202217培训专用操作指导系统1-2-1计算机控制系统的分类优点:控制安全,具有一定智能.缺点:速度慢,误差大.适用:新的算法的设计12/25/202218培训专用直接数字控制（DDC）系统1-2-2计算机控制系统的分类直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送测量变送被控生产过程过程输出通道执行机构执行机构………………特点:取代模拟器,使用复杂的控制规律要求:计算机实时性好,可靠性高,适应性强12/25/202219培训专用1-2-3

计算机监督系统（SCC）

计算机监督系统（SupervisoryComputerControl）简称SCC系统。SCC系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。（1）SCC+模拟调节器控制系统（2）SCC+DDC控制系统12/25/202220培训专用监督控制（SCC）系统计算机控制系统的分类监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC计算机或调节器输入通道输出通道被控生产过程操作台输入通道12/25/202221培训专用

3．监督控制系统（SupervisoryComputerControl—SCC）DDC计算机生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(b)工艺数据模拟调节器生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(a)工艺数据12/25/202222培训专用操作指导控制系统、DDC、SCC比较系统类别结构特点计算机功能

给定值

系统状态

操作指导控制系统输入通道处理数据

DDC输入/输出通道直接参与控制预先设定

不在最优工况

SCC

两级计算机

直接参与控制

在线修改最优工况

12/25/202223培训专用1-2-

4．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，各级计算机的功能如图所示。装置控制级（DDC级）车间监督级（SCC级）工厂集中控制级（MIS）企业管理级（MIS）12/25/202224培训专用图分级计算机控制系统返回本节12/25/202225培训专用1-2-

5．典型的计算机控制系统1.计算机过程控制系统对温度,压力,质量,液面,速度等生产过程参数进行测量与控制的,这种系统称为过程控制系统,主控设备采用计算机则为计算机过程系统.大多数的化工生产过程均属于这类系统.12/25/202226培训专用2.微机控制的电动机调速系统3.采用微机的顺序控制系统顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序或事序,而顺序进行控制的自动控制系统.如:PLC控制系统4.计算机数字程序控制系统常用的数控机床:点控和线控5.工业机器人

12/25/202227培训专用第一台工业机器人UNIMATE

12/25/202228培训专用工业机器人T3

12/25/202229培训专用工业机器人Puma

12/25/202230培训专用同年日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的SCARA型机器人，由于简单、精确，在插装电子元器件等许多工作上得到了广泛的应用。

12/25/202231培训专用SCARA型机器人

12/25/202232培训专用

计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器人在功能和技术层次上有了很大提高。到目前为止，机器人已进入了第三代：智能化的高级机器人，具有感觉、思考、决策和动作能力的机器人系统，这类机器人目前还处于研究开发阶段；第一代工业机器人主要是指示教再现控制的操作机器人，目前国内外工业应用中的机器人绝大多数都是这一类；第二代工业机器人具有感受功能，是具有光觉、视觉、力觉、触觉、声觉、语音识别等功能的工业机器人，12/25/202233培训专用此时工业机器人可以根据感受信息调整控制算法，这类工业机器人已经在实验室内研制成功并开始得到试用，但由于成本较高，其工业应用的普及还要有一个过程。

12/25/202234培训专用我国工业机器人我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。70年代世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。80年代，我国完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。

12/25/202235培训专用1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。90年代初期我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

12/25/202236培训专用在工业机器人方面，我国已具有独立设计和开发机器人本体和控制器的能力，又经历“八五”攻关，逐步开展机器人的应用工程开发，开始了机器人喷漆线、机器人点焊、弧焊工作站的开发和应用。在智能机器人和特种机器人的研究和开发方面，国家“863”计划在第一阶段作为高技术跟踪的目标，重点发展了在恶劣环境下的工作机器人、精密装配机器人及装配系统。

12/25/202237培训专用研制了水下1000米无缆机器人和6000米无缆机器人，进行了太平洋洋底探测试验；开发了用于核工业的遥控移动机器人和爬壁机器人，以及在室外恶劣环境下进行探测的机器人。这些机器人都是在良好的人机界面下，以遥控为主，具有一定的自主能力。

12/25/202238培训专用在装配机器人方面，研制了高精度装配机器人和实用机器人，研制了风扇电机装配系统，这些系统的研究和开发，使我国在智能机器人方面的技术向前迈进了一大步。从第一台机器人问世，至今已经有40多年的历史，伴随时代的脉搏，机器人在经历了70年代进入工业应用，80年代初中期的迅速发展之后，80年代后期和90年代进入了新的发展阶段，到2000年服役机器人约100万台，机器人学仍然保持较好的发展势头，满怀希望跨入了21世纪。

12/25/202239培训专用第三节Unit3微型计算机控制系统的发展趋势燕山大学自动化系12/25/202240培训专用1-3-1DCS的特点(分散型控制系统（DistributedControlSystems）独立性协调性友好性适应性、灵活性和可扩充性实时性可靠性12/25/202241培训专用12/25/202242培训专用集散控制系统是分散型综合控制系统（TotalDistributedControlSystems）或分散型微处理器控制系统（DistributedMicroprocessorControlSystems）的简称。图是集散控制系统的组成框图。1-3-1分散性综合控制系统1-3-1分散性综合控制系统12/25/202243培训专用图分散性综合组成框图返回本节它以微型计算机为核心，把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合起来，采用组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。12/25/202244培训专用1-3-2计算机集成控制系统

（CIMS/CIPS）

经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化,简单控制生产过程

流程CIMS的递阶控制示意图12/25/202245培训专用计算机控制系统举例例1-1卫星姿态控制运行中的卫星经常要求对其姿态进行控制，以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位。为此，计算机往往对三个轴分时地进行姿态控制。图1-6画出了一个轴的运动情况。假设只允许绕垂直于本书页面的轴进行旋转，该系统的运动方程如下：

卫星姿态控制系统框图式中：I是卫星围绕其质量中心的惯性矩；MC是由助推器加上的控制转矩；MD是扰动力矩；θ是卫星轴相对于基准线的角。12/25/202246培训专用由运动方程求传递函数令可得上式的拉氏变换为如果不考虑扰动(wd(s)=0)，则其传递函数为：12/25/202247培训专用天线方位控制伺服系统卫星跟踪天线的仰角控制(见右图)假设天线及其可动部分具有惯性转矩J，由于直流驱动电机的反电势及由于轴承和空气动力摩擦产生了阻尼，其阻尼系数为B，则运动方程为：式中：Tc是驱动电机产生的纯转矩；Td是刮风时的扰动转矩。天线示意图如果我们定义：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，则方程化简为：12/25/202248培训专用其拉氏变换式为如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：12/25/202249培训专用工业炉控制工业炉的典型控制工业炉控制的典型情况。为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。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而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉膛压力恒定，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