计算机控制系统第1章研究教学内容

计算机控制系统第1章研究

实验

装置

-1水处理生产线装置实验装置

-2填料塔换热装置

实验装置

-3加热反应器开环不稳定的对象

实验

装置

-4非线性液位对象

实验

装置

机房评分：平时：20%，实验：20%，期末考试：60%学分：2

学位选修课选修课程：自动控制原理、微机原理、微机接口技术、程序设计基础课程简介：本课程介绍计算机控制系统的构成、硬件配置、控制算法、软件设计和系统设计与实现等内容。通过学习能掌握正确选择与设计测控系统的主要组件，掌握DCS控制系统及其它计算机控制系统的基本原理与软硬件设计方法。计算机控制系统课程介绍：1、教材：李元春，计算机控制系统（第二版），高等教育出版社，2009年1月。2、何克忠，计算机控制技术，清华大学出版社3、曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社4、江秀汉，计算机控制原理及应用，西安电子科技大学出版社参考资料：第一部分：计算机控制系统的概论第二部分：硬件基础（输入/输出接口与过程通道）第三部分：计算机控制系统的数学基础第四部分：计算机控制系统的间接设计方法（数字控制算法）第六部分：计算机控制系统的设计与实现内容简介：第五部分：计算机控制系统的直接设计方法（软件设计方法）何谓计算机控制？控制器检测装置

执行装置被控对象

控制部分第一章绪论1.1.1计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现控制对象（通常为生产过程）自动控制的系统。1.1计算机控制系统概述计算机控制系统是利用计算机的硬件和软件代替了自动控制系统的控制器，以自动控制技术、计算机技术、检测技术、计算机通信与网络技术为基础，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，使得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。1.1.2.

计算机控制系统的工作原理工作原理主要为：（1）实时数据采集--对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

（2）实时控制决策--对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。

（3）实时控制输出--根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。在线方式和离线方式：在线方式：离线方式：生产过程和计算机直接连接。生产过程不和计算机直接连接。实时含义:实时：信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，即计算机对输入的信息，以足够快的速度进行控制。在线不一定实时，实时一定在线。计算机D/A通道A/D通道A/D通道给定值反馈值输出控制值•A/D通道•D/A通道•计算机构成了计算机控制系统的三大基本要素。1.1.2

计算机控制系统的组成

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1.1.3

计算机控制系统的特点1）系统结构上的特点:

此外，由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的，因此，还必须加入信号变换装置（如A/D及D/A变换器）。

所以，计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统。

计算机控制系统必须包括有计算机，它是一个数字式离散处理器。2）信号形式上的特点

控制对象中各点信号一般均为连续模拟信号，由于计算机是串行工作的，必须按一定的采样间隔（称为采样周期）对连续信号进行采样，将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机。所以，它除有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式，是一种混合信号形式系统。

在连续控制系统中，控制器通常都是由不同的电路构成，并且一台控制器仅为一个控制回路服务。

在计算机控制系统中，一台计算机可同时控制多个被控量或被控对象，即可为多个控制回路服务。每个控制回路的控制方式由软件来形成。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制。3）系统工作方式上的特点4）控制品质高

由于计算机的运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力，因此，能实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及自学习等，从而可达到较高的控制质量。这些均是常规仪表组成的连续控制系统难于实现的！5）性价比高

尽管一台计算机最初投资较大，但增加一个控制回路的费用却很少。一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路。

对于连续系统，模拟硬件的成本几乎与控制规律复杂程度、控制回路多少成正比；6）适应性强，灵活性高

计算机本身是一种可编程的智能元件，易于修改系统功能和特性，构成了一种柔性（弹性）系统。

由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实现的，并且计算机具有强大的记忆和判断功能，所以，极易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能。7）缺点

随着微电子技术的发展，大规模集成电路的出现，计算机体积减小，重量轻、成本下降；随着对自动控制系统功能要求的不断提高，计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。

•由于系统中插入数字部件，信号复杂，给设计实现带来一定困难；

•初期投资大；

计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。

或者说：由于A/D、D/A通道的形式不同以及计算机在系统中的地位、作用不同，计算机控制系统的形式也是多种多样。1.2系统的典型类型•操作指导控制系统•直接数字控制系统•计算机监督控制系统•集散控制系统•现场总线控制系统•

工业过程计算机集成制造系统1．操作指导控制系统（OperationalGuideControl---OGC）图1.4操作指导系统结构图

它主要是侧重数据采集、处理，并为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据以及操作指导信息。它主要作用是：集中监视操作指导这种系统主要是完成“数据采集与处理”，不需要完成“控制”功能。所以，严格地讲：这种形式的系统不能算是“计算机控制系统”。

所以，通常这种系统也称为“数据采集系统DAS”

(DataAcquisitionSystem)

。或称为“计算机辅助测试系统CAT”(ComputerAssistantTesting)

这种系统特点是原系统不需作大的改造，只需在原系统上独立地加一套测试系统即可。因此，结构简单、实施方便、效益显著。2．直接数字控制系统（DirectDigitalControl---DDC）

计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）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（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。在该系统中计算机参与了对数据的采集、控制决策、控制输出三个基本功能，同时还负责报警、打印、显示和接收操作指令。DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。为了充分发挥计算机的利用率，一台计算机通常要控制几个或几十个回路，那就要合理地设计应用软件，使之不失时机地完成所有功能。需要注意的是：对一些关键的控制回路，往往设计为计算机控制与仪表控制相结合的形式，以提高整个系统的可靠性。3．计算机监督控制系统(SupervisoryComputerControl---SCC)

(1)SCC+模拟调节器控制系统SCC共有两种结构形式：该系统是由计算机系统对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出控制对象各参数最优给定值（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。该系统与“操作指导控制系统ODC的”区别是：后者计算机系统主要完成数据采集与处理，一般不需要对数据进行复杂的工艺分析与计算。而前者主要完成工艺分析与计算，并给出给定值。(2)SCC+DDC控制系统这实际上是一个二级控制系统，SCC可采用高档计算机，它与DDC之间通过通信接口进行通信联系。SCC计算机可完成工段、车间高一级的最优化分析和计算，并给出最优给定值，送给DDC级执行过程控制。当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算机完成DDC的控制功能，使系统可靠性得到提高。

作为SCC的计算机一般均采用高档计算机或工作站，要求数据处理功能强、存储容量大，对工业现场的抗干扰能力倒不一定很强。4.

分级计算机控制系统（集散控制系统（DistributedControlSystem---DCS））优点：功能强大、性能优越、技术成熟，软件支持广泛。缺点：系统比较复杂，成本较高。一般适合于大型测控系统。系统分为三个层次进行控制：过程控制级操作监控级信息管理级系统的设计原则：分散控制集中操作分级管理分而自治综合协调DCS集计算机技术、控制技术、通讯网络技术、生产工艺为一体，是综合技术的集成。从某种意义上说，已不是单纯的计算机控制技术，或者说是广义的计算机控制技术。DCS最明显的特征是：1）DCS计算机系统；2）网络分级结构；3）专用软件平台。5.

现场总线控制系统（FieldbusControlSystem---FCS）FCS系统实物图FCS系统出现的理由：1）虽然DCS系统功能强大，但由于分散过程级仍使用传统的模拟量（4~20mA电流或0~5V电压）传送，抗干扰能力差；2）所有的变送器均要将信号集中到控制器或控制站，当控制采样点较多时，接线工作量很大，而且不利于检修和调试；3）DCS系统采用三层结构，系统成本较高，且各厂商的DCS有各自的标准，不能互联。FCS系统的特点：1）一对通信线可连接多台仪表，安装调试方便，而且电缆本身供电；2）从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字---模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统---可靠性高；3）现场设备的高度智能化现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备和仪表中，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。FCS常用标准：1）FF——现场总线基金标准2）CAN——控制器局域网络（德国）3）LONWORKS——局部操作网络（美国）4）

PROFIBUS——过程现场总线（德国）5）

HART——可寻址远程传感器数据通路（美国)目前FCS的标准有200多种，其中在我国使用较多的有如下几种：FCS的出现对自动控制领域来说是一次巨大的变革，也对现有控制系统的结构、控制策略等方面产生深远的影响。由于各集团、国家在技术和市场利益上的冲突，目前仍存在多种标准，尚未统一，因此阻碍了现场总线技术的发展。6.

工业过程计算机集成制造系统随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化，现代化工业要求计算机系统不仅要完成直接面向过程的控制和优化任务，而且要在获取生产全部过程尽可能多的信息基础上，进行整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。

由于自动化技术、计算机技术、数据通信等技术的发展，已完全可以满足上述要求，能实现这些功能的系统称之为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem-CIMS）。当CIMS用于流程工业时，简称为流程CIMS或CIPS（ComputerIntegratedProcessingSystem）。

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

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1.4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

计算机控制系统的发展趋势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）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。嵌入式系统

嵌入式系统（EmbeddedSystem）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。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2