第1章 计算机控制绪论

第一章绪论基本概念计算机控制系统

就是利用计算机(通常称为工业控制计算机,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统，实质上是自动控制技术与计算机技术的结合。【注】工业控制的计算机其实是一个泛指，包括单片机、可编程控制器（PLC）、数字信号处理器（DSP）、工业PC机、智能调节器等。

基本概念自动控制

是指在没有人的直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动按照预定的规律运行。

【例如】飞机、船舶的自动驾驶；导弹发射和制导；锅炉的温度压力控制系统。自动控制系统原理框图【注】常规的（传统的）自控系统，其输入、输出、控制都是由模拟电路来实现。

给定值

被控量

控制器

执行机构

被控对象

测量元件

变换发送

＋/－自动控制理论自动控制理论，就是自动控制共同规律的总结。它经历了三个发展阶段：经典控制理论：分析方法以传递函数为基础，主要研究对象是单输入、单输出、常参数系统，应用领域以工业控制为主。现代控制理论：为了适应航空和航天技术的发展，采用以状态为基础的时域法，主要研究对象是高性能、高精度的多变量变参数系统。多学科相互融合的控制理论：例如以控制论、信息论、仿生学和计算机技术为基础的智能控制理论。典型的工业生产过程典型的工业生产过程可分为三种：连续过程（Continuousprocess)：也称为流程工业，其产品一般都是流体，过程的输入输出为连续量，如：气体、液体等。离散过程（Discreteprocess)：也称为制造业，其产品是“固态”、按件计量的，过程的输入输出变量为时间离散和幅度离散的量，如：产品的数量、开关的状态等。批量过程（Batchprocess）：是指间歇性多品种生产过程，其特点是连续过程和离散过程交替进行，如：配方切换和生产工艺改变是离散过程，而确定配方和工艺后的生产过程又是一个连续过程。计算机的发展历程自从1946年世界上第一台计算机问世以来，计算机的发展已经历了四代：第一代：电子管计算机——1946～1958年第二代：晶体管计算机——1958～1964年第三代：集成电路计算机——1964～1971年第四代：大规模集成电路计算机——1971～今天计算机的应用领域大致可以分为：科学计算企业管理与数据处理计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）工业控制其它为什么在自动控制中引入计算机技术？计算机具有大容量的存储能力，强大的逻辑判断功能和快速运算的本领。把计算机引入自动控制中，就能够解决常规控制解决不了的难题，能够获得常规控制达不到的优异性能。计算机控制系统与自动控制系统的关系计算机控制系统是自动控制系统的一种。常规的（传统的）自控系统，其输入、输出、控制都是由模拟电路来实现。与传统的自控系统相比，主要区别在于计算机控制系统以计算机作为控制的核心。而计算机是数字的，因此计算机控制系统的输入、输出、控制都有了根本性变化。

计算机控制系统原理图用计算机来代替原来的控制器，加上A/D、D/A变换器，就构成了计算机控制系统。

给定值

被控量

测量变送

A/D执行机构被控对象工控机＋/－D/A工业控制机生产过程【例1】计算机控制布匹印花印染的流程是“浆洗—>漂白—>蒸汽熏蒸加湿—>印染—>烘干”。最主要的是印染的花色，它是由“各种颜料比例”和“喷洒时机”来控制的。

【例2】计算机控制轧钢厚度轧钢的最基本要素是张力和厚度的控制，它们决定着轧钢质量的高低。钢板厚度越薄，要求控制精度越高。计算机控制系统的工作原理【注】被控量为模拟量计算机控制系统原理计算机控制系统的工作步骤

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：

①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控制决策：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。

③控制输出：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。计算机控制系统最基本的要求稳定：系统偏差逐渐衰减趋向于0，且具有恢复原平衡状态的性能。——首要要求准确：控制精度要能够达到指定的要求。及时：控制决策能够被迅速执行。几个重要概念开环控制和闭环控制

在线方式和离线方式

实时

开环控制和闭环控制闭环控制被控量是系统的输出，被控量又反馈到输入端，对控制量产生影响。——执行命令，报告结果（如：计算机控制轧钢）开环控制

控制器直接根据给定值，去控制被控对象工作，不需要被控量的反馈信号。——被控对象只执行命令，不报告结果（如：计算机控制印花）【注】开环控制比较简单，闭环控制性能比较好。

在线方式和离线方式在线方式（on-line）:

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。离线方式(off-line):

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做相应操作的方式，称为离线方式或脱机方式。实时(real-time)指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，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，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。【注】实时的概念不能脱离具体过程。【例】发酵过程和导弹防御系统计算机控制系统的发展概况在生产过程控制中采用数字计算机的思想出现在五十年代中期，从此计算机控制技术获得了迅速的发展。可以按以下四个阶段来描述其发展过程。

(1)开创时期(1955～1962年)(2)直接数字控制时期(1962～1967年)(3)小型计算机时期(1967～1972年)(4)微型计算机时期(1972年～至今)计算机控制系统的发展趋势控制系统的网络化控制系统的扁平化控制系统的智能化控制系统的综合化计算机控制系统的发展前景计算机控制在轧钢、冶金、航天