计算机控制技术概述

第1章概述—计算机控制技术一

课程名称：

计笄机按刷枝木

TheTheoryandTechnologyofComputerControl

授课教师：机电辔彷恻校泉

1支芯

1

第1章概述一计算机控制技术一

第一章结论

Introduction

王爽心：shxwangl@b

SchoolofMechanic叫ElectronicandControl

Engineering,BJTU

2

第1章概述一计算机控制技术一

本章主要内容

I计算机控制系统概述

I信号的采样与恢复

I计算机控制系统的设计与实现

I计算机控制系统的发展概况与趋势

3

第1章概述一计算机控制技术一

第一节Unit1

计算机力空制系统概述

IntroductionofComputer

ControlSystem

4

第1章概述一计算机控制技术一

本节主要内容

I计算机控制系统的一般概念

I计算机控制系统的组成

I计算机控制系统的分类

I计算机控制系统的特点

I计算机控制系统的经济效益

第1章概述一计算机控制技术一

直观的计算机控制系统图片

6

第1章概述一计算机控制技术一

ControllingtheWorld's

MostPowerfulLaser

7

第1章概述一计算机控制技术一

Figure3.(a)ArtistsrenderingoftheNational

IgnitionFacilit/$controlroomjhenervecenter

oftheworld'slargestlaser.Here,theShotDirector—

boththepersonandthesupervisorysubsystem­

willintegrateeachlasershot.(b)NIFcontrolsystem

developers(clockwisefromleft)JohnWoodruff,

PaulVanArsdall,FredHolloway,andAllynSaroyan

exploreaprototypeofacontrolconsole.

8

第1章概述一计算机控制技术一

processorsHigh-current

powersupply

Figure2.(a)ElectronicsengineerBobBoydWater-cooledracks

inspectsapairoffront-endprocessors(FEPs)

inawater-cooledrack.(b)Morethan300FEPs

makeuptheFERlayeroftheNIFcontrolsystenoflaser

componentsandprecisioninstrumentsgoverningapplicationssuchasalignment,

9

第1章概述一计算机控制技术一

Eigitsi4J9vi3cryconsdss

EdgeEdgeAutomatic24camera

133dge

EthernetEthernetalicnmentvideo

swrches

wrchswrchserversdi贝zers

2,150locps500charge-coiplsd

devicecameras

Frent-end3LijFrent-end-------ATMOC-355Mb's(fiber)

processorsFEP3prccessor$-------Ethernet130Mb/s

--------Ethernet1Dand100Mbs

Figure4.ThecontrolsysterrfsnetworkemploysbothEthernetand

AsynchronousTransferMode(ATM)technologiestoprovideflexibility

andhigh-speeddatatransfer.

10

第1章概述一计算机控制技术一

1-1计算机控制系统的一般概念(1)5

I常规控制系统的工作原理

设定值r被调参数y

----------模拟调节器-执行机构一被控对象―~~

*”-----------

---------------测量变送器"

图〃单回路常规控制系统示意图

按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。

it

第1章概述一计算机控制技术一

V1-1计算机控制系统的一般概念(2)

I计算机控制系统的工作原理

第1章概述一计算机控制技术一

1-1-1计算机控制系统的一般概念(3)

I计算机控制系统的工作方式

-在线形式与离线形式

-实时性

计算机在控制系统中的主要作用

-进行实时数据处理

-对生产过程实施实时控制

-对生产过程进行监督与管理

13

第1章概述一计算机控制技术一

1-2计算机控制系统的组成A-Analogue+土

D-digital

P硬件部分产生脉冲序列

7)

连续信号台离散信号离散信号&连续信号

14

第1章概述一计算机控制技术一

P软件部分（在计算机上实现控制规律）

0主程序：系统初始化设置；

0控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量

的输出和存储。

15

第1章概述一计算机控制技术一

（开始1

控

制

子

程

序

计算机控制系统软件流程

16

第1章概述一计算机控制技术一

1・1-3计算机控制系统的分类(1)

研算机操作指导控制系统

工

业

微

型

机

第1章概述一计算机控制技术一

1-1・3计算机控制系统的分类(2)

研算机直接数字控制(DDC)系统

管理命令报告

A

18

第1章概述一计算机控制技术一

控制站

I/O模块I/O模块I/O模块

I/O信号I/O信号I/O信号

直接数字控制系统

第1章概述一计算机控制技术一

第1章概述一计算机控制技术一

监督控制系统的两种结构形式

管理命令报告

(a)SCC+模拟调节器系统

第1章概述一计算机控制技术一

22

第1章概述一计算机控制技术一

工程师站

分布式控制系统组成框图

23

第1章概述一计算机控制技术一

1-1-3计算机控制系统的分类（5）

领场总线控制系统

工作站一现场智能仪表■变送器智能部件

第1章概述一计算机控制技术一

1-1-3计算机控制系统的分类（6）

领场总线控制系统

工作站一现场智能仪表■智能电磁流量计

25

第1章概述一计算机控制技术一

企业管理层

（数据网络）

过程监控层

（数据网络）n

监控工作站其它工作站

现场线接口

a现场总线网段

现场控制层

（控制网络）

调节阀差压变送器差压变送器差压变送器温度变送器

现场总线系统是企业的底层网络

26

第1章概述一计算机控制技术一

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。

■■企业级

U装置控制级（DDC级）经营管理计算机

至其它工厂至其它工厂

■■<---□----Anz—>

U车间监督级（SCC级）

■■工厂级

U工厂集中控制级（MIS）集中控制计算机

7\1\

■■

U企业管理级（SIS）\/y

车间级监控计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC）

\/VV

装置控制级（DDC）-装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）-装置控制级（DDC）

\/\1\!\/\/\/7

工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D

27

第1章概述一计算机控制技术一

28

第1章概述一计算机控制技术一

1・3计算机控制系统的分类(7)

wi十算机集成控制系统(CIMS/CIPS)

第1章概述一计算机控制技术一

1-1・3计算机控制系统的分类（8）

I根据计算机的硬件不同分类

-基于单片机的简单系统

-基于IPC

-基于PLC

-基于各种类型DCS

-基于现场总线仪表的FCS

30

第1章概述一计算机控制技术一

1-1・3计算机控制系统的分类（9）

I按照控制规律分类

-程序和顺序控制

-PID控制

-最少拍控制

-复杂规律的控制

-智能控制

第1章概述一计算机控制技术一

V1・4特点

I计算机控制系统的主要优点

Z能实现复杂的控制规律

Z性价比高

Z组成方式灵活性

Z获取更大的经济效益

Z有很强的可靠性和可维护性

Z为实现企业综合自动化打下了良好的基础

32

第1章概述一计算机控制技术一

1-1-5经济效益(1)

可计算效益部分

-增加产量或可处理量

-改善产品的质量

-降低能源消耗与原料消耗，减少成本

-提高设备的利用率，维修要求降低

-节省劳动力

I投资的回收周期：1~2年或几个月

33

第1章概述一计算机控制技术一

1-1-5经济效益(2)

I不可计算效益部分

-企业的知名度和操作人员的整体素质得到提高

-操作人员的安全得到更有效的保障

-生产和管理的有关信息能及时获得并加以利用

-对工况改变的适应性增强

-能及时地预报与较好地处理过程与设备的事故

-减少对环境产生的污染

34

第1章概述一计算机控制技术一

第二节Unit2

信号的采样与恢复

SamplingandResumingof

Signal

35

北京交通大学测控系

第1章概述一计算机控制技术一

本节主要内容

I信号的采样过程

I采样定理

1信号的恢复过程和零阶保扑器

36

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-1信号的采祥过程（1）

典型的计算机控制系统的结构:

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-1信号的采祥过程（2）

简化结构框图:

数字保

控制器持

（计算机）器

38

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-1信号的采祥过程（3）

I计算机控制系统的采样过程

-连续信号/⑺通过采样开关后，转变为脉冲序列M，）的过程。

采样开关

加户⑶

加

T

原始过程信号信号通过采样器采样后的信号

过程连续信号采样过程示意图

39

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-1信号的采祥过程（4）

时域描述：

采样周期T（单位s）

闭合时间t（s）

采样角频率3s（"Z/s）

采样频率人（履）

c8（0=00,当，二0时

罩想单位\3⑺=0,当号0时

脉冲函数|「飞⑺由=1

IJ—OO

40

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-1信号的采样过程(5)

设5(t-kT)是上化T时刻的理想采样脉冲，贝|

OO

r«)=/«)£3(iT)

k二a

因为八。只与/(，)在脉冲出现瞬间的值/(4)有关，故

采样信号可用下式表示：

OO

r⑺=£/(⑺3(t-kT)=/⑺8(0

采样周期T的选择相当重要。I载J

_____________________手

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-1信号的采祥过程（7）

I计算机控制系统的采样的合理性

-采样器闭合时间T远小于采样周期T

-理想采样器（接通电阻RfO,开路电阻R-»口）

-采样信即⑷复现原信号在采样瞬间的值y«）

—A/D转换后，产⑴k=l,2,……

-采样周期7须满足香农定理

当满足上述条件时，/«）与/依为只相差量化误差。

42

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-2来样定理(1)

离散信号的频谱图

co

43

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-2来样定理(2)

I香农(Shannon)采样定理:

一个连续时间信号/⑺，设其频带宽度是有限

的,其最高频率为3max(或/_)。如果在等间隔点上

对该信号/⑺进行连续采样，为了使采样后的离散信号

广⑺能包含原信号/⑺的全部信息量，则采样角频率

只有满足下面的关系：

①s—23max

采样后的离散信号/*⑺才能够无失真地复现了⑺。

其中:

2兀

3s=M=-

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-2来样定理(3)

I采样周期T的选择方法：

被控物理量采样周期T备注

流量l~5(s)优先选用2s

压力3—10(s)优先选用8s

液面6〜8(s)优先选用7s

温度15—20(s)优先选用纯滞后时间

成份15—20(s)优先选用18s

位置10〜50(ms)优先选用陟尊

45

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-3信号的恢复过程和零阶保持器(1)

I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，由现在或过去时刻的采

样值，用某种函数去逼近2个采样时刻间的原

信号。

-常用的保持器：零阶、一阶及高阶。

(常数、线性函数、抛物线

46

第1章概述—计算机控制技术一

1-2-3信号的恢复过程和零阶保持器(2)

I零阶保持器恢复信号的示意图

(Zero-orderhold)零阶保持器算式：

yh(kT+t)=y(kT)

v采样信号y优为00V7；4=0,土1,

±2,...

由于它只是简单地

外推，故只有当丁足

恢复信号％«)够小时，零阶保持

器才能较好地恢

原信号。

2T4T6T

47

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-3信号的恢复过程和零阶保持器（3）

零阶保持器的功能-信号的恢复

m九⑴

第1章概述一计算机控制技术一

1-2-3信号的恢复过程和零阶保持器(4)

1,k=0

输入：3*。)={

0,上w0

<

0求得脉冲响应为：

皿%Q)=1。)一IQ—T)

取拉氏变换，得零阶保持器的传递

函数：

1—0

0TtH(s)=——

零阶保持器的脉冲响应s

第1章概述一计算机控制技术一

第三节Unit3

计算机控制系统的设计与实现

Designandmplementation

ofComputerControlSystem

50

第1章概述一计算机控制技术一

本节主要内容

I设计计算机控制系统的一般步骤

I计算机控制系统的分析和设计方法

51

第1章概述一计算机控制技术一

1-3-1计算机控制系统的设计与实现一

1设计计算机控制系统的一般步骤

-总体设计

-建立数学模型

-控制系统综合

-计算机硬件与控制系统工程化设计

-计算机软件设计

-系统仿真、调试与完善

-建立整个系统的技术文档

52

第1章概述一计算机控制技术一

1-3-2计算机控制系统的设计与实现

I计算机控制系统分析和设计的方法

-基于连续系统进行分析与设计

Y

•按连续控制器设计T离散化T性能指标？T

TJN

~基于离散系统进行分析与设计Y

•连续数学模型离散化T设计离散的控制器T性能?T

tJN

53

第1章概述一计算机控制技术一

第四节Unit4

计算机控制系统的发展与趋势

DevelopmentandTendency

ofComputerControlSystem

54

第1章概述一计算机控制技术一

1-4-1计算机控制系统的发展与趋势今

50年代的起步期

60年代的试睑期

70年代以来的推广期

80年代的成熟期

90年代的进一步发展期

55

第1章概述一计算机控制技术一

1-4-4计算机控制系统的发展与趋势

1.推广应用成熟的先进技术

(1)普及应用可编程程序控制器(PLC)

PLC与传统的继电器控制相比，具有如下一些特点:

(a)抗干扰能力强(b)适应性好

(c)编程直观、简单(d)功能完善，接口功能强

第1章概述一计算机控制技术一

1-4-5计算机控制系统的发展与趋势

(2)广泛使用智能调节器

(3)采用新型的DCS和FCS

57

第1章概述一计算机控制技术一

1-4-6计算机控制系统的发展与趋势

今款控制系疫DCS—DistributedControlSystem

四实N注标收集**前

$运。小也打朱薇

<

«