第1章计算机控制系统概述

计算机控制原理与技术宋书瀛计算机学院songshuying@办公室：信息楼西303电话：67392370-6021参考教材《计算机控制技术》蒋心怡等清华大学出版社

2007年《计算机控制原理与应用》陈炳和北航出版社2008年《微型计算机控制技术》(第2版)潘新民电子工业出版社2011年《微型计算机控制技术》（第3版）谢剑英等

国防工业出版社

2001年《微机工业控制》陈汝全西安电子科技大学2000年2课程的意义计算机控制是自动控制理论和计算机技术相结合的产物,计算机控制系统就是利用计算机实现自动控制的系统本门课程主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统目的在于使学生掌握控制系统的分析、设计方法；常用控制算法；计算机控制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术3教学内容计算机控制系统概述自动控制系统的基本理论知识MCS-51单片机过程通道和数据采集系统数字程序控制技术数字PID控制算法4第一章

计算机控制系统概述5内容简介1.1计算机控制系统的概念1.2计算机控制系统的组成1.3计算机控制系统的典型形式1.4计算机控制系统的典型控制方式1.5计算机控制系统的发展趋势61.1计算机控制系统的概念自动控制是指在没有人直接干预的情况下，通过控制装置使机械、设备或生产过程（被控对象）的某个或某些物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行能够实现这种自动控制的装置称为控制器71.1计算机控制系统的概念自动控制系统由控制器、执行机构、被控对象等部件为了一定的目的有机的联结成的一个进行自动控制的总体，称为自动控制系统自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成闭环控制系统与开环控制系统两种结构形式8闭环控制系统

系统的被控量经反馈装置反馈给控制器，并根据给定量与反馈量之间的偏差，产生控制作用，并力图减小偏差，使被控量趋于给定量的系统 输入量和反馈量之差称为偏差信号 闭环控制系统是按偏差进行控制的控制系统，它是自动控制系统的基本形式，是大多数控制系统具备的结构1.1计算机控制系统的概念给定量被控对象被控量反馈装置+-偏差反馈值执行机构控制器（输入量）（输出量）9开环控制系统

系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统，这类系统称为开环控制系统，或前馈控制系统1.1计算机控制系统的概念控制器被控对象给定量被控量执行机构101.1计算机控制系统的概念计算机控制系统将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。下图是一个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。被控对象给定值检测装置执行机构控制器A/DD/A计算机被控量111.1计算机控制系统的概念计算机控制系统的特点控制规律灵活多样，改动方便控制精度高，抑制扰动能力强能够实现数据统计和工况显示，控制效率高控制与管理一体化，进一步提高自动化程度121.1计算机控制系统的概念计算机控制系统的控制过程实时数据采集实时计算实时控制4、信息管理控制周期：完成实时数据采集、实时计算，实时控制所用的时间。131.1计算机控制系统的概念几个常用术语实时（Realtime）：计算机输入、计算和输出都在规定时间内完成在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开

在线与实时的关系

—一个实时系统必定是在线系统

—一个在线系统不一定是实时系统141.2计算机控制系统的组成计算机控制系统硬件：计算机本身及其外围设备软件：管理计算机的程序及过程控制应用的程序网络结构：计算机之间信息交互的渠道15计算机控制系统硬件组成框图1.2计算机控制系统的组成打印机显示终端磁盘驱动器微型计算机实时时钟操作台接口接口接口接口D／AA／D多路开关反多路开关开关量输入开关量输出执行机构生产对象通用外部设备主机及操作台外部通道接口检测及变送控制对象传感器变送器161.2计算机控制系统的组成硬件组成

◆

主机：CPU、RAM/ROM

◆通用外部设备：打印机、显示终端、磁盘驱动器等

◆接口与输入输出通道：AI、AO、DI、DO

◆检测元件及仪表：将被测（被控）参数由非电量变为电量，并将这些电量变为A/D转换器所能转换的统一电压。

◆执行机构：电动、气动、及液动等控制形式

◆

运行操作台：显示屏、功能键、数字键17系统软件：提供计算机运行和管理的基本环境1.操作系统：管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；2.诊断系统：调试程序及故障诊断程序；3.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等；4.信息处理：文字翻译、企业管理等。1.2计算机控制系统的组成软件组成：系统软件和应用软件18应用软件：面向用户本身的程序1.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等2.过程控制计算程序：指控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序3.公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序1.2计算机控制系统的组成19网络结构对等式网络结构（Peer-to-Peer,P2P）客户机/服务器结构（Client/Server,C/S）1.2计算机控制系统的组成20控制用计算机的特点环境适应性好、可靠性高实时性好有完善的I/O通道（设备）较强的中断处理能力对字长、速度、和内存容量要求不高有完善的软件系统控制规律灵活多样，改动方便1.2计算机控制系统的组成211.3计算机控制系统的典型形式操作指导控制系统计算机工业对象器换转D/A采样器测量元件显示终端打印机控制仪表221.3计算机控制系统的典型形式特点计算机不直接参与过程控制，对生产过程不直接产生影响。一台计算机可以代替大量的显示和记录仪表，从而对整个生产过程进行集中监视。对大量数据综合处理分析，有利于指导生产过程。可用此系统摸清系统的数学模型，控制规律，为构成计算机闭环控制奠定基础。23直接数字控制系统（DirectDigitalControl,DDC）1.3计算机控制系统的典型形式计算机生产过程显示打印机报警操作台）ID，D/A（入输程过）OD，A/D（出输程过241.3计算机控制系统的典型形式特点实现复杂的控制，改善控制质量一台计算机可以取代多个模拟调节器，控制多个回路。灵活性大，控制算法由程序实现，只要改变程序就可以实现各种控制算法。

25监督控制系统（SupervisoryComputerControl,SCC）

—给定值控制

—两种不同的结构：

•SCC＋模拟调节器

•SCC＋DDC1.3计算机控制系统的典型形式261.3计算机控制系统的典型形式工艺数据显示打印报警机算计CCS测量控制模拟调节器生产过程(a)统系器节调拟模+CCS给定值工艺数据显示打印报警机算计CCS测量控制CDD生产过程用计算机给定值统系制控CDD+CCS

(b)27计算机监督控制系统有哪几种形式，其主要差别？计算机监督控制系统即SCC系统有两种结构形式，即：SCC+DDC;SCC+模拟调节器这样两种结构形式。SCC+DDC：一机控制多路（多个被控参数）灵活的修改控制算法SCC+模拟调节器：一个模拟调节器只能控制一个被控参数，多路则要多个模拟调节器当修改算法就要改动模拟调节器的硬件模拟调节器无法实现计算机实现的复杂算法281.3计算机控制系统的典型形式特点可根据工况变化，及时改变给定值，实现给定值的最优控制。可靠性好，SCC级有故障时，DDC或模拟调节器可以独立完成操作。DDC级有故障可由SCC级代替。适用于企业技术的升级，即用上了原来的模拟调节器，又用了计算机实现了给定值的控制。仍有DDC系统的优点。29分布式控制系统（DistributedControlSystem,DCS）又称为：集散控制系统1.3计算机控制系统的典型形式30特点可靠性高速度快，控制更加灵活方便结构灵活，易于扩展设计、开发、维护简便31现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）1.3计算机控制系统的典型形式321.4计算机控制系统的典型控制方式顺序控制和数值控制

◆

开环控制方式

◆顺序控制 按一定的时间顺序或逻辑顺序工作

—定时控制

—逻辑控制

◆数值控制（数字程序控制） 按给定的数据以一定的程序进行控制33数字PID控制（Proportional-Integral-Differential）◆按偏差的比例、积分和微分进行控制

◆算法比较简单，在连续系统中技术最成熟，应用最广泛数字控制器的直接设计算法

—以Z变换为基础的采样控制系统模型预测控制

—基于系统输入输出描述的控制算法

1.4计算机控制系统的典型控制方式341.5计算机控制系统的发展趋势可编程逻辑控制器（PLC）体积小，可靠性高，并具有很强的逻辑控制及数值计算能力抗干扰能力强，一旦出现故障，具有停电保护、自诊断功能，不要求一般计算机所具备的环境条件具有独立的编程器、编程方法简单、易于掌握具有多种PID算法可供选择功能模块化易于组合和扩充351.5计算机控制系统的发展趋势新型的DCS和FCS发展以现场总线技术等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS控制结构并采用先进的控制策略使计算机控制系统向低成本综合自动化系统的方向发展特别是现场总线系统越来越受到人们的青睐，将成为今后微型计算机控制系统发展的方向。36最优控制

—指在生产过程客观允许的范围内，力求获得生产过程最好的产品质量和最高产量而能耗又最低的一种控制方法。换句话说，最优控制就是使生产过程获得最好的经济效益的控制。自适应控制

—设计的控制器，可以使系统在统计变化的情况下，仍能使其性能指标达到最优—一个理想的自适应控制系统应具有适应环境变化和系统要求