第1章 计算机控制系统概述

1、计算机控制系统,西安工程大学陈增禄2011-09-13,第1章计算机控制系统概述,本章主要内容1.1基本概念1.2系统组成和特点1.3发展历程及典型形式1.4发展趋势,1.1计算机控制系统的基本概念,什么是计算机控制系统？由计算机实现控制的“自动控制系统”自动控制系统在无人直接参与的情况下，通过“机器”实现某种控制规律，使得生产过程实时地按照设定的规律实现预期的性能指标工业控制系统的两个基本要求实时性、在线性二者的区别见下表本课程研究哪些问题？下表中用“黄色”标出本课程的特点强调：系统性、理论性研究：实时控制、动态性能,本课程内容,第1章计算机控制系统概述第2章计算机控制系统中的信号转换和处理

2、Shannon采样定理第3章线性离散系统的数学描述和动态分析第4章状态空间分析法第5章直接设计方法第6章模拟化设计方法第7章状态空间设计方法第8章复杂控制规律,1.2计算机控制系统的组成和特点,图1计算机控制系统基本结构,图2计算机控制系统的组成框图,1.3计算机控制系统的发展历程及典型形式,1.3.1.数据采集和处理（操作指导）系统,本节所述“典型形式”或称“分类”，实际上是计算机控制系统在其发展和完善过程的不同时期中，所具有的结构形式。,出现于开创性的早期上世纪5060年代，当时：计算机速度慢加法：0.1ms数量级，乘法：1ms数量级价格昂贵，体积大采用电子管可靠性差平均无故障时间100小

3、时数量级,图4数据采集和监控（监视、监测）系统,因此，无法满足工业控制系统的实时性和在线性计算机未参与控制，其工作限于：寻找最佳工作条件静态寻优完成调度，产生生产计划生成产量和成本报表人工操作采用模拟（气动、液压、少量电气仪表）调节,1.3.2.直接数字控制系统（DDC）,一个革命性时期上世纪6070年代随着计算机速度、价格、可靠性等性能的提高其实当时的提高速度还是很慢的一台计算机可以取代上百个模拟调节仪表，直接测量上百个变量直接数字控制DDC的优点灵活性重新编程取代了重新接线便于回路之间相互约束及连锁对于大型系统综合价格会低些DDC的缺点典型的集中控制（价格太贵）计算机的可靠性至关重要计算机

4、故障，可能直接导致一条生产线瘫痪，这很致命囿于计算能力很低，难以实现复杂控制,计算机真正参与了实时控制直接促进了以下领域的研究：离散控制系统理论控制算法智能化可靠性当然包括微电子集成电路技术，及信息技术广泛的应用需求也极大的刺激了计算机科学的研究和发展应用需求总是研究和生产的动力,图5直接数字控制系统示意框图,1.3.3监督控制系统（SCC）,并不是某一特定发展时期的产物，是一个系统构成形式操作指导与DDC相结合SCC计算机实现数据采集和处理，并产生控制指令可实现一定的智能控制模拟闭环控制，或下位计算机实现DDC闭环控制,图6监督控制系统的结构形式,1.3.4.分布式控制系统（DCS）,也称为

5、“集散控制系统”集中管理，分散控制较复杂的多点（多回路）控制系统才有“分散”一说“分布式”与“分散”基本同义分级控制系统决策级、管理级、监控级、现场级在监督控制的基础上增设管理级工业控制现场的控制输出、信号检测及变送等，使用大量的模拟量及数字量信号线；使得布线量大、结构复杂导致系统故障率高、灵活性差计算机技术的发展导致出现微控制器，价格低、体积小，为分散控制奠定了物质基础一台管理（监督）计算机+若干台控制计算机控制分散，使得系统性能提高；故障率下降；灵活性更大,图7DCS结构示意图,PLC上世纪70年代由数字逻辑控制器取代用于逻辑和顺序控制的继电器系统广泛应用于分布式控制系统中单板机上世纪70

6、80年代一块印刷版上的最小计算机系统单片机上世纪8090年代一个芯片上的最小计算机系统Arm（AdvancedRISCMachines）上世纪90年代以来精简指令集微处理器嵌入式计算机内置于某一具有特定控制或信息处理功能的设备之中的微处理器所有上述技术伴随着小型化和大幅降价大大促进并奠定了计算机分布式和现场总线控制系统发展的基础计算机进入了底层控制和检测的终端促进了底层终端的智能化也是现场总线（底层数字通信网络）发展的基础,1.3.5.现场总线控制系统,现场总线底层（工业现场）数据通信网络近十多年的最新技术成果在DCS的现场级采用现场总线取代分立的控制和检测信号线更加简洁、可靠、灵活现场总线技术蓬勃发展统一国际总线标准真正的开放式互联系统，积木式结构,图8FCS控制系统,研究动态模型复杂的计算机实时控制系统需要详尽的系统（动态）模型催生了系统辨识有现场数据计算对象的动态模型检测技术计算机实时控制需要准确的过程参数催生了数据