计算机控制系统的原理.ppt

1、东南大学电气工程系,计算机控制技术,主讲教师： 尤鋆,办公室：动力楼305,Email：,教材 于海生，计算机控制技术 ，机械工业出版社 ，ISBN 978-7-111-21294-2 ，2007 于海生，微型计算机控制技术 ，清华大学出版社 ，ISBN 7302033595 ，1999 参考教材 赖寿宏，微型计算机控制技术 ，机械工业出版社 , 7111048911，2005年7月 潘新民 王燕，微型计算机控制技术 ，电子工业出版社 ，7505383183，2003年1月 曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社 ，711108648，2004年7月,1、本课程的地位 计算机控制技术是电

2、气工程系的一门专业课程，是突出计算机应用的一门课程。,前 言, 计算机控制技术主要研究任何将计算机技术、自动控制理论、电子技术应用于工业生产过程。, 本课程以IBM PC系列微型计算机为控制主机。同时介绍单片机及数字信号处理器。, 本课程作为 “数字电路微型机原理及接口技术计算机控制技术”系列课程的一个应用环节。, 它的先修课程是数字电路、汇编语言、计算机组成原理、微型机原理及接口技术、自动控制理论、单片机原理等。,2、本课程知识范围及与相关课程的关系, 微机控制系统概述系统组成、结构类型、特点和发展趋势 。, 数字程序控制系统逐点比较法插补原理，步进电机控制技术，伺服控制系统。,3、本课程主

3、要内容,控制系统硬件设计常用总线及接口，数字量、模拟量输入输出接口及通道，抗干扰技术。, 现代控制技术状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法等。, 计算机控制系统的实现系统的硬件软件设计、抗干扰和工程实例。,PID控制系统介绍比例、积分、微分三大基本的控制规律及算法。 常规及复杂控制技术离散化设计、复杂控制, 先进控制技术模糊控制、神经元、专家系统。, 现场总线及网络技术测控网络、现场总线控制系统。,第1 章 绪 论 1.1 自动控制系统概述, 自动控制技术的发展, 经典控制理论阶段：20世纪4050年代，采用传递函数进行数学描述、以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法。, 将复杂的

4、生产过程人为地分解为若干个简单过程。, 如单输入单输出的控制系统，其控制目标为保持生产的平稳和安全。,图1-1 蒸汽加热器带控制点的工艺流程图,热流体,冷流体,冷凝水,蒸汽, 现代控制理论阶段：20世纪50年代末60年代，为适应航天航空技术的发展需要，以状态空间分析方法为基础。包括：, 以最小二乘法为基础的系统辨识。, 以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制。, 以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。, 以实现从外部现象深入到揭示系统内在规律，从局部简单控制到全局最优控制，从单、闭环系统扩展到自适应环、自学习环。, 计算机技术用于自动控制理论领域：20世纪70年，采用工业控制机，使用冗余技术、

5、软硬件自诊断，多参数多回路控制，提高稳定性和可靠性。, 大系统理论和智能控制理论的形成，考虑多因素应用系统，建立数学模型，以满足闭环最优控制控制的需要。, 计算机过程控制系统的任务和要求, 计算机过程控制的六大参数： 温度 压力 流量 液位（或物位） 成分 物性参数, 三项要求：安全性、经济性、稳定性。, 自动控制系统的类型, 自动控制系统的的几个术语：, 被控对象和过程：需要实现控制的设备，机器和生产过程，如蒸汽加热器。, 被控变量：被控对象内要求与给定数值保持一致（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，如蒸汽加热器热流体出口温度。, 操纵变量：受到控制装置（如调节器）操纵，用以使被控变量保

6、持在给定值的物料量或能量，如加热蒸汽。, 扰动（干扰）：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素，如蒸汽加热器出口热流体温度受冷流体流量的变化的影响。, 给定值：被控变量的预定值。, 偏差：在理论上应该是被控变量的给定值与实际值之差，通常把给定值与测量值之差作为偏差, 偏差产生的原因, 扰动的出现，此时操纵变量必须随着作相应变化，如冷流体的流量增加，应加大蒸汽流量。, 给定值的变化，此时操纵变量也必须随着作相应变化，如要求提高蒸汽加热器的出口温度。, 累计误差的存在，很难长期保持平稳，如蒸汽加热器的进出口流量的累计误差。,设定值,控制装置,控制装置,蒸汽,蒸汽,图1-2 开环控制系

7、统的基本结构,（a）按设定值热控制的开环系统,（b）按扰动热控制的开环系统, 开环控制系统和闭环控制系统, 闭环（反馈）控制系统,蒸汽,图1-3 闭环控制系统的基本结构, 闭环控制系统类型,1）定值控制系统：给定值恒定不变，任务是克服扰动对被控对象的影响。,2）随动控制系统：给定值是事先未知的时间函数，任务是使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪给定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。,3）程序（顺序）控制系统：给定值是已知的时间函数，如玻璃熔化炉的升温控制系统。, 闭环控制系统的组成,1.2 计算机控制系统概述,1.2.1 计算机控制系统及其组成, 计算机控制系统的工作原理,图1-5, 实时

8、数据采集，对被控变量的瞬时值进行检测和输入。, 实时控制决策，对采集被控变量进行分析处理。, 实时控制输出，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, 实时的含义, 计算机控制系统的工作步骤,图1-6, 计算机控制系统的组成,图1-7,1.2.2 计算机控制系统的典型形式, 操作指导控制系统,图1-8, 直接数字控制系统（DDC）, 按一定的控制规律进行计算，最后发出控制消息，通过输出通道控制生产过程的闭环系统。,图1-9,按数学模型确定设定值, 分散型控制系统（DCS),图1-10,1.3 工业控制机的组成结构及特点,1.3.1 工业控制机的组成, 硬件构成,图1-11,

9、1）监控定时器(Watchdog) 2）电源掉电检测 3）后备存储器 4）实时日历时钟, 软件构成, 系统软件, 实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序；如Intel：iRMX86，Ready System：嵌入式VRTX/OS。,1.3.1 工业控制机 的总线结构, 内部总线, PC总线,图1-12 PC总线, STD总线（56根并行总线）, 采用周期窃取和总线复用技术，定义了16根数据线，24跟地址线，实现8/16位机兼容。, RS-232C串行通信总线, 外部总线,图1-13, RS-232C信号状态, IEEE-488并行行通信总线, 16根信号线，8根地线。 总线互连设备不超过1

10、5台。 总线电缆长度不超过20米。 速率一般为500kbps，最高为1Mbps。 消息为负逻辑（=2.0V为“0” ）。 按位并行、字节串行、三线握手、双向异步传送。, 可互连三种设备，讲者、听者和控者,图1-14,1.4 计算机控制系统的发展, 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，伴随它们的发展而发展。, 开创时期（19551962年），从事操作指导和设定值控制。, 四个发展时期, 直接数字控制时期（19621967年），用计算机控制完全取代了模拟控制，使用灵活。, 小型计算机时期（19671972年），过程控制计算机迅速发展。, 微型计算机时期（1972年 ），出现分级递

11、阶控制系统、分散型控制系统、专用控制器，采用高级语言进行实时控制。, 计算机控制理论的发展过程, 采样定理（乃奎斯特、香农定理） f采=2 f最高, 差分方程：用一个线性时不变的差分方程来代替微分方程。, Z变换法：霍尔维兹1947年对序f(kT)引进一个变换，定义为：, 状态空间理论：是设计和分析多输入多输出系统的有力工具。卡尔曼在此领域作出很大贡献。, 最优控制与随机控制：控制系统设计的最优化问题，随机控制理论的发展。, 系统辨识与自适应控制。,1.4.2 计算机控制系统发展趋势, 推广应用成熟的先进技术, 普及应用可编程控制器（PLC） 使用具有智能I/O模块的PLC，将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制。, 广泛使用智能调节器 它可接受(020)mA的信号电流，而且具有RS-232或RS-422/485异步串行通信接口，实现与上位机通信。, 采用新型的DCS和FCS 采用先进的控制策略，设计低成本综合自动化系统，实现CIMS。, 发展智能控制系统, 分级递阶智能控制系统 总结人工智能与自适应、自学习和自组织控制基础上，形成由组织级、协调级和执行级三级递阶控制系统