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1、第一章 计算机控制系统概述,1.1 计算机控制系统的组成1.2 计算机控制系统的分类1.3 计算机控制系统的控制核心1.4 计算机控制系统的发展概况及趋势,1.1 计算机控制系统的组成,1.1.1 控制系统概念,闭环控制系统框图,有哪些重要的概念?,反馈,传递函数,系统响应,拉氏变化,动态性能,稳定性,1.1 计算机控制系统的组成,闭环控制系统框图,计算机控制系统：,计算机控制系统框图,计算机控制系统原理图,a.实时数据采集-对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；b.实时数据处理-对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；c.实时输出控制-根据控制决策
2、，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务。,1.1 计算机控制系统的组成,1.1.2 计算机控制系统的硬件组成,通用外部设备,人机联系设备,接口电路,过程通道,信息变换和传递的作用,主机,硬件仅为计算机控制系统的躯体，必须有软件软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的。软件通常分为系统软件和应用软件两大类；,1.1 计算机控制系统的组成,1.1.2 计算机控制系统的软件,厂家提供，用以管理计算机本身的程序。,由用户根据控制系统的需要设计,汇编软件、C语言、组态软件,1.2.1 操作指导控制系统(OGC)1.2.2 直接
3、数字控制系统（DDC）1.2.3 监督计算机控制系统（SCC）1.2.4 集散控制系统（DCS）1.2.5 现场总线控制系统（FCS）1.2.6 计算机集成制造系统（CIMS）,1.2 计算机控制系统的分类,按功能和特点分类,操作指导控制系统(Operation Guide Control)：-基于数据采集系统的一种开环结构。,1.2.1 操作指导控制系统(OGC),操作指导控制系统(Operation Guide Control)：,1.2.1 操作指导控制系统(OGC),1操作过程：（1）计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，而后输出（显示或打印）（提供准确的参照数据）。（2）现场人员
4、参照显示的数据，根据经验对系统进行调节2应用场合：尚未摸清控制规律的系统（计算机系统的初级阶段）。用来摸索新系统的数学模型和控制规律。3特点：简单、可靠、人工操作、慢、不能同时控制几个回路。,直接数字控制系统（Direct Digital Control）：是用一台计算机完成对多个被控参数的数据采集，且按一定的控制规律进行实时决策，并通过输出通道发出控制信号以实现对生产过程的闭环控制。,1.2.2 直接数字控制系统（DDC）,1.2.3 直接数字控制系统（DDC）,作法：计算机对多个参数进行巡回检测；将检测值与给定值加以比较；根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。特点：一台计算机可同时控制
5、多回路；可靠。控制灵活：每个参数的控制可各异；各参数在不同情况下可采用不同的控制规律或方法（串级、前馈、模糊、自适应控制等）；应用广泛。,微机控制技术,使检测值给定值,1.2.3 监督计算机控制系统（SCC）,监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control）：是OGC系统与常规仪表系统或与DDC系统综合而成的两级系统。,SCC+模拟调节器,SCC+DCC控制系统,1.2.3 计算机监督系统（SCC）,作法：（1）系统中，给定值不是人为预先给定，而是由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值。（2）送给模拟调节器 或 DDC，对生产过程进行控制。特点：更接
6、近于生产的实际情况，增加了“冗余量”，更可靠。,1.2.4 集散控制系统（DCS）,集散控制系统（Distributed Control System）：是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。又称分散控制系统。,管理级,操作级,过程级,1.2.4 集散控制系统（DCS）,作法：（1）过程级：直接控制生产过程。（2）操作级：用于监控过程级各站点的所有信息，实现信息的集中显示和对生产过程的集中控制操作，实现各控制回路就的组态、参数的设定和修改以及优化控制等。（3）管理级：工厂管理信息系统，向决策者提供各种信息。特点：功能强大、性能优越、技术成熟、
7、软件支持广泛。传送信号精度低、抗干扰能力差，系统复杂，维护管理麻烦,1.2.5 现场总线控制系统（FCS）,现场总线控制系统（Fieldbus Control System）：是现场总线为基础，将现场控制装置和现场智能仪表互联的实时网络控制系统。,第六章详细介绍,现场总线（Fieldbus）：是连接现场智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,特点：全数字化、全分散、双向串行传输、多分支结构、多点通信、可互操作的和全开放式的新型控制系统。,1.2.7 计算机集成制造系统（CIMS）,CIMS 递阶层次结构图,计算机集成制造系统（Computer Integrated Ma
8、nufacturing System）是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术和系统工程技术等新技术发展的结果，它将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，求得生产活动的最优化。,1.3 计算机控制系统的控制核心,1.3.1 单片机1.3.2 DSP1.3.3 ARM1.3.4 工控机1.3.5 可编程控制器,1.3.1 单片微型计算机（单片机）,将CPU、存储器、时钟及接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上。,集成度高，功能强 结构合理抗干扰能力强指令丰富省电成本低速度有限,1.3.2
9、 DSP,专门用于数字信号处理的微处理器。,哈佛结构采用流水作业，独立的乘法器和累加器较高的时钟速度和极快的运算能力接口丰富,代表：TI公司的TMS320C2000/C5000/C6000,常与FPGA或CPLD配合使用：,用FPGA硬件实现大量的低层信号预处理算法所处理的数据，同时兼顾速度和灵活性。高层处理算法采用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP 芯片来实现,1.3.3 ARM（Advanced RISC Machines）,是一种微处理器。,体积小、低功耗、低成本、高性能。大量使用寄存器，指令速度高。大多数数据操作都在寄存器中完成。,1.3.4 工控机,工控机：是一种面向工业
10、控制、采用标准总线技术和开放体系结构的计算机。,（1）用通用底板总线插座代替个人计算机中的大母板；（2）将母板分为 PC 插件（若干），如 CPU板，存储板 等；（3）把原 PC 电源改为工业电源；（4）采用密封机箱，内部压送风；（5）配相应的工业软件。（6）既利用了PC 机丰富的资源，又在结构上实现了块化。,1.3.4 工控机,工控机与一般PC机比较,1.3.5 可编程逻辑控制器（PLC）,可编程控制逻辑器(Programmable Logical Controller)，简称 PLC。是继电器逻辑控制系统 与 微型计算机技术相结合的产物。PLC 采用微处理器作为主控制器，大规模集成电路作为
11、存储器及I/O接口。其可靠性、功能、价格、体积都达到了较成熟和完美的境界。并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到广泛的应用，受到工业界人士的瞩目。应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络无不有它的踪影。,PLC 的功能(1)条件控制(2)定时控制(3)计数控制(4)顺序控制(5)模数(A/D)、数模(D/A)转换(6)数据处理(7)通讯与联网,微机控制技术,广泛应用在控制系统中,1.3.5 可编程逻辑控制器（PLC）,2PLC 的特点(1)可靠性高(2)编程容易(3)组合灵活(4)输入输出功能模块齐全(5)安装方便(6)运行速度快,1.3.5 可编程逻辑控制器（P
12、LC）,3PLC的分类(1）低档PLC(2）中档PLC(3）高档PLC,1.3 计算机控制系统的发展概况及趋势,1.3.1 发展概况,随计算机技术的发展而发展（1）20世纪50年代产生。（2）20世纪60年代以来，集成电路和计算机技术的发展。（3）20世纪90年代以来，网络技术的发展。计算机控制理论随自动控制理论的发展而发展 PID、鲁棒控制、自适应控制、模糊控制、神经网络等,1大力推广应用成熟的先进技术(1)普及应用可编程序控制器(PLC)(2)广泛使用智能化调节器(3)采用新型的 DCS 和 FCS(4)FPGA将成为微型计算机控制技术的新宠,1.3 计算机控制系统的发展概况及趋势,1.3
13、.2 发展趋势,2综合自动化：网络技术、数据库、接口技术、先进控制技术、软测量技术、生产过程的安全保护技术等。3.网络化4.智能控制系统5.虚拟化：虚拟实现、虚拟产品开发、虚拟制造、虚拟企业6.绿色化：减少或消除自动化设备对人类和环境的污染与损害。,本章小结,本章概要介绍了：（1）计算机控制系统的构成原理、硬件组成与软件组成;（2）计算机控制系统的分类、控制核心；（3）计算机控制系统的发展概况和趋势。,思考题,1简述计算机控制系统与常规仪表控制系统的基本结构及主要异同点。2分析说明计算机控制系统的硬件组成及其作用。3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？4按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？5计算机控制系统的控制核心主要有哪些？,内容要求：（1）详细介绍控制对象的特性（2）对象数学模型描述（3）计算机控制系统配置、结构等（如PLC、DCS 或工控机等型号、类型等）（4）所应用的控制算法（PID、预测、串级控制算法等）（5）分析所应用的控制算法的有效性（证明，仿真）。,大作业：,举一个计算机控制系统实例并分析之：,
