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1、计算机控制技术,1,第1讲 绪论,主要内容：1 计算机控制系统概述2 计算机控制系统的组成及分类3 计算机控制研究的课题与发展方向,计算机控制技术,2,1.1 计算机控制系统概述,计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业实现自动控制的一门综合性学科与技术。计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。,计算机控制技术,3,控制对象的复杂化控制系统的复杂化（多输入多输出系统、非线性系统、时变和分布参数
2、系统等等）常规控制方法和手段难以实现微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。,1.计算机控制系统产生的原因,计算机控制技术,4,微电子技术和计算机技术的发展，为计算机控制的发展奠定了坚实的基础。（1）发展历史：1）1946年世界上第一台可由程序控制的计算机（称为电子数字器与计算器）ENICA诞生，但其可靠性又难以胜任作为控制器的需要。2）20世纪50年代初，美国首先用计算机来完成对生产过程进行巡检数据采集和数据处理。直接数字控制系统（DDC）首先应用在化工、钢铁和电力行业。3）自1971世界上第一片四位微处理器的出现，微型计算机得以快速的发展，微处理器和微型计算机
3、的诞生与发展为实现分散控制创造了良好的条件。,2.计算机控制技术的发展,计算机控制技术,5,4）1975年美国Honeywell公司研制成功世界上第一套集散型控制系统TDC2000并投入使用，开创了计算机应用于实际生产过程控制的新纪元。随后一直到80年代末，集散控制系统（DCS）迅速发展。5）随着3C技术（计算机、通信和消费电子产品）和网络技术的发展，现场总线控制系统和网络控制系统应运而生。可编程控制器的综合应用已打破了原工业控制的格局，并共同融入到计算机控制系统的大门类之中。,计算机控制技术,6,（2）发展趋势：深度和广度 1）广度：向着大系统或系统工程的方向发展，向着管理控制一体化的方向发
4、展。从单一过程、单一对象的局部控制，发展到对整个工厂、整个企业，甚至对社会经济、国土利用、生态平衡、环境保护等大规模复杂对象和系统进行综合控制。2）深度：向着智能化方向发展。人们逐步地引入了自适应、自学习等控制方法，并且模拟生物的视觉、听觉和触觉，能够自动地识别图像、文字、语言进一步根据感知的信息进行推理分析、直观判断、自学习、自行解决故障和问题。计算机在控制系统中的应用，不但带动了计算机技术的发展，同时也推动了自动控制理论和工程的发展。,计算机控制技术,7,1.2计算机控制系统的组成及分类,1.2.1 计算机控制系统1.2.2 计算机控制系统的硬件组成1.2.3 计算机控制系统的软件组成1.
5、2.4 计算机控制系统的分类,计算机控制技术,8,1.2.1计算机控制系统,自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应的功能，实现预定的目标。自动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。,计算机控制技术,9,所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。如图1.1所示。,1.开环控制系统,计算机控制技术,10,闭环控制系统是按照偏差进行的控制，较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。,图1.2 闭环控制系统框图
6、,2 闭环控制系统,计算机控制技术,11,在开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（D/A），如图1.3所示。,控制器,对象,D/A,A/D,计算机,图 1.3 计算机控制系统基本框图（闭环）,+,-,3 计算机控制系统,通道,计算机控制技术,12,计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：（1）信息的获取计算机通过外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息。（2）信息的处理计
7、算机根据预先编好的程序对信息进行处理。（3）信息的输出计算机将处理完的信息通过外部设备送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出。,4 计算机控制系统的控制过程,计算机控制技术,13,1.2.2计算机控制系统的硬件组成,典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。,计算机控制技术,14,计算机控制技术,15,1.主机主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。目前使用的主机有：单片机、PLC、工业P
8、C等。它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。,计算机控制技术,16,2 过程控制通道过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：（1）模拟量输入通道完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号。（2）模拟量输出通道目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成对数字量转
9、换为模拟量并且保持。,计算机控制技术,17,（3）数字量输入通道数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。（4）数字量输出通道数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备，应该强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外部设备，其功率和阻抗的匹配是应该特别注意的。,计算机控制技术,18,3.操作控制台操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备。通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控对象的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序。操
10、作控制台一般应包括：（1）信息的显示（2）信息的记录（3）工作方式状态的选择（4）信息输入,计算机控制技术,19,4.通讯设备随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。现代化工业生产过程的规模也越来越大。企业信息化的需求也要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。,计算机控制技术,20,1.2.3 计算机控制系统的软件组成,系统软件和应用软件系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实
11、现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具，一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编写的各种程序。包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。,计算机控制技术,21,1.2.4计算机控制系统的分类,按系统结构分为：开环和闭环控制系统；按控制规律分为：程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）按系统功能分为：操作指导控制系统、
12、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。,计算机控制技术,22,1.操作指导系统（Operation Guide Control）操作指导系统又叫数据处理系统（DPS），是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统，如图1.5所示：,图1.5 操作指导系统,计算机控制技术,23,控制过程：计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，属于计算机离线最优控制的一种形
13、式。该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。,计算机控制技术,24,2.直接数字控制系统（Direct Digital Control）直接数字系统是计算机控制系统的最基本形式，也是应用最多的一类计算机控制系统。如图1.6所示，计算机实现在线实时控制。,计算机控制技术,25,3.计算机监督控制系统（Supervisory Computer Control）计算机监督控制系统是计算机集散系统的最初、最基本的模式。分为两种结构：SCC+模拟调节器，SCC+DCC（两级计算机控制系统）。如图1.7所示：,计算机控制技术,26,4.集散控
14、制系统（Distributed Control system）集散控制系统又称为分布控制系统。该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级，如：过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。过程控制级是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。,计算机控制技术,27,5.现场总线控制系统（Field Bus C
15、ontrol System）现场总线控制系统是20世纪90年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，已广泛的应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统是利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个全数字式分散双向串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络。在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之一。,计算机控制技术,28,6.计算机集成制造系统（CIMS）计算机集成制造的概念是在
16、70年代美国的一名叫哈灵顿提出的，随着计算机和信息技术的发展最终得以实施。计算机集成制造原本是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式。随着现代市场的需求和企业模式的现代化计算机集成制造已经将制造集成转换为信息集成，并融入了企业的全面管理和市场营销。CIMS是一项宠大的系统工程，它需要有许多基础的应用平台的支持，它实现的是企业物流、资金流和信息流的统一。由于其涉及面广，应用存在的困难较多，所以许多CIMS工程在规划实话中都提出了整体规划分步实施的策略。尽管目前CIMS工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实使企业真正走向现代
17、化的方向。,计算机控制技术,29,1.3计算机控制研究的课题与发展方向,1.控制理论方面涉及到的课题（1）数字描述和分析方法 计算机控制系统的外特性同模拟系统一致，但计算机控制系统是离散系统，所以计算机控制系统的设计和分析一直存在模拟和离散两种分析方法。这两种方法从理论上讲是有严格的差别的，而在实际应用中往往我们都近似地把它们视同为模拟系统。离散系统的描述通常我们都会用差分方程和Z传递函数以及离散状态空间方法来进行分析。,计算机控制技术,30,（2）采样周期的选取模拟系统离散化一个非常关键的问题就是计算机控制系统的采样周期的选择。严格地讲计算机控制系统的采样周期分为信号采集的采样周期和计算机控
18、制器的控制周期。我们都很清楚：信号采样将模拟信号采样为离散信号，采样周期越小越好，采样周期取决于计算机的运算速度，过小的采样周期，计算机很难胜任，为了保证采样信号在采样后能够正确地反映模拟信号，信号采集的采样周期选取就满足SHANNON采样定理：采样的最低频率须大于信号最高变化频率的两倍。,计算机控制技术,31,2.控制系统计算机硬件技术的研究为了适应不同的行业，不同的工艺设备的需求，计算机制造厂家已研究出多种典型的标准化机型。如：（1）可编程序控制器（PLC）（2）可编程序调节器应用于计算机控制系统中的单元控制（3）单片微型计算机嵌入式系统（4）总线式工控机小型化、模板化、组合化和标准化的总线式工控机（5）新型微型控制单元 如DSP,计算机控制技术,32,3.计算机控制系统软件的研究与开发软件是计算机的灵魂，伴随着硬件技术的发展，计算机控制系统软件的研究也从未放松过。新型的系统设计、仿真软件越来越得到控制工程师的青睐，嵌入式系统的大量应用又为嵌入式操作系统的研究带来了大量的课题。随着计算机控制系统的普及应用，计算机控制系统的应用软件的研究和开发带给用户的是一种更开放、更简单易操作的应用系统。,
