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1、本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。,第1章 绪论,计算机控制系统是自动控制理论、自动化技术与计算机技术紧密结合的产物，控制理论的发展，尤其是现代控制理论的发展，与计算机技术息息相关。利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。计算机控制系统应用于工业控制实践所提出来的一系列理论与工程上的问题，又进一步促进和推动了控制理论和计算机技术的发展。计算机控制系统的应用领域非常广泛，不但是国防、航空航天、导弹制导等高精尖学科必不可
2、少的组成部分，而且在现代化的工、农、医等领域也已发挥着越来越重要的作用。随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大大提高。,介 绍,1.1 计算机控制系统概述1.2 工业控制机的组成结构及特点1.3 计算机控制的发展与展望,第1章 绪论,计算机控制系统的应用领域非常广泛，控制对象和控制任务可从小到大，从简单到复杂，小到控制单个电机的运转或阀门的开关，大到可以控制和管理一条生产线、一个车间乃至整个企业；既可以是单回路参数的简单控制，又可以是复杂控制规律的自适应控制、最优控制、模糊控制和神经控制等。下面首先通过几个典型的计算机控制系统介绍，以了解计算机
3、控制系统的使用、组成结构、功能以及特点，进而给出计算机控制系统的分类。,1.1 计算机控制系统概述,1.1.1 典型的计算机控制系统及其组成1.1.2 计算机控制系统的典型形式,1.1 计算机控制系统概述,计算机控制系统(1)计算机控制系统的原理 微型计算机控制系统原理图如图1-1所示。(2)在线方式和离线方式 在线方式（或联机方式）：在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。离线方式（脱机方式）：生产过程不合计算机相连，并且不受计算机控制，而是考人进行联系并做相应操作的方式。(3)实时的含义 所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围那完成，亦即计算机
4、对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。,1.1.1 典型的计算机控制系统,微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。图1-1给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。,微型计算机控制系统的原理,图1-1 闭环控制系统框图,控制器,执行机构,被控对象,测量元件,变换发送单元,给定信号,被控参数,图1-2中给出了开环控制系统框图。它与闭环控制系统不同它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的控制性能较差。,计算机控制系统的组成 计算机控制系统由工业
5、控制机和生产过程两大部分组成。计算机控制系统的组成框图如图1-3所示。工业控制机：指按生产过程控制的特点和要求来设计的计算机，它包括硬件和软件两个部分。生产过程：包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。,1.1.1 典型的计算机控制系统,微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如下图1-4所示。,1.硬件组成,图1-4 微型计算机控制系统原理图,2计算机控制系统的软件,软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件
6、。,1.1.2计算机控制系统的典型形式,根据计算机控制系统的功能及结构特点,可以将计算机控制系统大致分为:操作指导控制系统 直接数字控制系统DDC 监督控制系统SCC 集散控制系统DCS 现场总线控制系统,操作指导控制系统的构成如图1.4所示。它属于开环控制型结构。这时计算机的输出与生产过程的各个控制单元不直接发生联系，控制动作实际上由操作人员接受计算机指示去完成。计算机根据一定的控制算法、依据过程输入通道（模拟量输入通道AI或开关量输入通道DI）输入的由测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机的输出信息，如CRT显示图形或数据、打印机输出等去改
7、变调节器的给定值或直接操作执行机构。,1.操作指导控制系统,图1-5 操作指导控制系统组成框图,1.操作指导控制系统,DDC的构成如图1.3所示。计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回检测，经过程输入通道输入计算机，并根据规定的控制规律和给定值进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使各个被控制量达到预定的要求。在DDC系统中，计算机不仅能完全取代模拟调节器参加闭环控制过程，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制规律，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。由于计算机直接与生产过程相连并承担控制任务，且工业现场环境比较恶劣，干扰多，故要求DDC计算机可靠
8、性高，实时性好，抗干扰能力强，能独立工作。所以一般选用微型机和工控机作为DDC的计算机。DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的最典型的一种系统。在DDC系统中使用计算机作为数字控制器，在热工、化工、机械、冶金等部门已获得广泛应用。,2.直接数字控制系统(DDC),图1-6 DDC控制系统原理图,2.直接数字控制系统(DDC),监督控制系统(Supervisory Computer ControlSCC)的构成如图1.4所示。在直接数字控制系统中，是用计算机代替模拟调节器进行控制的。计算机监督控制系统中，则是由计算机按照描述生产过程的数学模型或其它方法，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDC
9、计算机。最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。从这个角度上说，它的作用就是改变给定值。SCC系统较DDC系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制、最优控制等。它是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。,3.监督控制系统(SCC),图1.2 操作指导控制系统组成框图,数 字 计 算 机,过程输入通道,测量变送,执行机构,测量变送,工 业 对 象,人,在此系统中，由计算机系统对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型，计算出最佳给定值并送给模拟调节器。此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后，其偏差值经模拟调节器计算，然
10、后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的。当SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。,监督控制系统的结构形式,监督控制系统有两种不同的结构形式：一种是SCC模拟调节器；另一种是SCCDDC控制系统。,1)SCC模拟调节器的控制系统,这实际上是一个两级计算机控制系统，一级为监控级SCC，另一级为DDC。监控级SCC的作用与SCC模拟调节器系统中的SCC一样，完成车间或工段等高一级的最优化分析和计算，并给出最佳给定值送给DDC级直接控制生产过程。两级计算机之间通过接口进行信息交流，当DDC级计算机出现故障时，可由SCC级计算机完成DDC的控制功能。因此，大大提高了系统的可靠性。由于S
11、CC级计算机承担了先进控制、过程优化与部分管理任务，信息存储量大，计算任务重，故要求有较大的内存与外存和较为丰富的软件，所以一般选用高档微型机或小型机作为SCC级计算机。,2)SCCDDC的控制系统,监督控制系统的结构形式,集散控制系统（Distributed Control SystemDCS），又称分散或分布式控制系统分级计算机控制系统是一个四级系统，各级计算机的功能如图1-9所示。装置控制级（DDC级）车间监督级（SCC级）工厂集中控制级（MIS）企业管理级（MIS）,4.集散控制系统(DCS),图1-10 集散系统组成框图,4.集散控制系统(DCS),该系统的特点是将控制功能和危险性分
12、散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理；由于计算机控制和管理范围的缩小，使其应用灵活方便，可靠性增高；同时系统采用积木式结构，构成灵活，易于扩展；而采用CRT显示技术和智能操作平台，使操作、监视方便；与计算机集中控制方式相比，电缆和敷缆成本低，易于施工，且施工周期短。,集散控制系统的特点,5.现场总线控制系统(FCS),现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）是新一代分布式控制系统。采用了不同于DCS的结构模式：“工作站现场总线智能仪表”的二层结构，完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的
13、开放式互连系统结构。因此，FCS是一种正在发展的很有前途的计算机控制系统。,工业控制机的组成 工业控制机的总线结构1.2.3 工控机特点,1.2 工业控制机的组成结构及特点,1.2.1 工业控制机的组成,1.硬件组成 主要由主机板、内部总线和外部总线、人-机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。,工业控制机包括硬件和软件两个部分。,2.工业控制机的软件组成 软件是指能够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。通常由系统软件、支持软件和应用软件组成。（1）系统软件：DOS、WINDOWS（2）支持软件：汇编语言、高级语言、编译语言（3）应用软件：针对具体控制对象而开发的软件口等。,
14、总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部个组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送与通信。总线是计算机控制系统的重要组成部分，包括内部总线和外部总线。,1.2.2 工业控制机的总线结构,1.内部总线,所谓内部总线，就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。尽管各种内部总线数目不同，但按功能仍可分为：数据总线(Data Bus,DB)、地址总线(Address Bus,AB)、控制总线(Control Bus,CB)、电源总线(Power Bus,PB)四部分。,2.外部总线,所谓外部总线，就是计算机与
15、计算机之间或计算机与其他智能设备之间进行通信的连线。常用的外部总线有：1）串行总线 2）并行总线,2.外部总线,1）串行总线 串行总线，是计算机与计算机之间或计算机与其他智能设备之间进行串行通信的连线。常用的串行总线有RS-232C、RS-422、RS-485等。2）IEEE-488并行通信总线 IEEE-488并行总线也称GPIB(General PurposeInterface Bus)总线，60年代中期，美国HP(惠普)公司就开始研究如何解决接口标准化问题，并发表了接口系统，命名为HP-IB。1975年，IEEE以HP-IB为基础，制定了IEEE-488标准接口总线(GPIB)。目前该总
16、线大量应用与船舶电气仪表中。,（1）可靠性、可维修性好（2）环境适应性强（3）控制的实时性（实时操作系统和强的中断系统）（4）完善的输入/输出通道（5）丰富的软件适当的运算速度（几万几百万次/秒）,1.2.3 工控机特点,1.3 计算机控制的发展与展望,1.3.1 现代计算机控制系统概论 1.3.2 新型控制策略与计算机控制系统 1.3.3 现代控制策略 1.3.4 智能控制策略,1.3.1 现代计算机控制系统概论,1.计算机技术的发展过程2.计算机控制理论的发展过程,1.计算机技术的发展过程,计算机技术的发展过程分为四个阶段：开创时期（19551962年）直接数字控制时代（19621967年
17、）小型计算机时期（19671972年）微型计算机时期（1972至今）,2.计算机控制理论的发展过程,采样定理差分方程Z变换法状态空间理论最优控制与随机控制代数系统理论系统辨识与自适应控制,1.3.2 计算机控制系统发展趋势,1.推广应用成熟的先进技术 2.大力研究和发展智能控制系统,1.3.3 现代控制策略,目前，研究和工业应用较多的现代控制策略主要有：A 自适应控制 B 变结构控制 C 鲁棒控制 D 预测控制等,A 自适应控制,自适应控制是针对对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的，其基本思想是通过在线辨识使这种影响逐渐降低乃至消除。自适应控制有模型参考自适应控制和自校正控制两
18、类。自适应控制是一种逐渐修正、渐进趋向期望性能的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况，而不适用于环境干扰强的工业场合和比较复杂的生产过程。,B 变结构控制,首先，变结构控制中的“结构”不是指系统本身的物理结构，而是系统在状态空间中的状态轨迹的总体几何性质。其次，变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，与其他控制策略的区别在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当时的状态，以跃变的方式、有目的地不断变化，迫使系统按预定的“滑动模态”的状态轨迹运动。其优点在于它具有快速响应、对参数及外扰变化不灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单。但其设计比较复杂，且在状态轨迹到达滑模平面后，难以严
19、格沿着滑模面向平衡点滑动，而窑在滑模面两侧来回穿越，产生颤动。这些限制了它的应用。,C 鲁棒控制,控制系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动小保持不变的程度（或对扰动不敏感的程度）。其基本思想是在设计中设法使系统对模型的变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，品质也保持在工程所能接受的的范围内。鲁棒控制主要有代数方法和频域方法，前者的研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式，讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制；后者是从系统的传递函数矩阵出发，通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的范数取极小，来设计出相应的控制规律。鲁棒控制的理论研究十分热烈，取得了一系列成果，但其应用主要集中在
20、飞行器、柔性结构、机器人上，而较少应用在工业过程控制领域中。其原因在于缺乏良好的设计方法，设计出的控制器可能高达数十阶，难以实现。,D 预测控制,预测控制是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略，其基本思想类似于人的思维和决策，即根据头脑中对外部世界的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从中择优予以实施。它的各种算法是建立在模型预测滚动优化反馈校正等三条基本原理上的，其核心是在线滚动优化。这种“边走边看”的滚动优化控制策略可以随时顾及模型失配、时变、非线性或其他干扰因素等不确定性，及时进行弥补，减少偏差，以获得较高的综合控制质量。预测控制集建模、优化和反馈于一体，三者滚动进行，其
21、深刻的控制思想和优良的控制效果，一直为学术界和工业界所瞩目。目前，国外已开发出商品化的预测控制软件包。但其缺点是在建模中未充分利用过程的知识，且计算耗时、工作量大。,1.3.4智能控制策略,智能控制是自动控制与人工智能相结合的产物，其典型的控制方法有：A 模糊控制 B 专家控制 C 神经控制 D 遗传算法,A 模糊控制,模糊控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制不需要建立控制对象精确的数学模型，只要求把现场操作人员的经验和非数据总结成较完善的语言控制规则，因此它能绕过对象的不确定性、不精确性、噪音以及非线性、时变性、时滞等影响。系统的鲁棒
22、性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。由于模糊控制的理论研究较成熟，实现简单，适应面广而获得来了广泛的应用。目前，许多公司和生产厂家都能生产定型的模糊控制器，提供各种型号和功能的模糊控制芯片，从而大大地促进了模糊控制技术的广泛应用。其存在的主要问题是：要有较好的控制效果，必需要有完善的控制规则。而对于某些复杂的工业过程，有时难以总结出较完整的经验；并且当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰时都会影响模糊控制的效果,B 专家控制,专家控制是理论的成熟较之应用的成功明显薄弱的典型，其基本思想可形象的比喻成：专家控制是试图在控制闭环中加入一个有经验的控制工程师，系统能为他提供一个“控制工具
23、箱”，即可对控制、辨识、测量、监视等各种方法和算法选择自便，调用自如。因此，专家控制可以看成是对一个“控制专家”在解决控制问题或进行控制操作时的思路、方法、经验、策略的模拟。专家控制器有三个基本模块：用于观察、检测系统中的有关变量和状态的信息处理特征提取模块；运用专家知识和经验判断当前系统运行情况并分析比较各种可以采用的控制策略的推理机模块；存放专家控制经验和知识的控制规则集模块。自专家控制诞生以来，已获得了许多成功的应用，其成果令人鼓舞。对于许多工业过程来说，专家控制表现出是一个颇为行之有效的控制策略。但它在理论上还很不完善，并未形成有普遍意义的理论体系和设计方法。,C 神经控制,神经网络是
24、用来模拟脑神经的结构和思维、判断等脑功能的一种信息处理系统。20世纪80年代以来，神经网络理论取得了突破性进展，并以它一系列优异的性能而迅速成为智能控制一支新的生力军。神经网络在自动控制系统中的应用方式是多种多样的，基本上可分为单神经元的应用和神经网络的应用。神经网络组成的系统可以很复杂，也可以获得很好的性能。但目前由于缺乏相应的神经网络芯片或神经网络计算机硬件支持，只能利用目前的计算机的串行计算方法来模拟神经网络机制，解决实时控制问题，其计算速度还很难满足实际需要，因此尚未得到实际应用。而由单个神经元构成的控制器，结构简单，易于实现实时控制。虽然神经网络控制在应用上还有困难，但它是一种很有前
25、途的方法，它的大量应用有待于现在已经取得成功的神经网络集成电路芯片生产的成熟。,D 遗传算法,遗传算法和神经网络一样都是一种基于生物机制的方法，但它们又是完全不同的方法。神经网络是模拟人的大脑机制，而遗传算法则是模拟生物的进化机制。遗传算法的基本思想是达尔文的进化论，就是将待求解问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子，整个系统按照“物竞天择，适者生存”的原则，经历生成评价选择操作的演化过程反复进行，直至搜索到最优解。遗传算法在自动控制中的应用主要是进行优化和学习，特别是与其他一些控制策略结合，能获得很好的结果。当前，由于它的实时性问题，实际工业应用较少。但它深刻的思想和优异的性能一定会随着研究工作的深入而获得广泛的实际应用。,小 结,上述的各种现代控制策略和智能控制策略都有其特长，但在某方面也都有其不足。因此，一种必然的发展趋势就是各种控制策略互相渗透和结合，取长补短，互济优势，结合成复合的控制策略。复合控制策略克服了单一策略的不足，具有更优良的性能，能更好地满足不同应用的不同要求，因而获得了更广泛的应用。复合控制策略的类型很多，而且随着研究工作的进展还将不断的增加和变化。目前主要有：模糊PID复合控制、模糊变结构控制、自适应模糊控制、模糊预测控制、模糊神经网络控制、专家PID控制、专家模糊控制等。,
