計算機控制技術課程綜述

1、Hefei University課程綜述課程題目： 計算機控制技術 姓 名： 李宏灶 學 號： 0805070110 專 業(yè)： 自動化(2)班 授課老師： 丁 健 一、計算機控制技術簡介工業(yè)控制是計算機的一個重要應用領域，計算機控制正是為了適應這一領域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術，它主要研究如何將計算機技術、通信技術和自動控制理論應用于工業(yè)生產過程，并設計出所需要的計算機控制系統(tǒng)。計算機控制技術這門課程是自動化、測控技術與儀器專業(yè)以及相關專業(yè)的一門專業(yè)課，主要講述計算機控制系統(tǒng)的基本結構、基本原理，計算機控制系統(tǒng)的數學描述及設計方法，計算機控制系統(tǒng)軟、硬件的設計方法與實現途徑。主要是培養(yǎng)學生

2、理論聯(lián)系實際，從實際出發(fā)分析問題、研究問題和解決問題的能力，將學生所學知識系統(tǒng)化。二、計算機控制課程簡介第一章 緒論介紹了計算機控制系統(tǒng)及其組成、計算機控制系統(tǒng)的典型形式及其發(fā)展和概況。計算機控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡稱CCS)是應用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構成的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機和生產過程兩大部分組成。工業(yè)控制機硬件指計算機本身及外圍設備。硬件包括計算機、過程輸入輸出接口、人機接口、外部存儲器等。軟件系統(tǒng)是能完成各種功能計算機程序的總和，通常包括系統(tǒng)軟件跟應用軟件。典型的系統(tǒng)有操作指導控制系統(tǒng)、直接

3、數字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現場總線控制系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)。重點是掌握計算機控制系統(tǒng)的組成以及典型系統(tǒng)的特點和應用。第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件設計技術在計算機控制系統(tǒng)中，工業(yè)就控制機必須經過輸入輸出接口和過程通道相連。接口是計算機與外部設備交換信息的橋梁，包括輸入和輸出接口。過程通道是計算機與外部之間設置的信息傳送和轉換的連接通道，包括模擬量輸入輸出通道和數字量輸入輸出通道。一、總線技術總線的概念很簡單，它就是將各部件連接到計算機處理器的一個元件。最常見的是從功能上來對數據總線進行劃分，可以分為地址總線（address bus）、數據總線（data bus）和控制總線（con

4、trol bus）。二、數字量輸入輸出接口與過程通道數字量輸入通道（ DI 通道）的任務是把生產過程中的數字信號轉換成計算機易于接受的形式，主要由輸入緩沖器、輸入調理電路、輸入口地址譯碼電路等組成。數字量輸出通道組要由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。三、模擬量輸入輸出接口與過程通道模擬量輸入通道一般由IV變換、多路轉換器、采樣保持器、AD轉換器、接口和控制邏輯組成。模擬量輸出通道一般由接口電路、DA轉換器、VI變換等組成，其結構形式主要取決于輸出保持器的構成方式。重點是掌握總線和端口的概念分類以及端口地址的分配；數字量模擬量輸入輸出接口和過程通道的構成以及各組成部分的詳細作

5、用。第三章 數字控制技術數字控制技術就是生產機械根據數字計算機輸出的數字信號，按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律自動完成工作的控制方式。一、逐點比較法插補原理1、曲線分段將曲線分割成若干段，可以是直線段，也可以是曲線段，分割成了三段。把各分段點坐標記下來并送給計算機。圖形分割原則應保證線段所連的曲線與原圖形誤差在允許范圍內。2、插值（或插補）當給定各點坐標x和y值之后，求得各坐標值間的中間值的數值計算方法稱插值或插補。 直線插補：在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近。 二次曲線插補：在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近。3、繪圖或加工把插補運算過程中定出的各中間點，以

6、脈沖信號形式去控制x、y方向上的步進電機，帶動繪圖筆、刀具等，繪出圖形或加工所要求輪廓。每一個脈沖信號代表步進電機走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方向移動一個位置。對應于每個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當量，又稱為步長，常用x和y表示，且總是取x=y。二、多軸步進驅動控制技術步進電機又稱為脈沖電機，是計算機控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號轉換成相應的角位移或直線位移，即給一個脈沖信號，電動機就轉動一個角度或前進一步，步進電機可工作于單向通電方式、雙向通電方式、單雙向交叉通電方式。三相異步電機則有單三拍、雙三拍、三相六拍三種工作方式。重點是掌握逐點插補比較法的原理，主要是直線插補與圓弧插

7、補；掌握三相異步電機的工作方式。第四章 常規(guī)及復雜控制技術一、數字控制器的連續(xù)化設計技術數字控制器的連續(xù)化設計是忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，在S域中按連續(xù)系統(tǒng)進行設計，然后通過某種近似將連續(xù)控制器離散化為數字控制器，并由計算機來實現。數字控制器的連續(xù)化設計步驟：(1)設計假想的連續(xù)控制器 (2)選擇采樣周期T (3)將D(s)離散化為D(z) (4)設計由計算機實現的控制算法 (5)校驗 控制器D(z)設計完成并求出控制算法后，需要檢驗其閉環(huán)特性是否符合設計要求，可采用數字仿真來驗證，若滿足設計要求，設計結束，否則應修改設計。G(s)是被控對象的傳遞函數，H(s)是零階保持器，D(

8、z)是數字控制器。設計問題是：根據已知的系統(tǒng)性能指標和G(s)來設計出數字控制器D(z)。二、數字控制器的離散化設計技術由于控制任務需要，當所選擇的采樣周期比較大或對控制質量要求比較高時，必須從被控對象的特性出發(fā)，直接根據計算機控制理論(采樣控制理論)來設計數字控制器，這類方法稱為離散化設計方法。數字控制器的離散化設計步驟：(1)根據控制系統(tǒng)的性能指標及約束條件，確定所需閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數；(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數(3)求數字控制器的脈沖傳遞函數(4)求控制量的遞推計算公式三、純滯后控制技術 史密斯(Smith)預估控制基本思想是建立過程的動態(tài)特性的模型；將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，

9、有延遲的一部分用于抵消被延遲了的被控量；無延遲部分反映到調節(jié)器，讓調節(jié)器提前動作，從而可明顯地減少超調量和加快調節(jié)過程。預估是純滯后控制中的基本方法。四、解耦控制技術所謂解耦控制系統(tǒng)，就是采用某種結構，尋找合適的控制規(guī)律來消除系統(tǒng)種各控制回路之間的相互耦合關系，使每一個輸入只控制相應的一個輸出，每一個輸出又只受到一個控制的作用。 解耦控制是一個既古老又極富生命力的話題，不確定性是工程實際中普遍存在的棘手現象。解耦控制是多變量系統(tǒng)控制的有效手段。重點是掌握數字控制器連續(xù)化、離散化的設計，史密斯預估控制和達林算法，了解解耦控制。第五章 現代控制技術建立在狀態(tài)空間法基礎上的一種控制理論，是自動控制理

10、論的一個主要組成部分。在現代控制理論中，對控制系統(tǒng)的分析和設計主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來進行的，基本的方法是時間域方法?，F代控制理論比經典控制理論所能處理的控制問題要廣泛得多，包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)。它所采用的方法和算法也更適合于在數字計算機上進行。第六章 先進控制技術一、模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入輸出接口、執(zhí)行機構、測量裝置和被控對象等組成；模糊控制器主要包括輸入量模糊化接口、知識庫、推理機、輸出清晰化接口四個部分二、模糊控制器設計設計一個模糊控制系統(tǒng)的關鍵是設計模糊控制器，而設計模糊控制器需要：選擇模糊控制器的結構、

11、選取模糊規(guī)則、確定模糊化和清晰化方法、確定模糊控制器的參數、編寫模糊控制算法程序。重點是掌握模糊控制系統(tǒng)的組成和及其設計方法。第七章 計算機控制系統(tǒng)軟件設計軟件是計算機系統(tǒng)中與硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，數據及其相關文檔的完整集合；程序是按事先設計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；數據是使程序能正常操縱信息的數據結構；文檔是與程序開發(fā)，維護和使用有關的圖文材料。一、人機接口(HML/SCADA)技術HML廣義的解釋就是使用者與機器間的溝通、傳達及接收信號的一個接口。HML系統(tǒng)具有：實時資料趨勢顯示、歷史資料趨勢顯示、自動記錄資料、警報的產生與記錄、報表的產生與打印、圖形接口控制等幾項基

12、本能力。凡是具有系統(tǒng)監(jiān)控和數據采集功能的軟件都可稱為SCADA。與硬件設備的連接方式主要有三種：標準通信協(xié)議、標準的資料交換接口、綁定驅動。二、軟件抗干擾技術干擾：是指有用信號以外的噪聲或造成計算機設備不能正常工作的破壞因素。干擾源：產生干擾信號的原因干擾對象：干擾源通過傳播途徑影響的器件或系統(tǒng)干擾系統(tǒng)的三個要素：干擾源、傳播途徑及干擾對象?？垢蓴_技術就是通過對這三要素中的一個或多個采取必要措施來實現的。 軟件陷阱：軟件陷阱是在非程序區(qū)的特定地方設置一條引導引導指令（看作一個陷阱），程序正常運行，不會落入該引導指令的陷阱，當CPU受到干擾，程序“跑飛”時，如果落入指令陷阱，將由引導指令將“跑飛

13、”的程序強制跳轉到出錯處理程序，由該程序段進行出錯處理和程序恢復。第八章 分布式測控網絡技術一、工業(yè)網絡技術介紹了工業(yè)網絡的構建方法及測試技術，從信息網絡和控制網絡兩個層次進行編寫，主要內容包括計算機網絡體系結構、局域網技術、工業(yè)以太網、CAN總線技術、DeviceNet現場總線、DeviceNet節(jié)點設計與組網、ControlNet現場總線、工業(yè)網絡及其應用。二、分布式控制系統(tǒng)(DCS)DCS的集成性則體現在兩個方面：功能的集成和產品的集成。如今的DCS中除保留傳統(tǒng)DCS所實現的過程控制功能之外，還集成了PLC（可編程邏輯控制器）、RTU（采集發(fā)送器）、FCS、各種多回路調節(jié)器、各種智能采集

14、或控制單元等。第九章 計算機控制系統(tǒng)設計與實現一、系統(tǒng)設計的原則與步驟計算機控制系統(tǒng)的理論設計包括：建立被控對象的數學模型；確定滿足一定技術經濟指標的系統(tǒng)目標函數，尋求滿足該目標函數的控制規(guī)律；選擇適宜的計算方法和程序設計語言；進行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分，并對硬件提出具體要求。(1) 原則：操作性能好，維護與維修方便；通用性好，便于擴展；可靠性高；實時性好，適應性強；經濟效益好。(2) 步驟：確定任務階段；工程設計階段；離線仿真和調試階段；在線調試和投運階段。二、系統(tǒng)的工程設計與實現(1) 設計原則：對于不同的控制對象，系統(tǒng)的設計方案和具體的技術指標是不同的，但控制系統(tǒng)的設計原則是相同的。這就是滿足工藝要求，可靠性高，操作性能好，實時性強，通用性好，經濟效益高。(2) 實現介紹：作為一個計算機控制系統(tǒng)的工程項目，在設計研制過程中應經過哪些步驟，這是需要認真考慮的。如果步驟不清，或者每一步需要做什么不明確，就有可能引起研制過程中的混亂甚至返工。計算機控制系統(tǒng)的研制過程一般可分為4個階段：準備階段、設計階段、仿真及調試階段和現場調試運行階段。三、課程學習總結自己感覺這門課是一門實踐性與理論性很強的技術課程，它要