胡計算機(jī)控制技術(shù)課程綜述

1、Hefei University課程綜述課程題目： 計算機(jī)控制技術(shù) 姓 名： 胡年軍 學(xué) 號： 專 業(yè)： 自動化(1)班 授課老師： 丁 健 一、計算機(jī)控制技術(shù)簡介計算機(jī)控制技術(shù)是一門以電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)控制技術(shù)為核心，綜合可編程控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)的精密化、生產(chǎn)設(shè)備的信息化、生產(chǎn)過程的自動化及機(jī)電控制系統(tǒng)的最佳化的專門學(xué)科。工業(yè)控制是計算機(jī)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機(jī)控制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù)，它主要研究如何將計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機(jī)控制系統(tǒng)。計

2、算機(jī)控制技術(shù)這門課程是自動化、測控技術(shù)與儀器專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)課，主要講述計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、基本原理，計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述及設(shè)計方法，計算機(jī)控制系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計方法與實現(xiàn)途徑。主要是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(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(xué)生所學(xué)知識系統(tǒng)化。二、計算機(jī)控制課程簡介第一章 緒論介紹了計算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成、計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式及其發(fā)展和概況。計算機(jī)控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡稱CCS)是應(yīng)用計算機(jī)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(gòu)成的系統(tǒng)。計算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過程兩

3、大部分組成。工業(yè)控制機(jī)硬件指計算機(jī)本身及外圍設(shè)備。硬件包括計算機(jī)、過程輸入輸出接口、人機(jī)接口、外部存儲器等。軟件系統(tǒng)是能完成各種功能計算機(jī)程序的總和，通常包括系統(tǒng)軟件跟應(yīng)用軟件。典型的系統(tǒng)有操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，工業(yè)就控制機(jī)必須經(jīng)過輸入輸出接口和過程通道相連。接口是計算機(jī)與外部設(shè)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(jī)與外部之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道，包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。一、總線技術(shù)總線的概念很簡單，它就是將各部件連接

4、到計算機(jī)處理器的一個元件。最常見的是從功能上來對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行劃分，可以分為地址總線（address bus）、數(shù)據(jù)總線（data bus）和控制總線（control bus）。二、數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道數(shù)字量輸入通道（ DI 通道）的任務(wù)是把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)易于接受的形式，主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入口地址譯碼電路等組成。數(shù)字量輸出通道組要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)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(zhuǎn)換器、采樣保持器、AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器、VI變換等組成

5、，其結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保持器的構(gòu)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(shù)字量模擬量輸入輸出接口和過程通道的構(gòu)成以及各組成部分的詳細(xì)作用。第三章 數(shù)字控制技術(shù)數(shù)字控制技術(shù)就是生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)數(shù)字計算機(jī)輸出的數(shù)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(bǔ)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(biāo)記下來并送給計算機(jī)。圖形分割原則應(yīng)保證線段所連的曲線與原圖形誤差在允許范圍內(nèi)。2、插值（或插補(bǔ)）當(dāng)給定各點坐標(biāo)x和y值之后，求得各坐標(biāo)值間的中間值的數(shù)值計算方法稱插值或插補(bǔ)。 直

6、線插補(bǔ)：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(bǔ)：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(bǔ)運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方向移動一個位置。對應(yīng)于每個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當(dāng)量，又稱為步長，常用x和y表示，且總是取x=y。二、多軸步進(jìn)驅(qū)動控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是計算機(jī)控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個脈沖信號，電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步，步進(jìn)電機(jī)可工作于

7、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(jī)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(bǔ)比較法的原理，主要是直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)；掌握三相異步電機(jī)的工作方式。第四章 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計技術(shù)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)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(jìn)行設(shè)計，然后通過某種近似將連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器，并由計算機(jī)來實現(xiàn)。數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計步驟：(1)設(shè)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(shè)計由計算機(jī)實現(xiàn)的控制算法 (5)校驗 控制器D(z)設(shè)計完成并求出控制算法后，

8、需要檢驗其閉環(huán)特性是否符合設(shè)計要求，可采用數(shù)字仿真來驗證，若滿足設(shè)計要求，設(shè)計結(jié)束，否則應(yīng)修改設(shè)計。G(s)是被控對象的傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器，D(z)是數(shù)字控制器。設(shè)計問題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標(biāo)和G(s)來設(shè)計出數(shù)字控制器D(z)。二、數(shù)字控制器的離散化設(shè)計技術(shù)由于控制任務(wù)需要，當(dāng)所選擇的采樣周期比較大或?qū)刂瀑|(zhì)量要求比較高時，必須從被控對象的特性出發(fā)，直接根據(jù)計算機(jī)控制理論(采樣控制理論)來設(shè)計數(shù)字控制器，這類方法稱為離散化設(shè)計方法。數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟：(1)根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)及約束條件，確定所需閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)；(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)(3)求數(shù)字控制

9、器的脈沖傳遞函數(shù)(4)求控制量的遞推計算公式三、純滯后控制技術(shù) 史密斯(Smith)預(yù)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，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(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提前動作，從而可明顯地減少超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過程。預(yù)估是純滯后控制中的基本方法。四、解耦控制技術(shù)所謂解耦控制系統(tǒng)，就是采用某種結(jié)構(gòu)，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(guān)系，使每一個輸入只控制相應(yīng)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(xiàn)象。解耦控制是多變量系統(tǒng)控制的有效手

10、段。重點是掌握數(shù)字控制器連續(xù)化、離散化的設(shè)計，史密斯預(yù)估控制和達(dá)林算法，了解解耦控制。第五章 現(xiàn)代控制技術(shù)建立在狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種控制理論，是自動控制理論的一個主要組成部分。在現(xiàn)代控制理論中，對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來進(jìn)行的，基本的方法是時間域方法?，F(xiàn)代控制理論比經(jīng)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(shù)字計算機(jī)上進(jìn)行。第六章 先進(jìn)控制技術(shù)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(jī)構(gòu)、測量裝置和被控對象等組成；模糊控制器主要包括輸入量

11、模糊化接口、知識庫、推理機(jī)、輸出清晰化接口四個部分二、模糊控制器設(shè)計設(shè)計一個模糊控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)計模糊控制器，而設(shè)計模糊控制器需要：選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)、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(shù)、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(shè)計方法。第七章 計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件是計算機(jī)系統(tǒng)中與硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，數(shù)據(jù)及其相關(guān)文檔的完整集合；程序是按事先設(shè)計的功能和性能要求執(zhí)行的指令序列；數(shù)據(jù)是使程序能正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；文檔是與程序開發(fā)，維護(hù)和使用有關(guān)的圖文材料。一、人機(jī)接口(HML/SCADA)技術(shù)HML廣義的解釋就是使用者與機(jī)器間

12、的溝通、傳達(dá)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(chǎn)生與記錄、報表的產(chǎn)生與打印、圖形接口控制等幾項基本能力。凡是具有系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能的軟件都可稱為SCADA。與硬件設(shè)備的連接方式主要有三種：標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)的資料交換接口、綁定驅(qū)動。二、軟件抗干擾技術(shù)干擾：是指有用信號以外的噪聲或造成計算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素。干擾源：產(chǎn)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(shù)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(xiàn)的。 軟件陷阱：軟件陷阱是在非程序區(qū)的特

13、定地方設(shè)置一條引導(dǎo)引導(dǎo)指令（看作一個陷阱），程序正常運行，不會落入該引導(dǎo)指令的陷阱，當(dāng)CPU受到干擾，程序“跑飛”時，如果落入指令陷阱，將由引導(dǎo)指令將“跑飛”的程序強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到出錯處理程序，由該程序段進(jìn)行出錯處理和程序恢復(fù)。第八章 分布式測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法及測試技術(shù)，從信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)兩個層次進(jìn)行編寫，主要內(nèi)容包括計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、局域網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)、CAN總線技術(shù)、DeviceNet現(xiàn)場總線、DeviceNet節(jié)點設(shè)計與組網(wǎng)、ControlNet現(xiàn)場總線、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用。二、分布式控制系統(tǒng)(DCS)DCS的集成性則體現(xiàn)在兩個方面：功能的集成和產(chǎn)品的集

14、成。如今的DCS中除保留傳統(tǒng)DCS所實現(xiàn)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(diào)節(jié)器、各種智能采集或控制單元等。第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)一、系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟計算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計包括：建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；確定滿足一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，尋求滿足該目標(biāo)函數(shù)的控制規(guī)律；選擇適宜的計算方法和程序設(shè)計語言；進(jìn)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(hù)與維修方便；通用性好，便于擴(kuò)展；可靠性高；實時性好，適應(yīng)性強(qiáng)；經(jīng)濟(jì)效益好。(2) 步驟：確定任務(wù)階段；工程設(shè)計階段；離線仿真和調(diào)試階

15、段；在線調(diào)試和投運階段。二、系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn)(1) 設(shè)計原則：對于不同的控制對象，系統(tǒng)的設(shè)計方案和具體的技術(shù)指標(biāo)是不同的，但控制系統(tǒng)的設(shè)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(qiáng)，通用性好，經(jīng)濟(jì)效益高。(2) 實現(xiàn)介紹：作為一個計算機(jī)控制系統(tǒng)的工程項目，在設(shè)計研制過程中應(yīng)經(jīng)過哪些步驟，這是需要認(rèn)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(jī)控制系統(tǒng)的研制過程一般可分為4個階段：準(zhǔn)備階段、設(shè)計階段、仿真及調(diào)試階段和現(xiàn)場調(diào)試運行階段。三、課程學(xué)習(xí)總結(jié)這門課是一門實踐性與理論性很強(qiáng)的技術(shù)課程，它要求有較強(qiáng)的編程、操作及理論、算法分析能力。學(xué)習(xí)的重點是理解各種控制系統(tǒng)的工作原理，理解掌握不同控制系統(tǒng)的算法，要學(xué)會自己設(shè)計控制器。通過本課程的學(xué)習(xí)，使自己掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計方法。使自己在學(xué)完單片微機(jī)原理及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，掌握了輸入輸出接口電路設(shè)計方法；進(jìn)而學(xué)習(xí)了將生產(chǎn)現(xiàn)場各種物理量引入計算機(jī)中的方法。通過學(xué)習(xí)典型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計，提高了計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的能力。有時候，我們學(xué)習(xí)了一些知識，當(dāng)時能記住，但過會兒就忘記了，這就與記憶方法有關(guān)。我認(rèn)為，在學(xué)習(xí)過程中，看、寫、讀、聽、背，多管齊下效率高，也記得牢。所以，我們在學(xué)習(xí)過程中，可以嘗試著“看寫