計算機控制系統(tǒng)第1章

1、授課教師：晁軍峰E-mail : 2015版版 安陽工學院電子信息與電氣工程學院學分學分：2 2 學位選修課學位選修課選修課程：選修課程：自動控制原理、微機原理、微機接口技自動控制原理、微機原理、微機接口技術、術、 程序設計基礎程序設計基礎課程簡介：課程簡介：本課程介紹計算機控制系統(tǒng)的本課程介紹計算機控制系統(tǒng)的構成、硬構成、硬件配置件配置、控制算法、軟件設計和系統(tǒng)設計與實現(xiàn)控制算法、軟件設計和系統(tǒng)設計與實現(xiàn)等內(nèi)等內(nèi)容。通過學習能掌握正確容。通過學習能掌握正確選擇與設計測控系統(tǒng)的主要選擇與設計測控系統(tǒng)的主要組件組件，掌握，掌握DCSDCS控制系統(tǒng)及其它計算機控制系統(tǒng)的基控制系統(tǒng)及其它計算機控制系

2、統(tǒng)的基本原理與軟硬件設計方法。本原理與軟硬件設計方法。計算機控制系統(tǒng)課程介紹：n2 2、何克忠，計算機控制技術，清華大學出版社、何克忠，計算機控制技術，清華大學出版社n3 3、曹承志，微型計算機控制新技術，機械工業(yè)、曹承志，微型計算機控制新技術，機械工業(yè)出版社出版社n4 4、江秀漢，計算機控制原理及應用，西安電子、江秀漢，計算機控制原理及應用，西安電子科技大學出版社科技大學出版社參考資料：第二部分：第二部分：硬件基礎硬件基礎（輸入輸入/輸出接口與過程通道）輸出接口與過程通道）第三部分：第三部分：計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學基礎計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學基礎第四部分：第四部分：計算機控制系統(tǒng)的間接設計方法（數(shù)

3、字計算機控制系統(tǒng)的間接設計方法（數(shù)字控制算法）控制算法）第六部分：第六部分：計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)內(nèi)容簡介：第五部分：第五部分：計算機控制系統(tǒng)的直接設計方法（軟件計算機控制系統(tǒng)的直接設計方法（軟件設計方法）設計方法）控控 制制 器器檢測檢測裝置裝置 執(zhí)行執(zhí)行裝置裝置被被 控控 對對 象象 控控制制部部分分第一章 緒論1.1.1 1.1.1 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機（通常稱為工就是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機）來實現(xiàn)控制對象（通常為生產(chǎn)業(yè)控制計算機）來實現(xiàn)控制對象（通常為生產(chǎn)過程）自動控制的系統(tǒng)。過程）自動控制的系

4、統(tǒng)。工作原理主要為：工作原理主要為：（1 1）實時數(shù)據(jù)采集）實時數(shù)據(jù)采集- （2 2）實時控制決策）實時控制決策- （3 3）實時）實時控制輸出控制輸出-在線方式：在線方式：離線方式：離線方式：生產(chǎn)過程和計算機直接連接。生產(chǎn)過程和計算機直接連接。生產(chǎn)過程不和計算機直接連接。生產(chǎn)過程不和計算機直接連接。實時含義實時含義: :實時：實時：信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，即計算機對輸入的信息，以足夠快的速度進完成，即計算機對輸入的信息，以足夠快的速度進行控制。行控制。在線不一定實時，實時一定在線。在線不一定實時，實時一定在線。計計 算算

5、機機D/A通道通道A/D通道通道A/D通道通道給定值給定值反饋值反饋值輸出控制值輸出控制值 A/D通道通道 D/A通道通道 計算機計算機構成了計算機控制系統(tǒng)的構成了計算機控制系統(tǒng)的三大基本要素。三大基本要素。 模擬、數(shù)字混合系統(tǒng) 便于修改控制規(guī)律 可實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律 離散控制 可分時控制多個回路 便于實現(xiàn)控制與管理一體化 此外，由于多數(shù)系統(tǒng)的被控對象及執(zhí)行部件、測此外，由于多數(shù)系統(tǒng)的被控對象及執(zhí)行部件、測量部件是連續(xù)模擬式的，因此，還必須加入信號變換量部件是連續(xù)模擬式的，因此，還必須加入信號變換裝置（如裝置（如A/D及及D/A變換器）。變換器）。 所以，計算機控制系統(tǒng)通常是模擬與數(shù)字部件的混

6、所以，計算機控制系統(tǒng)通常是模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。合系統(tǒng)。 計算機控制系統(tǒng)必須包括有計算機，它是一個數(shù)計算機控制系統(tǒng)必須包括有計算機，它是一個數(shù)字式離散處理器。字式離散處理器。 控制對象中各點信號一般均為連續(xù)模擬信號，控制對象中各點信號一般均為連續(xù)模擬信號，由于計算機是串行工作的，必須按一定的采樣間隔由于計算機是串行工作的，必須按一定的采樣間隔（稱為采樣周期）對連續(xù)信號進行采樣，將其變成（稱為采樣周期）對連續(xù)信號進行采樣，將其變成時間上是斷續(xù)的信號才能進入計算機。所以，它除時間上是斷續(xù)的信號才能進入計算機。所以，它除有連續(xù)模擬信號外，還有離散模擬、離散數(shù)字、連有連續(xù)模擬信號外，還有離散模擬、

7、離散數(shù)字、連續(xù)數(shù)字等信號形式，是一種混合信號形式系統(tǒng)。續(xù)數(shù)字等信號形式，是一種混合信號形式系統(tǒng)。 在在連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制器通常都是由不同的電中，控制器通常都是由不同的電路構成，并且一臺控制器僅為一個控制回路服務。路構成，并且一臺控制器僅為一個控制回路服務。 在在計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)中，中，一臺計算機可同時控制一臺計算機可同時控制多個被控量或被控對象，即可為多個控制回路服務。多個被控量或被控對象，即可為多個控制回路服務。每個控制回路的控制方式由軟件來形成。同一臺計算每個控制回路的控制方式由軟件來形成。同一臺計算機可以采用串行或分時并行方式實現(xiàn)控制。機可以采用串行或分時并行方

8、式實現(xiàn)控制。 由于計算機的運算速度快、精度高、具有極豐富由于計算機的運算速度快、精度高、具有極豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲能力，因此，能實現(xiàn)的邏輯判斷功能和大容量的存儲能力，因此，能實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、自適應控制及自學習復雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、自適應控制及自學習等，從而可達到較高的控制質(zhì)量。等，從而可達到較高的控制質(zhì)量。這些均是常規(guī)儀表組成的連續(xù)控制系統(tǒng)難于實現(xiàn)的！這些均是常規(guī)儀表組成的連續(xù)控制系統(tǒng)難于實現(xiàn)的！ 盡管一臺計算機最初投資較大，但增加一個控制盡管一臺計算機最初投資較大，但增加一個控制回路的費用卻很少。一臺計算機卻可以實現(xiàn)復雜控制回路的費用卻很少。一臺計算機卻可以

9、實現(xiàn)復雜控制規(guī)律并可同時控制多個控制回路。規(guī)律并可同時控制多個控制回路。 對于連續(xù)系統(tǒng)，模擬硬件的成本幾乎與控制規(guī)律對于連續(xù)系統(tǒng)，模擬硬件的成本幾乎與控制規(guī)律復雜程度、控制回路多少成正比；復雜程度、控制回路多少成正比； 計算機本身是一種可編程的智能元件，易于修計算機本身是一種可編程的智能元件，易于修改系統(tǒng)功能和特性，構成了一種柔性（彈性）系統(tǒng)。改系統(tǒng)功能和特性，構成了一種柔性（彈性）系統(tǒng)。 由于計算機控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是由軟件程序?qū)嵱捎谟嬎銠C控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是由軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，并且計算機具有強大的記憶和判斷功能，所以，現(xiàn)的，并且計算機具有強大的記憶和判斷功能，所以，極易實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實

10、現(xiàn)不同的控制功能。極易實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同的控制功能。 隨著微電子技術的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，隨著微電子技術的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，計算機體積減小，重量輕、成本下降；計算機體積減小，重量輕、成本下降； 隨著對自動控制系統(tǒng)功能要求的不斷提高，計算隨著對自動控制系統(tǒng)功能要求的不斷提高，計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)得越來越突出。機控制系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)得越來越突出。 由于系統(tǒng)中插入數(shù)字部件，信號復雜，給設計實由于系統(tǒng)中插入數(shù)字部件，信號復雜，給設計實現(xiàn)帶來一定困難；現(xiàn)帶來一定困難； 初期投資大；初期投資大； 計算機控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制的生計算機控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制

11、的生產(chǎn)過程的復雜程度密切相關，不同的被控對象和不同產(chǎn)過程的復雜程度密切相關，不同的被控對象和不同的要求，應有不同的控制方案。的要求，應有不同的控制方案。 或者說：由于或者說：由于A/D、 D/A通道的形式不同以及計通道的形式不同以及計 算機在系統(tǒng)中的地位、作用不同，計算機控制系統(tǒng)的算機在系統(tǒng)中的地位、作用不同，計算機控制系統(tǒng)的形式也是多種多樣。形式也是多種多樣。 操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) 計算機計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng) Operati

12、onal Guide Control-OGC）圖1.4 操作指導系統(tǒng)結構圖它主要作用是：它主要作用是：集中監(jiān)視集中監(jiān)視操作指導操作指導這種系統(tǒng)主要是完成這種系統(tǒng)主要是完成“數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)采集與處理”，不，不需要完成需要完成“控制控制”功能。所以，嚴格地講：這種形功能。所以，嚴格地講：這種形式的系統(tǒng)不能算是式的系統(tǒng)不能算是“計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)”。這種系統(tǒng)特點是原系統(tǒng)不需作大的改造，只需這種系統(tǒng)特點是原系統(tǒng)不需作大的改造，只需在原系統(tǒng)上獨立地加一套測試系統(tǒng)即可。在原系統(tǒng)上獨立地加一套測試系統(tǒng)即可。因此，因此，結構簡單、實施方便、效益顯著。結構簡單、實施方便、效益顯著。 在該系統(tǒng)中計算

13、機參與了在該系統(tǒng)中計算機參與了對數(shù)據(jù)的采集、控對數(shù)據(jù)的采集、控制決策、控制輸出制決策、控制輸出三個基本功能，同時還負責報三個基本功能，同時還負責報警、打印、顯示和接收操作指令。警、打印、顯示和接收操作指令。 DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用方式。算機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用方式。為了充分發(fā)揮計算機的利用率，一臺計算機為了充分發(fā)揮計算機的利用率，一臺計算機通常要控制幾個或幾十個回路，那就要合理地設通常要控制幾個或幾十個回路，那就要合理地設計應用軟件，使之不失時機地完成所有功能。計應用軟件，使之不失時機地完成所有功能

14、。需要注意的是：對一些關鍵的控制回路，往需要注意的是：對一些關鍵的控制回路，往往設計為計算機控制與儀表控制相結合的形式，往設計為計算機控制與儀表控制相結合的形式，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。以提高整個系統(tǒng)的可靠性。Supervisory Computer Control-SCC (1) SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)SCC共有兩種結構形式：共有兩種結構形式：當當SCC計算機出現(xiàn)故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器計算機出現(xiàn)故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立完成操作。獨立完成操作。該系統(tǒng)與該系統(tǒng)與“操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)ODC的的”區(qū)別是：區(qū)別是： 后者計算機系統(tǒng)主要完成后者計算機系統(tǒng)主要完成 數(shù)據(jù)采集與處理，一數(shù)

15、據(jù)采集與處理，一般般不需要對數(shù)據(jù)進行復雜的工藝分析與計算不需要對數(shù)據(jù)進行復雜的工藝分析與計算。而前。而前者主要完成工藝分析與計算，并給出給定值。者主要完成工藝分析與計算，并給出給定值。當當DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC計算計算機完成機完成DDC的控制功能，使系統(tǒng)可靠性得到提高。的控制功能，使系統(tǒng)可靠性得到提高。 作為作為SCC的計算機一般均采用高檔計算機或的計算機一般均采用高檔計算機或工作站，要求數(shù)據(jù)處理功能強、存儲容量大，對工作站，要求數(shù)據(jù)處理功能強、存儲容量大，對工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾能力倒不一定很強。工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾能力倒不一定很強。優(yōu)點：功能強大、性能優(yōu)越、技術

16、成熟，軟件支持廣泛。優(yōu)點：功能強大、性能優(yōu)越、技術成熟，軟件支持廣泛。缺點：系統(tǒng)比較復雜，成本較高。缺點：系統(tǒng)比較復雜，成本較高。一般適合于大型測控系統(tǒng)。一般適合于大型測控系統(tǒng)。過程控制級過程控制級操作監(jiān)控級操作監(jiān)控級信息管理級信息管理級系統(tǒng)的設計原則：系統(tǒng)的設計原則：分散控制分散控制集中操作集中操作分級管理分級管理分而自治分而自治綜合協(xié)調(diào)綜合協(xié)調(diào)DCS最明顯的特征是：最明顯的特征是：1）DCS計算機系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)；2）網(wǎng)絡分級結構；）網(wǎng)絡分級結構；3）專用軟件平臺。）專用軟件平臺。FCS系統(tǒng)實物圖2 2）FF現(xiàn)場總線基金標準現(xiàn)場總線基金標準2）CAN控制器局域網(wǎng)絡（德國）控制器局域網(wǎng)絡（德

17、國）3）LONWORKS局部操作網(wǎng)絡（美國）局部操作網(wǎng)絡（美國）4） PROFIBUS過程現(xiàn)場總線（德國）過程現(xiàn)場總線（德國）5） HART可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路（美國可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路（美國)目前目前FCS的標準的標準有有200多種多種，其中在我國使用，其中在我國使用較多的有如下幾種：較多的有如下幾種： 由于各集團、國家在技術和市場利益上的沖由于各集團、國家在技術和市場利益上的沖突，目前仍存在多種標準，突，目前仍存在多種標準，尚未統(tǒng)一，尚未統(tǒng)一，因此阻礙因此阻礙了現(xiàn)場總線技術的發(fā)展。了現(xiàn)場總線技術的發(fā)展。由于自動化技術、計算機技術、數(shù)據(jù)通信等技術的由于自動化技術、計算機技術、數(shù)據(jù)通信

18、等技術的發(fā)展，已完全可以滿足上述要求，發(fā)展，已完全可以滿足上述要求，能實現(xiàn)這些功能的系能實現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)稱之為計算機集成制造系統(tǒng)統(tǒng)稱之為計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System - CIMS）。）。當當CIMS 用于流程工用于流程工業(yè)時，簡稱為流程業(yè)時，簡稱為流程 CIMS或或CIPS（Computer Integrated Processing System）。）。 對計算機控制系統(tǒng)的分析和設計，不只是簡單地推廣連續(xù)系統(tǒng)的理論，同時也需要一些專門理論來對它進行研究。計算機控制系統(tǒng)理論主要包括離散系統(tǒng)理論、采樣系統(tǒng)理論及數(shù)字系統(tǒng)理論

19、。q 離散系統(tǒng)理論q 采樣系統(tǒng)理論 差分方程及z變換理論 常規(guī)設計方法 極點配置設計法 最優(yōu)設計方法 系統(tǒng)辨識及自適應控制 采樣系統(tǒng)理論除了包括離散系統(tǒng)的理論外，還包括以下一些內(nèi)容： 采樣理論 連續(xù)模型及性能指標的離散化 采樣控制系統(tǒng)的仿真 采樣周期的選擇 數(shù)字信號整量化效應的研究，如量化誤差、非線性特性的影響等q 衛(wèi)星模型q 直流伺服電機模型q 工業(yè)機器人模型 衛(wèi)星模型常應用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中。衛(wèi)星常要求進行姿態(tài)控制，以使它的天線和傳感器相對于地球具有適當?shù)姆轿弧榇?，需要利用推進器對三個軸進行姿態(tài)控制，分別控制衛(wèi)星的偏離角、傾斜角和轉(zhuǎn)動角。圖1.9 衛(wèi)星結構圖 直流伺服電機最常用的控制方

20、式是電樞控制，即勵磁繞組加恒定勵磁電壓，電樞繞組加控制電壓，當負載轉(zhuǎn)矩恒定時，電樞的控制電壓升高，電動機的轉(zhuǎn)速就升高；反之，減小電樞控制電壓，電動機的轉(zhuǎn)速就降低；改變控制電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)；控制電壓為零，電機就停轉(zhuǎn)，故可實現(xiàn)對被控對象的機械運動的快速控制。圖1.10 直流伺服電機結構圖 工業(yè)機器人被廣泛應用于工業(yè)過程控制，成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中非常重要的機電一體化設備。圖1.11工業(yè)機器人結構示意圖 工業(yè)機器人可以理解為：擬人手臂、手腕和手功能的機械電子裝置；它可把任一物件或工具按空間位姿的時變要求進行移動，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求。圖1.12 機械臂關節(jié)結構示意圖圖1.13 機械臂

21、關節(jié)模型q 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程q 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1946年，世界上第一臺電子計算機 20世紀50年代末，計算機控制系統(tǒng)投入實際應用 20世紀60年代末，小型計算機 1972年，微型計算機，以單片機為代表 分級計算機控制、集散控制系統(tǒng)、集成制造系統(tǒng)（CIMS） 基于網(wǎng)絡的控制技術（簡稱網(wǎng)絡控制）q 可編程控制器 q 嵌入式系統(tǒng)q 集散控制系統(tǒng) q 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)q 計算機集成制造系統(tǒng) q 網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 在制造業(yè)的自動化生產(chǎn)線上，各道工序都是按規(guī)定的時間和條件順序執(zhí)行的，對這種自動化生產(chǎn)線進行控制的裝置稱為順序控制器。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在順序控制器中的應用，順序控制器開始采用類似微型計算機的通用結構，把程序存儲在存儲器中，用軟件實現(xiàn)開關量的邏輯運算、延時等過去用繼電器完成的功