計算機控制系統(tǒng)復習進程

1、計算機控制系統(tǒng)1.計算機控制系統(tǒng)的一般概念 在連續(xù)控制系統(tǒng)框圖1.1中，給定值與反饋值經(jīng)過比較器比較產(chǎn)生偏差，控制器對偏差進行控制運算，產(chǎn)生控制信號驅動執(zhí)行機構。系統(tǒng)內信號通常是模擬信號。 將連續(xù)控制系統(tǒng)中的比較器和控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的計算機控制系統(tǒng)（見圖1.2）。計算機控制系統(tǒng)通常是模擬信號和數(shù)字信號的混合系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)內部，需要進行模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉換（A/D 和D/A 轉換）。 計算機控制系統(tǒng)的控制過程為數(shù)據(jù)采集及處理和實時控制。 圖1.1 連續(xù)控制系統(tǒng)的典型結構圖1.2 計算機控制系統(tǒng)基本框圖 2.計算機控制系統(tǒng)的組成 圖1.3 計算機控制系統(tǒng)

2、的組成框圖 3.計算機控制系統(tǒng)的特點 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 1.2 計算機控制系統(tǒng)的類型 根據(jù)計算機在控制系統(tǒng)中的控制功能和控制目的，可將計算機控制系統(tǒng)分為以下幾種類型。q 操作指導控制系統(tǒng) q 直接數(shù)字控制系統(tǒng) q 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng) q 分級計算機控制系統(tǒng) 操作指導控制系統(tǒng) 所謂操作指導是指計算機的輸出不直接用來控制被控對象，只是每隔一定時間，計算機進行一次數(shù)據(jù)采集，將系統(tǒng)的一些參數(shù)經(jīng)A/D轉換后送入計算機進行計算及處理，然后進行報警、打印和顯示。操作人員根據(jù)這些結果去改變調節(jié)器的給定值或直接操作

3、執(zhí)行機構。 圖1.4 操作指導系統(tǒng)結構圖 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式。計算機通過檢測元件對一個或多個系統(tǒng)參數(shù)進行巡回檢測，并經(jīng)過輸入通道送入計算機。計算機根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，然后發(fā)出控制信號直接去控制執(zhí)行機構，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預定值。圖1.5 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng) 監(jiān)督計算機控制（SCC）系統(tǒng)結構如圖1.6所示。在SCC系統(tǒng)中，由計算機按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型，計算出最佳控制輸出送給模擬調節(jié)器或者DDC計算機，最后由模擬調節(jié)器或者DDC計算機控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程始終處于最佳工作狀態(tài)。 圖1.6 監(jiān)督

4、計算機控制系統(tǒng) 分級計算機控制系統(tǒng)裝置控制級（DDC級） 工廠集中控制級 車間監(jiān)督級（SCC級） 企業(yè)管理級圖1.7分級計算機控制系統(tǒng) 1.3 計算機控制理論 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。q 離散系統(tǒng)理論q 采樣系統(tǒng)理論 離散系統(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 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

5、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1.4 計算機控制系統(tǒng)應用實例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 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?。為此，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、傾斜角和轉動角。圖1.9 衛(wèi)星結構圖直流伺服電機模型 直流伺服電機最常用的控制方式是電樞控制，即勵磁繞組加恒定勵磁電壓，電樞繞組加控制電壓，當負載轉矩恒定時，電樞的控制電壓升高，電動機的轉速就升高；反之，減小電樞控制電壓，電動機的轉速就降低；改變控制電壓的極性，電機就反轉

6、；控制電壓為零，電機就停轉，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)機器人模型 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)機器人模型 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 機械臂關節(jié)模型 1.5 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展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)展趨勢計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程 1946年，世界上第一臺電子計算機 20世紀

7、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）計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢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)可編程控制器 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

8、邏輯運算、延時等過去用繼電器完成的功能，形成了可編程邏輯控制器PLC。嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）以計算機技術為基礎，是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術，甚至傳感器等先進技術和Internet網(wǎng)絡技術與具體應用對象相結合的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)嵌入的本質是將一個微型計算機嵌入到一個具體應用對象體系中去。 集散控制系統(tǒng) 目前，在過程控制領域，集散控制系統(tǒng)技術已日趨完善而逐漸成為被廣泛使用的主流系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)發(fā)展初期是以實現(xiàn)分散控制為主，而進入20世紀80年代以后，集散控制系統(tǒng)的技術重點轉向全系統(tǒng)信息的綜合管理，因其具有分散控制和綜合管理

9、兩方面特征，故稱為分散型綜合控制系統(tǒng)，簡稱為集散控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制是工業(yè)設備自動化控制的一種計算機局域網(wǎng)絡。它是依靠具有檢測、控制、通信能力的微處理芯片，數(shù)字化儀表（設備）在現(xiàn)場實現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場分散的測量、控制設備單個點作為網(wǎng)絡節(jié)點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。 計算機集成制造系統(tǒng) 計算機集成制造系統(tǒng)CIMS是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將工廠中的全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)控制、生產(chǎn)設備、生產(chǎn)過程等所需使用的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，消除“自動化孤島”，實現(xiàn)多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效率、高柔性的智能制造系統(tǒng)。 網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡控制（Internet Based Control）系統(tǒng)是以網(wǎng)絡為媒介對被控對象實施遠程遙控制、遙操作的一種新興的