《計算機控制技術(shù)》第1章

計算機控制技術(shù)學(xué)習(xí)《計算機控制技術(shù)》的必要性概況理論聯(lián)系實際的一門課程培養(yǎng)綜合運用各種知識與技術(shù)的能力培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力

平時成績考核形式：

考勤、課堂表現(xiàn)、實驗、課程設(shè)計、作業(yè)

注意到專業(yè)課與基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)方法有很大不同。本課程系統(tǒng)地闡述計算機控制系統(tǒng)的分析方法、設(shè)計方法和工程實現(xiàn)方法。知識儲備主要內(nèi)容①模擬電子技術(shù)②數(shù)字電子技術(shù)③自動控制理論④單片機原理及應(yīng)用計算機技術(shù)控制理論工程技術(shù)自動化儀表計算機控制系統(tǒng)計算機技術(shù)（包括硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)與通訊等）自動控制理論（包括系統(tǒng)建模、控制理論、數(shù)字仿真等）檢測技術(shù)及儀表工程技術(shù)（包括對象背景知識、工程設(shè)計與實施等）對主要參考源的建議有關(guān)書籍知識更新比較慢，但理論相對上更系統(tǒng)、更成熟一些有關(guān)會議論文集知識更新快，新思想與新方法多，但較為粗糙有關(guān)期刊、報紙期刊論文更新要慢一些，相對成熟報紙更新快，但不易保存有關(guān)自動化類、IT類、綜合及相關(guān)行業(yè)類的書報雜志，以及相關(guān)網(wǎng)站1、劉慶豐.計算機控制技術(shù).科學(xué)出版社,2014年8月2、方彥軍，張榮著.計算機控制技術(shù)(普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材).水利水電出版社,2012年8月3、何小陽主編.計算機控制技術(shù).重慶大學(xué)出版社(第一版),2011年3月4、李大中，周黎輝，焦嵩鳴編著.計算機控制技術(shù)與系統(tǒng)(普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材).中國電力出版社,2009年7月5、王慧.計算機控制系統(tǒng)(第三版).化學(xué)工業(yè)出版社,2011年6月計算機控制技術(shù)—主講:羅文廣參考書目第1章緒論

1.1計算機控制系統(tǒng)的概念1.2計算機控制系統(tǒng)分類1.1.1基本概念和組成

1）自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：圖1-1自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如果把圖1-1（a）中的控制器和比較環(huán)節(jié)用計算機來代替，再加上A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等器件，就構(gòu)成了計算機控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-2所示。圖1-2計算機控制系統(tǒng)的基本框圖2）計算機控制系統(tǒng)基本工作原理計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)模擬系統(tǒng)類似，主要的差別是用計算機系統(tǒng)取代了模擬控制器。計算機系統(tǒng)主要包括：．A／D轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換為斷續(xù)的數(shù)字二進制信號，送入計算機；．D／A轉(zhuǎn)換器，將計算機產(chǎn)生的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號(直流電壓)并送給直流電機的放大部件；．數(shù)字計算機(包括硬件及相應(yīng)軟件)，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換處理以及工作狀態(tài)的邏輯管理，按給定的算法程序產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令。計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以歸結(jié)為：

．實時數(shù)據(jù)采集，即A/D變換器對反饋信號及指令信號的瞬時值進行檢測和輸入；．實時決策，即計算機按給定算法，依采集的信息進行控制行為的決策，生成控制指令；．實時控制，即D/A變換器根據(jù)決策結(jié)果，適時地向被控對象輸出控制信號。“實時”，是指信號的采集、處理及指令輸出整個運行過程必須在一定的時間內(nèi)完成，如超過一定的時間就失去了控制時機，控制就失去了意義。

所需時間將依具體系統(tǒng)特性確定。

計算機控制系統(tǒng)由計算機（通常稱為工業(yè)控制機）和生產(chǎn)過程兩大部分組成。3）計算機控制系統(tǒng)基本組成圖1-3計算機控制系統(tǒng)原理圖（1）計算機控制系統(tǒng)的核心。（2）接口計算機與被控對象進行信息交換的紐帶。（3）輸入和輸出通道信息傳輸和轉(zhuǎn)換的連接通道（4）通用外部設(shè)備為了擴大計算機的功能而設(shè)置的（5）操作臺操作臺是一個實時的人機對話的聯(lián)系紐帶（6）自動化儀表自動化儀表主要包括測量元件、檢測儀表、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行機構(gòu)等

1.硬件組成2．軟件計算機控制系統(tǒng)的軟件通常由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。

---系統(tǒng)軟件：計算機的通用軟件。

---應(yīng)用軟件：系統(tǒng)軟件支持下實現(xiàn)各種應(yīng)用功能的專用程序。

包括：控制算法程序、輸入輸出接口程序、監(jiān)控程序及信息管理程序。輸入模塊溫度變送輸出模塊計算機燃料調(diào)節(jié)閥冷物料熱物料加熱爐熱電偶4~20mA（模擬信號）

數(shù)字信號

數(shù)字信號4~20mA(模擬信號）計算機溫度監(jiān)控系統(tǒng)舉例4）計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況（1）.開創(chuàng)時期（1955－1962年）

難于直接參與系統(tǒng)的閉環(huán)控制。計算機的主要任務(wù)是尋求最佳運行條件。（2）.直接數(shù)字控制時期（1962－1967年）

計算機直接控制被控過程的變量，取代了原來的模擬控制，因而被稱為直接數(shù)字控制（DDC)。（3）.小型計算機時期（1967－1972年）各種類型適合工業(yè)控制的小型計算機。許多小型工程項目、設(shè)備采用計算機控制系統(tǒng)。（4）.微型計算機時期（1972年至今）微型處理器件參與控制，使計算機控制系統(tǒng)得到更普及的應(yīng)用。

（5）.集散型控制

微型計算機性能提高，價格下降以及計算機通信和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，促使發(fā)展一種許多相關(guān)聯(lián)的微計算機組合共同負擔(dān)工作負荷的系統(tǒng)，形成了目前廣泛應(yīng)用的集成分散型控制系統(tǒng)（DCS）。

微型計算機的發(fā)展和普及，促進發(fā)展了許多新型計算機的控制方式。

如嵌入式計算機控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)計算機控制；專用控制器迅速的發(fā)展。依賴于計算機實時控制軟件的進展。

過去的幾十年軟件生產(chǎn)的進展不大。性能完好的計算機控制系統(tǒng)，要求計算機控制系統(tǒng)分析、設(shè)計理論的支持。

----采樣系統(tǒng)的基本理論；

----現(xiàn)代離散控制理論；

----各種智能控制理論，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

限于現(xiàn)代理論應(yīng)用的前提和條件，實際難以滿足，應(yīng)用受到了限制。加強先進控制理論的可行性研究，發(fā)展各種簡便易行的先進控制策略，提高系統(tǒng)控制水平。廣泛地用于各種不同的工業(yè)生產(chǎn)；廣泛用于海陸空和航天等國防現(xiàn)代化的各種武器裝備中；迅速地滲透用于現(xiàn)代生活的各式各樣的產(chǎn)品中

---各種用途的機器人系統(tǒng)；

---各種空間飛行器的控制；

---現(xiàn)代工廠自動化中，廣泛使用計算機實現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng)。

1.2計算機控制系統(tǒng)分類1.2.1數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)1.2.3監(jiān)督控制系統(tǒng)1.2.4分布式控制系統(tǒng)1.2.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1.2.6工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)1．數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）DDC控制系統(tǒng)原理圖3．監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）

計算機監(jiān)督系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl）簡稱SCC系統(tǒng)。SCC系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。（1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)該系統(tǒng)原理圖，如圖1-7所示。（2）SCC+DDC控制系統(tǒng)

SCC+DDC控制系統(tǒng)原理圖，如圖1-8所示。圖1-7SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖

圖1-8SCC+DCC控制系統(tǒng)原理圖4．分散型計算機控制系統(tǒng)

分散型計算機控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)---應(yīng)用以多臺計算機為基礎(chǔ)的分散型控制系統(tǒng)。---分散控制基礎(chǔ)上的又形成了集散型計算機控制系統(tǒng)，又稱為分散型綜合控制系統(tǒng)（TotalDCS）。----“控制要分散，管理要集中”。圖1-9分布式計算機控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式為“工作站—現(xiàn)場總線智能儀表”二級結(jié)構(gòu)模式，徹底實現(xiàn)了系統(tǒng)的分散控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-10所示。5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)圖1-10圖1-9現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖用二層結(jié)構(gòu)完成DCS的三層結(jié)構(gòu)功能，降低成本，提高可靠性，國家標準統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)?！顢?shù)字式、雙向、多種網(wǎng)絡(luò)拓撲：現(xiàn)場設(shè)備、現(xiàn)場辦公儀表互聯(lián)?！钫嬲δ芊稚ⅲ含F(xiàn)場控制站的各種功能分散到各個智能單元?！铋_放性：與同層網(wǎng)絡(luò)和其它層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享?！罨ゲ僮餍裕翰煌圃焐坍a(chǎn)品之間相互傳送數(shù)據(jù)，作出響應(yīng)。現(xiàn)場總線特點嵌入式控制系統(tǒng)

ECS（EmbeddedControlSystem）

嵌入式控制系統(tǒng)是計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖象數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品。6.嵌入式控制系統(tǒng)計算機控制技術(shù)發(fā)展趨勢◆體系結(jié)構(gòu)的扁平化和監(jiān)控管一體化：現(xiàn)場信號的處理和控制在底層完成

，且監(jiān)控管并行完成

。◆微型化：計算機監(jiān)控系統(tǒng)是與被監(jiān)控對象是一體的

。微處理芯片技術(shù)、液晶顯示技術(shù)、大容量電子存儲器件技術(shù)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了可靠的保證。

◆大型化及網(wǎng)絡(luò)化：監(jiān)控的參量非常的多

，地域非常的寬廣

?！舳嗝襟w技術(shù)：獲取豐富的現(xiàn)場信號。◆無線化：無線遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng),免去布線，使用快捷。◆全球化

：監(jiān)控技術(shù)應(yīng)