《計算機控制技術》第1章

計算機控制技術學習《計算機控制技術》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、課程設計、作業(yè)

注意到專業(yè)課與基礎課的學習方法有很大不同。本課程系統(tǒng)地闡述計算機控制系統(tǒng)的分析方法、設計方法和工程實現(xiàn)方法。知識儲備主要內容①模擬電子技術②數字電子技術③自動控制理論④單片機原理及應用計算機技術控制理論工程技術自動化儀表計算機控制系統(tǒng)計算機技術（包括硬件、軟件、網絡與通訊等）自動控制理論（包括系統(tǒng)建模、控制理論、數字仿真等）檢測技術及儀表工程技術（包括對象背景知識、工程設計與實施等）對主要參考源的建議有關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，但不易保存有關自動化類、IT類、綜合及相關行業(yè)類的書報雜志，以及相關網站1、劉慶豐.計算機控制技術.科學出版社,2014年8月2、方彥軍，張榮著.計算機控制技術(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.重慶大學出版社(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).化學工業(yè)出版社,2011年6月計算機控制技術—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)的基本結構：圖1-1自動控制系統(tǒng)的基本結構

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轉換器、D/A轉換器等器件，就構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轉換器，將連續(xù)模擬信號轉換為斷續(xù)的數字二進制信號，送入計算機；．D／A轉換器，將計算機產生的數字指令信號轉換為連續(xù)模擬信號(直流電壓)并送給直流電機的放大部件；．數字計算機(包括硬件及相應軟件)，實現(xiàn)信號的轉換處理以及工作狀態(tài)的邏輯管理，按給定的算法程序產生相應的控制指令。計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以歸結為：

．實時數據采集，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變換器根據決策結果，適時地向被控對象輸出控制信號?！皩崟r”，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換的連接通道（4）通用外部設備為了擴大計算機的功能而設置的（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、調節(jié)儀表、執(zhí)行機構等

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)軟件和應用軟件組成。

---系統(tǒng)軟件：計算機的通用軟件。

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

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節(jié)閥冷物料熱物料加熱爐熱電偶4~20mA（模擬信號）

數字信號

數字信號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。計算機的主要任務是尋求最佳運行條件。（2）.直接數字控制時期（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絡的發(fā)展，促使發(fā)展一種許多相關聯(lián)的微計算機組合共同負擔工作負荷的系統(tǒng)，形成了目前廣泛應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)；網絡計算機控制；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、神經網絡。

限于現(xiàn)代理論應用的前提和條件，實際難以滿足，應用受到了限制。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；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數據采集和監(jiān)控系統(tǒng)1.2.2直接數字控制系統(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)以太網控制系統(tǒng)1．數據采集和監(jiān)控系統(tǒng)數據采集和監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖2．直接數字控制系統(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)有兩種不同的結構形式。一種是SCC+模擬調節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。（1）SCC+模擬調節(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)---應用以多臺計算機為基礎的分散型控制系統(tǒng)。---分散控制基礎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)的結構模式為“工作站—現(xiàn)場總線智能儀表”二級結構模式，徹底實現(xiàn)了系統(tǒng)的分散控制。其結構框圖如圖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)結構框圖用二層結構完成DCS的三層結構功能，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)結構，是新一代分布式控制結構?！顢底质健㈦p向、多種網絡拓撲：現(xiàn)場設備、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：與同層網絡和其它層網絡互聯(lián)，實現(xiàn)數據共享?！罨ゲ僮餍裕翰煌圃焐坍a品之間相互傳送數據，作出響應?，F(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、控制技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖象數據傳輸技術，甚至傳感器等先進技術和具體應用對象相結合后的更新?lián)Q代產品。6.嵌入式控制系統(tǒng)計算機控制技術發(fā)展趨勢◆體系結構的扁平化和監(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、液晶顯示技術、大容量電子存儲器件技術的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了可靠的保證。

◆大型化及網絡化：監(jiān)控的參量非常的多

，地域非常的寬廣

?！舳嗝襟w技術：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?！羧蚧?/p>

：監(jiān)控技術應