第1章 計算機控制緒論

第一章緒論基本概念計算機控制系統(tǒng)

就是利用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機,簡稱工控機)來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)，實質(zhì)上是自動控制技術(shù)與計算機技術(shù)的結(jié)合?！咀ⅰ抗I(yè)控制的計算機其實是一個泛指，包括單片機、可編程控制器（PLC）、數(shù)字信號處理器（DSP）、工業(yè)PC機、智能調(diào)節(jié)器等。

基本概念自動控制

是指在沒有人的直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動按照預(yù)定的規(guī)律運行。

【例如】飛機、船舶的自動駕駛；導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)；鍋爐的溫度壓力控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)原理框圖【注】常規(guī)的（傳統(tǒng)的）自控系統(tǒng)，其輸入、輸出、控制都是由模擬電路來實現(xiàn)。

給定值

被控量

控制器

執(zhí)行機構(gòu)

被控對象

測量元件

變換發(fā)送

＋/－自動控制理論自動控制理論，就是自動控制共同規(guī)律的總結(jié)。它經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：經(jīng)典控制理論：分析方法以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究對象是單輸入、單輸出、常參數(shù)系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域以工業(yè)控制為主?，F(xiàn)代控制理論：為了適應(yīng)航空和航天技術(shù)的發(fā)展，采用以狀態(tài)為基礎(chǔ)的時域法，主要研究對象是高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)。多學(xué)科相互融合的控制理論：例如以控制論、信息論、仿生學(xué)和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制理論。典型的工業(yè)生產(chǎn)過程典型的工業(yè)生產(chǎn)過程可分為三種：連續(xù)過程（Continuousprocess)：也稱為流程工業(yè)，其產(chǎn)品一般都是流體，過程的輸入輸出為連續(xù)量，如：氣體、液體等。離散過程（Discreteprocess)：也稱為制造業(yè)，其產(chǎn)品是“固態(tài)”、按件計量的，過程的輸入輸出變量為時間離散和幅度離散的量，如：產(chǎn)品的數(shù)量、開關(guān)的狀態(tài)等。批量過程（Batchprocess）：是指間歇性多品種生產(chǎn)過程，其特點是連續(xù)過程和離散過程交替進行，如：配方切換和生產(chǎn)工藝改變是離散過程，而確定配方和工藝后的生產(chǎn)過程又是一個連續(xù)過程。計算機的發(fā)展歷程自從1946年世界上第一臺計算機問世以來，計算機的發(fā)展已經(jīng)歷了四代：第一代：電子管計算機——1946～1958年第二代：晶體管計算機——1958～1964年第三代：集成電路計算機——1964～1971年第四代：大規(guī)模集成電路計算機——1971～今天計算機的應(yīng)用領(lǐng)域大致可以分為：科學(xué)計算企業(yè)管理與數(shù)據(jù)處理計算機輔助設(shè)計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）工業(yè)控制其它為什么在自動控制中引入計算機技術(shù)？計算機具有大容量的存儲能力，強大的邏輯判斷功能和快速運算的本領(lǐng)。把計算機引入自動控制中，就能夠解決常規(guī)控制解決不了的難題，能夠獲得常規(guī)控制達不到的優(yōu)異性能。計算機控制系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)的關(guān)系計算機控制系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一種。常規(guī)的（傳統(tǒng)的）自控系統(tǒng)，其輸入、輸出、控制都是由模擬電路來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的自控系統(tǒng)相比，主要區(qū)別在于計算機控制系統(tǒng)以計算機作為控制的核心。而計算機是數(shù)字的，因此計算機控制系統(tǒng)的輸入、輸出、控制都有了根本性變化。

計算機控制系統(tǒng)原理圖用計算機來代替原來的控制器，加上A/D、D/A變換器，就構(gòu)成了計算機控制系統(tǒng)。

給定值

被控量

測量變送

A/D執(zhí)行機構(gòu)被控對象工控機＋/－D/A工業(yè)控制機生產(chǎn)過程【例1】計算機控制布匹印花印染的流程是“漿洗—>漂白—>蒸汽熏蒸加濕—>印染—>烘干”。最主要的是印染的花色，它是由“各種顏料比例”和“噴灑時機”來控制的。

【例2】計算機控制軋鋼厚度軋鋼的最基本要素是張力和厚度的控制，它們決定著軋鋼質(zhì)量的高低。鋼板厚度越薄，要求控制精度越高。計算機控制系統(tǒng)的工作原理【注】被控量為模擬量計算機控制系統(tǒng)原理計算機控制系統(tǒng)的工作步驟

從本質(zhì)上看，計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟：

①數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

②控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。

③控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。計算機控制系統(tǒng)最基本的要求穩(wěn)定：系統(tǒng)偏差逐漸衰減趨向于0，且具有恢復(fù)原平衡狀態(tài)的性能。——首要要求準確：控制精度要能夠達到指定的要求。及時：控制決策能夠被迅速執(zhí)行。幾個重要概念開環(huán)控制和閉環(huán)控制

在線方式和離線方式

實時

開環(huán)控制和閉環(huán)控制閉環(huán)控制被控量是系統(tǒng)的輸出，被控量又反饋到輸入端，對控制量產(chǎn)生影響?！獔?zhí)行命令，報告結(jié)果（如：計算機控制軋鋼）開環(huán)控制

控制器直接根據(jù)給定值，去控制被控對象工作，不需要被控量的反饋信號?！豢貙ο笾粓?zhí)行命令，不報告結(jié)果（如：計算機控制印花）【注】開環(huán)控制比較簡單，閉環(huán)控制性能比較好。

在線方式和離線方式在線方式（on-line）:

生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式，稱為在線方式或聯(lián)機方式。離線方式(off-line):

生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式，稱為離線方式或脫機方式。實時(real-time)指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制。超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義?！咀ⅰ繉崟r的概念不能脫離具體過程。【例】發(fā)酵過程和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況在生產(chǎn)過程控制中采用數(shù)字計算機的思想出現(xiàn)在五十年代中期，從此計算機控制技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展?？梢园匆韵滤膫€階段來描述其發(fā)展過程。

(1)開創(chuàng)時期(1955～1962年)(2)直接數(shù)字控制時期(1962～1967年)(3)小型計算機時期(1967～1972年)(4)微型計算機時期(1972年～至今)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的扁平化控制系統(tǒng)的智能化控制系統(tǒng)的綜合化計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展前景計算機控制在軋鋼、冶金、航天