第1章計算機控制系統(tǒng)概述

計算機控制原理與技術(shù)宋書瀛計算機學(xué)院songshuying@辦公室：信息樓西303電話：67392370-6021參考教材《計算機控制技術(shù)》蔣心怡等清華大學(xué)出版社

2007年《計算機控制原理與應(yīng)用》陳炳和北航出版社2008年《微型計算機控制技術(shù)》(第2版)潘新民電子工業(yè)出版社2011年《微型計算機控制技術(shù)》（第3版）謝劍英等

國防工業(yè)出版社

2001年《微機工業(yè)控制》陳汝全西安電子科技大學(xué)2000年2課程的意義計算機控制是自動控制理論和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)本門課程主要研究如何將計算機技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機控制系統(tǒng)目的在于使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計方法；常用控制算法；計算機控制系統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)知識和基本應(yīng)用技術(shù)3教學(xué)內(nèi)容計算機控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)的基本理論知識MCS-51單片機過程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字PID控制算法4第一章

計算機控制系統(tǒng)概述5內(nèi)容簡介1.1計算機控制系統(tǒng)的概念1.2計算機控制系統(tǒng)的組成1.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式1.4計算機控制系統(tǒng)的典型控制方式1.5計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢61.1計算機控制系統(tǒng)的概念自動控制是指在沒有人直接干預(yù)的情況下，通過控制裝置使機械、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個或某些物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運行能夠?qū)崿F(xiàn)這種自動控制的裝置稱為控制器71.1計算機控制系統(tǒng)的概念自動控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象等部件為了一定的目的有機的聯(lián)結(jié)成的一個進行自動控制的總體，稱為自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)形式8閉環(huán)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的被控量經(jīng)反饋裝置反饋給控制器，并根據(jù)給定量與反饋量之間的偏差，產(chǎn)生控制作用，并力圖減小偏差，使被控量趨于給定量的系統(tǒng) 輸入量和反饋量之差稱為偏差信號 閉環(huán)控制系統(tǒng)是按偏差進行控制的控制系統(tǒng)，它是自動控制系統(tǒng)的基本形式，是大多數(shù)控制系統(tǒng)具備的結(jié)構(gòu)1.1計算機控制系統(tǒng)的概念給定量被控對象被控量反饋裝置+-偏差反饋值執(zhí)行機構(gòu)控制器（輸入量）（輸出量）9開環(huán)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，或前饋控制系統(tǒng)1.1計算機控制系統(tǒng)的概念控制器被控對象給定量被控量執(zhí)行機構(gòu)101.1計算機控制系統(tǒng)的概念計算機控制系統(tǒng)將自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了典型的計算機控制系統(tǒng)。下圖是一個典型的按偏差進行控制的計算機控制系統(tǒng)。被控對象給定值檢測裝置執(zhí)行機構(gòu)控制器A/DD/A計算機被控量111.1計算機控制系統(tǒng)的概念計算機控制系統(tǒng)的特點控制規(guī)律靈活多樣，改動方便控制精度高，抑制擾動能力強能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高控制與管理一體化，進一步提高自動化程度121.1計算機控制系統(tǒng)的概念計算機控制系統(tǒng)的控制過程實時數(shù)據(jù)采集實時計算實時控制4、信息管理控制周期：完成實時數(shù)據(jù)采集、實時計算，實時控制所用的時間。131.1計算機控制系統(tǒng)的概念幾個常用術(shù)語實時（Realtime）：計算機輸入、計算和輸出都在規(guī)定時間內(nèi)完成在線（Online）：計算機控制系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備直接相連離線（Offline）：計算機控制系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備斷開

在線與實時的關(guān)系

—一個實時系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)

—一個在線系統(tǒng)不一定是實時系統(tǒng)141.2計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)硬件：計算機本身及其外圍設(shè)備軟件：管理計算機的程序及過程控制應(yīng)用的程序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：計算機之間信息交互的渠道15計算機控制系統(tǒng)硬件組成框圖1.2計算機控制系統(tǒng)的組成打印機顯示終端磁盤驅(qū)動器微型計算機實時時鐘操作臺接口接口接口接口D／AA／D多路開關(guān)反多路開關(guān)開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出執(zhí)行機構(gòu)生產(chǎn)對象通用外部設(shè)備主機及操作臺外部通道接口檢測及變送控制對象傳感器變送器161.2計算機控制系統(tǒng)的組成硬件組成

◆

主機：CPU、RAM/ROM

◆通用外部設(shè)備：打印機、顯示終端、磁盤驅(qū)動器等

◆接口與輸入輸出通道：AI、AO、DI、DO

◆檢測元件及儀表：將被測（被控）參數(shù)由非電量變?yōu)殡娏?，并將這些電量變?yōu)锳/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一電壓。

◆執(zhí)行機構(gòu)：電動、氣動、及液動等控制形式

◆

運行操作臺：顯示屏、功能鍵、數(shù)字鍵17系統(tǒng)軟件：提供計算機運行和管理的基本環(huán)境1.操作系統(tǒng)：管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等；2.診斷系統(tǒng)：調(diào)試程序及故障診斷程序；3.開發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計語言、語言處理程序(編譯程序)、服務(wù)程序(裝配程序和編輯程序)、模擬主系統(tǒng)(系統(tǒng)模擬、仿真、移植軟件)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等；4.信息處理：文字翻譯、企業(yè)管理等。1.2計算機控制系統(tǒng)的組成軟件組成：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件18應(yīng)用軟件：面向用戶本身的程序1.過程監(jiān)視程序：指巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報警程序、操作面板服務(wù)程序、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序、判斷程序、過程分析程序等2.過程控制計算程序：指控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序3.公共服務(wù)程序：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序1.2計算機控制系統(tǒng)的組成19網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Peer-to-Peer,P2P）客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client/Server,C/S）1.2計算機控制系統(tǒng)的組成20控制用計算機的特點環(huán)境適應(yīng)性好、可靠性高實時性好有完善的I/O通道（設(shè)備）較強的中斷處理能力對字長、速度、和內(nèi)存容量要求不高有完善的軟件系統(tǒng)控制規(guī)律靈活多樣，改動方便1.2計算機控制系統(tǒng)的組成211.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)計算機工業(yè)對象器換轉(zhuǎn)D/A采樣器測量元件顯示終端打印機控制儀表221.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式特點計算機不直接參與過程控制，對生產(chǎn)過程不直接產(chǎn)生影響。一臺計算機可以代替大量的顯示和記錄儀表，從而對整個生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視。對大量數(shù)據(jù)綜合處理分析，有利于指導(dǎo)生產(chǎn)過程?？捎么讼到y(tǒng)摸清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，控制規(guī)律，為構(gòu)成計算機閉環(huán)控制奠定基礎(chǔ)。23直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl,DDC）1.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式計算機生產(chǎn)過程顯示打印機報警操作臺）ID，D/A（入輸程過）OD，A/D（出輸程過241.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式特點實現(xiàn)復(fù)雜的控制，改善控制質(zhì)量一臺計算機可以取代多個模擬調(diào)節(jié)器，控制多個回路。靈活性大，控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)，只要改變程序就可以實現(xiàn)各種控制算法。

25監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl,SCC）

—給定值控制

—兩種不同的結(jié)構(gòu)：

?SCC＋模擬調(diào)節(jié)器

?SCC＋DDC1.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式261.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式工藝數(shù)據(jù)顯示打印報警機算計CCS測量控制模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程(a)統(tǒng)系器節(jié)調(diào)擬模+CCS給定值工藝數(shù)據(jù)顯示打印報警機算計CCS測量控制CDD生產(chǎn)過程用計算機給定值統(tǒng)系制控CDD+CCS

(b)27計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)有哪幾種形式，其主要差別？計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)即SCC系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)形式，即：SCC+DDC;SCC+模擬調(diào)節(jié)器這樣兩種結(jié)構(gòu)形式。SCC+DDC：一機控制多路（多個被控參數(shù)）靈活的修改控制算法SCC+模擬調(diào)節(jié)器：一個模擬調(diào)節(jié)器只能控制一個被控參數(shù)，多路則要多個模擬調(diào)節(jié)器當(dāng)修改算法就要改動模擬調(diào)節(jié)器的硬件模擬調(diào)節(jié)器無法實現(xiàn)計算機實現(xiàn)的復(fù)雜算法281.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式特點可根據(jù)工況變化，及時改變給定值，實現(xiàn)給定值的最優(yōu)控制。可靠性好，SCC級有故障時，DDC或模擬調(diào)節(jié)器可以獨立完成操作。DDC級有故障可由SCC級代替。適用于企業(yè)技術(shù)的升級，即用上了原來的模擬調(diào)節(jié)器，又用了計算機實現(xiàn)了給定值的控制。仍有DDC系統(tǒng)的優(yōu)點。29分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）又稱為：集散控制系統(tǒng)1.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式30特點可靠性高速度快，控制更加靈活方便結(jié)構(gòu)靈活，易于擴展設(shè)計、開發(fā)、維護簡便31現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,FCS）1.3計算機控制系統(tǒng)的典型形式321.4計算機控制系統(tǒng)的典型控制方式順序控制和數(shù)值控制

◆

開環(huán)控制方式

◆順序控制 按一定的時間順序或邏輯順序工作

—定時控制

—邏輯控制

◆數(shù)值控制（數(shù)字程序控制） 按給定的數(shù)據(jù)以一定的程序進行控制33數(shù)字PID控制（Proportional-Integral-Differential）◆按偏差的比例、積分和微分進行控制

◆算法比較簡單，在連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛數(shù)字控制器的直接設(shè)計算法

—以Z變換為基礎(chǔ)的采樣控制系統(tǒng)模型預(yù)測控制

—基于系統(tǒng)輸入輸出描述的控制算法

1.4計算機控制系統(tǒng)的典型控制方式341.5計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可編程邏輯控制器（PLC）體積小，可靠性高，并具有很強的邏輯控制及數(shù)值計算能力抗干擾能力強，一旦出現(xiàn)故障，具有停電保護、自診斷功能，不要求一般計算機所具備的環(huán)境條件具有獨立的編程器、編程方法簡單、易于掌握具有多種PID算法可供選擇功能模塊化易于組合和擴充351.5計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢新型的DCS和FCS發(fā)展以現(xiàn)場總線技術(shù)等先進網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的DCS和FCS控制結(jié)構(gòu)并采用先進的控制策略使計算機控制系統(tǒng)向低成本綜合自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)越來越受到人們的青睞，將成為今后微型計算機控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。36最優(yōu)控制

—指在生產(chǎn)過程客觀允許的范圍內(nèi)，力求獲得生產(chǎn)過程最好的產(chǎn)品質(zhì)量和最高產(chǎn)量而能耗又最低的一種控制方法。換句話說，最優(yōu)控制就是使生產(chǎn)過程獲得最好的經(jīng)濟效益的控制。自適應(yīng)控制

—設(shè)計的控制器，可以使系統(tǒng)在統(tǒng)計變化的情況下，仍能使其性能指標(biāo)達到最優(yōu)—一個理想的自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)環(huán)境變化和系統(tǒng)要求