计算机控制系统高金源第1章.ppt

1 CH1 CH1 绪论绪论 主要内容主要内容 1.1 1.1 概述概述 计算机控制系统的定义、组成、典型结构计算机控制系统的定义、组成、典型结构 应用分类及特点应用分类及特点 发展概况发展概况 1.2 1.2 课程内容介绍课程内容介绍 2 1.1 概述 实例 典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统 图1-1雷达天线指向位置跟踪系统 3 1.1 概述 精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定 向。 天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立 控制系统。 系统除了采用速度反馈外，控制器还采用了滞 后-超前等串联校正网络，该校正网络利用常 规的有源模拟运算放大器实现。 为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的 校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用 模拟式部件实现将是很困难的。 4 1.1 概述 计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装 置的作用。 图1-2 雷达天线指向位 置跟踪系统原理结构图 5 1.1 概述 1.计算机控制系统的定义 计算机控制系统（Computer Control System,简称CCS） ： 应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系 ，以获得一定控制目的而构成的系统。 计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大 型的通用或专用计算机。 辅助部件主要指输入输出接口、检测装置、执行装置等 所谓“联系”，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数 字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线 电波和光波等进行联系。 6 计算机控制系统 （Computer Control System,简称CCS）： 应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联 系，以获得一定控制目的而构成的系统。 被控对象，范围很广，包括各行各业的生产过程、机械 装置、交通工具、仪器仪表和家用电器等。 控制的目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某 种要求，也可以是达到某种最优化目标。 7 闭环控制系统典型结构 2.计算机控制系统的典型结构 用数字计算机来 实现，即为计算 机控制系统 8 从本质来看，计算机控制系统的控制过程归结为： l实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时 值进行检测和输入； l实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制 行为的决策，生成控制指令； l实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象 输出控制信号。 p“实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过 程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控 制时机，控制就失去了意义。 p所需时间将依具体系统特性确定。 9 在线控制计算机对受控对象或受控生产过程，能够 行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在 线控制或称联机控制系统 实时控制指受控对象或受控过程，每当请求处理或 请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统。 常用在生产过程是间断进行的场合，如炼钢，每炼一 个炉钢是一个过程，每个过程都重复进行，只有进入过程 才要求计算机进行控制。计算机一旦进行控制，就要求对 来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制。 综上，一个在线系统并不一定是一个实时系统，一个 实时系统必是一个在线系统。 补充术语： 离线控制计算机没有直接参与控制对象，只是对其状 态检测，并处理检测数据，而后制定出控制方案，输出控制 指示，操作人员参考控制指示，手动操作使控制部件进行控 制 10 3.计算机控制系统(CCS)组成 计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制 部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成 的系统只由硬件组成。 输入输出通道生产过程装置主机外部设备 11 硬件部分： 被控对象；测量装置；执行机构； 计算机系统（主机和输入输出通道）； 外部设备。 3.计算机控制系统(CCS)组成 12 系统软件： 操作系统、诊断系统、开发系统等。 应用软件： 过程监视程序：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、 过程分析等； 过程控制程序:控制算法、事故处理和信息管理（信息生成调度、文件管 理及输出、打印、显示等）； 公共服务程序:基本运算、函数运算、数码转换、格式编码等 3.计算机控制系统(CCS)组成 软件部分： 13 4.计算机控制系统应用分类 根据应用特点及控制目的和系统构成的不同，计算机控 制系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类： 操作指导控制系统（数据采集处理系统） 优点：结构简单，控制灵活和安全可靠。 缺点：要由人工进行操作，操作速度受到了人为的限制，并且不能同时控制 多个回路。 该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及 试验新的数学模型，调试新的控制程序等。 生产过程集中监视 操作指导 14 直接数字控制系统DDC 这是一个闭环系统。 巡回检测一个或多个被控参数进行，与设定值进行比较，再进行 控制运算，输出到执行机构。 这种系统中计算机直接参与生产过程的控制，所以要求实时性好 、可靠性高和环境适应性强，这是我们研究的主要对象。 15 计算机监督控制系统（SCC） SCC系统是2级计算机控制，它是操作指导控制系统和DDC系统 的综合与发展。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制；监督计 算机则根据生产过程工况和已知的数学模型，进行优化分析，产生最 优设定值，作为直接数字控制的指令信号。 16 分散式计算机控制系统（DCS） -原则：“控制要分散， 管理要集中” -特点：可靠性高、速 度快、结构灵活，易于扩 展、设计、开发、维护简 便 17 18 5.CCS特点及优点 特点 1.系统结统结 构与信号特点：混合系统统（部件、信号）； 2.系统统工作方式特点：多回路； 优优点 1.避免模拟实现拟实现 的困难难，方便复杂计杂计 算，容易控制规规律灵活 多样样； 2.能够实现数据统计和工况显示，用户界面有效； 3.性能价格比高； 4.适应应性强，灵活性高。 19 l 起源 n 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术结合的产物。 1950年前后：数字计算机作为控制系统的部件 系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对5个反应器供料的最佳分 配，根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循 环 在早期的航空应用中研制出了一些专用计算机 n 20世纪50年代中期：在过程控制中采用数字计算机 1956年3月，汤姆森 拉莫伍尔里奇（TRW）航空公司与得克萨柯（ Texaco）公司联合提出了一个可行性研究报告设计出采用RW-300 计算机的聚合装置计算机控制系统，1959年3月12日在线运行。它 控制26个流量、72个温度、3个压力和3个成分。 6. CCS起源与发展 20 l 发展 开创期约1955年 直接数字控制期约1962年 n 小型计算机时期约1967年 n 微型计算机控制期约1972年 n 计算机控制的普遍应用期约1980年 n 集散型控制期约1990年 n 进一步发展全厂监督和控制 21 开创期约1955年 计算机发展水平：计算机系统速度慢、价格贵，也不可靠 监督操作方式：操作指导式且设定值控制 局限性：计算机的潜能没有得到充分发挥，需要常规的模拟 控制设备 计算机的作用：显示、报警 1955年，美国汤姆森 拉莫伍尔里奇（TRW）航空公司与得克萨柯 （Texaco）公司合作进行计算机过程控制研究。经过3年，设计出采 用RW-300计算机的聚合装置计算机控制系统，它控制26个流量系 统、72个温度系统、3个压力系统和3个成分。 系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对5个反应器供料的最佳分配, 根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循环 22 直接数字控制期（DDC）约1962年 代表产品：1962年，英国的帝国化学工业公司（ICI）制造的装置，过 程控制中的全部模拟仪表由一台计算机来代替。计算机直接测量224个 变量和控制129个阀门 直接数字控制：计算机直接控制生产过程 优点（1）新增控制成本低：多回路 （2）系统设备变更维护方便：板卡替换 （3）程序更改灵活：修改程序 缺点：难于实现特殊的控制策略 意义：是计算机控制系统发展方向上的重大变革，这种系统着重关心的 是基本的控制功能。 23 n 小型计算机时期约1967年 出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。 代表：CDC1700计算机 n 微型计算机控制期约1972年 微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。 应用领域：电力、过程控制、制造、运输以及娱乐行业的控制、 生产和分配的全部领域 n 集散型控制（DCS） 组成：过程站、操作站、辅助站点、通信网络 优点：易于并行运行多项任务来提高系统的性能 代表：TDC2000 网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。 24 7. 计算机控制系统应用概况 广泛地用于各种不同的工业生产； 广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器 装备中； 迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中 -各种用途的机器人系统； 25 应用:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统 现代民用飞机座舱数字控制电子设备 飞机飞行高度计算机控制系统 26 -各种空间飞行器的控制； -现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现 分散控制和集中监视系统。 7. 计算机控制系统应用概况 27 1.1.设计设计设计设计 方法方法 计计算机控制系统统是一种混合信号系统统 1.2 1.2 课程内容课程内容 被控对象D/AA/DCPU A A D/AA/D被控对象 CPU BB 图（a） 图（b） 从图（a）中AA来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以 看成是连续系统； 从图（b）中BB来看又可将其看成离散信号系统，因此在 实际工程设计时亦有两种方法。 28 一一、连续连续域设计离散化域设计离散化方法方法近似实现方法 - 将计算机控制系统看成是连续系统，在连续 域上设计得到连续控制器。 - 采用不同方法将其数字化（离散化) 。 - 目前常用的近似设计方法 。 二、直接二、直接数字域（离散域）数字域（离散域）设计设计精确设计方法 - 将系统看成是纯离散信号系统，直接在离散 域行设计，得到数字控制器。 - 准确的设计方法，日益受到重视。 p正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。 p软件编程值得注意。 实际工程设计时两种方法： 29 2.2.课程内容课程内容 -采样理论、模型、分析、设计（与经典控制类似） 微分方程差分方程； S传递函数Z传