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计算机控制系统计算机控制系统 Computer Control SystemComputer Control System 课程基本要求 n不旷课、迟到。无故旷课5次以上 ，重修 n课外多读、多看 n课程成绩：平日到课+课堂回答问 题+作业+考试 n做好笔记 n参考教材： 计算机控制系统，化学工业出版 社 视频资料 增加感性认识 理解综合自动化 看看离开计算机能否实现自动化？ n/v_show/id_XMTg 3Mzk1MjY4.html （自动灌装） n/v_show/id_XODY 5NzM5ODg=.html 疏离瓦机 n/v_show/id_XMTE wNjY5OTg0.html 三色软管丝印机 n/v_show/id_XMTg 3NDA4NzU2.html 灌装封杯机 视频资料 n苹果自动分级 n足球机器人 nDCS 介绍 n/v_show/id_XODYwMzc 4MjQ=.html n/v_show/id_XODYwMzc 3MDQ=.html n/v_show/id_XODYwMzc 0Njg=.html n/v_show/id_XODYwMzc 4ODQ=.html 视频资料 n在以计算机技术、网络技术、通讯 技术和自动化技术等四大技术支持的综 合自动化时代，自动化走进了人类社会 的各个领域，而以PC机、工业PC机（ IPC）为代表的微型计算机在各个领域 的自动化过程中发挥了重要作用。 第一讲 计算机控制概述 本章要点 1.了解计算机控制系统的构成原理 2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成 。 3. 初步认识微型计算机控制系统分类与装 置种类 1 引言 计算机控制技术及工程应用-是把计算机技术与自 动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部 件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发， 自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程 来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。本门课程立足于工 业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统 的结构组成、相关技术及其工程应用。下图为一个制药车间的自 动化生产流程。 1.1 计算机控制系统的组成 主要知识点: 1.1.1 控制系统概念 1.1.2 硬件组成 1.1.3 软件组成 1.1.1 控制系统概念 计算机控制系统是由常规仪表控制系统 演变而来的; 常规仪表组成的自动控制系统根据不同 的控制要求，一般分成闭环控制(图1-1a所示 )与开环控制(图1-1b所示)两种结构形式; 计算机控制系统原理组成用控制计算 机代替图1-1的控制器，如图1-2所示； （1）闭环控制系统 闭环控制系统-闭环控制系统中，测量变送器对被控对 象进行检测，把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制 器中，控制器将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的 控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使 被控对象的被控量跟踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。 这种信号传递形成了闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控 制系统。 euqy 控制器执行器被控对象 测量变送器 偏差给定值控制作用操纵变量被控量 测量值 r+ _ z f 干扰 图1-1(a) 闭环控制系统 （2）开环控制系统 开环控制系统-不同于闭环系统，它 不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据 给定值驱动执行器去控制被控对象，所以这种信号 的传递是单方向的。环控制系统不能自动消除被控 量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统 。 uqy 控制器执行器被控对象 给定值控制作用操纵变量被控量 r (b) 开环控制系统 （3）计算机闭环控制系统原理组成 计算机闭环控制系统的原理组成-是把图1-1 中的控制器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转 换接口与D/A（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的 是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此 需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号 ，以及D/A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号 。 图1-2 计算机控制系统原理图 （4）计算机控制系统的监控过程步骤 a.实时数据采集-对来自测量变送器的被控 量的瞬时值进行采集和输入 ； b.实时数据处理-对采集到的被控量进行分 析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控 制决策； c.实时输出控制-根据控制决策，适时地对 执行器发出控制信号，完成监控任务； 1.1.2 硬件组成 计算机控制系统硬件一般包括： 主机-CPU RAMROM系统总线 常规外部设备-输入/输出设备、外存储器等 过程输入输出通道AI、AO、DI、DO 操作台CRT、LED、LCD 等 通信设备交换机、modem、集线器等 图 1-3所示硬件组成框图 图1-3 计算机控制系统硬件组成框图 1.1.3 软件组成 硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机 正确地运行解决各种问题，必须为它编制软件。 所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总 和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的 动作都是在软件程序指挥下协调工作的。 软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系 统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管 理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产过 程要求而编制的各种应用程序。 总结总结1 1：计算机控制系统的组成：计算机控制系统的组成 软件部分 计算机控制系统 硬件部分 控制计算机 主机、外设、系统总线 生产过程输入输出通道 人机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 操作系统 组态软件 . 系统软件 应用软件 过程输入/输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库 计算机控制系统的组成示意图计算机控制系统的组成示意图 总结2：计算机控制系统与常规控制区别 图（a）模拟系统 控制器被控对象 + _ r(t)e(t)u(t)y(t) 执行机构 测量环节变送器 图（b）计算机控制系统 计算机控制对象 控制器被控对象 + _ r(k)e(k)u(k)y(t) 执行机构 变送器 D/A A/D u(t) y(k) 测量环节 计算机控制系统主要特点： 实现最优控制； 实现集中监视与操作； 控制灵活； 控制精度高。 1.2 控制系统分类 主要知识点 1.2.1 数据采集系统（DAS） 1.2.2 操作指导控制系统 (OGC) 1.2.3 直接数字控制系统（DDC） 1.2.4 监督计算机控制系统（SCC） 1.2.5 分散控制系统（DCS） 1.2.6 现场总线控制系统（FCS） 1.2.1 数据采集系统（DAS） 数据采集系统(Data Acquisition System)-是计算机应用于生产过程控制最早 、也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变 送仪表发送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分 析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。 1.2.2 操作指导控制系统 (OGC) 操作指导控制系统-是基于数据采 集系统的一种开环结构，如图1-6所示。计算 机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优 化计算，计算出的最优操作条件，并不直接 输出控制被控对象，而是显示或打印出来， 操作人员据此去改变各个控制器的给定值或 操作执行器，以达到操作指导的作用。它相 当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作 状态。OGC系统的优点是结构简单，控制灵活 和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限 制，不能同时控制多个回路。 1.2.3 直接数字控制系统（DDC ） DDC系统-是用一台计算机不仅完成对多个被 控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决 策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程 的闭环控制，为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给 定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台 计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路 的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实 现各种各样的复杂控制。 计 算 机 生 产 过 程 显示 打印机 报警 操作台 ）ID，D/A（ 入输程过 ）OD，A/D（ 出输程过 图1-7 直接数字控制系统 1.2.4监督计算机控制系统（SCC ） 监督计算机控制系统即SCC-是OGC系 统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级 系统，如图1-8所示。显然，这属于计算机在线最优 控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位 机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制， 要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上 位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能 力强，存储容量大的高档计算机。 1.2.5 集散控制系统（DCS） 集散控制系统-是以微处理器为基 础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管 理和分散控制的先进计算机控制系统。由于早 期开发的分散控制系统在体系结构上具有分散 式系统的特征，因此国外将该类系统取名为分 散控制系统，国内也有人将其称为集散型控制 系统，或者是分布式控制系统。集散控制系统 简称为DCS。DCS 采用分散控制、集中操作、 分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。 它的结构组成如下图所示。 w计算机集散控制系统（DCS） 监督控制计算机 CRT操作站 基本调节器基本调节器 被控对象被控对象 高 速 数 据 通 道 w计算机集成控制系统（CIMS/CIPS） 经营决策 企业管理 生产调度 过程优化 过程控制 第五层：企业决策，生产规划 第四层：供销,财务,计划,管理等 第三层：生产调度，系统优化 第二层：先进控制，过程优化 第一层：单元自动化,简单控制 生 产 过 程 流程CIMS的递阶控制示意图 1.2.6 现场总线控制系统FCS） 现场总线控制系统即FCS-是新一代分布式 控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的 产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用 集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表 的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能 型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。每 个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节 点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调 节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹 工作。 现场总线控制系统FCS 设备1 检测/执行 设备2 检测/执行 设备n 检测/执行 上位机 FF 控制装置控制装置控制装置 总线 网络控制系统NCS 设备1 检测/执行 设备2 检测/执行 设备n 检测/执行 控制机2 互联网 控制机1控制机n NCS 计算机系统发展概况及趋势 19461946年美国生产出了世界上第一台电子计算机年美国生产出了世界上第一台电子计算机 。 5050年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行 。 6060年代，年代，DDCDDC技术大发展时期；计算机发展，技术大发展时期；计算机发展， 出现小型机。出现小型机。 19621962年，美国帝国化学公司用计算机代替年，美国帝国化学公司用计算机代替 模拟控制，直接控制过程变量，此种控制称为直接数字控模拟控制，直接控制过程变量，此种控制称为直接数字控 制制DDCDDC（Direct Digital ControlDirect Digital Control）。）。 7070年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向年代，出现微型机，控制方式由集中控制转向 分散控制分散控制 DCSDCS（Distributed Control SystemDistributed Control System）。）。 8080年代，年代，DCSDCS系统大发展时期。系统大发展时期。 9090年代，现场总线技术出现与发展。年代，现场总线技术出现与发展。 2121世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即世纪初，出现了基于网络的控制系统技术，即 网络化控制系统网络化控制系统NCSNCS（Networked Networked Control Control SystemSystem） 。 1.3 控制装置种类 主要知识点 1.3.1 可编程控制器 1.3.2 可编程调节器 1.3.3 总线式工控机 1.3.4 单片微型计算机 1.3.1 可编程控制器 可编程逻辑控制器-简称可编程控制器或 PLC，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产 物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高 端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、 存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组 成。外观如图所示。 可编程控制器（PLC）特点： 一种数字运算操作的电子系统,专为工业环 境下应用而设定; 采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并 通过数字式、模拟式的输入和输出； 应用广泛-不仅在顺序程序控制领域中具有优势 ，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也 毫不逊色； PLC具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调 试容易，抗干扰能力强； 1.3.2 可编程调节器 可编程调节器-又称单回路调节器、智能调 节器、数字调节器。它主要由微处理单元、过程I O（输入/输出） 单元、面板单元、通信单元、硬手 操单元和编程单元等组成。外观如图所示。 可编程调节器特点： 一种仪表化了的微型控制计算机 易操作，易编程、方便灵活 设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计 软件编程上也只需使用一种面向问题的组态 语言 具有断电保护、自诊断功能、通信等功能 可以组成多级计算机控制系统，实现各种高 级控制和管理 大型分散控制系统中最基层的控制单元 适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中 1.3.3 总线式工控机 总线式工控机，是基于总线技术和模块化 结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般 称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机 。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准， 设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各 式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产 过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己 所需的计算机控制系统。总线式工控机的外形类似 普通计算机，如图所示。 不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加 固型机 架机箱，机箱密封并加正压送风散热，机箱内 的原普 通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系 统，将主板分解成几块PC插件，采用工业级抗干扰 电源和工业级芯片，并配以相应的工业应用软件。 总线式工控机具有小型化、模板化、组合 化、标准化的设计特点，能满足不同层次、不同控 制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运 行。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是十 几到几十个回路的中等规模的控制系统中。 1.3.4 单片微型计算机 随着微电子技术与超大规模集成技 术的发展，计算机技术的另一个分支超 小型化的单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机诞生了。它是将 CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计数器、 甚至A/D转换器、脉宽调制器、 图形控制器 等功能部件全都集成在一块大规模集成电路 芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功 能的微控制器。 单片机的应用软件可以采用面向机器的汇 编语言，但这需要较深的计算机软硬件知识，而且 汇编语言的通用性与可移植性差。随着高效率结构 化语言的发展，其软件开发环境正在逐步改善。目 前，市场上已推出面向单片机结构的高级语言，如 早期的Archimedes C和Franklin C，现在的Keil C51、DynamicC等语言。 由于单片机具有体积小、功耗低、性能可 靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易 于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能 力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用 电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的 应用。 单片机的应用从4位机开始，历经8位、16 位、32位四种。但在小型测控系统与智能化仪器仪 表的应用领域里，8位单片机因其品种多、功能强 、价格廉， 目前仍然是单片机系列的主流机种。 表5-1 三种常用工业控制计算机的性能比较 1.4计算机控制系统举例 例 1-1 卫星姿态控制 运行中的卫星经常要求对其姿态进行 控制，以使它的天线和传感器相对于 地球具有适当的方位。为此，计算机 往往对三个轴分时地进行姿态控制。 图1-6 画出了一个轴的运动情况。假 设只允许绕垂直于本书页面的轴进行 旋转，该系统的运动方程如下： 图1-7 卫星姿态控制系统框图 式中：I是卫星围绕其质量中心的惯性矩；MC是由助推器加上的控制 转矩；MD是扰动力矩；是卫星轴相对于基准线的角。 由运动方程求传递函数 令 可得 上式的拉氏变换为 如果不考虑扰动(wd(s)=0)，则其传递函数为： 例1-2 天线方位控制伺服系统 卫星跟踪天线的仰角控制(见右图) 假设天线及其可动部分具有惯性转矩J ，由于直流驱动电机的反电势及由于轴承 和空气动力摩擦产生了阻尼，其阻尼系数 为B，则运动方程为： 式中：Tc是驱动电机产生的纯转矩；Td是 刮风时的扰动转矩。 图1-8 天线示意图 如果我们定义：B/J=a，u=Tc/B， w=Td/B，则方程化简为： 其拉氏变换式为 如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为： 例1-3 工业炉控制 图1-9 工业炉的典型控制 工业炉控制的典型情况。 为了保证燃料在炉膛内正常 燃烧，必须保持燃料和空气 的比值恒定。它可以防止空 气太多时，过剩空气带走大 量热量；也可防止当空气太 少时，由于燃料燃烧不完全 而产生许多一氧化碳或碳黑 。 为了保持所需的炉温，将测 得的炉温送入计算机计算， 进而控制燃料和空气阀门的 开度。 为了保持炉膛压力恒定，避 免在压力过低时从炉墙的缝 隙处吸入大量过剩空气，或 在压力过高时大量燃料通过 缝隙逸出炉外，必须采用压 力控制回路。测得的炉膛压 力送入计算机，进而控制烟 道出口挡板的开度。 为了提高炉子的热效率，还 须对炉子排出的废气进行分 析，一般是用氧化锆传感器 测量烟气中的微量氧，通过 计算而得出其热效率，并用 以指导燃烧控制。 这是一个原料混合和 加热的控制系统，该装 置的任务是： (1)装入原料A，使液面 达到贮槽的一半； (2)装入原料B，使液面 进一步升到百分之七十 五； (3)开始搅拌并加热到 95，在此恒定温度上 维持20min； (4)停止搅拌和加热，开 动排料泵抽出混合液， 一直到液位低于贮槽的 5为止。 上述过程由计算机自动 控制，按照一定的顺序 重复进行，完成原料混 合和加热控制。 例1-4 计算机用作顺序控制的例子 图1-11 计算机顺序控制 n2.微型计算机控制的电动机 调速系统 n图5-8是计算机控制的双闭 环直流调速系统的原理图。其中，晶闸 管触发器、速度调节器和电流调节器均 由计算机实现。 n3.计算机数字程序控制系统 n在图5-9中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数 字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点 位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中的微型计算机是系统的核心 部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序 、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。 n4.工业机器人 n图5-10给出了智能机器人的一般结构，它是 一个多级的计算机控制系统。可以这样说：没有计算机，就没 有现代的工业机器人。 补充：计算机控制研究的课题 计算机控制研究的课题主要是 控制理论和控制技术在工程应用 与实现两个方面，在工程的实现 又反映出硬件系统的结构和软件 的实现两大类。 1. 控制理论方面涉及到的课题 （1）数字描述和分析方法 计算机控制系统的外特性应该同模拟系统是 一样的，但是在实际的处理过程中严格地讲计算机 控制系统是离散系统，所以计算机控制系统的设计 和分析多年来一直存在模拟和离散两种分析方法。 这两种方法人理论上讲是有严格的差别的，而在实 际应用中往往我们都近似地把它们视同为模拟系统 。 离散系统的描述通常我们都会用差分方程和Z 传递函数以及离散状态空间方法来进行分析。 （2） 采样周期的选取 模拟系统离散化一个非常关键的问题就是计 算机控制系统的采样周期的选择。严格地讲计算 机控制系统的采样周期分为信号采集的采样周期 和计算机控制算出的控制周期，我们都很清楚： 信号采样将模拟信号采样为离散信号，采样周期 越小越好，采样周期取决于计算机的运算速度， 过小的采样周期，计算机很难胜任，为了保证采 样信号在采样后能够正确地反映模拟信号，信号 采集的采样周期选取就满足SHANNON采样定理： 采样的最低频率须大于信号最高变化频率的两倍 。 n有很多学者认为，离散系统的控制周 期越小，越接近于模拟系统，其控制质量 越好。其实这种观点有时是错误的。对一 般的系统来说离散系统的控制周期越小系 统的控制质量越好。系统越稳定，但对一 些滞后环节的系统来讲，一般取控制周期 等于纯滞后时间是正确的。 n由于上述采样周期和控制周期的差异 ，我们在选择采样周期时必须综合上述两 种因素考虑，从系统的整体考虑。 （3）现代控制系统的研究 由于计算机技术的发展使现代控制理论的 许多设想可以实现。智能控制模糊控制、人工 神经元等近代控制方法的研究也变得越来越热 门。计算机CPU技术的发展和并行处理可以大 大提高计算机的运算速度，使复杂运算应用于 实时控制变为可能。 2. 应用于控制系统计算机硬件技术的研究 随着计