第一章 绪论(计算机控制技术课件).doc

本课程的特点：1、 综合性强理论与技术相结合（或理论与实际相结合）2、 实用价值高3、 掌握困难4、 配有课程设计（研究生不做）5、 使用教材：微型计算机控制技术华中理工大学 赖寿宏主编6、 参考教材：微型计算机控制技术 潘新民编著 前序课程：微机原理、单片机原理、自动控制原理（或控制工程基础）、模拟与数字电路、电机与拖动基础 我上课的要求：最好提前预习一下内容，一般不需要大量记笔记，重要的内容可以记一下。 我上课的特点：能把问题讲清楚，学懂的前提是你愿意学，又肯下功夫，并打算应用于实践。 第一章: 绪论随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制（或设计出计算机控制系统）。近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。 本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。1 计算机控制系统概述首先我们知道自动控制技术在许多领域里获得了广泛的应用。自动控制 就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行，计算机控制就是其中之一。计算机控制是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。二次世界大战中由于军事的需要促进了经典控制理论的发展，同时也使经典控制理论为基础的模拟式自动控制系统达到了相当完善的程度。但是，它的进一步发展受到了限制，在复杂控制规律实现、系统的最优化、可靠性等方面已不能满足更高的要求。现代控制理论的发展给自动控制系统增添了理论工具，而计算机技术的发展（单片机、DSP、嵌入式系统）为新型控制规律的实现、构造高性能的控制系统提供了物质基础，两者的结合极大地推动了自动控制技术的发展。近年来，计算机控制技术发展迅速，几乎遍及各个领域（举例在后续内容中陆续给出），已成为自动控制技术不可分割的重要组成部分，并为自动控制技术的发展和应用开辟了广阔的新天地。1.1计算机控制系统及其组成 一、计算机控制系统计算机控制系统 利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。（1）计算机控制系统的工作原理给定执行元件被控变量典型的计算机控制系统，如图1.1。xD/A输入装置y对象计算机A/D检测元件图1.1控制器（调节器） 输入通道 （A/D）执行元件输出通道 （D/A）计算机被控变量给定对象xy检测元件 在计算机控制系统中，由于计算机的输入和输出是数字信号，因此需要有AD转换器和DA转换器。从本质上看，计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： 实时数据采集：对来自测量变送装置（或检测元件）的被控量的瞬时值进行检测和采样(此过程常包含在A/D转换中)。 实时控制决策：将采集到的被控量进行分析和处理，并与给定量比较得到差值，对差值按已定的控制规律(如PID控制)，决定将要采取的控制行为。 实时控制输出：根据控制决策，形成输出数字量，经D/A转换,适时地对执行机构发出控制信号，对被控对象进行控制,完成控制任务。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理（报警或停机）。 （2）在线方式和离线方式在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式（指计算机在线或联机）；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人或其它设备进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 （3）实时的含义实时 指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义，就不叫实时。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线的系统（不能及时实施控制、或不参与控制）不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。二、计算机控制系统的组成（这种有操作系统的情况实际中少见，除非实时系统）典型的计算机控制系统如图1.2所示。以微型计算机为核心(或突出微型生产过程执行机构反多路开关多路开关开关量 输 出 时钟操作台计算机（主机）接口A/DD/A磁盘驱动器打印机CRT显示终端软件变送器传感器通用外部设备主机、操作台接口输入输出通道检测、变送执行被控对象开关量输 入图1.2 典型计算机控制系统组成框图接口接口接口接口接口接口计算机组成)的控制系统基本组成：硬件部分和软件部分。各部件功能简介： 硬件部分 主机 组成：中央处理器（CPU）和内存储器(RAM和ROM)组成。作用：根据输入通道送来的被控对象的状态参数，进行信息处理、分析、计算，作出控制决策，通过输出通道发出控制命令；存储器存储数据和程序。接口电路 作用：主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换时，通过接口电路的协调工作，实现信息的传送。过程(或模拟量、数字量)输入/输出通道 作用：主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。输入/输出通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。外部设备 外部设备按功能可分成三类：输入设备、输出设备和外存储器。常用的输入设备有键盘、磁盘驱动器、纸带输入机等，现在常用的有触摸屏，输入设备主要用来输入程序和数据。常用的输出设备有显示器、打印机、触摸屏、绘图仪等。输出设备主要用来把各种信息和数据以曲线、字符、 数字等形式提供给操作人员，以便及时了解控制过程。外存储器有磁盘、磁带等，主要用来存储程序和数据。操作台一般操作台有（CRT）显示器或(LED、LCD)数码、液晶显示器，用以显示系统运行的状态；有功能键、触摸屏以便操作人员输入或修改控制参数和发送命令。软件部分软件是指计算机中使用的所有程序的总称。软件通常又可分为系统软件和应用软件。（l）系统软件系统软件：给用户使用、维护和管理计算机专门设计的一类程序，它具有一定的通用性。组成：操作系统、语言加工系统（编译程序）、诊断系统。 1操作系统操作系统：就是对计算机本身进行管理和控制的一种软件。计算机自身系统中的所有硬件和软件统称为资源。从功能上看，可把操作系统看作是资源的管理系统，实现对处理器、内存、设备以及信息的管理，例如对上述资源的分配、控制、调度和回收等。 2语言加工系统 语言加工系统就是将用户编写的源程序转换成计算机能够执行的机器代码（目标程序）。语言加工系统主要由编辑程序、编译程序、连接、装配程序、调试程序、及子程序库组成： (1) 编辑程序： 建立源程序文件的过程就是由编辑程序完成的。该程序可对一个程序进行插入、增补、删除、修改、移动等编辑加工，并且在磁盘上建立源程序文件。 (2) 编译程序： 将源程序“翻译”成机器代码。 (3)连接、装配程序： 使用连接、装配程序可将不同语言编写的不同的程序模块的源程序连接起来，成为一个完整的可运行的绝对地址目标程序。 (4)调试程序： 调试程序用来检查源程序是否符合程序设计者的设计意图。(5)子程序库：为了用户编程方便，系统软件中都提供了子程序库。了解这些子程序的功能和调用条件之后，就可直接在程序中调用它们。 3诊断系统诊断系统是用于维修计算机的软件。 （2）应用软件应用软件：是用户为了完成特定的任务而编写的各种程序的总称，其优劣将给控制系统的功能、精度和效率带来很大影响，它的设计是本课程的主要内容之一。 包括：控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测程序和数据管理程序等。 控制程序：主要实现对系统的调节和控制，它根据各种控制算法和被控对象的具体情况来编写，控制程序的主要目标是满足系统的性能指标。 数据采集及处理程序：包括：AD转换及采样程序；数字滤波程序用来滤除干扰造成的错误数据或不宜使用的数据；线性化处理程序对检测元件或变送器的非线性特性用软件进行补偿。 巡回检测程序：包括：数据采集程序完成数据的采集和处理；越限报警程序用于在生产中某些量超过限定值时报警；事故预告程序根据限定值，检查被控量的变化趋势，若有可能超过限定值，则发出事故预告信号；画面显示程序用图、表在CRT上形象地反映生产状况，如GUI等。 数据管理程序这部分程序用于生产管理，主要包括：统计报表程序；产品销售、生产调度及库存管理程序；产值利润预测程序等。三、计算机控制系统的特点 结构上，数字控制部分（计算机）和连续控制部分混合系统。 信号有模拟、离散。 分析、设计方法有模拟调节器离散化设计法和直接设计法。具有对不同控制规律的适应性，或灵活性。 可同时控制多个回路。可实现控制与管理的一体化。12 计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。 1操作指导控制系统操作指导控制系统的构成如图1.3所示。系统功能：数据采集、数据处理、给出操作指导信息。模拟量输入（AI）通道数字量输入（DI）通道操作人 员生 产 过 程计 算 机打印机控制器CRT图1.3 系统优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。 该控制系统总体看为闭环，局部可看作开环控制结构。 2直接数字控制系统直接数字控制（Direct Digital Control，简称DDC）系统的构成如图 14。工作过程： （略）DDC系统属于计算机闭环控制系统。输入通道（AI、DI）输出通道(AO、DO)打印机报 警操作台CRT计 算 机生 产 过 程图1.4 系统优点：要求实时性好、可靠性高和适应性强；一台计算机可控制几个或几十个回路。 3监督控制系统监督控制 SCC（Supervisory Computer Control）。监督控制系统的结构形式，如图 1.5所示。工作过程： （略）监督控制系统的两种结构形式，如图。工艺数据模拟 调节器生 产 过 程SCC计 算 机记录显示打印调节测量设定值(a) SCC+模拟调节器系统多路开关A/D 由于给定值也可作适当调整，故其也可完成非跟随控制（如最优控制）工艺数据DDC计算机生 产 过 程SCC计 算 机记录显示打印调节测量设定值(b)图1.5A/D多路开关D/A多路开关 （l）SCC加上模拟调节器的控制系统（图1.4） 当SCC微型机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。 （2）SCC加上DDC的分级控制系统（图1.5） 这实际上是一个分级控制系统，SCC可采用高档微型机，它与DDC之间通过接口进行信息联系。该系统亦可实现最优控制。 4分散型控制系统分散型控制系统（Distributed Control SystemDCS）。系统特点：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，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制，其结构如图16。企业、公司管理级工厂管理级车间管理级过程控制级 图1.6过程控制级车间管理级过程控制级过程控制级生 产 过 程。 1.3 典型计算机控制系统简介废气分析仪计算机燃烧效率计算废气压力测量温度测量燃料空气图1.7 工业炉的计算机控制测量点1、 计算机过程控制系统速度调节器电流调节器晶体管触发器隔离放大电流互感器A/D同步M测速发电机图1.8计算机控制的双闭环直流调速系统速度给定微型计算机三相交流电永久磁铁负载A/D2、 微型计算机控制的电动机调速系统图1.9简易机床数字程序控制系统构成框图CPURAMEPROM并行I/O接口光电隔离驱动电路控制台Y轴步进电机传动机构机床工作台X轴步进电机3、 计算机数字程序控制系统中央计算机行走机构语音识别机图像处理机控制计算机控制计算机多关节手臂摄像知识库语言合成器显示计算机显示器扬声器话筒图1.10智能机器人的一般结构4、 工业机器人 5现场总线控制系统(一般指外部总线或串行通讯总线，根数不超过25根，较少；内部总线一般为并行，根数较多。)现场总统控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）是新一代分布式控制结构（考虑经济、方便、可靠、不需高的传输速率又要远距离等一般为串行，且一定是数字量）。 DCS结构模式为：“操作站控制站现场仪表”的层状结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS有各自的标准，不能互联。FCS结构模式为：“工作站现场总线智能仪表”的层结构，FCS用串行数据总线结构完成了DCS中的并行结构功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。系统结构如图17。系统工作过程：（略）计算机 1计算机 2计算机 3热电偶压力流量液位检测与调节I/O连线，现场信号（模拟）4-20mA/或0-10V,0-5V。控制器监控网温度控制 传统的工业现场总线控制方式（也称为DCS系统）计算机 3计算机 2计算机 1监控网控制器控制器控制器热电偶检测与温度控制现场总线（串行）带转换处理单元（也可包含控制单元但一般没有）压力流量液位检测与控制现场总线控制方式（图17）关于现场总线的说明：1、当现场所用压力、温度、液位、流量单元都具有运算处理功能时，这些单元称为智能单元，或总线仪表。这时控制器（粉红色）可取消或只完成数据管理或网络转换。2、当现场所用压力、温度、液位、流量单元不具有运算处理功能时，控制器既要进行数据管理，还要承担上述各单元的控制、调节功能，这时要求控制器有较高的运算处理速度，还能将数据以串行方式送给各单元。3、上述两种情况将产生两类FCS系统模式。4、应用：在发电厂等要求信号采集及控制时间很短，实时性要求较高的场合易采用DCS系统，其它场合使用FCS较多，可根据实际情况选用。 1.4 工业控制计算机（简称工业控制机） 即应用于工业现场的计算机(见教材第8页)1.5计算机控制系统的发展概况及趋势 1946年