计算机控制系统高金源第1章.pptVIP

1 CH1绪论 主要内容1 1概述计算机控制系统的定义 组成 典型结构应用分类及特点发展概况1 2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 ComputerControlSystem 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 ComputerControlSystem 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 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 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 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 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 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 系统结构与信号特点 混合系统 部件 信号 2 系统工作方式特点 多回路 优点1 避免模拟实现的困难 方便复杂计算 容易控制规律灵活多样 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 适应性强 灵活性高 19 l起源 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 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 设计方法计算机控制系统是一种混合信号系统 1 2课程内容 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 连续域设计离散化方法 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 直接数字域 离散域 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 正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题 软件编程值得注意 实际工程设计时两种方法 29 2 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传递函数