计算机控制技术课件一.ppt

计算机控制技术主讲教师 张艳兵班级 09050541 42开课学期 2012 2013第一学期总学时 56学时 课程体系 计算机控制技术是工业电气自动化 自动控制 计算机应用等专业的主要课程之一 内容涉及到微机原理 单片机及接口技术 自动控制理论 自动控制系统 汇编语言 电子技术等相关内容 计算机控制技术涉及内容广泛 实践性 综合性比较强 要求同学们有较强的系统设计能力 要有全局观 统筹考虑 才能设计出符合要求的系统 学习目的 掌握计算机控制系统设计较完整的知识体系掌握计算机控制系统设计的基本技能 能设计出常用的计算机控制系统 学习内容 1 计算机控制系统的硬件2 计算机控制系统的软件3 控制算法设计4 计算机控制系统设计步骤 设计理念 设计方法 课程特点 1 以自控理论 计算机技术 自动化仪表为基础2 与过程控制 电力拖动控制系统密切相关3 技术性 综合性 实践性 实用性强 学习方法 多看相关杂志 书籍 上网查阅最新资料认真做好实验和课程设计做好笔记 认真听讲 课程内容安排 总学时56学时理论学习50学时实验6学时课程设计2周 第一章绪论 本章要点1 掌握计算机控制系统的概念 特点及工作过程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4 了解计算机控制系统的发展 本章主要内容 1 1计算机控制系统概述 1 2计算机控制系统的组成 1 3计算机控制系统分类 1 4计算机控制系统的发展概况和趋势 引言 计算机控制技术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科 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计算机控制系统概述 主要知识点 1 计算机控制系统概念 2 计算机控制系统特点 3 计算机控制系统的工作过程 1 计算机控制系统概念 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 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 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 什么是系统 系统是按照一定秩序相互联系着的一组事物 系统的特点 有共同目的 有特定功能 相互关联 制约 作用 一个整体 系统论 整体大于部分之和 要求 可靠 稳定 什么是控制 控制是为了实现一定的目标所采取的方法和手段 它使系统保持稳定 朝着一个方向发展 自动控制 不需要人工干预 由控制器按照预期的规律 自动完成控制任务 并满足一定的指标要求 计算机控制系统 就是由计算机完成控制功能的自动控制系统 严格来说 计算机控制系统是建立在计算机控制理论的基础上 为完成控制任务 以计算机作为控制器 通过程序实施实时控制的自动控制系统 计算机控制系统必须满足一定的性能指标要求 各个部分的设计必须全盘考虑 综合设计 如果系统中的计算机是微型计算机 则称之为微型计算机控制系统 2 计算机控制系统的特点 1 结构上是一个混合系统 2 包含多种信号形式 3 系统的设计和分析需要先进的理论 4 能实现复杂的控制规律 5 控制规律灵活多变 6 可分时控制多个回路 7 提高了企业的自动化程度 3 计算机控制系统的控制过程 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 实时控制决策 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 实时控制输出 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 计算机控制系统的设计必须满足实时性要求 什么是实时 实时是指信号的输入 计算和输出都要在一定的时间间隔 采样周期 内完成 计算机对输入的信息必须以足够快的速度进行处理并在一定的时间内作出反映或者进行控制 一旦超出了这个时间间隔 就失去了控制的时机 控制就失去了意义 实时的概念不能脱离具体的受控过程 应该与工艺要求紧密相连 例如对炉温和液位控制时 其变化过程比较缓慢 在几秒钟内完成一次循环 其控制仍然是实时的 对火炮系统来说 当目标状态变化时 必须在几毫秒之内及时控制 否则就不能击中目标 因此间隔时间必须短一些 实时性指标是计算机控制系统设计中必须重点考虑的指标要求 工作于在线方式的系统不一定是实时系统 但一个实时系统必定工作于在线方式 计算机控制系统的实时性指标通常取决于检测仪表的延时 过程量的输入延时 微处理器的运算延时 控制量的输出延时以及控制算法的复杂程度等因素 1 2计算机控制系统的组成 计算机控制系统硬件一般包括 主机 CPU RAM ROM 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 4所示硬件组成框图 图1 4计算机控制系统硬件组成框图 链接动画 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 1 3计算机控制系统的分类 主要知识点 操作指导控制系统 OGC 直接数字控制系统 DDC 计算机监督控制系统 SCC 分布式控制系统 DCS 现场总线控制系统 FCS 嵌入式控制系统 ECS 计算机集成制造系统 CIMS 1 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 链接动画 2 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 缺点 计算机负担太重 不堪重负时 系统易瘫痪 链接动画 3 计算机监督控制系统 SCC 计算机监督控制系统即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 链接动画 4 分布式控制系统 DCS 分布式控制系统 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 分散控制系统简称为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 链接动画 特点 分层递阶式网络结构 集中管理 分散控制 从而使危险分散 5 计算机集成制造系统 CIMS 计算机集成制造系统 ComputerIntegratedManufacturingSystem 简称CIMS 的概念是由美国的约瑟夫 哈林顿 JosephHarrington 博士在1973年首先提出的 CIMS是计算机技术 自动控制技术 制造技术 信息技术 管理技术 网络技术 系统工程技术等发展的结果 企业采用信息技术改善设计过程 管理决策过程 加工制造过程 在网络和数据库的支持下 实现信息集成 进而优化生产 以提高企业的市场竞争力 CIMS以集成的观点 信息的观点对待制造业 消除自动化孤岛 使原本几乎相互无关或关系不密切的技术学科走到一起 大幅度提高生产效率 形成了基于计算机的集成制造系统 CIMS采用多任务分层体系结构 把需要完成的任务按照层次分级成层状或树状的命令 反馈控制方式 上级装置控制下级装置 下级装置负责具体的控制功能 最后一级装置完成要求的最后一道任务 经过多年的发展 已经形成多种方案 1986年 我国把CIMS列入国家高技术发展规划 以 发展高科技 实现产业化 为宗旨 战略目标是跟踪国际上CIMS高技术的发展 掌握关键技术 建立能获得综合效益又能带动全局的示范点 经过二十多年的实践 我国在制造业信息化方面取得了举世瞩目的成绩 在国际上取得了一席之地 1994年 1999年清华大学和华中理工大学分获美国制造工程师协会 SME 大学领先奖 1995年北京第一机床厂获SME工业领先奖 CIMS可以说是二十一最主要的生产模式 作为一种生产技术 已经在许多行业得到了广泛的应用 CIMS是在DCS系统之后发展起来的更高一级的控制系统 反映了企业信息化 现代化的潮流 具有十分广阔的发展前景 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 特点 1 开放的互联网络 面向所有厂商和用户 资源共享 2 分散的功能块 每个现场仪表都能独立测量 变换 校正 通信 提高可靠性 3 设备的互操作性 实现即接即用 4 适应性强 可靠性高 5 功能强大 节约资金 布线简单 成本低 6 设计简单 容易维修 7 嵌入式控制系统 嵌入式系统 EmbeddedSystem 诞生至今 已有40多年的历史 依据英国电机工程师协会的定义 嵌入式系统为控制 监视或辅助设备 机器或者工厂运作的装置 它是一种电脑软体与硬体的综合体 并且特别强调 量身定做 的原则 也就是基于某一种特殊用途 我们就会针对这项用途开发出截然不同的一项系统出来 在新兴的嵌入式系统产品中 常见的有手机 掌上PDA 个人数字处理 GPS 全球定位系统 电视机顶盒或是嵌入式伺服器 embeddedserver 及精简型终端设备 thinclient 等 关于嵌入式系统目前尚无严格的统一定义 通常定义为 嵌入式系统是以应用为中心 整合了计算机软件 硬件技术 通信技术和微电子技术 以 量体裁衣 的方式把所需的功能嵌入到应用系统的设备中 适用应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统 它一般由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 嵌入式系统一般指非PC系统 包括硬件和软件两部分 硬件包括处理器 微处理器 存储器及外设器件和I O端口 图形控制器等 软件部分包括操作系统软件 OS 要求实时和多任务操作 和应用程序编程 有时设计人员把这两种软件组合在一起 应用程序控制着系统的运作和行为 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用 嵌入式系统具有以下特点 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的 2 适用于实时和多任务的体系 3 集成度高 技术性强 4 生命周期长 发展稳定 5 系统的开发需要工具和环境 1 4 计算机控制系统发展 1 计算机控制系统发展史 1 计算机控制系统开创期 20世纪50年代 1946年第一台电子计算机ENICA问世 1952年 计算机被用来自动检测化工生产过程的过程参量并进行数据处理 1954年 人们开始研究计算机的开环控制 标志性成果 TRW30001956年3月开始 美国研制的TRW3000计算机控制系统在德州阿塞港的炼油厂聚合装置上投运成功 开辟了计算机控制的新纪元 在建立过程通道 进行数据采集 配置实时操作系统 编写控制算法等方面 TRW3000计算机控制系统都进行了开创性的研究 2 直接数字控制阶段 20世纪60年代 代表性的成果 1962 英国ICI帝国化学公司 可直接测量224个变量 控制129个阀门 1960年 1965年 DDC的应用非常广泛 许多石油化工部门采用DDC系统获得了成功 DDC热 3 集中式计算机控制系统发展期 1967 1975年 4 以微处理器为核心的分层分布式控制系统 1975年至今 DCS FCS ECS等 2 计算机控制系统的发展趋势 1 开放式控制系统的兴起 2 推广发展智能控制系统 3 采用新型的分层分布式控制系统 4 基于以太网的计算机控制系统 开放性 通信协议透明 5 推广应用先进的控制技术和利时 台湾研华 NI 1 5控制装置种类 主要知识点 1可编程控制器 2可编程调节器 3总线式工控机 4单片微型计算机 5其他控制装置 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 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 链接动画 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 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