计算机控制系统概述.ppt

计算机控制系统 主讲 吴小进E mail jorjenval 前言计算机控制技术是高等院校自动控制 工业电气自动化 检测技术与仪器仪表 机电一体化等专业的一门主要技术课程 该课程是自控理论与微机原理及接口技术课程的后续课程 是一门跨学科 应用性强的现代技术课程 通过此课程的学习 使学生掌握微型计算机控制系统的结构 控制原理和设计方法 培养学生根据实际问题设计和组成微型计算机控制系统的能力 本课程学时 32小时本课程实验 待定参考书 计算机控制系统 盛珣华李润梅编著 第一章计算机控制系统概述 第一节计算机控制系统的组成第二节计算机控制系统的主要特征第三节计算机控制系统的分类第四节计算机控制系统的发展概况 第一章计算机控制系统概述自动控制理论计算机控制技术 计算机技术通讯网络技术一 自动控制理论的发展 一 20世纪40年代形成生物条件反射反馈控制论自动调节原理 二 自动控制的三大领域工程控制论 生物控制论 经济控制论 三 自动控制理论的发展 工程控制论 1 经典控制论 1 理论形成前已出现许多控制装置候风地动仪 中国 风车控制装置 北欧 蒸汽机转速调节装置 英国 汽车零件制造流水线 美国 2 理论形成 标志性著作 维纳1948年发表的 控制论 3 实际应用单输入 单输出系统 工业自动化 雷达跟踪 船舶驾驶控制等 4 使用的数学方法傅里叶变换和拉氏变换 将时域问题变换到频域解决 微分方程变为代数方程 得到频域解后用拉氏反变换求出时域的解 2 现代控制论 1 20世纪60年代形成 2 研究多变量输入 输出系统的状态控制 3 实际应用系统辩识 随机过程 最优控制等 4 数学方法时域中用状态空间法分析 主要用矩阵理论 向量微分方程 现代代数等数学工具 3 计算机控制用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制 1 计算机得到了快速的发展 其特点是运算速度快 存储容量大 有强大的逻辑判断能力 软件可灵活多变 2 出现了适用于控制系统的各种计算机 如单片机 可编程控制器 各类工业控制器 3 与微机配套的I O接口 输入 输出通道齐全 4 控制算法和控制软件可适用于各种不同类型的控制系统 4 智能控制模糊控制 神经网络 遗传基因算法等新型控制技术不断涌现 控制系统向大系统 集散型 网络化 智能化发展 代表了今后的发展方向 二 自动控制与计算机控制自动控制 指在没有人直接参与的情况下 通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行 工业生产中应用的自动控制系统 随着对象 控制规律和采用控制器结构的不同而有很大的差别 但总体上可分为开环控制系统和闭环控制系统 1 开环系统给定值图1 1开环控制系统框图开环系统的特点 控制系统只按照给定的输入信号对被控对象进行单向控制 在整个控制过程中系统不对被控制量进行测量和控制 如自动生产线 自动机床 自动洗衣机 公路交通管理系统 铁路信号检测系统等 都是开环控制系统 被控对象 控制器 执行机构 被控参数 2 闭环系统给定值图1 2闭环控制系统框图在闭环系统中 被控制量由测量装置测量并反馈到输入器 与输入量进行比较得到偏差 控制系统通过控制逐步消除偏差使被控量恢复到期望值 由于采用了反馈 系统具有自动调节功能 因此可采用精度不高 成本较低的器件构成高质量的控制系统 控制器 执行机构 被控对象 检测与变换 被控参数 在控制系统中 控制器是其核心部分 直接影响控制系统的性能 早期的控制系统都采用模拟控制器 模拟控制器的优点是可靠性高 易于操作和维护 随着生产向大型化 复杂化方向发展 对自动化的要求也越来越高 常规的模拟控制器已难以实现如自适应 最优控制等复杂控制 在数字计算机发明后 控制系统的设计者便转向用计算机来解决复杂的控制问题 由于数字计算机运行速度快 存储容量大 具有分时操作功能 并可通过改变程序实现控制规律的改变 完成各种不同类型的复杂控制 因此数字计算机已经逐步代替模拟控制器成为控制器的首选 自从第一台计算机问世以来 电子计算机已经经历了电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模 超大规模集成电路四个发展阶段 微处理器已经推出了四代产品 四位微处理器 八位微处理器 十六位微处理器和三十二位以上微处理器 计算机从早期单一的数字计算发展到信息处理 事务管理 计算机辅助设计和制造 工业自动控制 人工智能以及教学和娱乐等各个领域 直接影响到人类社会的方方面面 微型计算机技术的发展 为计算机控制的发展和应用奠定了坚实的基础 计算机控制技术是以控制理论和计算机技术为基础的一门新型的技术 控制理论为控制系统的分析和设计提供了理论基础 而计算机技术则为控制系统的实现提供了新的 有效的方法 第一节计算机控制系统的组成 温度控制系统 炉窑 热电偶输入A D计外 阀门D A机操作台 算 设 输出 计算机控制系统由计算机系统 检测 通道与接口 外设和工业生产对象等部分组成 计算机经过检测和执行机构 输入 输出通道和接口与被控对象连接 通过人机接口经操作台和各种类型的外部设备与操作员相联系 控制用计算机系统由硬件和软件两大部分组成 硬件包括微型计算机 输入 输出通道和接口 检测元件仪表 执行机构和各种外设 是控制系统的基础 软件分为系统软件和应用软件 系统软件用于管理计算机的各种资源 方便用户的使用 应用软件用于解决用户控制中的实际问题 一 计算机控制系统的硬件计算机控制系统的硬件一般由主机 接口和输入 输出通道 通用外部设备 执行机构 检测元件和仪表 操作台等部分组成 由于控制的对象不同 组成控制系统的硬件的多少也不同 可以根据控制系统的需要进行合理的组合和扩展 1 主机主机采用一台和多台计算机 是计算机控制系统的核心 主机可以通过接口和I O通道 接受检测设备传来的信息并向控制系统的各部件发出命令 同时计算机对系统的各个参数进行巡回检测 数据处理 控制计算 分析报警 逻辑判断等 2 接口和输入 输出通道接口和输入 输出通道是主机和被控对象之间进行信息交换的纽带 按功能分 接口可分为并行接口 串行接口 A D和D A转换接口等 按通道处理信息的类型分 通道可分为模拟量输入 输出通道 数字量输入 输出通道和开关量输入 输出通道 3 通用外部设备为了扩大计算机的使用功能 必须配备各种不同类型的外部设备 通用外部设备是计算机系统与操作人员联系的界面 通常用来完成信息的记录 存储 显示 打印 传送 常用的通用外部设备有显示器 打印机 键盘 鼠标 磁盘驱动器 大屏幕等 4 检测元件 仪表和执行机构检测元件和仪表用于测量生产对象中的某些参数 并将非电量的被测参数转换为电量 常用的检测元件是传感器 例如热电偶将温度变成电压信号 该电压信号经过某些仪表转换成统一标准的计算机标准电平后再送入计算机进行分析和处理 检测元件和仪表的精度直接影响计算机控制系统的精度 执行机构接受CPU的命令完成规定的控制动作 5 操作台在较大型的控制系统中需要设置操作台 用来实现人机之间的联系 操作人员通过操作台向计算机输入程序 修改 发出数据 发出操作命令 并通过显示器显示控制系统的状况 监视整个生产过程及各个回路的实时参数和工作状态 二 计算机控制系统的软件软件是指用计算机语言编写的用于完成各种功能的程序 计算机控制系统的软件分类见P3表1 1 系统软件是由计算机设计和制造者为用户提供的 专门用来管理和方便使用的计算机程序 系统软件 主要包括操作系统 各种工具软件和语言及语言处理程序等 操作系统是系统软件的核心 用于直接控制和管理计算机的硬件和软件资源 并给用户提供了一个方便的操作界面 操作系统的主要部分驻留在主存储器中 称为操作系统的内核 通常由进程管理 存储管理 设备管理 文件和作业管理等组成 操作系统对外联系界面称为系统调用 工具软件和应用软件均可通过系统调用访问计算机的硬件 软件资源 对计算机控制系统而言 要求操作系统具有实时特性 多任务调度 可多道程序并行操作 并能满足控制对时间的要求和限制 实时操作系统应保证在异常情况下 系统能及时发现 处理 并纠正随机性错误 并具有抵制错误操作和错误输入信息的能力 此外还需要有友善的人机界面 第二节计算机控制系统的主要特征计算机控制系统是一个实时系统 当生产过程中发生不正常的情况时 计算机控制系统应及时进行处理和报警 对过程中出现的微小变化要及时进行判断和响应 以便使计算机控制系统工作在最佳的状态 为了达到上述目标 需要在计算机控制系统的硬件和软件两方面进行保证 硬件方面 应当配置高速计算机 接口电路和优先级中断处理电路 软件方面 应当有完善的中断处理程序 一个完善的计算机控制系统应当具有以下特征 1 实时性实时性指系统在限定时间内对外部事物做出反应的特性 限定时间的长短因生产过程不同而变化 主要考虑以下两个方面的因素 1 生产过程中出现的事件能保持的时间 2 计算机控制系统在这段时间内能否对出现的事件作出必要和及时的反应 计算机控制系统必须在尽可能短的时间内处理出现的问题 否则会对生产过程产生不利影响 甚至造成直接经济损失 为了较好的实时性 应当选用速度高的计算机和配套的外部通道与接口 2 良好的输入 输出能力计算机控制系统控制的量有模拟量 数字量和开关量 此外计算机控制系统尚需要与多种仪器仪表 执行器 传输接口 各种外设相联系 因此计算机控制系统应当有很强的输入 输出能力 足够多的I O通道和扩充能力 3 标准化和系列化计算机控制系统应尽量采用国际上通用的计算机 总线 接口和各种器件 使用标准化和系列化的器件可降低成本 提高系统的性能 避免底层次重复性开发 缩短设计 制造 调试和开通的时间周期 4 模块化的系统结构将计算机控制系统的各部分按功能分成若干个模块 对不同的控制系统采用不同的模块进行组合和设计 采用模块化后可以大大提高系统的开发效率和系统的可靠性 1 用现成的功能模块可迅速配套组成各种不同类型的系统 2 功能模块由企业成批生产 可使产品质量稳定 价格低廉 3 系统的结构灵活 易于更新换代 扩充和维护 采用了模块化的系统结构和组合化的设计方法后 可以减少二次开发过程和设计中的工作量 降低系统的成本 提高系统的质量 示例 组装电脑与品牌电脑 5 可靠性高计算机控制系统的工作环境往往十分恶劣 控制现场存在着温度 湿度 粉尘 震动 电磁干扰 电压不稳定等干扰因素 因此必须采取一系列措施防止干扰 提高系统的可靠性 计算机控制系统应当符合以下的要求 1 长的平均无故障时间控制系统可以采用平均无故障时间MTBF meantinebeforefailures 来衡量系统的可靠性 在设计和制造系统时要尽可能使MTBF高一些 为达到上述目标 要选用质量好的计算机和配套产品 对于元器件 插件需选符合质量标准并经过筛选和老化后的产品 另外应当采用冗余技术来提高控制系统的可靠性 2 强的抗干扰能力计算机控制系统应采用抗干扰能力强的工业级电源和地线隔离 屏蔽地线 浮空等技术 防止电网电压波动带来的脉冲干扰和由传感器 执行器引入的地线干扰 3 具有定时自动启动功能和硬件自检功能计算机控制系统应配有看门狗电路 watchdog 当系统的计算机受到干扰使控制程序偏离时 能自动从入口处重新启动 另外 计算机控制系统应能在运行中定时对主机和I O通道进行自检 第三节计算机控制系统的分类计算机控制系统可分为以下五类 数据采集系统 直接数字控制 监督控制系统 分布式控制系统 现场总线控制系统 一 数据采集系统数据采集系统简称DAS DataAcquisionSystem 在数据采集系统中 计算机只对控制系统的参数进行采集 加工和分析处理 并将处理后的数据输出 操作人员根据输出的数据 对生产过程出现的问题进行处理 如图1 4所示 由于该系统中计算机不直接参与生产过程的控制 因此数据采集系统结构简单 安全可靠 图1 4数据采集系统 二 直接数字控制系统直接数字控制系统简称DDC directdigitalcontrol 如图1 5所示 直接数字控制系统中 计算机经模拟输入 AI 数字输入 DI 对生产过程进行数据采集 采集的图1 5直接数字控制系统数据进入计算机后与预先设定的值进行比较 然后计算机根据比较的结果 按照控制规律 如PID 经模拟输出 AO 和数字输出 DO 对生产过程进行直接控制 DDC是计算机 控制技术中最常用的方法之一 其优点是灵活性大 可靠性高 可以实现较复杂的控制规律 如串级控制 前馈控制 滞后控制等 三 计算机监督系统图1 6计算机监控系统计算机监督系统简称SCC supervisorycomputercontrol SCC计算机 DDC计算机 输出通道输入通道 生产过程 如图1 6所示 计算机监督系统实际是两级计算机控制系统 上一级为SCC 下一级为DDC 对生产过程采集数据经AI DI送DDC的同时也送SCC SCC根据采集的数据 经过计算后获得最佳设定值传送给DDC DDC对设定值和测量值进行比较 将比较后的结果经AO DO送出 对生产过程进行控制 对计算机监督系统 要求SCC级具有强大的数据处理能力 存储容量大 DCC则需要实时性好 可靠性高和环境适应性好 四 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统简称DCS DistributedControlSystem 又称集散式控制系统 是现代社会经常采用的计算机控制系统 一 为什么采用分布式计算机控制系统随着生产方式的不断发展 现代工业企业中需要测控的对象种类多 数量大 并且被测点位置不集中 往往分散在生产现场的各个地方 除需要对生产过程进行自动控制外 有些部门希望在更高的层次上实现对生产过程的调度和管理的自动化 为了实现上述目标 需要采用分布式计算机控制系统 分布式计算机控制系统的特点是 控制分散 管理集中 往往要采用两级或两级以上的计算机系统 如图1 7所示为一个铁路信号检测系统 是一个分布式计算机控制系统 该系统有三级计算机 铁路信号检测系统 是一个分布式计算机控制系统 该系统有三级计算机 采集机 它的任务是通过I O接口板采集现场的信号 用单片机实现 站机 它的任务是接收采集机发来的信息并进行实时的处理 采用工控机IPC 610 监控计算机 用于信号的调度管理和网络服务 采用高档服务器 终端 该分布式计算机控制系统的硬件可配置各种不同类型的I O采集板 声光报警设备 大屏幕显示器 操作台等 软件平台采用WINDOWS NT 各级计算机之间采用现场总线CAN或485连接 二 分布式计算机系统的结构和特点分布式计算机控制系统的结构主要考虑信息的存储方法 网络的扩展性 系统的可靠性 常用的系统结构有分级结构 网状结构 星型结构 总线式结构 分布式计算机控制系统有以下特点 1 可靠性高由于分布式计算机控制系统的控制功能分散 每台计算机的任务减少 功能明确 因此系统的可靠性大大提高 2 速度快分布式计算机控制系统中 各级计算机并行工作 数据采集 处理和控制功能分散到各子系统中去执行 减少了数据集中处理的时间 提高了系统的运算 处理和控制速度 3 系统模块化由于控制分散和功能的重复 可以更好地采用模块化结构 使系统便于操作 方便组装 易于维修 4 成本较低由于在不同场