第一章 计算机控制系统概述

计算机控制系统讲义一章计算机控制系统概述第一章计算机控制系统概述第一章计算机控制系统概述内容和要求：什么是1.1计算机控制系统？1.2计算机控制系统的一般配置1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统工作中卷1.5计算机控制系统实时1.6分析设计的两个观点1.7计算机控制系统的特征1.8计算机控制系统控制策略概述。要求：重点把握计算机控制系统的特点和工作中体积、计算机控制系统的实时性、分析设计的两个观点。自动控制在工业农业生产和科学技术开发中发挥着越来越重要的作用。在航天、导弹制导、核技术、枪支控制等新兴学科中，不仅是必不可少的，在金属冶炼、仪表制造和一般工业生产过程中也具有意义，为工业生产过程自动控制的能力、稳定生产、安全生产、改善劳动条件、提高经济效益创造了条件。生产技术的进步和科学技术的发展需要更复杂、更精密的控制装置，以实现更好的准确性、更快的速度和更大的利益。但是，使用常规控制方法时，满足这些高性能要求的潜力是有限的。由于电子计算机出现并应用于自动控制，自动控制实现了巨大的飞跃。计算机具有高精度、快、存储量大、逻辑判断能力等特点，实现了先进的复合控制算法，实现了快速、精密的控制效果。计算机的信息处理能力将流程控制和生产管理有机地结合起来，自动管理工厂、企业或企业系统。计算机控制是一个新的领域，与自动控制有着密切的关系。本课程的主要目的是介绍计算机控制系统的基本理论、计算机控制系统的分析方法、设计方法和实现方法。课程的性质：自动化专业课程。课程任务：课程内容共包括6节20章，包括背景和基本知识、基于连续系统的经典设计方法、基于离散系统的经典设计方法、基于状态空间的设计方法、新的控制策略和计算器控制系统的实现。通过课程教学，使学生掌握计算机控制系统的基本概念、理论基础和分析设计方法，熟悉计算机控制系统设计和实现的一般原则和程序，了解计算机控制系统新的控制策略和计算机械控制系统的发展方向。对培养学生能力的要求：这门课是为了自动化的专业课。要求学生学习课程内容时，综合运用所学知识，从物理概念理解基本理论，从提出问题、分析问题、解决问题的想法中掌握分析设计方法，从工程角度熟悉系统的设计和实施问题。为了使学生具备分析和设计计算机控制系统所需的专业知识和计算机控制系统讲义一章计算机控制系统概述二实践过程中解决计算机控制系统实际问题的能力，通过了课程学习。1.11.1什么是计算机控制系统？什么是计算机控制系统？-嗯？自动限制：使用其他设备或设备，使整个生产过程或设备自动按照预定义的规则工作，或使特定参数根据预定义的要求变化。自动限制系统：自动限制系统由控制目标和自动限制装置以特定方式连接，完成特定的自动限制操作。典型的控制系统是控制设备和控制目标，即控制器设备、进程检测设备-命令信号输出特性放大器、执行控制设备控制目标Fig1.1通用控制系统框图控制系统的功能是使用控制信号控制变量通过系统方面控制的方式和要求而变化。控制器，称为调节器，补偿器，具有以下功能：控制策略算法命令状态控制信号Fig1.2控制器连续时间控制器-模拟控制器、模拟电子线路、手动网络、主动大型电路(例如成品PID控制器)。计算机控制：计算机取代模拟控制器(直接数字控制DDC)。定义：有计算机参与的控制系统，作为控制系统的重要组成部分，强调了计算机，因此得名。也就是说，计算机参与的所有控制系统都可以称为计算机控制系统。从广义上讲，现代计算机控制系统必须包括检测、控制、显示、存储、管理和通信功能的部分。计算机控制系统也称为数字控制系统，这是强调控制系统包含数字字符。如典型计算机控制系统的图Fig1.3所示，系统分为两部分。部分是计算机控制部分，包括数字控制器、模式-数转换设备A/D和数模转换设备D/A、检查传输设备等。另外，还有执行机关、嫌疑人等生产工程。计算机控制系统讲义一章计算机控制系统概述3控制器D/A设备、进程检测设备-命令信号输出特性放大器、A/D计算机控制设备执行控制对象Fig1.3典型计算机控制系统的图解当前所有控制系统实际上都是基于计算机控制的，因此完全理解计算机控制系统非常重要。我们可以把计算机控制系统看作是仿真控制系统的近似值，但是这种观点并不全面，不能充分发挥计算机控制的潜力，只能得到与使用仿真控制时一样好的结果。相反，最好在精通计算机控制系统的情况下，充分利用计算机控制的全部潜力。而且，计算机控制系统中还有一些在仿真系统中找不到的现象，这些现象都是技术人员应该知道的。本课程的主要目的是介绍了解、分析和设计计算机控制系统所需的基本知识。1.21.2计算机控制系统的一般配置计算机控制系统的一般配置1.2.11.2.1硬件配置构成一个基本计算机控制系统的硬件主要包括微处理器(CPU)、内存(RAM/ROM)、数字I/O接口通道、A/D和D/A转换器接口通道、键盘和显示器等人类它们通过微处理器的系统总线(总地址行、数据总线和控制总线)构成完整的系统。方块图如图1.4所示。以下是各部分的简要说明。CPU人机界面操作系统存储单元内部线路A/D D/A DI DO测试设备执行机构电气开关电气开关是Fig1.4计算机控制系统硬件配置计算机控制系统讲义一章计算机控制系统概述4计算机：由CPU和内存组成的计算机控制系统的核心。工作：根据流程输入通道发送的行业对象的生产条件参数，按照人们预定的程序自动处理、分析和计算信息，做出适当的控制决策或调整，通过输出通道以信息的形式，及时发出控制命令，按照最佳工作状态监督生产流程；事故预测和警报生产技术报告，表格打印等。计算机的程序和控制数据是人们根据控制对象的特性预先编写的控制算法。计算机控制系统运行控制程序和系统程序，完成预定的控制任务。流程通道：流程输入和输出通道是计算机和生产对象之间信息交换的桥梁梁和连接环。流程输入通道将生产对象的控制参数转换为计算机可以接收的数字代代码。流程输出通道将计算机输出的控制命令和数据转换为可以控制生产对象的信号。流程I/o通道包括模拟I/o通道和数字I/o通道。生产过程的控制参数通常是连续变化的非电子物理量，首先在模拟输入通道中使用传播元件转换为连续变化的模拟功率，然后使用模拟/数字转换器转换为计算机可以接收的数字量。计算机输出的数字量通常通过计数/模式转换器转换为连续模拟，以控制启用连续运动的执行机制。还有开关形式的信号，通过将交换机流量发送到输出通道来发送。因此，流程通道有模拟输入通道、模拟输出通道、开口输入通道和交换机输出通道。接口：计算机控制系统进程输入输出通道和接口；基本功能：将进程参数转换为计算机识别的代码，输入计算机进行计算处理，并将外部设备(包括计算机和外部信息交换设备(控制台)、输入和输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外部内存(磁盘)转换为控制执行机构的控制信号。其中控制台必须具有显示功能。也就是说，根据工作人员的要求，必须能够立即显示所需的内容。此外，还必须有完成系统启动、停止和其他功能的按钮。此外，还可以在出现操作错误时启用保护。Fig1.5计算机控制系统硬件组件示例计算机控制系统讲义第一章计算机控制系统概述5测试设备：使用各种测试组件和发射器收集和测量计算机控制系统中的各种参数，主要功能是将检测到的参数的非功率量转换为功率(例如，将热电温度转换为mV信号)。压力变送器可以将压力转换为电信号，在传输到计算机之前转换为一定的计算机标准水平信号(0 5v或4 20ma)。执行机构：要控制生产流程，必须有执行机构。作为计算机控制系统的重要组成部分，该功能是根据计算机输出的控制信号改变输出的角度位移或直线位移，通过调整机制改变调整介质的流量或能量以满足预定要求的功能。常用的执行机制是电气、流体和气动等控制形式，或由电动机、步进电动机和可控制硅零件等控制。配置1.2.11.2.1软件配置软件配置计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，计算机的操作系统和各种应用程序是执行控制系统任务的核心，通常称为软件。整个计算机系统的动作在软件的指挥下进行调整，所以软件被称为计算机控制系统的中枢神经系统。软件的质量与计算机操作和控制效果的好坏、硬件功能的充分利用和推广应用有关。软件主要子系统软件、支持软件和应用软件。(1)系统软件：提供运行和管理计算机的基本环境和网络平台，如DDS、Windows、WinNT、UNIX等。(2)支持软件：或用于编辑、编译和控制系统的编程软件等语言处理软件是专门的软件，使用户的二次开发变得非常容易，确保了软件安全性。(3)应用软件：控制系统设计者根据特定系统要求开发的特殊控制软件和管理程序的用户导向程序。应用程序包含以下控制计算程序：显示器：信息管理程序(包括轮询程序、数据处理程序、最小/最大检查和警告程序、操作面板服务程序、数字过滤和尺度转换程序、判断程序、流程分析程序等)包含信息生成时间表、文件管理和输出、打印、显示程序等常用服务程序的控制算法程序、函数处理程序、数字转换程序、格式代码程序这里，控制程序是应用软件的核心，是经典或现代控制理论算法的具体实现，如PID程序。数字控制程序等)。进程输入、输出程序分别用于管理进程输入、输出通道，向进程控制程序提供计算数据，同时执行a/d转换、d/a转换、数字过滤、尺度转换、键盘处理、显示等控制命令。软件通常很大程度上依赖于计算机控制系统。不同的控制对象和不同的控制操作在软件配置方面存在很大的差异。平衡系统硬件和软件的性能和功能，只有确认系统硬件后，才能决定如何准备软件。在计算机控制系统中，将相应的控制软件分配给每个控制对象或控制操作。这些应用程序使用的语言和技术不同。在控制系统中，应用程序是直接控制程序，其他程序提供计算机控制系统讲义一章计算机控制系统概述6。因此，应用程序的质量会极大地影响系统的精度和效率。从系统功能方面看，除了作为核心的监控程序外，还可以分为预处理、维修程序和后处理程序。预处理程序是与生产过程直接相关的处理程序。也就是说，该程序是直接参与系统的控制进程来提供系统操作的基本服务。服务程序是计算机器控制系统中用于所有外围设备和人机接触等操作的程序，此类程序有时称为监控程序，与控制过程没有直接关联，但它所执行的操作对系统是必需的；后处理程序是与系统控制程序完全无关的部分，例如硬体和软体的诊断，可确保系统本身的稳定性。典型控制系统的软件至少包括一级监控和预处理程序。1.1.2.3 3配置控制技术配置控制技术* * * * *根据设计方法的不同，可以将单片机分为核心计算机测量和控制系统、以可编程控制器(PLC)为核心的计算机控制系统和以工业PC机或工业控制计算机(IPC)为核心的计算机控制系统。配置技术是基于上述三种(尤其是基于IPC的系统)开发的计算机控制系统。以单片机为核心的计算机测控系统的突出优点是结构小、价格便宜，因此广泛应用于智能仪器、仪表和小型测控系统。缺点是硬件电路和软件都必须独立设计，不能充分利用一般PC提供的各种硬件和软件资源，对设计师的要求很高，产品往往没有通用性。目前在工业控制(即工业控制)领域最常用的是各种智能显示协调器和智能发射器。PLC是由继电器控制系统开发的。目前广泛应用于工业生产的各个领域，尤其是基于开关的系统，已成为控制的主要手段。随着技术的发展，PLC现在也具有模拟控制功能。以IPC为核心的计算机测控系统。最大的优点是可以充分利用普通计算机提供的各种软件和硬件资源，不仅开发方便，还可以利用Windows或其他操作系统，从而实现生产监控管理。行业PC机器(IPC)具有专用于配置软件的通用接口电路(例如a/d、d/a卡和模块)，这是用于工业控制的简单、易于学习的开发工具。为了让三种控制技术发挥各自的优势，许多智能仪表和PLC开发了与IPC的通信功能。这允许IPC、基于单片机的智能仪表和PLC共存于一个系统中，从而构成分布式计算机控制系统。在这些系统中，智能仪表和PLC完成了信号的前沿检测和控制功能，IPC和配置软件用于系统监控。许多制造商生产的DCS产品基于此技术。基于配置控制技术的计算