计算机控制系统第1章

1、授课教师：晁军峰 E-mail : 2015版版 安阳工学院电子信息与电气工程学院 学分学分：2 2 学位选修课学位选修课 选修课程：选修课程：自动控制原理、微机原理、微机接口技自动控制原理、微机原理、微机接口技 术、术、 程序设计基础程序设计基础 课程简介：课程简介：本课程介绍计算机控制系统的本课程介绍计算机控制系统的构成、硬构成、硬 件配置件配置、控制算法、软件设计和系统设计与实现控制算法、软件设计和系统设计与实现等内等内 容。通过学习能掌握正确容。通过学习能掌握正确选择与设计测控系统的主要选择与设计测控系统的主要 组件组件，掌握，掌握DCSDCS控制系统及其它计算机控制系统的基控制系统及

2、其它计算机控制系统的基 本原理与软硬件设计方法。本原理与软硬件设计方法。 计算机控制系统课程介绍： n2 2、何克忠，计算机控制技术，清华大学出版社、何克忠，计算机控制技术，清华大学出版社 n3 3、曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业、曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业 出版社出版社 n4 4、江秀汉，计算机控制原理及应用，西安电子、江秀汉，计算机控制原理及应用，西安电子 科技大学出版社科技大学出版社 参考资料： 第二部分：第二部分：硬件基础硬件基础（输入输入/输出接口与过程通道）输出接口与过程通道） 第三部分：第三部分：计算机控制系统的数学基础计算机控制系统的数学基础 第四部分：第四

3、部分：计算机控制系统的间接设计方法（数字计算机控制系统的间接设计方法（数字 控制算法）控制算法） 第六部分：第六部分：计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的设计与实现 内容简介： 第五部分：第五部分：计算机控制系统的直接设计方法（软件计算机控制系统的直接设计方法（软件 设计方法）设计方法） 控控 制制 器器 检测检测 装置装置 执行执行 装置装置 被被 控控 对对 象象 控控 制制 部部 分分 第一章 绪论 1.1.1 1.1.1 计算机控制系统计算机控制系统 计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工就是利用计算机（通常称为工 业控制计算机）来实现控制对象（通常为生产业控制计

4、算机）来实现控制对象（通常为生产 过程）自动控制的系统。过程）自动控制的系统。 工作原理主要为：工作原理主要为：（1 1）实时数据采集）实时数据采集- （2 2）实时控制决策）实时控制决策- （3 3）实时）实时 控制输出控制输出- 在线方式：在线方式： 离线方式：离线方式： 生产过程和计算机直接连接。生产过程和计算机直接连接。 生产过程不和计算机直接连接。生产过程不和计算机直接连接。 实时含义实时含义: : 实时：实时：信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内 信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内 完成，即计算机对输入的信息，以足够快的速度进完成，即计算机对输入的信息，以足够快的

5、速度进 行控制。行控制。 在线不一定实时，实时一定在线。在线不一定实时，实时一定在线。 计计 算算 机机D/A通道通道A/D通道通道 A/D通道通道 给定值给定值 反馈值反馈值 输出控制值输出控制值 A/D通道通道 D/A通道通道 计算机计算机 构成了计算机控制系统的构成了计算机控制系统的三大基本要素。三大基本要素。 模拟、数字混合系统 便于修改控制规律 可实现复杂的控制规律 离散控制 可分时控制多个回路 便于实现控制与管理一体化 此外，由于多数系统的被控对象及执行部件、测此外，由于多数系统的被控对象及执行部件、测 量部件是连续模拟式的，因此，还必须加入信号变换量部件是连续模拟式的，因此，还必

6、须加入信号变换 装置（如装置（如A/D及及D/A变换器）。变换器）。 所以，计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混所以，计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混 合系统。合系统。 计算机控制系统必须包括有计算机，它是一个数计算机控制系统必须包括有计算机，它是一个数 字式离散处理器。字式离散处理器。 控制对象中各点信号一般均为连续模拟信号，控制对象中各点信号一般均为连续模拟信号， 由于计算机是串行工作的，必须按一定的采样间隔由于计算机是串行工作的，必须按一定的采样间隔 （称为采样周期）对连续信号进行采样，将其变成（称为采样周期）对连续信号进行采样，将其变成 时间上是断续的信号才能进入计算机。所以，

7、它除时间上是断续的信号才能进入计算机。所以，它除 有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散数字、连有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散数字、连 续数字等信号形式，是一种混合信号形式系统。续数字等信号形式，是一种混合信号形式系统。 在在连续控制系统连续控制系统中，控制器通常都是由不同的电中，控制器通常都是由不同的电 路构成，并且一台控制器仅为一个控制回路服务。路构成，并且一台控制器仅为一个控制回路服务。 在在计算机控制系统计算机控制系统中，中，一台计算机可同时控制一台计算机可同时控制 多个被控量或被控对象，即可为多个控制回路服务。多个被控量或被控对象，即可为多个控制回路服务。 每个控制回路的控制方式

8、由软件来形成。同一台计算每个控制回路的控制方式由软件来形成。同一台计算 机可以采用串行或分时并行方式实现控制。机可以采用串行或分时并行方式实现控制。 由于计算机的运算速度快、精度高、具有极丰富由于计算机的运算速度快、精度高、具有极丰富 的逻辑判断功能和大容量的存储能力，因此，能实现的逻辑判断功能和大容量的存储能力，因此，能实现 复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及自学习复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及自学习 等，从而可达到较高的控制质量。等，从而可达到较高的控制质量。 这些均是常规仪表组成的连续控制系统难于实现的！这些均是常规仪表组成的连续控制系统难于实现的！ 尽管一台计算机最初投

9、资较大，但增加一个控制尽管一台计算机最初投资较大，但增加一个控制 回路的费用却很少。一台计算机却可以实现复杂控制回路的费用却很少。一台计算机却可以实现复杂控制 规律并可同时控制多个控制回路。规律并可同时控制多个控制回路。 对于连续系统，模拟硬件的成本几乎与控制规律对于连续系统，模拟硬件的成本几乎与控制规律 复杂程度、控制回路多少成正比；复杂程度、控制回路多少成正比； 计算机本身是一种可编程的智能元件，易于修计算机本身是一种可编程的智能元件，易于修 改系统功能和特性，构成了一种柔性（弹性）系统。改系统功能和特性，构成了一种柔性（弹性）系统。 由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实由于计算机控

10、制系统的控制规律是由软件程序实 现的，并且计算机具有强大的记忆和判断功能，所以，现的，并且计算机具有强大的记忆和判断功能，所以， 极易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能。极易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能。 随着微电子技术的发展，大规模集成电路的出现，随着微电子技术的发展，大规模集成电路的出现， 计算机体积减小，重量轻、成本下降；计算机体积减小，重量轻、成本下降； 随着对自动控制系统功能要求的不断提高，计算随着对自动控制系统功能要求的不断提高，计算 机控制系统的优越性表现得越来越突出。机控制系统的优越性表现得越来越突出。 由于系统中插入数字部件，信号复杂，给设计实由于系统中插入数字

11、部件，信号复杂，给设计实 现带来一定困难；现带来一定困难； 初期投资大；初期投资大； 计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生 产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同 的要求，应有不同的控制方案。的要求，应有不同的控制方案。 或者说：由于或者说：由于A/D、 D/A通道的形式不同以及计通道的形式不同以及计 算机在系统中的地位、作用不同，计算机控制系统的算机在系统中的地位、作用不同，计算机控制系统的 形式也是多种多样。形式也是多种多样。 操作指导控制系统操作指导控制系统 直接数字控制系统直接数字控制系统

12、 计算机计算机监督控制系统监督控制系统 集散控制系统集散控制系统 现场总线控制系统现场总线控制系统 工业过程计算机集成制造系统工业过程计算机集成制造系统 Operational Guide Control-OGC） 图1.4 操作指导系统结构图 它主要作用是：它主要作用是： 集中监视集中监视 操作指导操作指导 这种系统主要是完成这种系统主要是完成“数据采集与处理数据采集与处理”，不，不 需要完成需要完成“控制控制”功能。所以，严格地讲：这种形功能。所以，严格地讲：这种形 式的系统不能算是式的系统不能算是“计算机控制系统计算机控制系统”。 这种系统特点是原系统不需作大的改造，只需这种系统特点是原

13、系统不需作大的改造，只需 在原系统上独立地加一套测试系统即可。在原系统上独立地加一套测试系统即可。 因此，因此，结构简单、实施方便、效益显著。结构简单、实施方便、效益显著。 在该系统中计算机参与了在该系统中计算机参与了对数据的采集、控对数据的采集、控 制决策、控制输出制决策、控制输出三个基本功能，同时还负责报三个基本功能，同时还负责报 警、打印、显示和接收操作指令。警、打印、显示和接收操作指令。 DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计系统属于计算机闭环控制系统，是计 算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。 为了充分发挥计算机的利用率，一台计算机为了

14、充分发挥计算机的利用率，一台计算机 通常要控制几个或几十个回路，那就要合理地设通常要控制几个或几十个回路，那就要合理地设 计应用软件，使之不失时机地完成所有功能。计应用软件，使之不失时机地完成所有功能。 需要注意的是：对一些关键的控制回路，往需要注意的是：对一些关键的控制回路，往 往设计为计算机控制与仪表控制相结合的形式，往设计为计算机控制与仪表控制相结合的形式， 以提高整个系统的可靠性。以提高整个系统的可靠性。 Supervisory Computer Control-SCC (1) SCC+模拟调节器控制系统 SCC共有两种结构形式：共有两种结构形式： 当当SCC计算机出现故障时，可由模拟

15、调节器计算机出现故障时，可由模拟调节器 独立完成操作。独立完成操作。 该系统与该系统与“操作指导控制系统操作指导控制系统ODC的的”区别是：区别是： 后者计算机系统主要完成后者计算机系统主要完成 数据采集与处理，一数据采集与处理，一 般般不需要对数据进行复杂的工艺分析与计算不需要对数据进行复杂的工艺分析与计算。而前。而前 者主要完成工艺分析与计算，并给出给定值。者主要完成工艺分析与计算，并给出给定值。 当当DDC级计算机出现故障时，可由级计算机出现故障时，可由SCC计算计算 机完成机完成DDC的控制功能，使系统可靠性得到提高。的控制功能，使系统可靠性得到提高。 作为作为SCC的计算机一般均采用

16、高档计算机或的计算机一般均采用高档计算机或 工作站，要求数据处理功能强、存储容量大，对工作站，要求数据处理功能强、存储容量大，对 工业现场的抗干扰能力倒不一定很强。工业现场的抗干扰能力倒不一定很强。 优点：功能强大、性能优越、技术成熟，软件支持广泛。优点：功能强大、性能优越、技术成熟，软件支持广泛。 缺点：系统比较复杂，成本较高。缺点：系统比较复杂，成本较高。一般适合于大型测控系统。一般适合于大型测控系统。 过程控制级过程控制级 操作监控级操作监控级 信息管理级信息管理级 系统的设计原则：系统的设计原则： 分散控制分散控制 集中操作集中操作 分级管理分级管理 分而自治分而自治 综合协调综合协调

17、 DCS最明显的特征是：最明显的特征是： 1）DCS计算机系统；计算机系统； 2）网络分级结构；）网络分级结构； 3）专用软件平台。）专用软件平台。 FCS系统实物图 2 2） FF现场总线基金标准现场总线基金标准 2）CAN控制器局域网络（德国）控制器局域网络（德国） 3）LONWORKS局部操作网络（美国）局部操作网络（美国） 4） PROFIBUS过程现场总线（德国）过程现场总线（德国） 5） HART可寻址远程传感器数据通路（美国可寻址远程传感器数据通路（美国) 目前目前FCS的标准的标准有有200多种多种，其中在我国使用，其中在我国使用 较多的有如下几种：较多的有如下几种： 由于各集

18、团、国家在技术和市场利益上的冲由于各集团、国家在技术和市场利益上的冲 突，目前仍存在多种标准，突，目前仍存在多种标准，尚未统一，尚未统一，因此阻碍因此阻碍 了现场总线技术的发展。了现场总线技术的发展。 由于自动化技术、计算机技术、数据通信等技术的由于自动化技术、计算机技术、数据通信等技术的 发展，已完全可以满足上述要求，发展，已完全可以满足上述要求，能实现这些功能的系能实现这些功能的系 统称之为计算机集成制造系统统称之为计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System - CIMS）。）。当当CIMS 用于流程工用于流程工 业时，简称为流程业

19、时，简称为流程 CIMS或或CIPS（Computer Integrated Processing System）。）。 对计算机控制系统的分析和设计，不只是 简单地推广连续系统的理论，同时也需要一些 专门理论来对它进行研究。计算机控制系统理 论主要包括离散系统理论、采样系统理论及数 字系统理论。 q 离散系统理论 q 采样系统理论 差分方程及z变换理论 常规设计方法 极点配置设计法 最优设计方法 系统辨识及自适应控制 采样系统理论除了包括离散系统的理论外， 还包括以下一些内容： 采样理论 连续模型及性能指标的离散化 采样控制系统的仿真 采样周期的选择 数字信号整量化效应的研究，如量化误差、

20、非线性特性的影响等 q 卫星模型 q 直流伺服电机模型 q 工业机器人模型 卫星模型常应用于卫星姿态控制系统中。卫星常要求 进行姿态控制，以使它的天线和传感器相对于地球具有适 当的方位。为此，需要利用推进器对三个轴进行姿态控制， 分别控制卫星的偏离角、倾斜角和转动角。 图1.9 卫星结构图 直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制，即励磁绕 组加恒定励磁电压，电枢绕组加控制电压，当负载转矩恒定 时，电枢的控制电压升高，电动机的转速就升高；反之，减 小电枢控制电压，电动机的转速就降低；改变控制电压的极 性，电机就反转；控制电压为零，电机就停转，故可实现对 被控对象的机械运动的快速控制。 图1.10

21、 直流伺服电机结构图 工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造 业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。 图1.11工业机器人结构示意图 工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能 的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的 时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。 图1.12 机械臂关节结构示意图图1.13 机械臂关节模型 q 计算机控制系统的发展过程 q 计算机控制系统的发展趋势 1946年，世界上第一台电子计算机 20世纪50年代末，计算机控制系统投入实际 应用 20世纪60年代末，小型计算机 1972年，微型计算机，以单片机为代表 分级计算机控制、集散控制系统、集成制造 系统（CIMS） 基于网络的控制技术（简称网络控制） q 可编程控制器 q 嵌入式系统 q 集散控制系统 q 现场总线控制系统 q 计算机集成制造系统 q 网络控制系统 在制造业的自动化生产线上，各道工序都 是按规定的时间和条件顺序执行的，对这种自 动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。 随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器 中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算 机的通用结构，把程序存储在存储器中，用软 件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电 器完成的功能，形成了可编程逻辑