计算机控制系统的原理PPT课件

1、2021/3/91东南大学电气工程系东南大学电气工程系计算机控制技术计算机控制技术主讲教师：主讲教师： 尤鋆尤鋆2021/3/92办公室：动力楼305Email： 2021/3/93 教材教材 于海生，计算机控制技术于海生，计算机控制技术 ，机械工业出版社，机械工业出版社 ，ISBN 978-7-111-21294-2 ，2007 于海生，微型计算机控制技术于海生，微型计算机控制技术 ，清华大学出版社，清华大学出版社 ，ISBN 7302033595 ，1999 参考教材参考教材 赖寿宏，微型计算机控制技术赖寿宏，微型计算机控制技术 ，机械工业出版社，机械工业出版社 , 7111048911，

2、2005年年7月月 潘新民潘新民 王燕，微型计算机控制技术王燕，微型计算机控制技术 ，电子工业出，电子工业出版社版社 ，7505383183，2003年年1月月 曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社 ，711108648，2004年年7月月 2021/3/941、本课程的地位、本课程的地位 计算机控制技术是电气工程系的计算机控制技术是电气工程系的一门专业课程一门专业课程，是，是突出突出计算机应用计算机应用的一门课程。的一门课程。前前 言言 计算机控制技术主要研究任何将计算机技术、自动计算机控制技术主要研究任何将计算机技术、自动控制理论、电子技

3、术应用于工业生产过程。控制理论、电子技术应用于工业生产过程。 本课程以本课程以IBM PC系列微型计算机为控制主机。同系列微型计算机为控制主机。同时介绍单片机及数字信号处理器。时介绍单片机及数字信号处理器。2021/3/95 本课程作为本课程作为 “数字电路数字电路微型机原理及接口技术微型机原理及接口技术计算机控制技术计算机控制技术”系列课程的一个应用环节。系列课程的一个应用环节。 它的先修课程是它的先修课程是数字电路数字电路、汇编语言、计算机组成、汇编语言、计算机组成原理、原理、微型机原理及接口技术微型机原理及接口技术、自动控制理论自动控制理论、单、单片机原理片机原理等。等。2、本课程知识范

4、围及与相关课程的关系、本课程知识范围及与相关课程的关系2021/3/96 微机控制系统概述微机控制系统概述系统组成、结构类型、特点系统组成、结构类型、特点和发展趋势和发展趋势 。 数字程序控制系统数字程序控制系统逐点比较法插补原理，步进逐点比较法插补原理，步进电机控制技术，伺服控制系统。电机控制技术，伺服控制系统。3、本课程主要内容、本课程主要内容 控制系统硬件设计控制系统硬件设计常用总线及接口，数字量、模常用总线及接口，数字量、模拟量输入输出接口及通道，抗干扰技术拟量输入输出接口及通道，抗干扰技术。2021/3/97 现代控制技术现代控制技术状态空间的输出反馈设计法、极状态空间的输出反馈设计

5、法、极点配置设计法等。点配置设计法等。 计算机控制系统的实现计算机控制系统的实现系统的硬件软件设计、抗系统的硬件软件设计、抗干扰和工程实例。干扰和工程实例。 PID控制系统控制系统介绍比例、积分、微分三大基本的介绍比例、积分、微分三大基本的控制规律及算法。控制规律及算法。 常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术离散化设计、复杂控制离散化设计、复杂控制 先进先进控制技术控制技术模糊控制、神经元、专家系统模糊控制、神经元、专家系统。 现场总线及网络现场总线及网络技术技术测控网络、现场总线控制测控网络、现场总线控制系统系统。2021/3/98 第第1 章章 绪绪 论论 1.1 自动控制自动控制系统概述

6、系统概述 自动控制技术的发展自动控制技术的发展 经典控制理论阶段经典控制理论阶段：20世纪世纪4050年代，采用传年代，采用传递函数进行数学描述、以根轨迹法和频率法作递函数进行数学描述、以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法。为分析和综合系统的基本方法。 将复杂的生产过程人为地分解为若干个简单过程。将复杂的生产过程人为地分解为若干个简单过程。2021/3/99 如单输入单输出的控制系统，其控制目标为保持如单输入单输出的控制系统，其控制目标为保持生产的平稳和安全。生产的平稳和安全。图图1-1 蒸汽加热器带控制点的工艺流程图蒸汽加热器带控制点的工艺流程图热流体热流体冷流体冷流体冷凝水冷凝水

7、蒸汽蒸汽2021/3/910 现代控制理论阶段现代控制理论阶段：20世纪世纪50年代末年代末60年代，为年代，为适应航天航空技术的发展需要，以状态空间分析适应航天航空技术的发展需要，以状态空间分析方法为基础。包括：方法为基础。包括： 以以最小二乘法为基础的系统辨识。最小二乘法为基础的系统辨识。 以以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制。极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制。 以以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。 以以实现从外部现象深入到揭示系统内在规律，从局实现从外部现象深入到揭示系统内在规律，从局部简单控制到全局最优控制，从单、闭环系统扩部简单控制到全

8、局最优控制，从单、闭环系统扩展到自适应环、自学习环。展到自适应环、自学习环。2021/3/911 计算机技术用于自动控制理论领域计算机技术用于自动控制理论领域：20世纪世纪70年年，采用工业控制机，使用冗余技术、软硬件自诊，采用工业控制机，使用冗余技术、软硬件自诊断，多参数多回路控制，提高稳定性和可靠性。断，多参数多回路控制，提高稳定性和可靠性。 大系统理论和智能控制理论的形成，考虑多因素大系统理论和智能控制理论的形成，考虑多因素应用系统，建立数学模型，以满足闭环最优控制应用系统，建立数学模型，以满足闭环最优控制控制的需要。控制的需要。2021/3/912 计算机过程控制系统的任务和要求计算机

9、过程控制系统的任务和要求 计算机过程控制的六大参数：计算机过程控制的六大参数： 温度温度 压力压力 流量流量 液位（或物位）液位（或物位） 成分成分 物性参数物性参数 三项要求：安全性、经济性、稳定性。三项要求：安全性、经济性、稳定性。2021/3/913 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 自动控制系统的的几个术语：自动控制系统的的几个术语： 被控对象和过程被控对象和过程：需要实现控制的设备，机器：需要实现控制的设备，机器和生产过程，如蒸汽加热器。和生产过程，如蒸汽加热器。 被控变量被控变量：被控对象内要求与给定数值保持一致：被控对象内要求与给定数值保持一致（接近恒定值或按预定规律变化）的

10、物理量，如（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，如蒸汽加热器热流体出口温度。蒸汽加热器热流体出口温度。 操纵变量操纵变量：受到控制装置（如调节器）操纵，用：受到控制装置（如调节器）操纵，用以使被控变量保持在给定值的物料量或能量，如以使被控变量保持在给定值的物料量或能量，如加热蒸汽。加热蒸汽。2021/3/914 扰动（干扰）扰动（干扰）：除操纵变量外，作用于被控对象：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素，如蒸汽加热器出口并引起被控变量变化的因素，如蒸汽加热器出口热流体温度受冷流体流量的变化的影响。热流体温度受冷流体流量的变化的影响。 给定值给定值：被控变量的预定值。：被控变量

11、的预定值。 偏差偏差：在理论上应该是被控变量的给定值与实：在理论上应该是被控变量的给定值与实际值之差，通常把给定值与测量值之差作为偏际值之差，通常把给定值与测量值之差作为偏差差2021/3/915 偏差产生的原因偏差产生的原因 扰动的出现扰动的出现，此时操纵变量必须随着作相应变化，此时操纵变量必须随着作相应变化，如冷流体的流量增加，应加大蒸汽流量。，如冷流体的流量增加，应加大蒸汽流量。 给定值的变化给定值的变化，此时操纵变量也必须随着作相，此时操纵变量也必须随着作相应变化，如要求提高蒸汽加热器的出口温度。应变化，如要求提高蒸汽加热器的出口温度。 累计误差的存在累计误差的存在，很难长期保持平稳，

12、如蒸汽加，很难长期保持平稳，如蒸汽加热器的进出口流量的累计误差。热器的进出口流量的累计误差。2021/3/916设定值设定值控制装置控制装置控制装置控制装置蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽图图1-2 开环控制系统的基本结构开环控制系统的基本结构（a）按设定值热）按设定值热控制的开环系统控制的开环系统（b）按扰动热控）按扰动热控制的开环系统制的开环系统 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统2021/3/917 闭环（反馈）控制系统闭环（反馈）控制系统蒸汽蒸汽图图1-3 闭环控制系统的基本结构闭环控制系统的基本结构2021/3/918 闭环控制系统类型闭环控制系统类型1）定值控制系统定值控制系统：

13、给定值恒定不变，任务是克服：给定值恒定不变，任务是克服扰动对被控对象的影响。扰动对被控对象的影响。2）随动控制系统随动控制系统：给定值是事先未知的时间函数，：给定值是事先未知的时间函数，任务是使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪给任务是使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪给定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。3）程序（顺序）控制系统程序（顺序）控制系统：给定值是已知的时间函：给定值是已知的时间函数，如玻璃熔化炉的升温控制系统。数，如玻璃熔化炉的升温控制系统。2021/3/919 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成图图1-4 闭环控制系统的组成闭环控

14、制系统的组成控制装置控制装置执行器执行器过程过程检测元件变送器检测元件变送器比较比较机构机构e(t)控制器控制器广义对象广义对象被控变量被控变量测量值测量值y(t)设定值设定值r(t)u(t)q(t)c(t)f(t)扰动扰动2021/3/920 1.2 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 1.2.1 计算机控制系统及其组成计算机控制系统及其组成 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理图图1-52021/3/921 实时数据采集实时数据采集，对被控变量的瞬时值进行检测，对被控变量的瞬时值进行检测和输入。和输入。 实时控制决策实时控制决策，对采集被控变量进行分析处理。，对采集被控变量进

15、行分析处理。 实时控制输出实时控制输出，对执行机构发出控制信号，完成，对执行机构发出控制信号，完成控制任务。控制任务。 在线方式和离线方式在线方式和离线方式 实时的含义实时的含义 计算机控制系统的工作步骤计算机控制系统的工作步骤2021/3/922图图1-6 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成2021/3/923图图1-71.2.2 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 操作指导控制系统操作指导控制系统2021/3/924图图1-8 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC） 按一定的控制规律进行计算，最后发出控制消息，通过输出通道控制生产过程的闭环系统。按一定的控制规律进

16、行计算，最后发出控制消息，通过输出通道控制生产过程的闭环系统。2021/3/925图图1-9按数学模型确定设定值按数学模型确定设定值2021/3/926 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS)图图1-102021/3/927 1.3 工业控制机的组成结构及特点工业控制机的组成结构及特点1.3.1 工业控制机的组成工业控制机的组成 硬件构成硬件构成图图1-111）监控定时器）监控定时器(Watchdog)2）电源掉电检测）电源掉电检测3）后备存储器）后备存储器4）实时日历时钟）实时日历时钟2021/3/928 软件构成软件构成 系统软件系统软件 实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程实时多任

17、务操作系统、引导程序、调度执行程序；如序；如Intel：iRMX86，Ready System：嵌入：嵌入式式VRTX/OS。 支持软件支持软件 低、高级语言，编译、编辑、调试、诊断程序。低、高级语言，编译、编辑、调试、诊断程序。 应用软件应用软件 过程输入、过程控制、过程输出、人过程输入、过程控制、过程输出、人-机接口、显机接口、显示打印、公用子程序等。示打印、公用子程序等。2021/3/9291.3.1 工业控制机工业控制机 的总线结构的总线结构 内部总线内部总线 PC总线总线图图1-12 PC总线总线2021/3/930 STD总线总线（56根并行总线）根并行总线） 采用周期窃取和总线复

18、用技术，定义了采用周期窃取和总线复用技术，定义了16根数据根数据线，线，24跟地址线，实现跟地址线，实现8/16位机兼容。位机兼容。2021/3/931 RS-232C串行通信总线串行通信总线 外部总线外部总线2021/3/932图图1-13 RS-232C信号状态信号状态2021/3/933 IEEE-488并行行通信总线并行行通信总线 16根信号线，根信号线，8根地线。根地线。 总线互连设备不超过总线互连设备不超过15台。台。 总线电缆长度不超过总线电缆长度不超过20米。米。 速率一般为速率一般为500kbps，最高为，最高为1Mbps。 消息为负逻辑（消息为负逻辑（=2.0V为为“0”

19、）。 按位并行、字节串行、三线握手、双向异步传送。按位并行、字节串行、三线握手、双向异步传送。 可互连三种设备，讲者、听者和控者可互连三种设备，讲者、听者和控者图图1-142021/3/9341.4 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，伴随它们的发展而发展。相结合的产物，伴随它们的发展而发展。1.4.1 系统发展概况系统发展概况 计算机技术的发展过程计算机技术的发展过程 1956年年3月德洲的一个炼油厂与月德洲的一个炼油厂与TRW航空工业公航空工业公司，经司，经3年的研究，制造出年的研究，制造出

20、RW-300计算机控制的计算机控制的聚合系统，控制聚合系统，控制26个流量，个流量，72个温度，个温度，3个压力，个压力，来确保反应器内压力最小。来确保反应器内压力最小。2021/3/935 开创时期（开创时期（19551962年），从事操作指导和设年），从事操作指导和设定值控制。定值控制。 四个发展时期四个发展时期 直接数字控制时期（直接数字控制时期（19621967年），用计算机年），用计算机控制完全取代了模拟控制，使用灵活。控制完全取代了模拟控制，使用灵活。 小型计算机时期（小型计算机时期（19671972年），过程控制计年），过程控制计算机迅速发展。算机迅速发展。 微型计算机时期（微型

21、计算机时期（1972年年 ），出现分级递阶控），出现分级递阶控制系统、分散型控制系统、专用控制器，采用高制系统、分散型控制系统、专用控制器，采用高级语言进行实时控制。级语言进行实时控制。2021/3/936 计算机控制理论的发展过程计算机控制理论的发展过程 采样定理采样定理（乃奎斯特、香农定理）（乃奎斯特、香农定理） f采采=2 f最高最高 差分方程差分方程：用一个线性时不变的差分方程来代：用一个线性时不变的差分方程来代替微分方程。替微分方程。 Z变换法变换法：霍尔维兹：霍尔维兹1947年对序年对序f(kT)引进一个引进一个变换，定义为：变换，定义为：0)()(kkkTfzkTfZ2021/3

22、/937 状态空间理论状态空间理论：是设计和分析多输入多输出系统：是设计和分析多输入多输出系统的有力工具。卡尔曼在此领域作出很大贡献。的有力工具。卡尔曼在此领域作出很大贡献。 最优控制与随机控制最优控制与随机控制：控制系统设计的最优化问：控制系统设计的最优化问题，随机控制理论的发展。题，随机控制理论的发展。 系统辨识与自适应控制系统辨识与自适应控制。2021/3/9381.4.2 计算机控制系统发展趋势计算机控制系统发展趋势 推广应用成熟的先进技术推广应用成熟的先进技术 普及应用可编程控制器（普及应用可编程控制器（PLC） 使用具有智能使用具有智能I/O模块的模块的PLC，将顺序控制和过程，将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制。控制结合起来，实