《计算机控制技术》第1章

1、计算机控制技术平时成绩考核形式平时成绩考核形式：考勤、课堂表现、实验、课程设计、考勤、课堂表现、实验、课程设计、作业作业 本课程系统地阐述计算机控制系统的分析本课程系统地阐述计算机控制系统的分析方法、设计方法和工程实现方法。方法、设计方法和工程实现方法。v知识储备知识储备v主要内容主要内容模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术自动控制理论自动控制理论单片机原理及应用单片机原理及应用 1、刘庆丰刘庆丰. 计算机控制技术计算机控制技术. 科学出版社科学出版社, 2014年年8月月 2、方彦军，张荣、方彦军，张荣 著著. 计算机控制技术计算机控制技术(普通高等教育普通高等教育“十十二五二五

2、”规划教材规划教材). 水利水电出版社水利水电出版社, 2012年年8月月 3、何小阳、何小阳 主编主编. 计算机控制技术计算机控制技术. 重庆大学出版社重庆大学出版社(第一第一版版), 2011年年3月月 4、李大中李大中，周黎辉周黎辉，焦嵩鸣焦嵩鸣编著编著. 计算机控制技术与计算机控制技术与系统系统(普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”规划教材规划教材). 中国电力出版社中国电力出版社, 2009年年7月月 5、王慧、王慧. 计算机控制系统计算机控制系统(第三版第三版). 化学工业出版社化学工业出版社, 2011年年6月月计算机控制技术计算机控制技术主讲主讲: :罗文广罗文广参考书目参

3、考书目第第1 1章章 绪论绪论 1.1 计算机控制系统的概念计算机控制系统的概念1.2 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 1.1.1 基本概念和组成基本概念和组成 1）自动控制系统的基本结构）自动控制系统的基本结构 ：图图1-1 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构 如果把图如果把图1-1（a）中的控制器和比较环节用计算机来代替，）中的控制器和比较环节用计算机来代替，再加上再加上A/D转换器、转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图系统，其基本框图如图1-2所示。所示。图1-2 计算机控制系统的基本框图2）计算机控制系统基本

4、工作原理）计算机控制系统基本工作原理 计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计用计算机系统取代了模拟控制器算机系统取代了模拟控制器。 计算机系统主要包括：计算机系统主要包括：AD转换器转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；信号，送入计算机；DA转换器转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号模拟信号(直流电压直流电压)并送给直流电机的放大部件；并送给直流电机的放大部件；数字计算机数字计算机(包括硬件及相应软件包括硬件及相应软件)，

5、实现信号的转换处理，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。控制指令。 计算机控制系统的控制过程可以归结为计算机控制系统的控制过程可以归结为： 实时数据采集实时数据采集，即，即A/DA/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；时值进行检测和输入； 实时决策实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；行为的决策，生成控制指令； 实时控制实时控制，即，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对变换

6、器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。象输出控制信号。 “实时实时”，是指信号的采集、处理及指令输出，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成，如整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。失去了意义。 所需时间将依具体系统特性确定。所需时间将依具体系统特性确定。 计算机控制系统由计算机控制系统由计算机计算机（通常称为工业控制（通常称为工业控制机）和机）和生产过程生产过程两大部分组成。两大部分组成。3）计算机控制系统基本组成）计算机控制系统基本组成图图1-3 计算机控制系统原理图计

7、算机控制系统原理图（1）计算机）计算机 控制系统的核心控制系统的核心。（2）接口）接口计算机与被控对象进行信息交换的计算机与被控对象进行信息交换的纽带纽带。 （3）输入和输出通道）输入和输出通道 信息传输和转换的连接通道信息传输和转换的连接通道（4）通用外部设备）通用外部设备 为了为了扩大计算机的功能扩大计算机的功能而设置的而设置的（5）操作台）操作台 操作台是一个操作台是一个实时的人机对话实时的人机对话的联系纽带的联系纽带 （6）自动化仪表）自动化仪表 自动化仪表主要包括自动化仪表主要包括测量元件、检测仪表、调节仪表、执测量元件、检测仪表、调节仪表、执行机构行机构等等 1.硬件组成硬件组成2

8、软件软件 计算机控制系统的软件通常由计算机控制系统的软件通常由系统软件系统软件和和应用软件应用软件组成。组成。 -系统软件系统软件：计算机的通用软件。计算机的通用软件。 -应用软件应用软件：系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。 包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理程序。息管理程序。输入模块温度变送输出模块计算机燃料调节阀冷物料热物料加热炉热电偶 420mA（模拟信号） 数字信号 数字信号420mA (模拟信号）计算机温度监控系统举例计算机温度监控系统举例4）计算机控制系统发展概

9、况）计算机控制系统发展概况（1）. 开创时期（开创时期（19551962年）年） 难于直接参与系统的闭环控制难于直接参与系统的闭环控制。 计算机的主要任务是计算机的主要任务是寻求最佳运行条件寻求最佳运行条件。（2）. 直接数字控制时期（直接数字控制时期（19621967年）年） 计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因而被称为直接数字控制（控制，因而被称为直接数字控制（DDC)。（3）. 小型计算机时期（小型计算机时期（19671972年）年） 各种类型适合工业控制的小型计算机各种类型适合工业控制的小型计算机。 许多小型工程项目、设备

10、采用计算机控制系统许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。（4）. 微型计算机时期（微型计算机时期（1972年至今）年至今） 微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更 普及的应用普及的应用。 （5）. 集散型控制集散型控制 微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合络的发展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作负荷的系统，形成了目前广泛应用的集共同负担工作负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统（成分散型控制系统（DCS）。 微

11、型计算机的发展和普及，促进发展了许多新微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。型计算机的控制方式。 如嵌入式计算机控制系统如嵌入式计算机控制系统； 网络计算机控制网络计算机控制； 专用控制器迅速的发展专用控制器迅速的发展。 依赖于计算机实时控制软件的进展依赖于计算机实时控制软件的进展。 过去的几十年软件生产的进展不大。过去的几十年软件生产的进展不大。 性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制系统分析、设计理论的支持。系统分析、设计理论的支持。 -采样系统的基本理论采样系统的基本理论； -现代离散控制理论现代离散控制理论； -各种智能控

12、制理论，如模糊控制、神经网络。各种智能控制理论，如模糊控制、神经网络。 限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应用受到了限制。用受到了限制。 加强先进控制理论的可行性研究，发展各种简加强先进控制理论的可行性研究，发展各种简便易行的先进控制策略，提高系统控制水平。便易行的先进控制策略，提高系统控制水平。 广泛地用于各种不同的工业生产；广泛地用于各种不同的工业生产； 广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中；器装备中； 迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中

13、 -各种用途的机器人系统；各种用途的机器人系统； -各种空间飞行器的控制；各种空间飞行器的控制； -现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统控制和集中监视系统。 1.2 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 1.2.1 数据采集和监控系统数据采集和监控系统 1.2.2 直接数字控制系统直接数字控制系统 1.2.3 监督控制系统监督控制系统 1.2.4 分布式控制系统分布式控制系统 1.2.5 现场总线控制系统现场总线控制系统 1.2.6 工业以太网控制系统工业以太网控制系统1数据采集和监控系统数据采集和监控系统数据采集和监控系统组成框图

14、数据采集和监控系统组成框图2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC） DDC控制系统原理图控制系统原理图管理命令DDC微型机报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件D/A反多路开关生产过程3监督控制系统监督控制系统（SCC） 计算机监督系统（计算机监督系统（Supervisory Supervisory Computer ControlComputer Control）简称）简称SCCSCC系统。系统。 SCCSCC系系统有两种不同的结构形式。一种是统有两种不同的结构形式。一种是SCC+SCC+模模拟调节器，另一种是拟调节器，另一种是SCC+DDCSCC+DDC控制系统。控制系统。

15、（1 1）SCC+SCC+模拟调节器控制系统模拟调节器控制系统 该系统原理图，如图该系统原理图，如图1-71-7所示。所示。 （2 2）SCC+DDCSCC+DDC控制系统控制系统 SCC+DDCSCC+DDC控制系统原理图，如图控制系统原理图，如图1-81-8所所示。示。图图1-7 SCC+模拟调节器控制系统原理图模拟调节器控制系统原理图 管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关. 图图1-8 SCC+DCC控制系统原理图控制系统原理图 4分散型计算机控制系统分散型计算机控制系统 分散型

16、计算机控制系统分散型计算机控制系统 (Distributed Control System，DCS)-应用以多台计算机为基础的分散型控制系统应用以多台计算机为基础的分散型控制系统。-分散控制基础上的又形成了集散型计算机控制系分散控制基础上的又形成了集散型计算机控制系统，又称为分散型综合控制系统（统，又称为分散型综合控制系统（Total DCS）。-“控制要分散，管理要集中控制要分散，管理要集中” 。图图1-9 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System） 现场总线控制系统的结构模式为现场总线控制系统的结构模式为

17、“工作站工作站现场现场总线智能仪表总线智能仪表”二级结构模式二级结构模式，彻底实现了系统的分，彻底实现了系统的分散控制。其结构框图如图散控制。其结构框图如图1-10所示。所示。5.现场总线控制系统现场总线控制系统 图图1-10图1-9 现场总线控制系统结构框图用二层结构完成用二层结构完成DCSDCS的三层结构功能，降低成本，提高可靠性，的三层结构功能，降低成本，提高可靠性，国家标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构，是新一国家标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构，是新一代分布式控制结构。代分布式控制结构。 数字式、双向、多种网络拓扑：数字式、双向、多种网络拓扑：现场设备、现场办公仪现

18、场设备、现场办公仪表互联。表互联。 真正功能分散：真正功能分散：现场控制站的各种功能分散到各个智能现场控制站的各种功能分散到各个智能单元。单元。 开放性：开放性：与同层网络和其它层网络互联，实现数据共享。与同层网络和其它层网络互联，实现数据共享。 互操作性：互操作性：不同制造商产品之间相互传送数据，作出响不同制造商产品之间相互传送数据，作出响应。应。现场总线特点嵌入式控制系统嵌入式控制系统 ECS（Embedded Control System） 嵌入式控制系统是计算机技术、控制技术、通嵌入式控制系统是计算机技术、控制技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产