计算机控制技术---计算机系统导言

1、 第一章第一章 绪绪 论论q 1.1 计算机控制系统概述 q 1.2 计算机控制系统的类型q 1.3 计算机控制理论q 1.4 计算机控制系统应用实例q 1.5 计算机控制系统的发展 1.1 计算机控制系统概述q 1.计算机控制系统的一般概念 q 2.计算机控制系统的组成 q 3.计算机控制系统的特点1.计算机控制系统的一般概念 在连续控制系统框图1.1中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行控制运算，产生控制信号驱动执行机构。系统内信号通常是模拟信号。 将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统（如图1.2）。在计算机控制系统通常

2、是模拟信号和数字信号的混杂系统。因此，在系统内部，需要进行模拟信号和数字信号之间的相互转换（A/D 和D/A 转换）。 计算机控制系统的控制过程为数据采集及处理和实时控制。 图1.1 连续控制系统的典型结构图1.2 计算机控制系统基本框图 2.计算机控制系统的组成 硬件计算机 过程输入、输出通道外部设备 操作台 软件系统软件 应用软件 图1.3 计算机控制系统的组成框图 3.计算机控制系统的特点 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 1.2 计算机控制系统的类型 根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可将计算机

3、控制系统分为以下几种类型。q 操作指导控制系统 q 直接数字控制系统 q 监督计算机控制系统 q 分级计算机控制系统 操作指导控制系统 所谓操作指导是指计算机的输出不直接用来控制被控对象，只是每隔一定时间，计算机进行一次数据采集，将系统的一些参数经 A/D 转换后送入计算机进行计算及处理，然后进行报警、打印和显示。操作人员根据这些结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。 图1.4 操作指导系统结构图 直接数字控制系统 直接数字控制（DDC）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。计算机通过检测元件对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。计算机根据规定的控制规律进行

4、运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。图1.5 直接数字控制系统 监督计算机控制系统 监督计算机控制（SCC）结构如图1.6所示。在SCC系统中，由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳控制输出送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳工作状态。 图1.6 监督计算机控制系统 分级计算机控制系统装置控制级（DDC级） 工厂集中控制级 车间监督级（SCC级） 企业管理级图1.7分级计算机控制系统 1.3 计算机控制理论 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

5、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 离散系统理论 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 系统辩识及自适应控制 采样系统理论 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、非线性特性的影响等1.4 计算机控制系统应用实例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 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

6、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模型 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 直流伺服电机结构图工业机器人模型 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

7、器人模型 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 1.5 计算机控制系统的发展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计算机控制系统的发展过程 1946年，世界上第一台电子计算机 50年代末，计算机控制系统投入实际应用 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）计算机控制系统的发展趋势q 可编程序控制器 q

8、集散控制系统 q 计算机集成制造系统 q 嵌入式系统 q 网络控制系统可编程控制器 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，形成了可编程逻辑控制器PLC。集散控制系统 目前，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统。集散控制系统发展初期是以实现分散控制为主，而进入80年代以后，集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综

9、合管理，因其具有分散控制和综合管理两方面特征，故称为分散型综合控制系统，简称为集散控制系统。 计算机集成制造系统 计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术，信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将工厂中的全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机的集成起来，消除“自动化孤岛”，实现多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的智能制造系统。 嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded System）以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、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 Internet网络技术与具体应用对象相结合后的产物。嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机嵌入到一个具体应用对象体系中去