计算机控制_01绪论

1、第1章 绪论第1章 绪论第第1章章 绪论绪论 第1章 绪论第1章 绪论计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。图和工业对象两大部分组成。图1.1给出了按偏差给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。进行控制的闭环控制系统框图。图1.1 闭环控制系统框图1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 1.1.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念 返回本章首页控制器执行机构被控对象测量元件变换发送单元给定信号被控参数第1章 绪论第1章 绪论图图1.2中给出了开环控制系统框图。它与闭环控中给出了开环控制系统框图。它与闭环

2、控制系统不同，它的控制器直接根据给定信号去控制系统不同，它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的控制性能较差。控制性能较差。图1.2 开环控制系统框图给定信号控制器执行机构被控对象被控参数第1章 绪论第1章 绪论如果把图如果把图1.1中的控制器用计算机来代替，就可以构成计中的控制器用计算机来代替，就可以构成计算机控制系统，其基本框图如图算机控制系统，其基本框图如图1.3所示。在计算机控制所示。在计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出

3、符合某种控制规系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。参数的控制。 图1.3 计算机控制系统基本框图给定值给定值控制器控制器执行器执行器传感器传感器被控对象被控对象变送器变送器被控参数被控参数D/A转换转换A/D转换转换计算机计算机第1章 绪论第1章 绪论在计算机控制系统中，计算机的作用主要有三个方面：在计算机控制系统中，计算机的作用主要有三个方面： 信息处理，对于复杂的控制系统，输入信号和根据控信息处理，对于复杂的控制系统，输入信号和根据控制规律的要求实现的输出偏差信号的计算工

4、作量很大，制规律的要求实现的输出偏差信号的计算工作量很大，采用模拟解算装置不能满足精度要求，因而需要采用计采用模拟解算装置不能满足精度要求，因而需要采用计算机进行处理；算机进行处理；用计算机的软件程序实现对控制系统的校正以保证控用计算机的软件程序实现对控制系统的校正以保证控制系统具有所要求的动态特性；制系统具有所要求的动态特性；由于计算机具有快速完成复杂的工程计算的能力，因由于计算机具有快速完成复杂的工程计算的能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适应控制等高级控制而可以实现对系统的最优控制、自适应控制等高级控制功能及多功能计算调节。功能及多功能计算调节。第1章 绪论第1章 绪论 计算机控制系

5、统，从本质上来看，它的控制过程可以计算机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤：归结为以下三个步骤：实时数据采集实时数据采集 对被控参数的瞬时值进行检测并输入。对被控参数的瞬时值进行检测并输入。实时决策实时决策 对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进定的控制规律，决定进步的控制过程。步的控制过程。实时控制实时控制 根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。 上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作

6、，并且对被控参数和设备本身出现的品质指标进行工作，并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并作出迅速处理。异常状态及时监督并作出迅速处理。第1章 绪论第1章 绪论1.1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机、外部设备、操计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成，如图机构、被控对象以及相应的软件组成，如图1.4所示。所示。 外部设备操作台输入通道检测装置输出通道执行机构计算机被控对象图1.4 计算机控制系统的组成第1章 绪论第1章 绪论打印机显示终端磁

7、盘驱动器软件计算机实时时钟操作台接口接口接口接口DAAD多路开关反多路开关开关量输入开关量输出执行机构生产对象通用外部设备主机及操作台外部通道接口检测及变送控制对象传感器变送器图1.5 计算机控制系统原理图第1章 绪论第1章 绪论1.1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 1计算机操作指导控制系统计算机操作指导控制系统图1.6 计算机操作指导控制系统组成框图返回本节显示终端打印机计算机工业对象A/D转换器采样器测量元件调节器第1章 绪论第1章 绪论2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC） 返回本节外部设备操作台A/D转换检测装置保持器执行机构计算机被控对象图1.7 直接数字控制

8、系统D/A转换第1章 绪论第1章 绪论3监督计算机系统（监督计算机系统（SCC） 计算机监督系统（计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称简称SCC系统。系统。 SCC系统有两种不同的结构形式。一种是系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。控制系统。（1）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1.8所示。所示。图1.8 SCC+模拟调节器控制系统原理图 A/D转换检测装置模拟控制器执行机构SCC计算机被控对象D/A转换保持器第1章 绪论第1章 绪论 图

9、1.9 SCC+DCC控制系统原理图 A/D转换检测装置DDC计算机执行机构SCC计算机被控对象D/A转换保持器（2）SCC+DDC控制系统控制系统第1章 绪论第1章 绪论4计算机分级控制系统计算机分级控制系统 分级计算机控制系统是一个四级系统，分级计算机控制系统是一个四级系统，各级计算机的功能如图各级计算机的功能如图1-9所示。所示。装置控制级（装置控制级（DDC级）级） 车间监督级（车间监督级（SCC级）级） 工厂集中控制级（工厂集中控制级（MIS） 企业管理级（企业管理级（MIS） 第1章 绪论第1章 绪论图1. 10 计算机分级控制系统企业级经营管理计算机工厂级集中控制计算机车间级监控

10、计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D至其它工厂至其它工厂装置控制级（DDC）返回本节第1章 绪论第1章 绪论5集散控制系统集散控制系统 由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统。集同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统。集散控制系统是控制散控制系统是控制(Control)、计算机计算机(Computer)、数据通数据通讯讯(Communication)和屏幕和屏幕(CRT)显示技术的综合应用，

11、显示技术的综合应用，通常也将集散控制称为通常也将集散控制称为4C技术。技术。 中央处理机前端机生产过程数据通信总线前端机生产过程图1.11 集散控制系统第1章 绪论第1章 绪论1.1.4 计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 (1)运算速度快，精度高。运算速度快，精度高。 (2)成本小，性能价格比高。成本小，性能价格比高。(3)(3)软件功能丰富，编程方便和硬件体积小软件功能丰富，编程方便和硬件体积小(4)(4)可靠性高。可靠性高。(5)(5) 可维护性强。可维护性强。(6)(6)技术更新快、信息综合性强、操作便利。技术更新快、信息综合性强、操作便利。第1章 绪论第1章 绪论1.2 信号的

12、采样与恢复信号的采样与恢复 典型的计算机控制系统的结构如图典型的计算机控制系统的结构如图1.12所示所示 r(t)A/D转换数字控制器(计算机)y(t)u(t)u*(t)u(kT)e(kT)D/A转换保持器被控对象采样器e*(t)e(t)图1.12 典型计算机控制系统结构框图第1章 绪论第1章 绪论 采样器、保持器和数字控制器的结构形式和控制规采样器、保持器和数字控制器的结构形式和控制规律决定系统动态特性，是研究的主要对象。控制系统的律决定系统动态特性，是研究的主要对象。控制系统的稳态控制精度由稳态控制精度由A/D、D/A转换器的分辨率决定。这说明转换器的分辨率决定。这说明A/D和和D/A转换

13、器只影响系统稳态控制精度。不影响动态转换器只影响系统稳态控制精度。不影响动态指标。指标。 为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的基本问为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的基本问题。为了便于数学上分析和综合，在分析和设计计算机题。为了便于数学上分析和综合，在分析和设计计算机控制系统时，常常假定控制系统时，常常假定A/D、D/A转换器的精度足够高，转换器的精度足够高，使得量化误差可以忽略，于是使得量化误差可以忽略，于是A/D、D/A只存在物理上意只存在物理上意义而无数学上意义。即：数字信号与采样信号义而无数学上意义。即：数字信号与采样信号e(kT)与与e*(t)，u(kT)与与u*(t)是等价的

14、。图是等价的。图1.12可进一步简化为如图可进一步简化为如图1.13所示。所示。 第1章 绪论第1章 绪论数字控制器(计算机)y(t)u(t)u*(t)u(kT)e(kT)r(t)保持器被控对象e*(t)e(t)图1.13 计算机控制系统结构简化框图TT第1章 绪论第1章 绪论1.2.1 信号的采样过程信号的采样过程 在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或数字序在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或数字序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列的过程叫做列的方式传递的，把连续信号变成数字序列的过程叫做采样过程；实现采样的装置叫采样开关。采样过程；实现采样的装置叫采样开关。 采样过程的原理见图采样

15、过程的原理见图1.14所示，其中采样开关为理想所示，其中采样开关为理想的采样开关，它从闭合到断开以及从断开到闭合的时间的采样开关，它从闭合到断开以及从断开到闭合的时间均为零。采样开关平时处于断开状态，其输入为连续信均为零。采样开关平时处于断开状态，其输入为连续信号号f(t)，在采样开关的输出端得到采样信号在采样开关的输出端得到采样信号f *(t)。 第1章 绪论第1章 绪论tf(t)0 T 2T 3T 4T 5T tf *(t)0 T 2T 3T 4T 5T (b) 连续信号 (c) 采样信号图1.14 信号的采样过程f *(t)f (t)T(a) 采样开关 第1章 绪论第1章 绪论 f(t)

16、为被采样的连续信号，为被采样的连续信号，f *(t)是经采样后的是经采样后的脉冲序列，采样开关的采样周期为脉冲序列，采样开关的采样周期为T。若采样开若采样开关的接通时间为无限小，则采样信号关的接通时间为无限小，则采样信号f *(t)就是就是f(t)在开关合上瞬时的值，即脉冲序列在开关合上瞬时的值，即脉冲序列 f(0)，f(T)，f(2T)，f(KT)， 可用理想脉冲可用理想脉冲 函数将采样后的脉冲序列函数将采样后的脉冲序列f*(t)表表示成：示成： 对于实际系统，当对于实际系统，当t0 时，时，f(t)=0，故有：故有：kTtkTtkTfTtTfTtTftftfk0*)()()2()2()()

17、()()0()(kTtkTtkTftfk)()()(*第1章 绪论第1章 绪论1.2.2 采样定理采样定理 计算机控制系统是利用离散的信号进行控制运算，计算机控制系统是利用离散的信号进行控制运算，这就带来一个问题：采用离散信号能否实施有效的控制，这就带来一个问题：采用离散信号能否实施有效的控制，或者连续信号所含的信息能否由离散信号表示，或者从或者连续信号所含的信息能否由离散信号表示，或者从离散信号能否一定能代表原来的连续信号。离散信号能否一定能代表原来的连续信号。 例如：有两个不同的连续信号例如：有两个不同的连续信号f1(t)和和f2(t)，假设选择假设选择采样周期都为采样周期都为T，如图如图

18、1.15所示，从图中可以看出，所示，从图中可以看出，f1(t)和和f2(t)具有相同的采样信号具有相同的采样信号f *(t)，这说明这说明f *(t)未必能完全未必能完全反映或近似的反映连续信号。反映或近似的反映连续信号。 第1章 绪论第1章 绪论tf(t)f *(t)f2(t)f1(t)0 T 2T 3T 图1.15 两个不同的连续信号的采样过程第1章 绪论第1章 绪论1香农香农(Shannon)采样定理采样定理 一个连续时间信号一个连续时间信号f(t)，设其频带宽度是有限的，其最设其频带宽度是有限的，其最高频率为高频率为max(或或fmax)，如果在等间隔点上对该信号如果在等间隔点上对该信

19、号f(t)进进行连续采样，为了使采样后的离散信号行连续采样，为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信能包含原信号号f(t)的全部信息量。则采样角频率只有满足下面的关系：的全部信息量。则采样角频率只有满足下面的关系：s2max采样后的离散信号采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现才能够无失真地复现f(t)。否则不否则不能从能从f *(t)中恢复中恢复f(t)。其中，其中，max是最高角频率，是最高角频率，s是采是采样角频率。它与采样频率样角频率。它与采样频率fs、采样周期采样周期T的关系为：的关系为：Tfss22第1章 绪论第1章 绪论2采样周期采样周期T的选择方法的选择方法 常见被

20、控对象采样周期参考被控物理量采样周期T备注流量15(s)优先选用2s压力310(s)优先选用8s液面68(s)优先选用7s温度1520(s)优先选用纯滞后时间成份1520(s)优先选用18s位置1050(ms)优先选用30ms 第1章 绪论第1章 绪论1.2.3 信息的恢复过程和零阶保持器信息的恢复过程和零阶保持器 在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的输入信在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的输入信号一般为连续信号，这就必须将计算机输出的数字信号号一般为连续信号，这就必须将计算机输出的数字信号序列还原成连续信号，这就是信号的恢复过程。序列还原成连续信号，这就是信号的恢复过程。 由于采样

21、信号在两个采样点时刻上才有值，而在两个由于采样信号在两个采样点时刻上才有值，而在两个采样点之间无值，为了使得两个采样点之间为连续信号采样点之间无值，为了使得两个采样点之间为连续信号过渡，以前一时刻的采样值为参考基值作外推，使得两过渡，以前一时刻的采样值为参考基值作外推，使得两个采样点之间的值不为零值，这样来近似连续信号。将个采样点之间的值不为零值，这样来近似连续信号。将数字信号序列恢复成连续信号的装置叫采样保持器。数字信号序列恢复成连续信号的装置叫采样保持器。第1章 绪论第1章 绪论 已知某一采样点的采样值为已知某一采样点的采样值为f(kT)，将其连续信号将其连续信号f(t)在该点邻域展开成泰

22、勒级数为：在该点邻域展开成泰勒级数为： 外推的项数称为保持器的阶数。外推的项数称为保持器的阶数。取等式右端第一项近似，有取等式右端第一项近似，有 f f( (t t) ) f f( (kTkT) ) kTkTt t( (k k+1)T+1)T称零阶保持器，表示为称零阶保持器，表示为ZOHZOH。取等式右端两项之和近似，有取等式右端两项之和近似，有 kTt(k+1)T 称一阶保持器。称一阶保持器。同样，可以取等式前同样，可以取等式前n项之和近似，就构成了项之和近似，就构成了n阶保持器。阶保持器。 2)(! 21)()()(kTtkTfkTtkTfkTftfkTt)() 1()()()()()(k

23、TtTTkfkTfkTfkTtkTfkTftf第1章 绪论第1章 绪论 在计算机控制系统中，最广泛采用的一类保持器是零在计算机控制系统中，最广泛采用的一类保持器是零阶保持器。零阶保持器将前一个采样时刻的采样值阶保持器。零阶保持器将前一个采样时刻的采样值f(kT)恒恒定地保持到下一个采样时刻定地保持到下一个采样时刻(k+1)T。也就是说在区间也就是说在区间 kT，(k+1)T 内零价保持器的输出为常数。如图内零价保持器的输出为常数。如图1.17所示。所示。 0 T 2T 3T 4T 5T f(kT)tf(t)0 T 2T 3T 4T 5T f(t)t图1.17 应用零阶保持器恢复的信号第1章 绪

24、论第1章 绪论 可以认为零阶保持器在可以认为零阶保持器在 (t)作用下的脉冲响应作用下的脉冲响应h(t)，如图如图1.18所示。所示。 而而h(t)又可以看成单位阶跃函数又可以看成单位阶跃函数1(t)与与1(t- -T)的迭加，的迭加，h(t)=1(t)- -1(t- -T)。1h(t)0 T t图1.18 零阶保持器的脉冲响应取拉氏变换，得零阶保持取拉氏变换，得零阶保持器的传递函数器的传递函数:1( )TseH ss第1章 绪论第1章 绪论1可编程控制器（可编程控制器（PLC） 2采用新型的控制系统（集散控制系统）采用新型的控制系统（集散控制系统） 3人工智能人工智能 4神经网络控制系统神经

25、网络控制系统 1.3 微型计算机控制系统的发展趋势微型计算机控制系统的发展趋势 返回本章首页第1章 绪论第1章 绪论1可编程控制器（可编程控制器（PLC） PLC与传统的继电器控制相比，具有与传统的继电器控制相比，具有如下一些特点：如下一些特点：（1）抗干扰能力强）抗干扰能力强 （2）适应性好）适应性好 （3）编程直观、简单）编程直观、简单 （4）功能完善，接口功能强）功能完善，接口功能强 返回本节第1章 绪论第1章 绪论2采用新型的控制系统（集散控制系采用新型的控制系统（集散控制系统）统） 集散控制系统是分散型综合控制系统（集散控制系统是分散型综合控制系统（Total Distributed

26、 Control Systems）或分散型微处理器控制系统或分散型微处理器控制系统（Distributed Microprocessor Control Systems）的简称。的简称。图图1-10是集散控制系统的组成框图。它以微型计算机为是集散控制系统的组成框图。它以微型计算机为核心，把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、显核心，把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入示操作装置、输入 /输出通道、模拟仪表等有机地结合起输出通道、模拟仪表等有机地结合起来，采用组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统来，采用组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。的综合自动化创造了条件。第1章 绪论第1章 绪论管理计算机监控计算机CTR操作台高 速 数 据 通 道基本控制器数据采集器基本控制器DEP面板工 业 对 象小规模中规模大规模图图1-10 集散系统组成框图集散系统组成框图返回本节第1章 绪论第1章 绪论3人工智能人工智能 人工智能是用计算机模拟人类大脑的