第1章南邮计算机控制系统概述

1、计算机控制技术计算机控制技术自动化学院 张腾飞办 公 室： 教5-202Email：课程简介 课程性质课程性质 课时安排：课时安排：40+8学时学时 成绩评定：期末实验平时成绩评定：期末实验平时 教材：教材：顾德英顾德英 计算机控制技术计算机控制技术(第第2版版) 北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社该课程实践性较强，先修课程较多，是自动化该课程实践性较强，先修课程较多，是自动化类专业学生必修课程。类专业学生必修课程。 u 模拟电子技术模拟电子技术u 数字电子技术数字电子技术u 微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术u 单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术u 自动控制原理自动控制

2、原理先修课程l毕业设计毕业设计l工程设计工程设计l实际应用实际应用后续应用l在微机原理教学的基础上，通过深入讲解典型微机总线结在微机原理教学的基础上，通过深入讲解典型微机总线结构，阐明一般输入输出接口电路设计方法构，阐明一般输入输出接口电路设计方法l介绍将生产现场各种物理量引入计算机中的方法，为实现介绍将生产现场各种物理量引入计算机中的方法，为实现计算机对生产现场的检测、控制提供必要的硬件基础计算机对生产现场的检测、控制提供必要的硬件基础l在经典控制理论的指导下，针对不同被控对象和系统性能在经典控制理论的指导下，针对不同被控对象和系统性能指标要求，研究数字控制器的一般设计方法指标要求，研究数字

3、控制器的一般设计方法l结合控制理论发展的新动向，介绍新型控制策略的设计与结合控制理论发展的新动向，介绍新型控制策略的设计与实现方法实现方法l通过对于典型计算机控制系统设计实例的讲解，培养学生通过对于典型计算机控制系统设计实例的讲解，培养学生的计算机控制系统设计能力的计算机控制系统设计能力主要涉及内容 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 工业控制计算机工业控制计算机 I/O接口与过程通道接口与过程通道 顺序控制与数字控制技术顺序控制与数字控制技术 数字控制器设计数字控制器设计 控制系统的数据处理技术控制系统的数据处理技术 复杂控制技术复杂控制技术 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实

4、现 智能控制技术基础智能控制技术基础课程章节内容第第1 1章章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述计算机控制的发展计算机控制的发展l随着自动控制理论、自动化技术和计算机技术的飞随着自动控制理论、自动化技术和计算机技术的飞速发展，计算机控制系统不仅在国防、航空航天等速发展，计算机控制系统不仅在国防、航空航天等高精尖学科得到了广泛的应用，而且在现代化的工高精尖学科得到了广泛的应用，而且在现代化的工农业生产以及医疗卫生等领域也发挥着越来越重要农业生产以及医疗卫生等领域也发挥着越来越重要的作用。的作用。l在现代工业企业自动化中，计算机控制技术是核心，在现代工业企业自动化中，计算机控制技术是核心，它是

5、计算机技术和控制理论有机结合的产物。它是计算机技术和控制理论有机结合的产物。计算机控制的发展概况及趋势计算机控制的发展概况及趋势计算机控制的发展过程计算机控制的发展过程 第一台电子计算机于第一台电子计算机于1946年在美国问世年在美国问世 50年代末，用于过程控制年代末，用于过程控制 1962年年,英国实现了一个英国实现了一个DDC (Direct Digital Control)系统系统 60年代后期年代后期 ，集成电路技术的发展，出现了适合工，集成电路技术的发展，出现了适合工业生产过程控制的小型计算机业生产过程控制的小型计算机 1972年出现了微型计算机，分布式控制系统年出现了微型计算机，

6、分布式控制系统DCS1. 30年代初期：分散控制方式年代初期：分散控制方式l直接作用式气动控制器直接作用式气动控制器l控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器制器l运行人员分布在全厂各处运行人员分布在全厂各处l适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业 控制系统的发展史控制系统的发展史2. 30年代末期：集中控制年代末期：集中控制l中央控制室，信息远距离传输问题中央控制室，信息远距离传输问题l变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中

7、央控制室场，控制器在中央控制室l优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制协调控制l注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别注意：控制仪表和运行人员在地理上的集中，控制器分别完成各控制任务，故障影响不大完成各控制任务，故障影响不大运行管理的集中，仍运行管理的集中，仍然然分散控制分散控制l采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式采用气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表仪表3. 50年代末年代末60年代初：集中控制方式年代初：集中控制方式l计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机用于生产过程直接数字控制，造价

8、高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中集中l特点：特点：控制集中、管理集中控制集中、管理集中l缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发缺点：受硬件水平限制，计算机可靠性低，一旦发生故障，全厂生产瘫痪。生故障，全厂生产瘫痪。集中控制系统集中控制系统控制控制计算机计算机基本基本控制控制过程过程1基本基本控制控制过程过程2基本基本控制控制过程过程3基本基本控制控制过程过程4基本基本控制控制过程过程54. 70年代：分布控制方式年代：分布控制方式l分析集中控制方式的失败，提出了分布式控制系统分析集中控制方式的失败，提出了分布式控制系统的

9、概念的概念l把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信把控制功能分散在不同的计算机中完成，采用通信技术实现各部分之间的联系和协调技术实现各部分之间的联系和协调l特点：控制分散、管理集中特点：控制分散、管理集中分布式控制系统分布式控制系统l以以微处理器微处理器作为核心的作为核心的集中分散控制系统集中分散控制系统，利用，利用4C技术技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。和分散控制的新型控制系统。l又称集散控制系统（又称集散控制系统（Total Distributed Control System，TDCS） 。l主要特点：主要特点：

10、集中管理、分散控制集中管理、分散控制。 l1. 301. 30年代初期：分散控制年代初期：分散控制 ( (控制分散、 管理分散) l2. 302. 30年代末期：集中控制年代末期：集中控制 ( (控制分散、管理集中) l3. 503. 50年代末年代末6060年代初：集中控制年代初：集中控制 ( (控制集中、管理集中)l 4. 704. 70年代年代: :分布控制分布控制 ( (控制分散、管理集中)总结：控制系统的发展历史总结：控制系统的发展历史 (循环循环)计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势 综合自动化综合自动化网络化网络化智能控制系统智能控制系统虚拟化虚拟化绿色化绿色化计算机

11、控制技术的应用领域无处不在的控制无处不在的控制能源电力能源电力基础设施基础设施半导体半导体汽车汽车烟草烟草石化石化药品药品纸浆与造纸纸浆与造纸食品与饮料食品与饮料以太网以太网, , 开放的解决方案开放的解决方案140 CRP140 CRP10 / 100 M bits/s 以太网以太网140 NOE140 NOE140 CRAQuantum 远程远程 I/O多至多至 31 个站个站140 CRA140 CRA结构方案结构方案：混合结构混合结构切换时切换时保持数字输出保持数字输出140 CRA140 CRA140 CRA结构方案：结构方案：标准标准 S908 结构用于过程控制结构用于过程控制双电

12、缆用于双电缆用于 远程远程 I/O 站站双双 CPU 结构结构冗余电源冗余电源Quantum 远程远程 I/O 系统系统多至多至 31 个站个站140 CRP140 CRPSchneider 的工业控制网络的工业控制网络 ASiEthernet TCP/ IP (10M/100M)Modbus PlusWorldFIP / FipwayInterBus-SVSDVSD 发布信息发布信息请求信息请求信息全自动柔性喷涂机器人全自动柔性喷涂机器人巡航导弹的制导系统由全球卫星定位系统接收装置、惯性导巡航导弹的制导系统由全球卫星定位系统接收装置、惯性导航系统、数字化地图及取景相机组成。而采用新型的景象匹

13、航系统、数字化地图及取景相机组成。而采用新型的景象匹配制导方式将会使导弹的攻击精确度进一步提高。配制导方式将会使导弹的攻击精确度进一步提高。在在220kV电站运行的光电互感器电站运行的光电互感器 500kV组合式光电互感器样机组合式光电互感器样机1.1 计算机控制系统特征与组成计算机控制系统特征与组成 典型的计算机控制系统：典型的计算机控制系统：将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现图图1.1 计算机控制系统基本框图计算机控制系统基本框图A/D控制器控制器 D/A执行机构执行机构被控对象被控对象检测装置检测装置给定值给定值输出值输出值微

14、型机或计算机微型机或计算机计算机控制系统计算机控制系统硬件部分硬件部分软件部分软件部分控制计算机控制计算机外围设备外围设备系统软件系统软件应用软件应用软件计算机控制系统的构成计算机控制系统的构成 结构特征结构特征 执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统 控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律可同时控制多个回路可同时控制多个回路 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。 1.1.1 计算机控制系统的特征与工作原理计算机控制系统的特

15、征与工作原理 信号特征信号特征 t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模拟信号模拟信号e (nT)r (nT)y (t)u*(t)u(nt)y (nT)y*(t)控制控制器器D/AA/D执行器执行器被控对被控对象象传感器传感器y (t)采样器采样器计算机计算机离散模拟信号离散模拟信号数字信号数字信号数字信号数字信号量化模拟信号量化模拟信号图图1.2 计算机控制系统的信号流程计算机控制系统的信号流程 按照计算机控制系统中信号的传输方向，系统的信息按照计算机控制系统中信号的传输方向，系统的信息通道

16、由三部分组成通道由三部分组成 过程输出通道过程输出通道包含由包含由D/A转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道过程输入通道过程输入通道包含由包含由A/D转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道人机交互通道人机交互通道系统操作者通过人机交互通道向计算机控制系统发布相关命令，系统操作者通过人机交互通道向计算机控制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等，计算机则可通过人机交互通提供操作参数，修改设置内容等，计算机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对像控制效果道向系统操作者显示相

17、关参数、系统工作状态、对像控制效果等等控制方法特征控制方法特征常用的设计方法有两种：常用的设计方法有两种： 模拟调节规律离散化设计法模拟调节规律离散化设计法 直接设计法直接设计法 功能特征功能特征 以软件代替硬件以软件代替硬件 数据存储数据存储 状态、数据显示状态、数据显示 管理功能管理功能 5.计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理 计算机控制过程可归结为如下四个步骤：计算机控制过程可归结为如下四个步骤：实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入行检测并输入实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按实时控

18、制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为已定的控制规律，决定将要采取的控制行为实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务制信号，完成控制任务信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能管理也是计算机控制系统必须完成的功能上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理并对控制量和设备

19、本身的异常现象及时作出处理计算机控制系统的工作方式计算机控制系统的工作方式 (1)、在线方式和离线方式、在线方式和离线方式 (2)、实时、实时 ：指信号的输入、计算和输出都要在一定的：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制的速度进行控制 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式线方式或联机方式 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操

20、作的方式称为离线方式或脱机方式行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式 接口接口接口接口接口接口A/DA/DD/AD/A开关量输入开关量输入开关量输出开关量输出传感器、变送传感器、变送器器多路开关多路开关多路开关多路开关接口接口显示终端显示终端打印机打印机磁盘驱动器磁盘驱动器通通信信设设备备人人机机联联系系接口接口接口接口接口接口微微型型计计算算机机执行机构执行机构生生产产过过程程软件软件通用外部设备通用外部设备主机及操作主机及操作台台I/OI/O通道通道信号检测与变送信号检测与变送1.1.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 生产对象生产对象I/OI/O接口接口I/OI

21、/O接口接口硬件组成硬件组成l主机主机lI/O接口接口l通用外部设备通用外部设备l检测元件与执行机构检测元件与执行机构l操作台操作台1.1.3 计算机控制系统软件计算机控制系统软件 按功能分类，分为系统软件和应用软件两大部分按功能分类，分为系统软件和应用软件两大部分 系统软件系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只

22、是作为开发应用软件的工具。设计，它们只是作为开发应用软件的工具。 应用软件应用软件是面向生产过程的程序，如是面向生产过程的程序，如A/DA/D、D/AD/A转换程序，数转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。的设计是非常重要的。1.2 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 操

23、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， 监督计算机控制系统，监督计算机控制系统， 分布式计算机控制系统，分布式计算机控制系统， 计算机集成制造系统计算机集成制造系统 按照按照控制方式控制方式分类：分类：开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 按照按照控制规律控制规律分类：分类：程序和顺序控制、比例积分微分控制（程序和顺序控制、比例积分微分控制（PID控制）、控制）、有限拍控制、复杂规律控制、智能控制等有限拍控制、复杂规律控制、智能控制等 按照系统的按照系统的功能、工作特点功能、工作特点分类：分类：1.2.1 操作指导控制系统操作指导控制系统 （Operation

24、al Information SystemOIS）计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作据进行必要的操作 操作指导操作指导计算机计算机 A/D多路开关多路开关检测元件检测元件生产生产过程过程显示打印显示打印操作者操作者执行机构执行机构1.2.2 直接数字控制系统直接数字控制系统（Direct Digital Control systemDDC）显示显示打印打印接口接口计计算算机机执行执行机构机构检测检测

25、输入输入通道通道生生产产过过程程接口接口输出输出通道通道设定值设定值计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据预定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通据预定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。（道直接控制调节阀等执行机构。（如计算机温度控制系统）如计算机温度控制系统）是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。1.2.3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统（Supervisory Computer ControlSCC）SCC+模拟调

26、节器模拟调节器 SCC+DDC控制系统控制系统SCC计算机计算机设定值设定值 测量值测量值A/D多路开关多路开关传感器传感器模 拟 调 节模 拟 调 节器器生产过程生产过程SCC计算机计算机设定值设定值 检测值检测值DDCD/A多路开关多路开关生产过程生产过程A/D多路开关多路开关传感器传感器计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或DDC计算机，最后由模拟调节器或计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程计算机控制生

27、产过程 1.2.4 集散控制系统（集散控制系统（DCS）生产管理生产管理计算机计算机操作员操作员站站工程师工程师站站过程控过程控制站制站生产过程生产过程决策管理决策管理计算机计算机计算机计算机网关网关决策管理决策管理计算机计算机决策管理决策管理计算机计算机生产管理生产管理计算机计算机生产管理生产管理计算机计算机计算机计算机网关网关监控计监控计算机站算机站决策管理网络决策管理网络生产管理网络生产管理网络控制网络控制网络计算机计算机网关网关过程控过程控制站制站过程控过程控制站制站过程控过程控制站制站决策管理层决策管理层生产管理层生产管理层操作监控层操作监控层直接控制层直接控制层1.2.5 现场总线

28、控制系统现场总线控制系统(FCS)现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数数字式、开放的、双向字式、开放的、双向的通信网络。的通信网络。现在国际上流行的设备级的通信网络现在国际上流行的设备级的通信网络,如如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF 等等 信号传输实现了全数字化信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向最高层均采用通信从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连网络互连; 系统结构采用全分散化系统结构采用全分散化, 现场总线的节点是现场设备或现场仪现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。表，如传感

29、器、变送器、执行器等。 现场设备具有互操作性现场设备具有互操作性,改变了改变了DCS 控制层的封闭性和专用性控制层的封闭性和专用性,不同厂家的现场设备既可互连也可互换不同厂家的现场设备既可互连也可互换,并可以统一组态并可以统一组态; 通信网络为开放式互连网络通信网络为开放式互连网络,可极其方便地实现数据共享可极其方便地实现数据共享; 技术和标准实现了全开放技术和标准实现了全开放,面向任何一个制造商和用户。面向任何一个制造商和用户。1.2.6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ClMS)l计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS，Computer Integrated Manufact

30、uring System)l是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术、系统工程等新技术发展的结果技术、管理技术、系统工程等新技术发展的结果l将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，求得生产活动生产要素集成起来，进行统一控制，求得生产活动的最优化的最优化1.2.6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ClMS)lCIM的理念包括两个基本出发点的理念包括两个基本出发点第

31、一点：企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一第一点：企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑考虑第二点：整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递第二点：整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程和加工处理的过程 l主要应包括工程设计自动化、产品加工自动化和生主要应包括工程设计自动化、产品加工自动化和生产管理信息化等三个方面产管理信息化等三个方面1.3 计算机控制理论与新型控制策略计算机控制理论与新型控制策略 计算机控制系统理论主要包括计算机控制系统理论主要包括 离散系统理论离散系统理论 采样系统理论采样系统理论 数字系统理论数字系统理论 计算机控制理论计算机控制理论 离散系

32、统理论离散系统理论l差分方程及差分方程及z z变换理论变换理论l常规设计方法常规设计方法l按极点配置的设计方法按极点配置的设计方法l最优设计方法最优设计方法 l系统辨识及自适应控制系统辨识及自适应控制采样系统理论采样系统理论l采样理论采样理论l连续模型及性能指标的离散化连续模型及性能指标的离散化l性能指标函数的计算性能指标函数的计算l采样控制系统的仿真采样控制系统的仿真l采样周期的选择采样周期的选择数字系统理论数字系统理论数字系统理论包括：数字系统理论包括：l离散系统和采样系统理论离散系统和采样系统理论l数字信号数字信号整量化效应整量化效应的研究的研究 如：量化误差、非线性特性的影响等如：量化

33、误差、非线性特性的影响等l数字控制器实现中的一些问题数字控制器实现中的一些问题 如：计算延时、控制算法编程等如：计算延时、控制算法编程等新型控制策略新型控制策略在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控对象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素，如：对象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素，如： 参数变化参数变化 未建模动态特性未建模动态特性 平衡点的变化平衡点的变化 传感器噪声传感器噪声 不可预测的干扰输入不可预测的干扰输入新型控制策略新型控制策略 鲁棒控制鲁棒控制 预测控制预测控制 模糊控制模糊控制 神经控制神经控制 专家控制专家控制 遗传算法遗传算法 计算机控制系统中所建立的对象模型只能是实际计算机控制系统中所建立的对象模型只能是实际物理系统的不精确的表示物理系统的不精确的表示 鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在其他变化因素的条件下，使系统仍能保持预期的性能其他变化因素的条件下，使系统仍能保持预期的性能 如果模型的变化和模型的不精确不影响系统的稳如果模型的变化和模型的不精确不影响系统的稳定性和其它动态性能，这样的系统我们称它为定性和其它动态性能，这样的系统我们称它为