第1章-计算机控制技术

1、 计算机控制技术教 材:戴 永.微型计算机控制技术.湖南:湘潭大学出版社,2009参考资料:孔峰.微型计算机控制新技术.重庆:重庆大学出版社,2012 于海生,计算机控制技术.北京:机械工业出版社,2013刘国荣,计算机控制技术与应用(第2版).北京:机械工业出版社,2013成 绩 评 定v实验+考勤：30%v闭卷考试：70%课 程 教 学 说 明一.课程特性专业硬件基础课专业理论基础课计算机控制技术3）目的 二. 学 习 要 求v（1)计算机控制的基本理论与方法；v（2)计算机控制的硬件结构；v（3) 学生利用基本理论与方法可设计简单的计算机控制系统，分析较复杂的计算机控制系统；v（4) 对

2、计算机控制技术的现状与发展方向有一定程度的了解。 三、本课程的重点、难点v1) 理论基础：v计算机控制技术的基本概念与思考方法;v计算机控制技术的控制方法; v2) 硬件：v接口原理与设计、通道配置原理及方法、通道电路原理与设计等；v数据采集原理及处理方法；v3) 控制方法v间接、直接数字控制器设计理论与实现方法；v顺序与数字程序控制概念、原理和方法；v4）总线技术及系统设计第第1章章 绪绪 论论v本章学习提要v（1）计算机控制技术及经历的发展阶段；v（2）控制系统基本概念： v 1. 常用概念术语，2常见系统术语 。v（3）控制系统5种典型工作状态特性 。v（4）微机控制系统体系结构。v 控

3、制器和比较环节由微型计算机取代，这是划时代的进步。v（5）与模拟控制系统比较，微型机控制系统5个特征。v（6）微型计算机控制系统有4种经典结构和4种新型结构v计算机控制技术及经历的发展阶段v是计算机应用理论与技术和自动控制理论与技术交叉而成的新兴学科，相关学科包含电子、通信、机电工程、自动检测、网络工程等。v发展阶段：v1）局限决策型v2）单向参与型v3）紧密连通型v4）智能算法型v5）网络互联型1.1 控制系统基础v1.1.1 控制系统基本概念控制系统基本概念v1. 常用概念术语常用概念术语v对象对象:为完成特定动作为完成特定动作,由机械、电气、电子等零部件有由机械、电气、电子等零部件有机组

4、成的装置或设备。机组成的装置或设备。v过程：过程：被控制的运行状态.两种不同的描述如下v(1)自然过程指一种自然的逐渐进行地运转或发展，其特征是在运转和发展状态中以相对固定的方法相继发生一系列的渐进变化,并最后导致一个特定的结果或状态。v(2)人为过程是按人的意愿连续进行的运行状态，这种运行状态由一系列被控制的动作和一直进行到某一特定结果或状态的有规则的运动构成。v过程特征过程特征表现为以相对固定的方式导致一个特定结果或状态。v系统：为完成相应任务，一些元件、部件等按一定系统：为完成相应任务，一些元件、部件等按一定规则的组合。系统是动态现象的抽象，不同的领域规则的组合。系统是动态现象的抽象，不

5、同的领域有不同的组合内容。有不同的组合内容。v扰动：对系统输出量产生相反作用的信号。扰动分扰动：对系统输出量产生相反作用的信号。扰动分为内扰和外扰两大类，内扰产生在系统内部，外扰为内扰和外扰两大类，内扰产生在系统内部，外扰来自系统外部，和输入量叠加在一起而进入系统。来自系统外部，和输入量叠加在一起而进入系统。v 干扰与噪声v一系统受另一系统影响而产生误差v被测信号加入随机振动，来自测量系统内部v控制过程：通过消除扰动因素的影响，从而保持被控制过程：通过消除扰动因素的影响，从而保持被控制量按预期要求变化的过程。控制量按预期要求变化的过程。v自动控制：不需要人直接参与，而使被控量自动地自动控制：不

6、需要人直接参与，而使被控量自动地按预定的规律变化的控制过程。按预定的规律变化的控制过程。v控制量：被控系统的输入量或给定量，用控制量：被控系统的输入量或给定量，用r(t)表示。表示。v被控量：被控系统的输出量，用被控量：被控系统的输出量，用y(t)表示，如被控表示，如被控电机的转速，温控系统的温度等。电机的转速，温控系统的温度等。v反馈量：与被控制量成比例的反馈信号，用反馈量：与被控制量成比例的反馈信号，用yCF(t)表示。表示。v偏差量：控制量与反馈量之间的差值偏差量：控制量与反馈量之间的差值,用用e(t)表表示示,e(t)= r(t)- yCF(t)。2常见系统术语 v开环控制系统开环控制

7、系统 被控制量只能受控于控制量，而对控制量不能反施任何影响的系统。v闭环控制系统闭环控制系统 利用负反馈，将被控制量影响控制量作用的系统，又叫反馈控制系统。v随动系统随动系统 是一种反馈系统，随着r(t)的变化，被控制量在前一r(t)对应的位置进行变化，其特性如图1-1所示。随动系统多出现于机械位移、速度、加速度等对象的控制，所以常称之为位置控制系统。 r2(t)y2(t)y（t）r1(t)y1(t)t图1-1 随动系统特性示意图稳定系统（恒值系统）稳定系统（恒值系统） 又称自动调整系统，是一种反馈系统，当r()为常量时，也要求被控量保持在常量上，如图1-2所示。常见的稳定系统有恒温、电压、电

8、流、频率、压力等控制系统。y（t）r（）t图1-2 稳定系统特性示意图v过程控制系统过程控制系统 以变化过程作为控制对象的控制系统，在控制过程中，给定量按照预先制定的规律，在程序运行中变化，所以又叫程序控制程序控制。v这类系统多见于温度、压力、流量等控制系统。1.1.2 控制系统工作特性控制系统工作特性 v1. 控制系统的一般结构及其工作特性 y（t）校正环节反馈环节r（t）比较环节e（t）扰动信号yCF（t）+-图1-3 闭环控制系统抽象结构图执行环节被控对象u（t）实际控制系统除存在内外扰动外，还有系统自身存在的逻辑死区、响应惯性等影响系统的控制效果。因此，当输入信号作用到系统之后，在系统

9、的输出端并不能马上得到响应，而只有当偏差信号大到一定程度时，系统才有输出。输出结果根据各环节的品质状况及系统所处环境有多种多样。系统工作状态过渡过程的测试是通过系统响应特定输入信号（或叫试验信号）来进行的。r(t)1(t)图1-4 单位阶跃输入信号阶跃信号作为常用的测试信号，如图1-4所示。系统进入稳态的过渡过程及其工作特性如图1-5所示。P y(t)y()trtstP图1-52.几种典型控制系统过渡过程曲线v1）单调逐渐逼近 (见图1-6特性曲线)y()过度过程曲线单调逼近y()：P0，N=0，y(t) =y() 2）等幅振荡(见图1-6特性曲线 )y()v等幅振荡，N v（自激振荡）。 3

10、.振荡发散 (见图1-6特性曲线)v振荡发散，N ；振幅系统无平衡状态y()4.单调发散 (见图1-6特性曲线, )y()v“过”单调发散，这类系统无稳定状态，不能使用：P ；N=0；y(t) ？ 5.欠阻尼振荡 v阻尼振荡：一般可工作系统均为此曲线。vy()与预期r()之差，称为稳态误差，表征系统控制精度的参数之一。v阻尼系统的过渡过程分为三种工作状态,即欠阻尼、临界阻尼和过阻尼。v过阻尼工作状态相似于单调逐渐逼近或一阶系统工作状态，启动速度变慢。y()1.2 微型计算机控制系统体系结构与特征v121 微机控制系统体系结构微机控制系统体系结构v1. 微型计算机控制系统一般结构扰动执行机构A/

11、DR (k)y(t)图1-7 微机闭环控制系统体系结构抽象图控制器 微型计算机D/A被控对象检测装置 E (k) YCF (k) U (k)与模拟闭环控制系统抽象结构(图1-3)比较,微机闭环控制系统体系结构信号传输的路径结构没有发生变化，控制装置即大虚线框外以右的内容相同。不同的地方是控制装置的四个环节均有重大变化，即（1）控制器和比较环节由微型计算机取代，这是控制器和比较环节由微型计算机取代，这是划时代的进步划时代的进步；（2）执行环节在模拟控制系统中只有执行机构，而在微机控制系统中于执行机构前增加D/A转换；（3）反馈环节在模拟控制系统中只有检测装置，而在微机控制系统中于检测装置后设置A

12、/D转换。 由于微型计算机处理的是离散信息，因此微型机控制系统中控制装置内的时间变量均采用人们公认的离散时间变量符号K。2. 微型计算机控制系统硬件组成工业生产过程D/A多路转换开关量输入微 型计 算机系统主机采样装置A/D变送保持开关量输出操作控制台过程通道保持变送人机交互通道接口微机I/O设备微机外设接口图1-8 微型计算机控制系统硬件典型结构图面向过程通道的接口人机交互通道（1）工业生产过程 工业生产过程是指在生产现场把原材料变成成品或半成品，或通过原材料获得某些所需参数的工序实现。参与工序实现的内容包括工艺规则、技术范畴、参与设备、人员数量与作用、结果指标、质量检验、安全保证等。 （2

13、）过程通道 主机与工业生产过程之间需要传递三类信息，即互传数据互传数据，主机向工业生产过程发布控制信息控制信息，主机从工业生产过程接受状态信息状态信息。互传数据有模拟、开关量两种数据形式，而控制、状态信息均为开关量。v过程通道包括模拟过程输入、输出通道、开关量过程输入、输出通道。v过程通道处于工业生产过程与主机接口之间，担负着生产过程与主机交换信息的任务。v（3）接口 v在微型计算机控制系统中一般存在三类不同功能的接口，一类介于主机与过程通道之间，用于主机与过程通道交换数字信息；二类介于主机与交互通道之间，用于主机与交互通道交换数字信息；三类介于主机与微机I/O设备之间，用于主机与微机I/O设

14、备交换数字信息，在多微机互联的微型计算机控制系统中，多微机可互按I/O设备管理。 （4）主机 v核心内容控制程序，其反映输入输出之间的数学关系。v在工业生产过程中，处于在线的主机又称为工业控制计算机，简称工业控制机或工控机，其特点表现在可靠性高、可维修性好、环境适用性强、控制实时性好、输入输出通道完善及软件丰富等。v（5）人机交互通道与操作控制台v人机交互通道与操作控制台是相互依存的，操作控制台因人机交互通道而设置，人机交互通道通过操作控制台使得人机交互更方便。 就一般而言操作控制台应具有以下功能 操作 键盘，鼠标，按键等.显示 CRT或LED，LCD，打印机，记录仪,指示灯，喇叭等：状态指示

15、，声光报警等.数据保存 外存，磁存储器，光存储器，半导体存储器,IC卡等.远程信息交换 3. 微型计算机控制系统软件系统软件windowsBIOS监测软件外设管理程序人机对话程序控制算法程序自控程序等应用软件l注意注意：程序的运行时间以不影响系统实时性为前提1.2.2 微型计算机控制系统特征微型计算机控制系统特征v1.结构特征结构特征v微机控制系统：将控制器用微机来代替，便构成了微机控制系统。v开环系统：控制器被控对象执行器被控参数R(t)用微机取代闭环系统： 执行机构A/Dr (t)y(t) 微型计算机闭环控制系统抽象结构图控制器微型机D/A被控对象检测装置2. 信号特征 v模拟控制系统中所

16、有环节的工作信号全为模拟信号，而微型计算机控制系统中主机的工作信号全为数字信号，前、后向模拟过程通道模拟、数字信号兼有，前、后向开关量过程通道是全数字信号，但无全模拟信号。v3. 功能特征v（1）以软件代替硬件。 v（2）数据保存。 v（3）显示设备、方法与内容。 v（4）多系统互联。 4. 时限特征v“实时”，是指在规定的时间内完成规定的任务。v（1）实时数据采集。 v（2）实时决策运算。 v（3）实时控制输出。 v数据采样、运算决策、输出控制三个阶段占用时间之和满足实时性要求，则该系统具有实时性。 v5. 控制器工作方式特征v控制器在控制系统中的工作方式有在线、离线两种。 v微型计算机在线

17、工作方式：又称“联机”工作方式。v微型计算机在控制系统中直接参与控制或交换信息，而不通过其它中间记录介质，如磁盘、U盘、光盘、磁带等。v微型计算机离线工作方式：又称“脱机”工作方式。v微型计算机不直接参与对被控对象的控制，或不直接与被控对象交换信息，而仅是将有关控制信息记录或打印出来，再由人来联系，按照微机提供的信息完成相应的控制操作。v离线工作方式无实时性可谈。要使系统具有实时性，微型计算机必须按在线方式工作。1.3 微型计算机控制系统分类1.3.1 经典微型计算机控制系统经典微型计算机控制系统1. 数据采集与处理系统 现场输入通道显示设备主机接口图1-9 数据采集与处理系统基本结构2. 操

18、作指导控制系统 生 产 过 程输入通道显示设备主机通道接口图1-10 操作指导控制系统基本结构操作人员3. 直接式数字控制系统4. 监督式计算机控制系统生产过程接口控制操作台主机执行机构接口输出通道输入通道检测图1-11 DDC系统基本结构工业生产过程DDC计算机SCC计算机模拟输入通道模拟输出通道给定值控制操作台图1-12 SCC系统基本结构1.3.2 新型微型计算机控制系统新型微型计算机控制系统1. 基于智能控制算法的微机控制系统 v智能控制是自动控制和人工智能相结合的学科,即具有摸仿人的学习、推理等功能；能适用不断变化的环境；能处理多种信息以减少不确定性；能以安全和可靠的方式进行规划，产

19、生和执行的动作，获取系统总体上最优或次优的性能指标。 v智能控制技术有三大基本内容：模糊控制技术，神经网络控制技术，遗传控制技术。v在硬件上智能控制系统与传统的微机控制系统结构无重大区别；在软件上，智能控制系统的驱动量由智能控制算法产生。v微机智能控制系统的命名一般借用智能控制算法的名称。模糊化模糊决策反模糊化图1-13 一般模糊控制系统基本结构控制量YUkXk被控对象图1-13为模糊控制系统的一般结构图。2. 集散式微型计算机控制系统 v集散式微型计算机控制系统(Distributed Control System，DCS)是基于微型计算机总线通信技术的多系统分层分散控制、集中管理微型计算机

20、控制系统，已成为大工业现场普遍使用的生产过程控制、子系统管理的方案。vDCS也称为分级分布式控制系统，简称集散系统，它是计算机、自动化、通信、网络和显示等多种技术相结合的产物。 v设计原则：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调。过程控制系统1网间联络站任务管理站过程管理站网间联络站过程控制系统nLAN总线通信图1-14 DCS结构图其他LAN国外有：西屋公司、艾默生、ABB、西门子、霍尼韦尔、横河、罗克韦尔等。国内有：上海新华，浙大中控，和利时，自仪股份、鲁能控制，国电智深，上海华文，上海乐华，浙江中自等。核电DCS：美国西屋、美国英维斯（施耐德收购）、法国阿海珐、日本三菱，北京广利核 3. 现场总线微型计算机控制系统v现场总线微型计算机控制系统（Fieldbus Control Sistem，FCS）是DCS的换代产品，与传统的DCS相比，具有数字化的信息传播、分散的系统结构、方便的互操作性、开放的互联网络及多种传输媒介、拓扑结构等特点。vFCS的核心是现场总线，具体表现于适用工业控制领域的网络通信与管理协议。v由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。v4. 管控一体