第1章 南邮计算机控制系统概述课件

计算机控制技术自动化学院张腾飞办公室：教5-202Email：tfzhang@126.com课程简介课程性质课时安排：40+8学时成绩评定：期末＋实验＋平时教材：顾德英《计算机控制技术》(第2版)北京邮电大学出版社该课程实践性较强，先修课程较多，是自动化类专业学生必修课程。模拟电子技术数字电子技术微型计算机原理与接口技术单片机原理与接口技术自动控制原理

先修课程毕业设计工程设计实际应用后续应用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主要涉及内容计算机控制系统概述工业控制计算机

I/O接口与过程通道顺序控制与数字控制技术数字控制器设计控制系统的数据处理技术复杂控制技术计算机控制系统设计与实现智能控制技术基础课程章节内容第1章计算机控制系统概述计算机控制的发展随着自动控制理论、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的作用。在现代工业企业自动化中，计算机控制技术是核心，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过程

第一台电子计算机于1946年在美国问世

50年代末，用于过程控制

1962年,英国实现了一个DDC(DirectDigitalControl)系统

60年代后期，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

1972年出现了微型计算机，分布式控制系统DCS1.30年代初期：分散控制方式直接作用式气动控制器控制装置安装在被控过程附近，每个回路有单独控制器运行人员分布在全厂各处适用于规模不太大、工艺过程不太复杂的企业控制系统的发展史2.30年代末期：集中控制中央控制室，信息远距离传输问题变送器、执行器和控制器分离：变送器、执行器安装在现场，控制器在中央控制室优点：运行人员可获得整个的生产信息，便于协调控制注意：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——运行管理的集中，仍然分散控制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3.50年代末60年代初：集中控制方式计算机用于生产过程直接数字控制，造价高，一台计算机控制全厂的生产过程，整个系统控制任务的集中特点：控制集中、管理集中缺点：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。集中控制系统控制计算机基本控制过程1基本控制过程2基本控制过程3基本控制过程4基本控制过程54.70年代：分布控制方式分析集中控制方式的失败，提出了分布式控制系统的概念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特点：控制分散、管理集中分布式控制系统以微处理器作为核心的集中分散控制系统，利用4C技术，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。又称集散控制系统（TotalDistributedControlSystem，TDCS）。主要特点：集中管理、分散控制。1.30年代初期：分散控制→(控制分散、管理分散)2.30年代末期：集中控制→(控制分散、管理集中)3.50年代末60年代初：集中控制→(控制集中、管理集中)

4.70年代:分布控制(控制分散、管理集中)总结：控制系统的发展历史(循环)计算机控制系统的发展趋势综合自动化网络化智能控制系统虚拟化绿色化计算机控制技术的应用领域无处不在的控制能源电力基础设施半导体汽车烟草石化药品纸浆与造纸食品与饮料EthernetTCP/IPEthernetTCP/IPEthernetTCP/IP以太网,开放的解决方案140CRP140CRP10/100Mbits/s以太网140NOE140NOE140CRAQuantum远程I/O多至31个站140CRA140CRA结构方案：混合结构切换时保持数字输出140CRA140CRA140CRA结构方案：标准S908结构用于过程控制双电缆用于远程I/O站双CPU结构冗余电源Quantum远程I/O系统多至31个站140CRP140CRPSchneider的工业控制网络

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发布信息请求信息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。在220kV电站运行的光电互感器500kV组合式光电互感器样机1.1计算机控制系统特征与组成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图1.1计算机控制系统基本框图A/D控制器D/A执行机构被控对象检测装置给定值输出值－微型机或计算机计算机控制系统硬件部分软件部分控制计算机外围设备系统软件应用软件计算机控制系统的构成⒈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⒉信号特征

t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模拟信号e(nT)r(nT)y(t)u*(t)u(nt)y(nT)y*(t)Σ控制器D/AA/D执行器被控对象传感器y(t)采样器计算机＋离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号图1.2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，系统的信息通道由三部分组成⑴过程输出通道包含由D/A转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道⑵过程输入通道包含由A/D转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道⑶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，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、对像控制效果等⒊控制方法特征常用的设计方法有两种：模拟调节规律离散化设计法直接设计法⒋功能特征

以软件代替硬件数据存储状态、数据显示管理功能5.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：⑴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⑵实时控制决策：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⑶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⑷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,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理⒍计算机控制系统的工作方式

(1)、在线方式和离线方式(2)、实时：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A/DD/A开关量输入开关量输出传感器、变送器多路开关多路开关接口显示终端打印机磁盘驱动器通信设备人机联系接口接口接口微型计算机执行机构生产过程软件通用外部设备主机及操作台I/O通道信号检测与变送1.1.2计算机控制系统的硬件组成

生产对象I/O接口I/O接口硬件组成主机I/O接口通用外部设备检测元件与执行机构操作台1.1.3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设计，它们只是作为开发应用软件的工具。应用软件是面向生产过程的程序，如A/D、D/A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。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，它的设计是非常重要的。1.2计算机控制系统的分类操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统，分布式计算机控制系统，计算机集成制造系统按照控制方式分类：开环控制和闭环控制按照控制规律分类：程序和顺序控制、比例积分微分控制（PID控制）、有限拍控制、复杂规律控制、智能控制等按照系统的功能、工作特点分类：1.2.1操作指导控制系统（OperationalInformationSystem——OIS）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据进行必要的操作操作指导计算机

A/D多路开关检测元件生产过程显示打印操作者执行机构1.2.2直接数字控制系统（DirectDigitalControlsystem——DDC）显示打印接口计算机执行机构检测输入通道生产过程接口输出通道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。（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。1.2.3监督计算机控制系统（SupervisoryComputerControl——SCC）SCC+模拟调节器SCC+DDC控制系统SCC计算机设定值测量值A/D多路开关传感器模拟调节器生产过程SCC计算机设定值检测值DDCD/A多路开关生产过程A/D多路开关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DDC计算机控制生产过程1.2.4集散控制系统（DCS）生产管理计算机操作员站工程师站过程控制站生产过程决策管理计算机计算机网关决策管理计算机决策管理计算机生产管理计算机生产管理计算机计算机网关监控计算机站决策管理网络生产管理网络控制网络计算机网关过程控制站过程控制站过程控制站决策管理层生产管理层操作监控层直接控制层1.2.5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数字式、开放的、双向的通信网络。现在国际上流行的设备级的通信网络,如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF等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网络互连;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表，如传感器、变送器、执行器等。现场设备具有互操作性,改变了DCS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,并可以统一组态;通信网络为开放式互连网络,可极其方便地实现数据共享;技术和标准实现了全开放,面向任何一个制造商和用户。1.2.6计算机集成制造系统(ClMS)计算机集成制造系统(CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem)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、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，求得生产活动的最优化1.2.6计算机集成制造系统(ClMS)CIM的理念包括两个基本出发点第一点：企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑第二点：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1.3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离散系统理论采样系统理论数字系统理论⒈计算机控制理论离散系统理论差分方程及z变换理论常规设计方法按极点配置的设计方法最优设计方法系统辨识及自适应控制采样系统理论采样理论连续模型及性能指标的离散化性能指标函数的计算采样控制系统的仿真采样周期的选择数字系统理论数字系统理论包括：离散系统和采样系统理论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⒉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：参数变化未建模动态特性平衡点的变化传感器噪声不可预测的干扰输入⒉新型控制策略鲁棒控制预测控制模糊控制神经控制专家控制遗传算法计算机控制系统中所建立的