计算机控制系统的原理

计算机控制系统的原理第1页，共40页，2023年，2月20日，星期四办公室：动力楼305Email：youjun@

第2页，共40页，2023年，2月20日，星期四教材于海生，计算机控制技术，机械工业出版社，ISBN978-7-111-21294-2，2007于海生，微型计算机控制技术，清华大学出版社，ISBN7302033595，1999参考教材赖寿宏，微型计算机控制技术，机械工业出版社,7111048911，2005年7月潘新民王燕，微型计算机控制技术，电子工业出版社，7505383183，2003年1月曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社，711108648，2004年7月第3页，共40页，2023年，2月20日，星期四1、本课程的地位计算机控制技术是电气工程系的一门专业课程，是突出计算机应用的一门课程。前言计算机控制技术主要研究任何将计算机技术、自动控制理论、电子技术应用于工业生产过程。本课程以IBMPC系列微型计算机为控制主机。同时介绍单片机及数字信号处理器。第4页，共40页，2023年，2月20日，星期四本课程作为“数字电路—微型机原理及接口技术—计算机控制技术”系列课程的一个应用环节。它的先修课程是数字电路、汇编语言、计算机组成原理、微型机原理及接口技术、自动控制理论、单片机原理等。2、本课程知识范围及与相关课程的关系第5页，共40页，2023年，2月20日，星期四微机控制系统概述—系统组成、结构类型、特点和发展趋势。

数字程序控制系统—逐点比较法插补原理，步进电机控制技术，伺服控制系统。3、本课程主要内容控制系统硬件设计—常用总线及接口，数字量、模拟量输入输出接口及通道，抗干扰技术。第6页，共40页，2023年，2月20日，星期四现代控制技术—状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法等。计算机控制系统的实现—系统的硬件软件设计、抗干扰和工程实例。PID控制系统—介绍比例、积分、微分三大基本的控制规律及算法。常规及复杂控制技术—离散化设计、复杂控制先进控制技术—模糊控制、神经元、专家系统。现场总线及网络技术—测控网络、现场总线控制系统。第7页，共40页，2023年，2月20日，星期四第1章绪论

1.1自动控制系统概述◆自动控制技术的发展经典控制理论阶段：20世纪40~50年代，采用传递函数进行数学描述、以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法。将复杂的生产过程人为地分解为若干个简单过程。第8页，共40页，2023年，2月20日，星期四如单输入单输出的控制系统，其控制目标为保持生产的平稳和安全。图1-1蒸汽加热器带控制点的工艺流程图热流体冷流体冷凝水蒸汽第9页，共40页，2023年，2月20日，星期四现代控制理论阶段：20世纪50年代末~60年代，为适应航天航空技术的发展需要，以状态空间分析方法为基础。包括：以最小二乘法为基础的系统辨识。以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制。以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。以实现从外部现象深入到揭示系统内在规律，从局部简单控制到全局最优控制，从单、闭环系统扩展到自适应环、自学习环。第10页，共40页，2023年，2月20日，星期四计算机技术用于自动控制理论领域：20世纪70年~，采用工业控制机，使用冗余技术、软硬件自诊断，多参数多回路控制，提高稳定性和可靠性。大系统理论和智能控制理论的形成，考虑多因素应用系统，建立数学模型，以满足闭环最优控制控制的需要。第11页，共40页，2023年，2月20日，星期四◆计算机过程控制系统的任务和要求▼计算机过程控制的六大参数：

温度

压力

流量

液位（或物位）

成分

物性参数▼三项要求：安全性、经济性、稳定性。第12页，共40页，2023年，2月20日，星期四◆自动控制系统的类型▼自动控制系统的的几个术语：

被控对象和过程：需要实现控制的设备，机器和生产过程，如蒸汽加热器。

被控变量：被控对象内要求与给定数值保持一致（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，如蒸汽加热器热流体出口温度。

操纵变量：受到控制装置（如调节器）操纵，用以使被控变量保持在给定值的物料量或能量，如加热蒸汽。第13页，共40页，2023年，2月20日，星期四

扰动（干扰）：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素，如蒸汽加热器出口热流体温度受冷流体流量的变化的影响。

给定值：被控变量的预定值。

偏差：在理论上应该是被控变量的给定值与实际值之差，通常把给定值与测量值之差作为偏差第14页，共40页，2023年，2月20日，星期四▼偏差产生的原因

扰动的出现，此时操纵变量必须随着作相应变化，如冷流体的流量增加，应加大蒸汽流量。

给定值的变化，此时操纵变量也必须随着作相应变化，如要求提高蒸汽加热器的出口温度。

累计误差的存在，很难长期保持平稳，如蒸汽加热器的进出口流量的累计误差。第15页，共40页，2023年，2月20日，星期四设定值控制装置控制装置蒸汽蒸汽图1-2开环控制系统的基本结构（a）按设定值热控制的开环系统（b）按扰动热控制的开环系统◆开环控制系统和闭环控制系统第16页，共40页，2023年，2月20日，星期四

闭环（反馈）控制系统蒸汽图1-3闭环控制系统的基本结构第17页，共40页，2023年，2月20日，星期四

闭环控制系统类型1）定值控制系统：给定值恒定不变，任务是克服扰动对被控对象的影响。2）随动控制系统：给定值是事先未知的时间函数，任务是使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪给定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。3）程序（顺序）控制系统：给定值是已知的时间函数，如玻璃熔化炉的升温控制系统。第18页，共40页，2023年，2月20日，星期四◆闭环控制系统的组成图1-4闭环控制系统的组成控制装置执行器过程检测元件变送器比较机构e(t)控制器广义对象被控变量测量值y(t)设定值r(t)u(t)q(t)c(t)f(t)扰动第19页，共40页，2023年，2月20日，星期四

1.2计算机控制系统概述1.2.1计算机控制系统及其组成◆计算机控制系统的工作原理图1-5第20页，共40页，2023年，2月20日，星期四

实时数据采集，对被控变量的瞬时值进行检测和输入。

实时控制决策，对采集被控变量进行分析处理。

实时控制输出，对执行机构发出控制信号，完成控制任务。▼

在线方式和离线方式实时的含义▼

计算机控制系统的工作步骤第21页，共40页，2023年，2月20日，星期四图1-6◆计算机控制系统的组成第22页，共40页，2023年，2月20日，星期四图1-71.2.2计算机控制系统的典型形式◆操作指导控制系统第23页，共40页，2023年，2月20日，星期四图1-8◆直接数字控制系统（DDC）按一定的控制规律进行计算，最后发出控制消息，通过输出通道控制生产过程的闭环系统。第24页，共40页，2023年，2月20日，星期四图1-9按数学模型确定设定值第25页，共40页，2023年，2月20日，星期四◆分散型控制系统（DCS)图1-10第26页，共40页，2023年，2月20日，星期四

1.3工业控制机的组成结构及特点1.3.1工业控制机的组成◆硬件构成图1-111）监控定时器(Watchdog)2）电源掉电检测3）后备存储器4）实时日历时钟第27页，共40页，2023年，2月20日，星期四◆软件构成▼

系统软件

实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序；如Intel：iRMX86，ReadySystem：嵌入式VRTX/OS。▼支持软件

低、高级语言，编译、编辑、调试、诊断程序。▼应用软件

过程输入、过程控制、过程输出、人-机接口、显示打印、公用子程序等。第28页，共40页，2023年，2月20日，星期四

1.3.1工业控制机

的总线结构

◆内部总线▼

PC总线图1-12PC总线第29页，共40页，2023年，2月20日，星期四▼

STD总线（56根并行总线）

采用周期窃取和总线复用技术，定义了16根数据线，24跟地址线，实现8/16位机兼容。第30页，共40页，2023年，2月20日，星期四▼

RS-232C串行通信总线◆外部总线第31页，共40页，2023年，2月20日，星期四图1-13

RS-232C信号状态第32页，共40页，2023年，2月20日，星期四▼

IEEE-488并行行通信总线

16根信号线，8根地线。

总线互连设备不超过15台。

总线电缆长度不超过20米。

速率一般为500kbps，最高为1Mbps。

消息为负逻辑（<=0.8V为“1”，>=2.0V为“0”）。

按位并行、字节串行、三线握手、双向异步传送。

可互连三种设备，讲者、听者和控者图1-14第33页，共40页，2023年，2月20日，星期四1.4计算机控制系统的发展计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，伴随它们的发展而发展。1.4.1系统发展概况◆计算机技术的发展过程1956年3月德洲的一个炼油厂与TRW航空工业公司，经3年的研究，制造出RW-300计算机控制的聚合系统，控制26个流量，72个温度，3个压力，来确保反应器内压力最小。第34页，共40页，2023年，2月20日，星期四开创时期（1955~1962年），从事操作指导和设定值控制。▼四个发展时期直接数字控制时期（1962~1967年），用计算机控制完全取代了模拟控制，使用灵活。小型计算机时期（1967~1972年），过程控制计算机迅速发展。微型计算机时期（1972年~），出现分级递阶控制系统、分散型控制系统、专用控制器，采用高级语言进行实时控制。第35页，共40页，2023年，2月20日，星期四◆计算机控制理论的发展过程采样定理（乃奎斯特、香农定理）f采=2f最高差分方程：用一个线性时不变的差分方程来代替微分方程。Z变换法：霍尔维兹1947年对序f(kT)引进一个变换，定义为：第36页，共40页，2023年，2月20日，星期四状态空间理论：是设计和分析多输入多输出系统的有力工具。卡尔曼在此领域作出很大贡献。最优控制与随机控制：控制系统设计的最优化问题，随机控制理论的发展。系统辨识与自适应控制。第37页，共40页，2023年，2月20日，星期四1.4.2计算机控制系统发展趋势◆推广应用成熟的先进技术普及应用可编程控制器（PLC）使用具有智能I/O模块的PLC，将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制。广泛使用智能调节器它可接受(0~20)mA的信号电流，而且具有RS-232或RS-422/485异步串行通信接口，实现与上位机通信。采用新型的DCS和FCS采用先进的控制策略，设计低成本综合自动化系统，实现CIMS。第38页，共40页，2023年，2月20日，星期四◆发展智能控制系统分级递阶智能控制系统总结人工智能与自适应、自学习和自组织控制基础上，形成由组织