计算机控制技术1

社笄机控制技木

（40学时）

主讲：刘增环

2008.5

计算机控制技术

第一章绪论

第二章输入输出接口技术和输入输出通道

第三章数字控制器的模拟化设计

第四章数字控制器的直接设计

第五章数字控制器的最优化设计

第六章微型计算机控制系统设计

第七章多微处理机控制系统

第八章计算机控制系统的可靠性保证

第一章绪论

■讲授内容：

■工业控制机的组成结构及特点

-计算机控制系统概述

■重点掌握：

■计算机控制系统的工作原理

■计算机控制系统的五种典型形式

■工业控制机的特点

■控制系统的总线结构

第一节计算机控制系统的组成及特点

一、计算机控制的一般概念

逐步发展起来的经典控制理论在解决较简

单的自动控制系统设计方面获得了很大的成

功，在这个基础上发展起来的模拟式自动控制

系统也已达到相当完善的程度。但是，它的进

一步发展受到了限制，在复杂控制规律的实现、

系统的最优化、可靠性等方面已不能满足更高

的要求。

第一节计算机控制系统的组成及特点

一、计算机控制的一般概念

现代控制理论的发展给自动控制系统增添

了理论工具，而计算机技术的发展为新型控制

规律的实现、构造高性能的控制系统提供了物

质基础，两者的结合极大地推动了自动控制技

术的发展。

计算机控制系统是在自动控制技术和计算

机技术飞速发展的基础上产生的。

第一节计算机控制系统的组成及特点

一、计算机控制的一般概念

讣算机用于工业控制是近年来发展非常迅速

的领域。

简单而言，计算机控制系统就是采用计算机

来实现的工业自动控制（含管理）系统。

图1-1计算机控制系统基本框图

第一节计算机控制系统的组成及特点

一、计算机控制的一般概念

在控制系统中引入计算机，可以充分利用计

算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控

制任务。

计算机只能处理数字信号，因而给定值和反

馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量,

才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈

量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算

（如P1D运算，，计算结果（数字信号痛经过D/A

松换器，将及字信号转换成模拟信可输出到执行

机构，便完成了对系统的控制作用。

第一节计算机控制系统的组成及特点

一、计算机控制的一般概念

计算机控制系统除用于过程控制外，在机

电控制、航天技术和各种军事装备中也得到了

广泛应用。例如，通信卫星的姿态控制、卫星

跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控

机床、工业机器人的姿态、力控系统、飞机、

大型油轮的自动驾驶仪等等。

使用计算机控制，采用智能控制方法，大

大提高系统的控制精度。

第一节计算机控制系统的组成及特点

二、计算机控制系统的组成

典型的计算机控制系统结构可分为硬

件、控制软件和计算机通信网络三部分，

如图所示。

a硬件一指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处

理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转

换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道

以及各种显示、记录设备、运行操作台等。

由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组

成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处

理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向

系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。

操作台是人一机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向

计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；计算机可

向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一

般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、

数字显示器或CRT显示器等。

通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。

它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。常用的有打印

机、记录仪、图形显示器(CRT)、软盘、硬盘及外存储器等。

1/0接口与1/O通道一是计算机主机与外部连接的桥梁

常用的1/0接口有并行接口、串行接口等。

■I/O通道一有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。

模拟量I/。通道的作用一一方面将经由传感器得到的工业对

象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面

将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信

号，以实现对生产过程的控制。

数字量通道的作用——除完成编码数字输入输出外，还可将

各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算

机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送

给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。

传感器的主要功能一^将被检测的非电学量参数转变成电学

量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电

信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用

于计算机接口使用的标准的电信号(如0〜lOmADC)。

执行机构——常用的有各种电动、液动、气动开关，电液伺

服阀，交、直流电动机，步进电动机等等。

系统复杂程度的不同，组成计算机控制系统的硬件数量

也不同，一般根据需要可进行扩展。采用具有各种通用功能

的、基于标准总线的插件板。例如现在流行的STD标准总线

和PC标准总线工业控制计算机，就是典型的产品。

第一节计算机控制系统的组成及特点

二、计算机控制系统的组成

b控制软件一指计算机控制系统中具有各种

功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管

理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统

在软件指挥下协调工作。

从功能区分软件可分为系统软件和应用软件。

系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理

计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。

常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用

户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需

要加以适当改造即可。

第一节计算机控制系统的组成及特点

二、计算机控制系统的组成

・应用软件——用户根据要解决的控制问题而编

写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、

控制量计算程序、生产过程监控程序等。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，它的设计是本书主要介绍

的内容之一。

第一节计算机控制系统的组成及特点

二、计算机控制系统的组成

C计算机通信网络——完成各个节点之间的

信息通信。

按照节点之间的关系分类：

客户机/服务器结构(Client/sever)

对等式网络结构(peertopeer)

微型计算机之间信息交换常用的标准：

DDE、OLE、ODBC等

第一节计算机控制系统的组成及特点

三、计算机控制系统的特点

基于线性离散系统理论，直接设计数字控制器。

它忽视了两采样点之间系统的动态过程，可能导

致在各采样点系统满足性能指标要求，而实际系统

的输入/输出特性很差。

现在国际上流行的研究方法是使用连续信号指标

函数，考虑采样点之间系统的动态特性，直接对具

有混合结构的系统进行优化设计。

IJ口，

模拟t屏i律离散化设计法、直接濡法。

第一节计算机控制系统的组成及特点

三、计算机控制系统的特点

与连续（传统模拟）控制系统相比，计算机控制

系统具有以下方面特点：

4）灵活性和适应性：

♦连续控制系统，控制规律越复杂，所需要的硬件

也越多、越复杂；不易修改；灵活性和适应性差

♦计算机控制系统中，控制规律是用软件实现的，

修改控制规律，只需修改软件，一般不需修改硬

件，灵活性和适应性强。

第一节计算机控制系统的组成及特点

,三、计算机控制系统的特点_

与连续（传统模拟）控制系统相比，计算机控制

系统具有以下方面特点：

5）控制器数量和控制能力：

♦连续控制系统，一个控制器只控制一个回路

♦计算机控制系统中，一个控制器可采用分时控制

的方式同时控制多个回路

6）自动化程度：

采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化，

提高工业企业的自动化程度

第二节计算机在控制中的典型应用方式

根据计算机在控制中的典型应用方式，把计算机

控制系统划分为四类：

■操作指导控制系统（数据采集和监视系统）

-直接数字控制系统

■监督控制系统

■分级分布式控制系统（DCS）

第二节计算机在控制中的典型应用方式

▲、操作指导控制系统

计算机的输出

不直接用来控

制生产对象

图1-3计算机操作指导控制系统示意图

第二节计算机在控制中的典型应用方式

\、操作指导控制系统

特点：

■结构简单，控制灵活安全

■适用于未摸清控制规律的系统，常常被用于计算

机控制系统研制的初级阶段

■适用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等

■需人工操作，故不适用于快速过程的控制

第二节计算机在控制中的典型应用方式

:、直接数字控制系统（DDC）

仁接口—输入通道一翻生

计

产

算

过

机

显示程

打印

接口输出通道

S1-4直接―

-用于工业过程控制最普遍的一种方式

■在DDC系统中的计算机参与闭环控制过程，无中间

环节（调节器）

第二节计算机在控制中的典型应用方式

L二、直接数字控制系统（DDC）

■在DDC系统中的计算机参与闭环控制过程，完全

取代模拟调节器，实现多回路的P1D（比例、积分、

微分）调节

■不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种

较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非

线性控制、自适应控制、最优控制等。

第二节计算机在控制中的典型应用方式

L三、监督控制系统（SCC）

——-

■在see系统中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

■最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC

计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生

产过程。

监督控制系统分为两类：

■SCC+模拟调节器

■SCC+DDC系统

第二节计算机在控制中的典型应用方式

L三、监督控制系统（SCC）

---------------------------

SCC+模拟调节器

第二节计算机在控制中的典型应用方式

1三、监督控制系统（SCC）

SCC+DDC系统

第二节计算机在控制中的典型应用方式

j三、监督控制系统(SCC)

■SCC一般选用计算能力较强的计算机

-工作可靠性较高

当SCC计算机发生故障时，可由模拟调节器(或

DDC)独立执行控制任务。

■可进行复杂控制规律的控制

第二节计算机在控制中的典型应用方式

四、分级式计算机控制系统

分散控制和集中管理、网络化控制结构

第三节典型计算机控制系统简介

L一、计算机过程控制系统

W-------------------------

工业锅炉的计算机控制

第三节典型计算机控制系统简介

计算机控制的双闭环系统

第三节典型计算机控制系统简介

、计算机数字程序控制系统

采用计算机实现顺序控制和数字程序控制是计算机

在自动控制领域中应用的一个重要方面。

顺序控制系统

多采用PLC

数字程序控制（数控）系统

根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工

作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而

自动完成工作的自动控制系统

采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机

系统控制

第三节典型计算机控制系统简介

三、计算机数字程序控制系统

控制台

「一

机

传

驱

并*X轴步进

光

动

床

电动机动

行

二电

电

工

机

二

路

作

1构

I/口O离

。轴步进台

电动机

简单数控制机床

第三节典型计算机控制系统简介

［四、工业机器人

工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进

行工作的高度自动化系统。

联合国标准化组织采用的机器人的定义是：“一种可

以反复编程的多功能的、用来搬运材料、零件、工

具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改

变的和可编程的动作的专门系统

工业机器人发展过程可以分为三代：

1）示教再现型机器人、2）带感觉的机器人、

3）智能机器人

第三节典型计算机控制系统简介

1四、工业机器人

智能机器人的一般结构

第四节工业控制机

一、工业控制机的特点

工业控制机是适用于工业控制现场的计算机

具有以下特点：

■实时性对外来事件作出反应的能力。

■高可靠性具有高质量和很强的抗干扰能力

■硬件配置的可装配性、可扩充性

■可维护性

置曙耳青篁/

1

第四节工业控制机处理器

（8800）

二、典型工业控制机彳存储器

（8700）

介绍目前广泛使用的两类工』数字I/O

1）STD总线工业控制机（8600）

电动机

工EEE—961标准工业I/O

（8500）

目前国际上工业控制领域最今

模拟I/O

STD标准可以支持几乎所有E（8400），

模拟就3器］

改进型的STD总线可支持工61模拟传感器

智能外围

外国设备

新近已推出了STD32位总线（8300）

特点：开放式系统结构（其;其他通件

（8900）

模式和标准机型）、模块一用户接口