第1章 计算机控制

微型计算机控制技术蒋荣华E-mail:jiangrongh@四川大学电气信息学院Offfice:JC-B215

引言一个制药车间的自动化生产流程

引言

计算机控制技术--是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发：自动化控制工程是其重要的一个应用领域；从自动化控制工程来看：计算机技术又是一个主要的实现手段。本课程立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。

第一章：介绍计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势；第二章：讨论输入输出接口与过程通道的硬件和软件设计；第三章：讨论数字程序控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理和步进电机控制技术（工作原理以及工作方式）；本课程主要内容第四章：主要讲解数字控制器的连续化设计技术、离散化设计技术以及相关的各类控制算法，介绍一下常规及复杂控制技术；第五章：讨论现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；第六章：讨论计算机控制系统的应用程序设计与实现技术，重点放在数据处理、数字控制器的工程实现以及软件抗干扰技术；本课程主要内容第七章：讨论分散型测控网络技术，给大家阐述通信网络技术、DCS控制技术，介绍一下现场总线技术；第八章：讨论计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出设计实例。本课程主要内容教材教材:《微型计算机控制技术》于海生等编著,清华大学出版社,2009年9月第二版.参考资料1.《微型计算机控制技术》谢剑英编著,国防工业出版社,1991年4月第二版2.《计算机控制技术及工程应用》林敏等编,国防工业出版社,2005年8月第一版3.《计算机控制技术》施保华等编,华中科技大学出版社,2007年1月第一版

4.《Computer-ControlledSystemsTheoryanddesign》ThirdEditionK.J.Astrom,B.Wittenmark,清华大学出版社，2002年1月第三版5.期刊：工业控制机(技术性比较强)、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表等等。教学安排与课程考核教学安排:课堂教学(40学时)＋实验(8学时)课程考核：平时成绩(30％)期末考试(70％)1.作业及小班讨论(15％)2.考勤(5％)3.实验(10％)实例1.各种用途的机器人系统焊接机器人系统(核心为计算机控制系统)具有视觉器件的机器人示意图2.以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统现代民用飞机座舱数字控制电子设备飞机飞行高度计算机控制系统3.广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统分散控制集中管理的组成图4.工业炉控制的典型情况为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。4.工业炉控制的典型情况为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，必须采用压力控制回路。测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。为了提高炉子的热效率，还须对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制。5-1.典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图5-2：典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图被控对象：本例为火炮炮身；(2)执行机构：本例为直流电机；(3)测量装置：本例为测量电位计及测速电机；(4)指令给定装置：本例为火炮高低角及方位角的指令生成装置；(5)计算机系统：包括下述主要部件：A/D变换器；D/A变换器；数字计算机(包括硬件及相应软件，实现信号的变换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相应的控制指令)。仪表控制计算机控制转换

手动控制系统

传感器调理电路模块显示仪表执行机构被测控参数常规仪表控制系统框图

某热电厂锅炉仪表集中控制室

某热电厂锅炉计算机控制室

图1-6计算机操作控制台

第一章绪论计算机技术自动控制技术检测与传感技术CRT显示技术通信与网络技术微电子技术►计算机控制系统及其组成►计算机控制系统的典型形式►计算机控制系统的发展概况及趋势本章要点1.了解计算机控制系统的构成原理2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。3.初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类

本章重点、难点及掌握的内容重点与难点关于实时系统的理解区分内部总线与外部总线掌握内容计算机控制系统的定义，以及实时、在线、离线的含义计算机控制系统的五种典型形式，并分析各种形式的优缺点，对结构框图进行分析工业控制机的组成和总线结构1.自动控制系统的概念

自动控制系统是指无人直接参与的情况下，自动使被控对象按照预定的规律运行的系统。2.自动控制系统实例

有计算机控制的自动控制系统实例无计算机控制的自动控制系统实例3.计算机自动控制系统实例

3.计算机自动控制系统实例无人驾驶车

3.计算机自动控制系统实例

3.计算机自动控制系统实例战斗部发动机自动驾驶/制导装置热电池蓄能器控制尾翼姿态测量装置激光导引头

3.计算机自动控制系统实例产品自动装箱系统的原理图

3.计算机自动控制系统实例

3.计算机自动控制系统实例1.1计算机控制系统概述自动控制系统所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。图1-1自动控制系统舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置指令输入装置舵机平尾飞机俯仰输出电位器放大器uqy控制器执行器被控对象给定值控制作用操纵变量被控量r(b)开环控制系统计算机控制系统原理图变换/处理(控制器)执行机构被控对象检测装置(传感器)-＋输出垂直陀螺飞机的俯仰运动舵机和平尾飞机误差舵机-+水平尾翼电位器放大器输入装置输入装置指令比较(电位计)

图1.1常规仪表控制系统框图闭环：根据测量值的偏差进行调节(反馈或负反馈控制)开环：只根据给定值调节(非反馈控制)

如果把图1.1中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如图1.2所示。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。图1.2计算机控制系统基本框图仪表控制计算机控制完成自动控制的精髓——反馈控制例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器工件温度检测根据炉温的高低调节给定电压，从而调节温度给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e温度变送器变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-工件注：反馈控制又称为“闭环控制”电加热炉的炉温反馈控制（自动控制）方块图：

原理图：控制器加热炉炉温检测ur扰动y－eufu相加点(综合点)检测噪声给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e温度变送器变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-工件正反馈例：音响系统、振荡电路等反馈控制的特点：有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性好，控制精度高反馈形式：负反馈（广泛应用），正反馈（很少用）控制装置受控对象检测环节给定信号扰动－反馈信号控制量误差被控量反馈控制系统的基本结构：

开环：

简单

不准确

闭环：

准确 复杂、设备多

Qi浮子——测量元件HQo执行阀控制器液面给定（1）为何闭环控制能满足要求——直观上应能满足控制框图——方框图——如上原理：偏差调节控制KG(S)测量1Δy输出y＋－yor=ΔQi(2)设计控制器的几大要点

稳定性什么是不稳定：如水溢出、流干稳定性是压倒一切的。对线性系统，有成熟的稳定性分析方法。对非线性复杂系统，很难，需要高深的数学——是自动控制重要研究内容tYo=ΔHoHoy稳态误差※稳态误差※动态特性(3)控制器的发展※模拟模拟数字混合式全数字式计算机(软件实现)※线性非线性※简单复杂※常规智能基本结构对象变送器模/数计算机传感器微弱信号标准电信号5V/20mA数字信号测量的重要性：相当人的眼睛、耳朵、触觉、 嗅觉、味觉高质量的控制离不开高精度的测量电子控制器：两大类：

核心：自动控制原理及其实现数字控制器(计算机)：今后发展趋势模拟控制器：目前仍有较广用途——如家用电器2、控制器目前绝大多数为电子控制器分立元件IC计算机

集散控制系统

(3)混合类(电动作式——控制非电量)※电机＋(气、液、固体)阀门、开关

(2)非电类(气液动作式——控制非电量)※阀门、开关(气液动作式)3、执行器(1)电类(电动作式——控制电量)※继电器、接触器※电机※电力电子1.1计算机控制系统概述1.1.1计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。

1.计算机控制系统的工作原理2.在线方式和离线方式3.实时的含义

计算机控制系统的工作原理从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

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制信号，完成控制任务。计算机控制相关概念①在线方式和离线方式：on-line/off-line

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做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。计算机控制相关概念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，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。

！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：发酵过程和导弹防御系统的对比！思考两个问题一.在线系统是否一定是实时系统？二.实时系统是否一定是在线系统？思考两个问题一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！二.是。不在线肯定不能满足实时性。1.1.2计算机控制系统的组成计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分组成。

计算机控制系统的组成框图微型计算机控制系统原理图硬件部分：主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台1.1.3常用的计算机控制系统主机1.可编程序控制器（PC/PLC）2.工控机（IPC）3.嵌入式系统4.智能调节器

可编程控制器

可编程逻辑控制器--简称可编程控制器或PLC，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。可编程控制器（PLC）特点：一种数字运算操作的电子系统,专为工业环

境下应用而设定;采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；应用广泛--不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；PLC具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干扰能力强；

智能调节器智能调节器--又称单回路调节器、可编程调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、过程I／O（输入/输出）单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图所示。智能调节器特点：一种仪表化了的微型控制计算机易操作，易编程、方便灵活设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言具有断电保护、自诊断功能、通信等功能可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控制和管理

大型分散控制系统中最基层的控制单元适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中1.2计算机控制系统的典型型式1.2.1操作指导控制系统计算机模拟量输入（AI）通道数字量输入（DI）通道CRT打印机操作人员调节器生产过程操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：开环控制。由人操作，实时性差，不能控制多个对象。操作过程：（1）计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，而后输出（显示或打印），提供准确的参照数据。（2）现场人员参照显示（数字显示）的数据，根据经验对系统进行调节。1.2.2直接数字控制系统(DDC)CRT打印机报警操作台计算机输入通道（AI，DI）输出通道（AO，DO）生产过程直接数字控制系统要求实时性好，可靠性高和适应性强

操作过程：

1.计算机对多个参数进行巡回检测，并将检测值与给定值加以比较，根据偏差的情况，按适当的控制规律对系统进行控制，使检测值→给定值。

2.应用场合一台计算机可同时控制多回路（省却了许多调器），可靠（因为计算机可对数据进行处理）

3.特点:控制灵活每个参数的控制可各异,每种参数的不同时刻、不同情况也可改变控制规律应用广泛。1.2.3监督控制系统(SCC)生产过程生产过程模拟调节器DDC计算机SSC计算机SSC计算机记录显示打印记录显示打印调节测量调节测量工艺数据工艺数据aSCC+模拟调节器的控制系统bSCC+DDC的分级控制系统设定值设定值根据工艺信息和参数要求，按照数学模型，自动改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中给定值，使生产过程最优。1.操作过程：在这种系统中，给定值不是人为预先给定，而是由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，再送给模拟调节器或DDC单片机对生产过程进行控制2.特点:(1)给定值为最佳；

(2)增加了CPU的冗余量。

计算机监督系统（SupervisoryComputerControl）简称SCC系统。1.2.4集散控制系统(DCS)

管理计算机网间联接器工程师操作站操作员操作站监控计算机网间联接器现场控制站PLC智能调节器其他测控装置综合信息管理级分散过程控制级集中操作监控级局部网络（LAN）至其他局域网通信联络DCS结构示意图又叫分布式控制系统，采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的方法、把系统从上到下分为分散控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。分级计算机控制系统1.2.5现场总线控制系统(FCS)新一代分布式控制系统。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。目前使用的现场总线有：CAN总线LONWORKS（局部操作网络）PROFIBUS(过程现场总线)HART(可寻址远程传感器数据通路)FF（现场总线基金会）现场总线1.2.6综合自动化系统由企业资源信息管理系统ERP（EnterpriseResourcesPlanning）、生产执行系统MES（ManufacturingExecutionSystem）和生产过程控制系统PCS（ProcessControlSystem）构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。计算机集成制造系统(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)

计算机集成过程系统（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）1.3.1工业控制机的组成1、硬件组成:微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等.2、软件组成系统软件、支持软件、应用软件1.3工业控制机的组成结构及特点内部总线主机板通信接口系统支持磁盘系统人-机接口模拟量输入通道(AI)数字量输入通道(DI)数字量输出通道(DO)模拟量输出通道(AO)外部总线工业控制机的硬件组成结构总线:一组信号线的集合，定义了各引线的信号、电气、机械特性，是计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。内部总线：计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。按功能分为：数据总线DB、地址总线AD、控制总线CB和电源总线PB四部分。常见的内部总线有ISA\PCI(P11)外部总线：是指计算机与计算机之间或计算机与其他外部设备之间的通讯。常见的外部总线有RS-232/GPIB/USB1.3.2工业控制机的总线结构1.3工业控制机的组成结构及特点RS-232C串行通信总线

RS-232C是一种串行外部总线，电气特性要求总线信号采用负逻辑。规定：使用一个25芯标准连接头,每个引脚有固定的定义(P15表1-1);通信距离不大于15米;传送的信号速率不大于20kbps;每个信号一根导线并用一根信号地线。由于采用单端输入和公共信号地线，所以容易引进干扰。一些约定及特点：总线电缆是一条无源的电缆线，包括16条信号线和9条地线系统中通过总线互连的设备不超过15台总线电缆长度不超过20米信号传输速率一般为500kbps，最大速率为1Mbps地址容量为：“听”地址31个，“讲”地址31个，最多地址可扩展到961个总线上传输的消息为负逻辑采用按位并行、字节串行、三线握手、双向异步的传输方式总线的一般描述：IEEE-488总线上所连的设备有三种：控者、听者、讲者。这三种设备之间用一根24线的无源电缆互连IEEE-488总线的引线分配及功能IEEE-488总线采用24芯D型插头座(包括8条地线，16条信号线)IEEE-488并行通信总线(也称为GPIB总线)GPIB的引线分布如下可靠性高和可维修性好环境适应性强控制的实时性完善的输入输出通道丰富的软件适当的计算机精度和运算速度1.3.3工业控制机的特点1.4.1计算机控制系统的发展过程计算机技术的发展过程电子管时代直接数字控制时期小型计算机时期微型计算机时期1.4计算机控制系统的发展概况及趋势(1)采样定理(2)差分方程(3)Z变换法(4)状态空间理论(5)最优控制与随机控制(6)代数系统理论(7)系统辨识与自适应控制(8)先进控制技术计算机控制理论的发展过程(1)时钟同步计算机控制系统的实际理论问题若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统后，它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率的正弦信号，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信号频率和采样周期有关。计算机控制系统的正弦激励响应频率为4.9Hz的输入信号连续系统的输出采样间隔时间为0.1s时，则会发生振荡周期为10s的差拍现象。计算机控制系统的实际理论问题(2)正弦激励响应93(3)字长有限的问题。A/D或D/A变换器、计算机内存及运算器的字长有限。字长有限引起的极限环计算机控制系统的实际理论问题尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的。例如，一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统时，若采样间隔时间选取的不合适，则可能会变得不可控。计算机控制系统的实际理论问题(4)连续系统控制理论应用有限调节时间系统

实线表示连续系统，虚线是同一被控对象的计算机控制系统。计算机控制系统的实际理论问题(4)连续系统控制理论应用(6)系统的稳定性也是值得关注的问题。对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的。(5)一个稳定的连