计算机控制技术 第2版 课件 第1章 计算机控制系统概述

计算机控制技术作者：罗文广，廖凤依

石玉秋，袁海英关于“计算机控制技术”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工程和运动控制工程的综合性技术。通常讨论的是核心技术。

关于“技术”与“系统”技术是系统实现的基础系统是目标

计算机控制的理论基础计算机控制系统的硬件和软件技术控制算法知识储备主要内容电路与电子技术自动控制理论单片机原理及接口技术MATLAB仿真技术计算机技术控制理论工程技术自动化仪表计算机控制系统计算机技术（包括硬件、软件、网络与通讯等）自动控制理论（包括系统建模、控制理论、数字仿真等）检测技术及仪表工程技术（包括对象背景知识、工程设计与实施等）第1章计算机控制系统概述1.1计算机控制系统的概念

1.2计算机控制系统的分类1.3计算机控制系统的发展趋势1.1计算机控制系统的概念1.1.1基本概念和组成图1-3控制系统工作平台结构图1.引例：2.计算机控制系统的概念1）模拟控制系统的基本结构：

如果把图1-5中的控制器和比较环节用计算机来代替，再加上A/D转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1-6所示。2）计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。计算机系统主要包括：．A／D转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；．D／A转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号并送给被控对象的放大部件（执行机构）；．数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。3.计算机控制系统基本组成(计算机系统+被控对象）（1）计算机：控制系统的核心。（2）接口：计算机与被控对象进行信息交换的纽带。（3）输入和输出通道：信息传输和转换的连接通道（4）通用外部设备：为了扩大计算机的功能而设置的（5）操作台：是一个实时的人机对话的联系纽带（6）自动化仪表：主要包括测量元件、检测仪表、调节仪表、执行机构等

硬件组成软件计算机控制系统的软件通常由系统软件和应用软件组成。

---系统软件：计算机的通用软件。

---应用软件：系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理程序。4.计算机控制系统发展概况（1）开创时期（1955－1962年）难于直接参与系统的闭环控制。计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。（2）直接数字控制时期（1962－1967年）计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因而被称为直接数字控制（DDC)。（3）小型计算机时期（1967－1972年）各种类型适合工业控制的小型计算机。许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。（4）微型计算机时期（1972年至今）微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更普及的应用。

（5）集散型控制

微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统。

微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。

如嵌入式计算机控制系统；网络计算机控制；专用控制器迅速的发展。依赖于计算机实时控制软件的进展。

过去的几十年软件生产的进展不大。性能完好的计算机控制系统，要求计算机控制系统分析、设计理论的支持。

----采样系统的基本理论；

----现代离散控制理论；

----各种智能控制理论，如模糊控制、神经网络。限于现代理论应用的前提和条件，实际难以满足，应用受到了限制。加强先进控制理论的可行性研究，发展各种简便易行的先进控制策略，提高系统控制水平。理论要求：现代化工业生产；海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中；迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中

---各种用途的机器人系统；

应用：---复杂飞行控制与飞行管理系统；

---各种空间飞行器的控制；

---现代化工厂中，广泛使用分散控制和集中监视系统。1.1.2计算机控制系统的功能与特点控制规律是由计算机通过程序实现，有很大的灵活性和适应性。能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。采用计算机控制系统，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。（1）系统结构：核心部件是计算机（2）信号形式上：多种信号形式（3）信号传递时间上：系统的输出与输入不是在同一时刻的相应值。（4）系统工作方式上：多回路分时控制。（5）具有很大的灵活性和适应性：软件代替硬件（6）具有较高的控制质量：能实现复杂的控制规律。计算机控制系统的特点：1.1.3计算机控制系统的工作过程与方式．实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；．实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；．实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。“实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。所需时间将依具体系统特性确定。1．操作指导控制系统计算机工业对象器换转D/A采样器测量元件显示终端打印机控制仪图1-8操作指导控制系统1.2计算机控制系统分类

2．直接数字控制系统（DDC）3．监督控制系统（SCC）计算机监督系统（SupervisoryComputerControl）简称SCC系统。（1）SCC+模拟调节器控制系统该系统原理图，如图1-10a所示。（2）SCC+DDC控制系统

SCC+DDC控制系统原理图，如图1-10b所示。图1-10监督计算机控制系统的两种结构形式a)SCC+模拟调节器控制系统b)SCC+DDC分级控制系统4．分布式控制系统分布式计算机控制系统(DistributedControlSystem，DCS)（分级式）---应用以多台计算机为基础的分散型控制系统。---分散控制基础上的又形成了集散型计算机控制系统，又称为分散型综合控制系统（TotalDCS）。----“任务要分散，管理要集中”。图1-11分布式计算机控制系统现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）

结构模式为“工作站—现场总线智能仪表”二级结构模式，彻底实现了系统的分散控制。其结构框图如图1-12所示。5.现场总线控制系统图1-12现场总线控制系统的结构

现场总线控制系统与传统的分布式控制系统相比，具有以下特点。1．数字化的信息传输2．分散的系统结构3．方便的互操作性4．开放的互联网络5．多种传输媒介和拓扑结构6.工业以太网控制系统图1-13典型的工业以太网控制系统结构

工业以太网实时性问题的解决方案：1）采用交换以太网2）改进以太网介质访问控制方式3）采用基于以太网的上层通信协议图1-14工业以太网控制器图1-15工业以太网控制软件系统结构原理图1-16工业以太网在过程控制中的典型应用方式工业以太网控制器的主要功能1）具备AI、AO、DI、DO等接口，可以与各种现场设备相连接2）控制器具备多种逻辑运算功能和基本的控制算法3）具备与其他控制器及上位机的网络通信功能4）可实现基于以太网/互联网的远程监控功能。1.3计算机控制系统的发展趋势1.3.1推广应用成熟的现今技术普及应用可编程序控制器广泛使用智能调节器采用新型的DCS和FCS1.3.2大力研究和发展智能控制系统分级递阶智能控制系统；模糊控制系统；专家控制系统；学习控制系统；神经控制系统1.3.3