计算机闭环控制系统原理.ppt

1、第一章计算机控制概述，本章要点1。了解计算机控制系统的组成原理2。了解计算机控制系统硬件组件和软件配置。3.对微机控制系统分类和设备类型的初步了解，2，本章的主要内容，介绍，1.1计算机控制系统配置，1.2计算机控制系统分类，1.3计算机控制设备类型，本章摘要，思考，3，介绍，计算机控制技术和工程应用-计算机技术与自动化控制系统集成的综合学习，基于计算机的过程从计算机应用的角度来看，自动控制项目是一个重要的应用领域。计算机技术作为自动控制工程是另一种主要的实现手段。本书以工业自动化领域为基础，讨论了该计算机控制系统与普通计算机不同的结构组成、相关技术和工程应用。下图说明了制药车间的自动生产流程

2、：链接动画，4，1.1.1计算机控制系统配置，主要知识点：1.1.1控制系统概念，1.1.2硬件配置，1.1.3软件配置，5，1 . 1 . 1控制系统概念，计算机控制系统从一般仪表控制系统演化而来；由普通仪表组成的自动控制系统通常根据多个控制要求分为闭环控制(如图1-1a所示)和开环控制(图1-1b所示)两种形式。计算机控制系统原理-使用控制计算机代替图1-1中的控制器，如图1-2所示。6、(1)闭环控制系统、闭环控制系统-闭环控制系统中，测量发射器检测控制对象，将温度、压力等控制量转换为电信号，控制器将此测量与给定值进行比较以形成偏差输入，按照一定的控制规则生成相应的控制信号驱动执行器任务

3、，由执行器生成的操作变量将控制对象控制量接近值，从而自动控制稳定的生产这种信号传递形成了闭环，因此被称为按偏差控制的闭环反馈控制系统。7、(2)开环控制系统、开环控制系统-与不需要控制对象的测量反馈信号的闭环系统不同，控制器基于给定值驱动执行器直接控制控制目标，因此这种信号传递是单向的。环形控制系统不能自动消除控制目标与给定值之间的偏差，提供比闭环系统低的控制性能。8，(3)计算机闭环控制系统的原理组成的计算机闭环控制系统的原理-将图1-1中的控制器替换为控制计算机微机和A/D(模式/数)转换接口和D/A(数/模式)转换接口。由于计算机使用数字信号传输，并且一次更多地采用模拟信号传输，因此A/

4、D转换器必须将模拟数量转换为相应的输入信号，D/A转换器必须将数字量转换为相应的输出信号。图1-2计算机控制系统图，9，(4)计算机控制系统监控过程步骤，a .实时数据收集-测量发射器控制的瞬时值的收集和输入；b .实时数据处理分析、比较和处理收集的控制卷，根据固定的控制规则进行运算，并执行控制决策。c .实时输出控制根据控制决定，及时向执行器发出控制信号，完成监视任务。10，1.1.2硬件配置，计算机控制系统硬件通常是主机-CPU ram modem系统总线常规外部设备-输入/输出设备、外部存储等进程输入/输出通道-ai、AO、DI、DO控制台-CRT、leles11、图1-3计算机控制系统

5、硬件配置框图、链接动画、由12，1.1.3软件组成，硬件只是计算机控制系统体。计算机工作正常，要解决各种问题，必须相应地准备软件。软件是执行各种功能的计算机程序的总和，是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作在软件程序的指挥下协调一致。软件一般分为系统软件和应用软件两类。系统软件通常由计算机制造商提供，用于使用和管理计算机本身的程序。应用程序是用户为满足生产流程要求而编写的各种应用程序。13，1.2控制系统分类，主要知识点，1.2.1数据收集系统(DAS)，1.2.2操作指令控制系统(OGC)，1.2.3直接数字控制系统(DDC)，1.2.4显示器计算机控制系统(SCC)，以及生产期间，受控

6、对象的许多参数在测量传输表传输和A/D通道或DI通道巡回收集后发送到计算机，这些数据在计算机上进行分析和处理，并根据操作要求发出屏幕显示、表格打印和超出范围警报。链路动画、15，1.2.2操作指令控制系统(OGC)、操作指令控制系统是基于数据收集系统的开环结构，如图1-6所示。计算机根据收集的数据和过程要求执行最佳计算，通过计算的最佳操作条件显示或打印控制目标，而不是直接输出控制目标，因此，操作者通过更改每个控制器的给定值或操作执行器来起到操作说明的作用。这相当于模拟仪器控制系统的手动和半自动运行状态。OGC系统结构简单，具有控制灵活性和安全性的优点。缺点是手动操作，速度受限，无法同时控制多个

7、回路。16，链接动画，17，1.2.3直接数字控制系统(DDC)，DDC系统一台计算机不仅完成多个控制参数的数据收集，还按照一定的控制规则进行实时决策，通过流程输出通道发送控制信号，实现生产流程的闭环控制，易于操作DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且通过在每个电路的控制系统中不改变硬件的情况下改变程序，可以有效地进行多种复杂的控制。18，链接动画，19，1.2.4是计算机控制系统(SCC)，显示器计算机控制系统(SCC)是结合OGC系统和常规仪表控制系统或DDC系统的两阶段系统，如图1-8所示。显然，这是计算机在线最优控制的一种形式。如果主机出现故障，子系统可以独立控制。

8、直接参与生产过程控制的下位机，要求事实，时间好，可靠性高，抗干扰能力强；Pc必须配置执行高级控制和管理任务、数据处理能力强、存储容量大的高级计算机。20，链接动画，21，1.2.5分布式控制系统(DCS)，分布式控制系统-基于微处理器的高级计算机控制系统，通过计算机网络集中管理和分布生产流程。早期开发的分布式控制系统在体系结构上具有分布式系统的特点，因此在国外被命名为分布式控制系统，在国内也被命名为分布式控制系统或分布式控制系统。分布式控制系统称为DCS。DCS采用了分布式控制、集中操作、分层管理、子自主和统一协调的设计原则。其结构如图12-1所示。链接动画、22，1.2.6现场总线控制系统(

9、FCS)和现场总线控制系统(FCS)是下一代分布式控制结构。DCS利用集成了管理控制功能的工作站和现场总线智能仪表的双层结构模型，将现有DCS控制站功能分散到智能现场仪表中，形成完全分布式控制模式，改善了各供应商产品通信标准不均匀性带来的高成本和其他弱点。其结构如图12-6所示。每个现场仪表(例如发射器、执行器)是带有CPU单元的智能节点，可独立执行测量、校准、调整、诊断等功能，通过网络协议相互连接以协调任务。23，1.3控制单元类型、关键知识点、1.3.1可编程控制器、1.3.2可编程调节器、基于1.3.3总线的工业计算机、1.3.4单片机、1.3.5其他控制单元、24，1.3.1可编程控制

10、器、可编程逻辑控制器CPU、存储、输入组件、输出组件、电源和程序员。外观如图所示。链接动画，25，可编程控制器(PLC)功能：为在工业环境中使用而设计的数字计算电子系统；使用可编程内存在内部存储执行逻辑计算、顺序控制、计时、计数和算术运算的指令，通过数字、模拟输入和输出：广泛的应用程序不仅在顺序程序控制领域有优势，在运动控制、过程控制和网络通信领域也有优势。PLC具有灵活的系统配置、轻松的扩展、简单的编程、轻松的调试、强大的抗干扰能力；26，1.3.2可编程调节器(也称为单回路调节器、智能调节器、数字调节器)。主要包括微处理单元、进程I/o(输入/输出)单元、面板单元、通信单元、硬手操作单元、

11、编程单元等。外观如图所示。链接动画，27，可编程调节器功能：易于编程、灵活的设计界面，不考虑通信，仅使用单个面向问题的配置语言进行断电保护，通过自我诊断、通信等功能配置多级计算机控制系统的仪表化微机，各种高级控制和管理大型分布式控制系统中最基本的控制设备适用于连续过程模拟信号的控制系统，基于28，1.3.3总线的工业计算机，基于总线的工业计算机通常，计算机制造商根据总线标准设计和制造多种具有不同功能的模板，而控制系统设计者根据不同的生产流程和技术要求将相应的功能模板组合到所需的计算机控制系统中。总线工业计算机的外观类似于常规计算机，如图所示。29使用所有钢标准工业强化架机箱、密封机箱、正压送风

12、系统冷却、机箱内部大板、公用背板总线插槽系统、将主板分解为多个PC插件、工业抗干扰电源和工业级芯片，以及包含相应工业应用软件的盘柜。基于总线的工业计算机具有小型化、模板化、组合化、标准化设计特点，可以满足不同层次、不同控制对象的要求，并能在严酷的工业环境下稳定运行。因此，广泛应用于各种控制情况，特别是10 10个电路的中型控制系统。随着链接动画、30，1.3.4单片机、微电子技术和超大规模集成技术的发展，计算机技术的另一个分支超小型单片机(Single Chip Microcomputer)诞生为单片机。将CPU、存储、串行并行I/O端口、定时/计数器、甚至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器

13、等功能组件全部集成到一个大规模集成电路芯片中，从而构成具有显着控制能力的完整微控制器。31、单片机应用程序可以使用面向计算机的汇编语言，但需要更深入的计算机硬件和软件知识，并且缺乏汇编语言的通用性和可移植性。随着高效结构化语言的发展，软件开发环境逐渐改善。现在市场上有用于早期Archimedes C和Franklin C、当前Keil C51和DynamicC等微控制器结构的高级语言。体积小、功耗低、性能稳定、价格低、功能扩展方便、易于使用、灵活、易于产品化的单片机，特别是具有强大的控制导向功能，在工业控制、智能仪表、外围设备控制、家电、机器人、军事设备等领域得到了非常广泛的应用。单片机的应用从4位机器开始，经过8位、16位、32位4种。但是在小型测控系统和智能仪表的应用领域，8位微控制器品种多，功能强，价格低廉，仍然是目前单片机系列的主流。32，1.3.5其他控制单元、分布式控制系统和现场总线控制系统-最初以控制程序形式出现，但很快就成为了受到工业控制市场极大尊重的国内外自动化企业争先恐后推出的两种典型设备。第1.2.5节，第1.2.6节已经提到，因此本节不再详细说明。见第13章。3