第1章计算机控制系统概述.ppt

1、第1章 计算机控制系统概述,主要内容：计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统的组成 计算机控制系统的分类 计算机控制系统的控制规律 关于matlab工具软件,背景资料,随着计算机技术的飞速发展和应用领域的不断拓宽，使计算机控制成为计算机应用中最有潜力和最为活跃的一个领域。尤其是近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的发展，使自动控制技术正向着深度和广度两个方向发展。在广度方面，国民经济的各个领域-从工业过程控制、农业生产和国防技术到家用电器已广泛使用计算机控制；控制对象也从单一对象的局部控制发展到对

2、整个工厂、整个企业、甚至是所有智能物体等大规模复杂对象的控制。在深度方面则向智能化发展，出现了自适应、自学习等智能控制方法。,1.1 计算机控制系统的一般概念,自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器自动地、有目的地控制或操纵控制对象，使生产过程自动地按照预定的规律运行。,1、闭环控制系统需要控制对象的反馈信号 这种信号传递形成了闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。 2、开环控制系统结构简单，性能较差 不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象，这种信号的传递是单方向的。开环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭

3、环系统。 3、计算机闭环控制系统的原理组成把图1-1中的控制器用控制计算机代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。如图1-2所示，计算机控制系统由控制计算机和生产过程两大部分组成。,4、计算机控制系统的执行控制程序过程如下：,a.实时数据采集对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入； b.实时数据处理对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策； c.实时输出控制根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成控制任务。,1.

4、2 计算机控制系统的组成,1.2.1 计算机控制系统硬件,1.2.2 计算机控制系统软件,1.2.3 计算机控制系统通信网络,1.RS232C总线 EIA RS-232C串行总线是国际电子工业学会正式公布的串行总线标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。采用RS-232C作为串行通信时，通信距离可达12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps。 RS-232C有一系列不足： (1)数据传输速率局限于20kbps；(2)传输距离较短；(3)该标准没有规定连接器，因而设计方案不尽相同，这些方案有时互不兼容；(4)每个信号

5、只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线；(5)接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号成分间产生干扰。,2.RS485总线 RS-485/422最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。 3.MODBUS总线 1）应用广泛：凡具有RS232/485接口的MODBUS协议设备都可以使用本产品实现与现场总线PROFIBUS的互连。 2）应用简单：用户不必了解PROFIBUS和MODBUS技术细节

6、，用户只需参考本手册及提供的应用实例，根据要求完成配置，不需要复杂编程，即可在短时间内实现连接通信。 3）透明通信：用户可以依照PROFIBUS通信数据区和MODBUS通信数据区的映射关系，实现PROFIBUS到MODBUS之间的数据透明通信。,4.IEEE802 IEEE是英文Institute of Electrical and Electronics Engineers的简称，其中文译名是电气和电子工程师协会。IEEE 802规范定义了网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。,5.各种现

7、场总线 根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）的定义，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。 目前较为流行的现场总线主要有以下五种： FF基金会现场总线, LONWORKS局部操作网, PROFIBUS过程现场总线, CAN控制器局域网 HART可寻址远程传感器数据通路。,现场总线的优点： 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。 现场总线的缺点： 网络通信中数据包的传输延迟，通信系

8、统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。,6、无线通信网络 无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 1）ZigBee技术 ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee使用2.4 GHz波段，采用跳频技术。它的基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。 2）GPRS技术 GPRS-General Pa

9、cket Radio Service，通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以分组的形式传送资料到用户手上。 特点：按量计费，快捷登录，高速传输，自由切换。,1.3 计算机控制系统的分类,1.3.1 操作指导控制系统,操作指导控制系统是基于数据采集系统的一种开环结构，如图1-4所示。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。,1.3.2 直接数字

10、控制系统,直接数字控制系统，计算机参与闭环控制过程，是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，其机构图如图1-5所示。,1.3.3 监督计算机控制系统,监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control, SCC）有两种不同的结构形式：一种是SCC模拟调节器，另一种是SCCDDC控制系统。 1.SCC模拟调节器 如图1-6（a）所示，在该系统中，计算机对工业对象的各个物理量进行巡回检测，并按生产过程的数学模型计算出最佳给定值，送给模拟调节器。检测元件获得的测量值与该给定

11、值进行比较后，得到的偏差经模拟调节器分析计算后输出至执行机构，从而实现控制生产过程的目的。 2.SCCDDC控制系统 如图1-6（b）所示，该系统可看成是一种二级控制系统，SCC监督级的作用是计算最佳给定值，送给DDC直接控制生产过程，它与DDC级计算机之间通过接口进行信息交换。当DDC级计算出现故障时，可由SCC级计算代替，因此，大大提高了系统的可靠性。,3、OGC、DDC、SCC比较：,1.3.4 集散控制系统 集散控制系统（Distributed Control System，DCS）又称分散控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则，并采用层次化的

12、体系结构，从下到上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层，如图1-7。它是以多台DDC计算机为基础，集成了多台操作、监控和管理计算机，并采用上述层次化的体系结构，从而构成了集中分散型控制系统。DCS是过程计算机控制领域的主流系统，它随着计算机技术、控制技术、通信技术和屏幕显示技术的发展而不断更新和提高，现已广泛应用于石油、化工、发电、水处理、冶金、轻工、制药和建材等工业的自动化。,1.3.5 现场总线控制系统（Field-bus Control System，FCS）,现场总线控制系统（Field-bus Control System，FCS）是一种以现场总线为基础的分布式网络

13、自动化系统；它具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互联；它把安装于生产现场的具有信号输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表或现场设备作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路，如图1-8所示。,1.3.6 计算机集成制造系统 计算机集成制造系统 （Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）是制造自动化、过程控制自动化、办公室自动化和经营管理自动化相结合的一种产物。 CIMS由决策管理、规划调度、监控、控制四个功能层次的子系统构成，实现管理控制的一体化。,1.3.7 物联网控制系统 “ 物联网”(Internet of

14、Things，IOT)指的是将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。 物联网控制系统具有以下优势：,(1) 信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连； (2) 信号传输实现了无线化，可以告别原来的有线通信模式，安装方便灵活，成本低； (3) 系统结构采用全分散化, 无线网络节点是现场无线设备或现场无线传感器节点，如传感器、变送器、执行器等； (4) 通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享； (5) 技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。,1顺序控制和数值控制

15、 都属于开环控制方式，在机床控制中有广泛应用。其中顺序控制按一定的时间顺序或逻辑顺序进行操作，包括定时控制和逻辑控制；数值控制按给定的数据以一定的程序进行控制。 2数字PID控制（Proportional-Integral-Differential ） 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，称作PID控制调节器。PID控制结构简单、参数容易调整、算法容易，是当前应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。因此，无论模拟调节器还是数字调节器，大多使用PID控制规律。 3数字控制器的直接设计算法 直接设计算法是根据给定的性能指标直接得到Z域的数字控制器，控制规律及其算法可以针对不同对象的具体特性

16、来确定。直接设计方法主要应用于数字随动系统的设计中。,1.4 计算机控制系统的控制规律,4.分级递阶智能控制技术 由Saridis提出的分级递阶智能控制方法，是从工程控制论的角度出发，总结了人工智能与自适应、自学习和自组织控制的关系之后逐渐形成的。其控制智能是根据分级管理系统中十分重要的“精度随智能提高而降低”的原理而分级分配的。分级递阶智能控制系统由组织级、协调级、执行级三级组成。 5.模糊控制技术 模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法。它一方面提供了一种基于知识的甚至语言描述的控制规律的新机理；另一方面又提供了一种改进非线性控制器的替代方法，可用于控制含有不确定和难以用传统非线性控制理

17、论处理的装置。 6.专家控制技术 专家控制技术以模仿人类智能为基础，将工程控制论与专家系统结合起来，形成了专家控制系统，其对象一般都具有不确定性。,7.自学习控制技术 自学习控制系统能在运行过程中逐步获得有关被控对象及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质。 8.神经控制系统 由于神经网络的特点（大规模的并行处理和分布式的信息存储，良好的自适应性、自组织性和很强的学习功能、联想功能及容错功能），使它的应用越来越广泛，其中一个重要的方面是智能控制，包含机器人控制。 9.最优控制 恰当的选择控制规律，在控制系统的工作条件不变以及某些物理统计的限制

18、下，使系统的某种性能指标（评价函数）取得最大值或最小值。 10.自适应控制 自适应设计的控制器，可以使系统在统计变化的情况下，仍能使其性能指标（评价函数）达到最优。,1. MATLAB语言的显著特点 1) 具有强大的矩阵运算能力，使得矩阵运算非常简单。 2) 是一种演算式语言：MATLAB的基本数据单元是既不需要指定维数，也不需要说明数据类型的矩阵（向量和标量为矩阵的特例），而且数学表达式和运算规则与通常的习惯相同。 因此MATLAB语言编程简单，使用方便。 2. MATLAB命令窗口 1) 启动MATLAB命令窗口 计算机安装好MATLAB之后，双击MATLAB图标，就可以进入命令窗口，如图

19、1-9所示此时意味着系统处于准备接受命令的状态，可以在命令窗口中直接输入命令语句。 MATLAB语句形式 变量表达式；,1.5 关于MATLAB工具软件,2）命令行编辑器 （1）方向键和控制键可以编辑修改已输入的命令 （2）命令窗口的分页输出 more off：不允许分页 more on ：允许分页 more(n) ：指定每页输出的行数 回车前进一行，空格键显示下一页，q结束当前显示。 （3）多行命令（.） 如果命令语句超过一行或者太长希望分行输入，则可以使用多行命令继续输入。 S=1-12+13+4+. +7-4-18;,3.变量和数值显示格式 1）变量 (1) 变量的命名：变量的名字必须以

20、字母开头（不能超过19个字符），之后可以是任意字母、数字或下划线；变量名称区分字母的大小写；变量中不能包含有标点符号。 (2) 一些特殊的变量 ans:用于结果的缺省变量名 ; i、j:虚数单位; Pi:圆周率; nargin:函数的输入变量个数; inf:无穷大; realmin:最小正实数; realmax:最大正实数; nan:不定量 (3) 变量操作 在命令窗口中，同时存储着输入的命令和创建的所有变量值，它们可以在任何需要的时候被调用。如要察看变量a的值，只需要在命令窗口中输入变量的名称即可：a,2）数值显示格式 任何MATLAB的语句的执行结果都可以在屏幕上显示，同时赋值给指定的变量

21、，没有指定变量时，赋值给一个特殊的变量ans，数据的显示格式由format命令控制。 format只是影响结果的显示，不影响其计算与存储；MATLAB总是以双字长浮点数（双精度）来执行所有的运算。 如果结果为整数，则显示没有小数；如果结果不是整数，则输出形式有： format (short)：短格式（5位定点数）99.1253 format long：长格式（15位定点数 99.12345678900000 format short e：短格式e方式 9.9123e+001 format long e：长格式e方式 9.912345678900000e+001 format bank：2位十进

22、制 99.12 format hex：十六进制格式,4.简单的数学运算 1) 常用的数学运算符 ，*（乘），/（左除），（右除），（幂） 在运算式中，MATLAB通常不需要考虑空格；多条命令可以放在一行中，它们之间需 要用分号隔开；逗号告诉MATLAB显示结果，而分号则禁止结果显示。 2) 常用数学函数abs，sin，cos，tan，asin，acos，atan，sqrt，exp，imag，real，sign，log，log10，conj（共扼复数）等。,5.MATLAB的工作空间 1）MATLAB的工作空间包含了一组可以在命令窗口中调整（调用）的参数 who ：显示当前工作空间中所有变量的一

23、个简单列表 whos ：则列出变量的大小、数据格式等详细信息 clear ：清除工作空间中所有的变量 clear 变量名 ：清除指定的变量 2）保存和载入workspace （1）save filename variables 将变量列表variables所列出的变量保存到磁盘文件filename中。 Variables所表示的变量列表中，不能用逗号，各个不同的变量之间只能用空格来分隔。 未列出variables时，表示将当前工作空间中所有变量都保持到磁盘文件中。 缺省的磁盘文件扩展名为“.mat”，可以使用“-”定义不同的存储格式（ASCII、V4等）。,（2）load filename variables 将以前用save命令保存的变量variables从磁盘文件中调入MATLAB工作空间。 用load 命令调入的变量