计算机控制系统第一章绪论.ppt

1、第一章绪论第一节计算机控制系统概述第二节计算机控制系统的分类第三节计算机控制系统的发展第四节本课程的特点第五节创新学习的讨论第一节计算机控制系统概述第一节计算机控制系统的一般概念计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术的基础上产生的。不采用计算机控制的系统通常是连续控制系统，其典型结构如图1-1所示，其中所有信号都是模拟信号。图1-1连续控制系统典型结构图。如果连续控制系统的控制器由计算机实现，则构成计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。图1-2计算机控制系统的典型结构图，计算机控制系统的控制过程可以概括为以下三个步骤：(1)数据采集：对被控量进行采样和测量，形成反馈信号。(2)控制量的

2、计算：根据反馈信号和给定信号，按照一定的控制规律，计算控制量。(3)输出控制信号：向执行机构发送控制信号，实现控制功能。计算机控制系统的组成计算机控制系统由两部分组成：计算机系统和生产过程。计算机系统包括硬件和软件。硬件是指计算机本身、其输入输出通道和外围设备，是计算机系统的物质基础。软件是指管理计算机的程序和系统控制程序，是计算机系统的灵魂。生产过程包括受控对象、测量和传输单元、致动器、电气开关和其他设备。图1-3是计算机控制系统的硬件组成框图。1.计算机控制系统的硬件组成包括计算机系统硬件和生产过程各部分的设备。(1)计算机系统硬件：主机：计算机控制系统的核心。主机通过接口向系统的各个部分

3、发送各种命令，以检测和控制受控对象。输入输出通道：它是计算机和生产对象之间信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道将生产对象的受控参数转换成可由计算机接收的数字信号，过程输出通道将计算机输出的控制命令和数据转换成可控制生产对象的信号。过程输入输出通道包括模拟输入输出通道和数字输入输出通道。外部设备：是实现计算机与外界信息交换的设备，简称外设，包括人机接触设备(控制台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)。)和外部存储器等。(2)生产工艺设备。测量和传输单元：是用于测量各种参数的相应检测元件和变送器。执行机构：为了控制生产过程，必须有一个执行机构，它是计算机控制系统中的一个重要组成部

4、分。其功能是根据计算机输出的控制信号产生相应的控制动作，使被控对象能按要求运行。计算机控制系统软件的软件组成是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。就功能而言，软件可分为系统软件、应用软件和数据库。(1)系统软件。它是一个由计算机制造商提供的使用和管理计算机的程序。系统软件包括：操作系统：包括管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等。诊断系统：指调试程序和故障诊断程序；开发系统：包括各种语言处理程序(编译程序)、服务程序(汇编程序和编辑程序)、模拟程序(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理程序等。(2)应用软件。它是一个面向用户的程序，是指用户根据需要解决的实际问题编写的各种程序。计算机控制系统

5、的应用软件包括：过程监控程序、过程控制计算程序、公共服务程序(3)数据库。数据库和数据库管理系统主要用于数据管理、存档和检索。相应的软件设计是指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据。与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点：(1)控制规律的实现灵活方便。(2)控制精度高。(3)控制效率高。(4)集中操作和显示。(5)实现分级控制和整体优化，通过计算机网络系统与上下位机通信，进行分级控制，实现生产过程控制和生产管理的集成和整体优化，提高企业自动化水平。(6)存在采样延迟。第二节计算机控制系统的分类1。操作指导控制系统的计算机输出部分与被控过程没有直接关系，而是通过数据采集和处理

6、为操作人员提供反映生产情况的各种数据，并给出相应的操作指导信息，操作人员可以根据这些信息进行相应的操作。这种类型属于开环控制系统。图1-4操作引导控制系统；2.直接数字控制计算机直接参与闭环控制过程。计算机通过测量元件对一个或多个系统参数进行检测和采样，直接采集和输入开关信号，通过模数转换将模拟信号转换成数字信号，按照一定的控制规则进行计算和处理，并发出控制信号，控制信号通过数模转换器转换成模拟信号，驱动执行机构动作，或者通过开关通道直接控制执行机构，使每个被控量满足预定要求。图1-5为直接数字控制系统，图1-6为监控计算机控制系统的组成。计算机根据被控生产过程的工况和数学模型，计算出最佳给定

7、值或最佳控制量，并将其提供给直接数字控制计算机或模拟调节器。最后，DDC计算机或模拟调节器控制生产过程，使生产过程始终处于最佳工作状态。图1-6监控计算机控制系统；4.集散控制系统(简称DCS)该系统有取代集控系统的趋势，集控系统的特点是分散控制任务，用多台计算机分别完成不同的任务，既能控制又能实现管理。图1-7显示了一个四层系统，其中从下到上各级计算机的任务如下。(1)设备控制水平(DDC水平)。(2)车间监督水平(SCC水平)。(3)分厂的集中控制水平。(4)企业管理水平。图1-7分级计算机控制系统，第3节计算机控制系统的发展，1。计算机控制系统发展过程的第一阶段是1965年以前的实验阶段

8、。第二阶段是从1965年到1972年的实践阶段。在实验阶段，用于控制的计算机基本上采用模拟常规调节仪表的调节规律，控制形式只是从连续到离散的变化，调节效果不能明显提高。第三阶段是从1972年至今的发展阶段。微型计算机出现于1972年。由于其优越的性能价格比，计算机的应用真正进入了普及和深化阶段。计算机控制系统的发展趋势可编程控制器(PC)，又称可编程逻辑控制器(PLC)，是专门为工业环境应用而设计的计算机控制系统。它具有可靠性高、编程灵活简单、易于扩展、价格低廉等优点。随着可编程控制器的发展，除了逻辑运算和逻辑判断外，它还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、网络等功能。它不仅可以处理开关量，

9、还可以实现模拟控制，并且多个可编程逻辑控制器可以方便地通信和联网。目前，可编程控制器的成功应用可以从单机自动化到工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局域网。分布式控制系统分布式控制系统是分布式控制系统，在发展的早期主要是分布式控制。20世纪80年代以后，分布式控制系统的技术重点转向对整个系统信息的集成管理，使其具有分散控制和集成管理的特点，因此被称为分布式集成控制系统。目前，在过程控制领域，分布式控制系统技术已经越来越完善，并逐渐成为广泛使用的主流系统。计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)是面向制造业的集成自动化系统，是计算机技术、自动化技术、制造技术、管理技术和系统工程的集成

10、，是企业信息的集成。包括生产设备和过程控制、自动装配和工业机器人、质量检验和故障诊断、计算机辅助设计和制造、三维仓库和自动物料运输、计算机辅助生产计划、计算机辅助生产调度、办公自动化和商业决策等。与计算机集成制造系统类似，计算机集成过程系统(CIPS)在石油化工、冶金等过程工业中具有广阔的应用前景。嵌入式系统嵌入式系统是将微型计算机嵌入到特定的应用对象系统中，实现对应用对象的智能控制的计算机控制系统。这些应用范围从MP3和手机等微型数字产品到智能家电、车载电子设备、智能医疗设备、智能工具、数字机床、各种机器人、网络控制等领域。嵌入式系统因其成本低、体积小、功耗低、功能齐全、速度快、可靠性好等优

11、点在许多领域显示出巨大的生命力，这也使得计算机控制技术在这些领域得到了更广泛的应用。不同于通用计算机对高速运算和海量存储的追求，嵌入式计算机控制系统的技术要求是对象的智能控制能力、嵌入式性能和控制可靠性。网络控制系统网络控制系统是一种以网络为媒介，对被控对象实施远程控制和远程操作的新型计算机控制系统。在这种系统中，管理决策、资源共享、任务调度和优化控制等高层机构可以方便地与各种现场设备或装置连接，从而实现整个系统的整体自动化和性能优化，将带来巨大的经济效益和社会效益。另外，当人们难以操作或无法到达时，可以采用基于网络的远程控制方法实现有效控制，如深海作业、小空间作业等。在一些特殊场合，网络控制

12、也显示出明显的优势，如远程病理诊断、专家会诊、远程手术等。在不久的将来，大多数电器都将具有上网功能，并且可以通过网络远程操作。随着相关领域技术的发展，网络控制技术作为“综合技术之上的技术”，将迅速应用于各个领域。第四部分描述了本课程的特点。首先，它侧重于自动化学科的知识结构。高校有自动化专业或带自动化后缀的相关专业，如电气工程与自动化、机械工程与自动化、农业机械化与自动化、农业电气化与自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、测控技术与仪器、过程设备与控制工程等。以上专业不是基于自动化学科就是与自动化学科密切相关。并非每个学科的知识结构都可以用简单的结构图清晰表达，但对于自动化学科，其知识结构和

13、系统可以用图1-8所示的计算机控制系统典型结构图集中描述。图1-8是计算机控制系统的典型结构图。图1-8分为六个部分：传感器、模数和数模、信号处理、控制器、执行器和被控对象。每个部分代表自动化学科： (1)传感和检测的知识领域：包括各种传感器、测量信号的处理和传输、抗干扰技术、信号检测和诊断等。(2)转换与传输：包括模数和数模转换、信号传输与通信、网络与总线等。(3)计算与处理：包括数字信号处理、数据结构、操作系统、算法基础、模式识别等。(4)控制与智能：包括经典控制理论、现代控制理论、智能控制、自适应控制、最优控制、稳定性和鲁棒性等。(5)执行和驱动：包括驱动环节、基于机电、液气、光机电一体

14、化机构的各种执行机构、自动化仪表等。(6)对象与建模：包括系统辨识和参数估计、各种系统建模技术、计算机辅助设计仿真技术等。除上述六个知识领域外，图1-8还涉及到以下知识领域：(1)机电基础：包括电工基础、电子基础、机械基础、电机与传动、电力电子等。(2)计算机软硬件：包括计算机基础、计算机语言、微机原理、单片机原理、可编程控制器、计算机分布式系统等。(3)系统与工程：包括运动控制系统、过程控制系统、多变量系统、非线性系统、离散系统、大系统、管理信息系统、人机系统等。自动化的核心是控制和系统。从以上分析可以看出，计算机控制系统几乎包含了自动化学科中所有与控制和系统相关的知识。为了对计算机控制系统

15、有更深的理解，我们也可以从几个不同的角度来分析图1-8。(1)从信息传递的角度来看，图中的五个部分，即传感器、模数和数模、信号处理、控制器和执行器，分别代表了信息获取、信息传递、信息处理、信息控制和信息应用的五个环节。(2)从信息、能量和物质之间的关系来看，图1-8从执行器和传感器中间可以分为两部分，材料能量层在右边，信息层在左边。传感器根据信息的流向，将被控对象的“物质”和“能量”转化为“信息”，从而实现信息采集。经过信息传输、信息处理和信息控制后，执行器将控制信息转化为作用于被控对象的“能量”，然后根据控制要求在被控对象中产生相应的“物质”。(3)从模拟量和数字量的转换角度来看，在图1-8

16、中可分为模数和数模两部分，模拟量在右边，数字量在左边，数字量部分是计算机控制系统中计算机所在的部分。2.全面性、适用性和实用性。这门课程在几个方面都很全面。(1)设计元素的全面性。计算机控制系统的设计应体现各要素之间的合理综合、协调和互补，因此在课程学习中有必要掌握和利用这一特点。软硬件集成组件和系统集成弱电和强电集成模拟信号和数字信号集成算法研究和程序实现集成，(2)设计过程集成。控制系统的设计应针对具体的控制对象和控制要求，从方案选择、硬件设计、算法设计、软件编程到调试，充分体现系统设计和实现全过程的全面性。(3)相关课程的综合性。本课程作为一门专业课，是以几门前课程为基础，整合了电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、计算机技术基础、自动控制理论、微机原理与应用、微机接口、传感器与信号检测技术、过程控制基础等多门课程的内容。T适用性随着工业化进程的加快和市场竞争的加剧，对生产效率、产品质量、节能降耗提出了越来越高的要求，对各种控制系统提出了越来越高的要求。随着计算机技术和控制理论的发展，各种控制系统几乎无一例外地使用计算机作为控