計算機控制系統(tǒng)第1章研究教學(xué)內(nèi)容

計算機控制系統(tǒng)第1章研究

實驗

裝置

-1水處理生產(chǎn)線裝置實驗裝置

-2填料塔換熱裝置

實驗裝置

-3加熱反應(yīng)器開環(huán)不穩(wěn)定的對象

實驗

裝置

-4非線性液位對象

實驗

裝置

機房評分：平時：20%，實驗：20%，期末考試：60%學(xué)分：2

學(xué)位選修課選修課程：自動控制原理、微機原理、微機接口技術(shù)、程序設(shè)計基礎(chǔ)課程簡介：本課程介紹計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成、硬件配置、控制算法、軟件設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)能掌握正確選擇與設(shè)計測控系統(tǒng)的主要組件，掌握DCS控制系統(tǒng)及其它計算機控制系統(tǒng)的基本原理與軟硬件設(shè)計方法。計算機控制系統(tǒng)課程介紹：1、教材：李元春，計算機控制系統(tǒng)（第二版），高等教育出版社，2009年1月。2、何克忠，計算機控制技術(shù)，清華大學(xué)出版社3、曹承志，微型計算機控制新技術(shù)，機械工業(yè)出版社4、江秀漢，計算機控制原理及應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社參考資料：第一部分：計算機控制系統(tǒng)的概論第二部分：硬件基礎(chǔ)（輸入/輸出接口與過程通道）第三部分：計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第四部分：計算機控制系統(tǒng)的間接設(shè)計方法（數(shù)字控制算法）第六部分：計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)內(nèi)容簡介：第五部分：計算機控制系統(tǒng)的直接設(shè)計方法（軟件設(shè)計方法）何謂計算機控制？控制器檢測裝置

執(zhí)行裝置被控對象

控制部分第一章緒論1.1.1計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機）來實現(xiàn)控制對象（通常為生產(chǎn)過程）自動控制的系統(tǒng)。1.1計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)是利用計算機的硬件和軟件代替了自動控制系統(tǒng)的控制器，以自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、檢測技術(shù)、計算機通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用計算機快速強大的數(shù)值計算、邏輯判斷等信息加工能力，使得計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。1.1.2.

計算機控制系統(tǒng)的工作原理工作原理主要為：（1）實時數(shù)據(jù)采集--對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

（2）實時控制決策--對采集到的被控量進行分析和處理，并按預(yù)定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。

（3）實時控制輸出--根據(jù)控制決策，實時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。在線方式和離線方式：在線方式：離線方式：生產(chǎn)過程和計算機直接連接。生產(chǎn)過程不和計算機直接連接。實時含義:實時：信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，即計算機對輸入的信息，以足夠快的速度進行控制。在線不一定實時，實時一定在線。計算機D/A通道A/D通道A/D通道給定值反饋值輸出控制值?A/D通道?D/A通道?計算機構(gòu)成了計算機控制系統(tǒng)的三大基本要素。1.1.2

計算機控制系統(tǒng)的組成

模擬、數(shù)字混合系統(tǒng)便于修改控制規(guī)律可實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律離散控制可分時控制多個回路便于實現(xiàn)控制與管理一體化1.1.3

計算機控制系統(tǒng)的特點1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的特點:

此外，由于多數(shù)系統(tǒng)的被控對象及執(zhí)行部件、測量部件是連續(xù)模擬式的，因此，還必須加入信號變換裝置（如A/D及D/A變換器）。

所以，計算機控制系統(tǒng)通常是模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。

計算機控制系統(tǒng)必須包括有計算機，它是一個數(shù)字式離散處理器。2）信號形式上的特點

控制對象中各點信號一般均為連續(xù)模擬信號，由于計算機是串行工作的，必須按一定的采樣間隔（稱為采樣周期）對連續(xù)信號進行采樣，將其變成時間上是斷續(xù)的信號才能進入計算機。所以，它除有連續(xù)模擬信號外，還有離散模擬、離散數(shù)字、連續(xù)數(shù)字等信號形式，是一種混合信號形式系統(tǒng)。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制器通常都是由不同的電路構(gòu)成，并且一臺控制器僅為一個控制回路服務(wù)。

在計算機控制系統(tǒng)中，一臺計算機可同時控制多個被控量或被控對象，即可為多個控制回路服務(wù)。每個控制回路的控制方式由軟件來形成。同一臺計算機可以采用串行或分時并行方式實現(xiàn)控制。3）系統(tǒng)工作方式上的特點4）控制品質(zhì)高

由于計算機的運算速度快、精度高、具有極豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲能力，因此，能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制及自學(xué)習(xí)等，從而可達(dá)到較高的控制質(zhì)量。這些均是常規(guī)儀表組成的連續(xù)控制系統(tǒng)難于實現(xiàn)的！5）性價比高

盡管一臺計算機最初投資較大，但增加一個控制回路的費用卻很少。一臺計算機卻可以實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律并可同時控制多個控制回路。

對于連續(xù)系統(tǒng)，模擬硬件的成本幾乎與控制規(guī)律復(fù)雜程度、控制回路多少成正比；6）適應(yīng)性強，靈活性高

計算機本身是一種可編程的智能元件，易于修改系統(tǒng)功能和特性，構(gòu)成了一種柔性（彈性）系統(tǒng)。

由于計算機控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是由軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，并且計算機具有強大的記憶和判斷功能，所以，極易實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同的控制功能。7）缺點

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，計算機體積減小，重量輕、成本下降；隨著對自動控制系統(tǒng)功能要求的不斷提高，計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)得越來越突出。

?由于系統(tǒng)中插入數(shù)字部件，信號復(fù)雜，給設(shè)計實現(xiàn)帶來一定困難；

?初期投資大；

計算機控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制的生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的要求，應(yīng)有不同的控制方案。

或者說：由于A/D、D/A通道的形式不同以及計算機在系統(tǒng)中的地位、作用不同，計算機控制系統(tǒng)的形式也是多種多樣。1.2系統(tǒng)的典型類型?操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)?直接數(shù)字控制系統(tǒng)?計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)?集散控制系統(tǒng)?現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?

工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（OperationalGuideControl---OGC）圖1.4操作指導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

它主要是側(cè)重數(shù)據(jù)采集、處理，并為操作人員提供反映生產(chǎn)過程工況的各種數(shù)據(jù)以及操作指導(dǎo)信息。它主要作用是：集中監(jiān)視操作指導(dǎo)這種系統(tǒng)主要是完成“數(shù)據(jù)采集與處理”，不需要完成“控制”功能。所以，嚴(yán)格地講：這種形式的系統(tǒng)不能算是“計算機控制系統(tǒng)”。

所以，通常這種系統(tǒng)也稱為“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS”

(DataAcquisitionSystem)

。或稱為“計算機輔助測試系統(tǒng)CAT”(ComputerAssistantTesting)

這種系統(tǒng)特點是原系統(tǒng)不需作大的改造，只需在原系統(tǒng)上獨立地加一套測試系統(tǒng)即可。因此，結(jié)構(gòu)簡單、實施方便、效益顯著。2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl---DDC）

計算機首先通過模擬量輸入通道（AI）和開關(guān)量輸入通道（DI）實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過模擬量輸出通道（AO）和開關(guān)量輸出通道（DO）直接控制生產(chǎn)過程。在該系統(tǒng)中計算機參與了對數(shù)據(jù)的采集、控制決策、控制輸出三個基本功能，同時還負(fù)責(zé)報警、打印、顯示和接收操作指令。DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用方式。由于DDC系統(tǒng)中的計算機直接承擔(dān)控制任務(wù)，所以要求實時性好、可靠性高和適應(yīng)性強。為了充分發(fā)揮計算機的利用率，一臺計算機通常要控制幾個或幾十個回路，那就要合理地設(shè)計應(yīng)用軟件，使之不失時機地完成所有功能。需要注意的是：對一些關(guān)鍵的控制回路，往往設(shè)計為計算機控制與儀表控制相結(jié)合的形式，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。3．計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryComputerControl---SCC)

(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)SCC共有兩種結(jié)構(gòu)形式：該系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)對各物理量進行巡回檢測，并按一定的數(shù)學(xué)模型對生產(chǎn)工況進行分析、計算后得出控制對象各參數(shù)最優(yōu)給定值（如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本等等）送給調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC計算機出現(xiàn)故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立完成操作。該系統(tǒng)與“操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)ODC的”區(qū)別是：后者計算機系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集與處理，一般不需要對數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的工藝分析與計算。而前者主要完成工藝分析與計算，并給出給定值。(2)SCC+DDC控制系統(tǒng)這實際上是一個二級控制系統(tǒng)，SCC可采用高檔計算機，它與DDC之間通過通信接口進行通信聯(lián)系。SCC計算機可完成工段、車間高一級的最優(yōu)化分析和計算，并給出最優(yōu)給定值，送給DDC級執(zhí)行過程控制。當(dāng)DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC計算機完成DDC的控制功能，使系統(tǒng)可靠性得到提高。

作為SCC的計算機一般均采用高檔計算機或工作站，要求數(shù)據(jù)處理功能強、存儲容量大，對工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾能力倒不一定很強。4.

分級計算機控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem---DCS））優(yōu)點：功能強大、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟，軟件支持廣泛。缺點：系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高。一般適合于大型測控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為三個層次進行控制：過程控制級操作監(jiān)控級信息管理級系統(tǒng)的設(shè)計原則：分散控制集中操作分級管理分而自治綜合協(xié)調(diào)DCS集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、生產(chǎn)工藝為一體，是綜合技術(shù)的集成。從某種意義上說，已不是單純的計算機控制技術(shù)，或者說是廣義的計算機控制技術(shù)。DCS最明顯的特征是：1）DCS計算機系統(tǒng)；2）網(wǎng)絡(luò)分級結(jié)構(gòu)；3）專用軟件平臺。5.

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem---FCS）FCS系統(tǒng)實物圖FCS系統(tǒng)出現(xiàn)的理由：1）雖然DCS系統(tǒng)功能強大，但由于分散過程級仍使用傳統(tǒng)的模擬量（4~20mA電流或0~5V電壓）傳送，抗干擾能力差；2）所有的變送器均要將信號集中到控制器或控制站，當(dāng)控制采樣點較多時，接線工作量很大，而且不利于檢修和調(diào)試；3）DCS系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本較高，且各廠商的DCS有各自的標(biāo)準(zhǔn)，不能互聯(lián)。FCS系統(tǒng)的特點：1）一對通信線可連接多臺儀表，安裝調(diào)試方便，而且電纜本身供電；2）從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字---模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)---可靠性高；3）現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則將DCS的控制站功能徹底分散到現(xiàn)場控制設(shè)備和儀表中，僅靠現(xiàn)場總線設(shè)備就可以實現(xiàn)自動控制的基本功能，如數(shù)據(jù)采集與補償、PID運算和控制、設(shè)備自校驗和自診斷等功能。FCS常用標(biāo)準(zhǔn)：1）FF——現(xiàn)場總線基金標(biāo)準(zhǔn)2）CAN——控制器局域網(wǎng)絡(luò)（德國）3）LONWORKS——局部操作網(wǎng)絡(luò)（美國）4）

PROFIBUS——過程現(xiàn)場總線（德國）5）

HART——可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路（美國)目前FCS的標(biāo)準(zhǔn)有200多種，其中在我國使用較多的有如下幾種：FCS的出現(xiàn)對自動控制領(lǐng)域來說是一次巨大的變革，也對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制策略等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。由于各集團、國家在技術(shù)和市場利益上的沖突，目前仍存在多種標(biāo)準(zhǔn)，尚未統(tǒng)一，因此阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。6.

工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)隨著工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模的日益復(fù)雜與大型化，現(xiàn)代化工業(yè)要求計算機系統(tǒng)不僅要完成直接面向過程的控制和優(yōu)化任務(wù)，而且要在獲取生產(chǎn)全部過程盡可能多的信息基礎(chǔ)上，進行整個生產(chǎn)過程的綜合管理、指揮調(diào)度和經(jīng)營管理。

由于自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信等技術(shù)的發(fā)展，已完全可以滿足上述要求，能實現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)稱之為計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem-CIMS）。當(dāng)CIMS用于流程工業(yè)時，簡稱為流程CIMS或CIPS（ComputerIntegratedProcessingSystem）。

1.3計算機控制理論

對計算機控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計，不只是簡單地推廣連續(xù)系統(tǒng)的理論，同時也需要一些專門理論來對它進行研究。計算機控制系統(tǒng)理論主要包括離散系統(tǒng)理論、采樣系統(tǒng)理論及數(shù)字系統(tǒng)理論。

離散系統(tǒng)理論

采樣系統(tǒng)理論

離散系統(tǒng)理論

差分方程及z變換理論常規(guī)設(shè)計方法極點配置設(shè)計法最優(yōu)設(shè)計方法系統(tǒng)辨識及自適應(yīng)控制采樣系統(tǒng)理論

采樣系統(tǒng)理論除了包括離散系統(tǒng)的理論外，還包括以下一些內(nèi)容：采樣理論連續(xù)模型及性能指標(biāo)的離散化采樣控制系統(tǒng)的仿真采樣周期的選擇數(shù)字信號整量化效應(yīng)的研究，如量化誤差、非線性特性的影響等1.4計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例

衛(wèi)星模型

直流伺服電機模型

工業(yè)機器人模型衛(wèi)星模型

衛(wèi)星模型常應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中。衛(wèi)星常要求進行姿態(tài)控制，以使它的天線和傳感器相對于地球具有適當(dāng)?shù)姆轿?。為此，需要利用推進器對三個軸進行姿態(tài)控制，分別控制衛(wèi)星的偏離角、傾斜角和轉(zhuǎn)動角。圖1.9衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖直流伺服電機模型

直流伺服電機最常用的控制方式是電樞控制，即勵磁繞組加恒定勵磁電壓，電樞繞組加控制電壓，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，電樞的控制電壓升高，電動機的轉(zhuǎn)速就升高；反之，減小電樞控制電壓，電動機的轉(zhuǎn)速就降低；改變控制電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)；控制電壓為零，電機就停轉(zhuǎn)，故可實現(xiàn)對被控對象的機械運動的快速控制。圖1.10直流伺服電機結(jié)構(gòu)圖工業(yè)機器人模型

工業(yè)機器人被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中非常重要的機電一體化設(shè)備。圖1.11工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖工業(yè)機器人模型

工業(yè)機器人可以理解為：擬人手臂、手腕和手功能的機械電子裝置；它可把任一物件或工具按空間位姿的時變要求進行移動，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求。圖1.12機械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖圖1.13機械臂關(guān)節(jié)模型1.5計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程1946年，世界上第一臺電子計算機

20世紀(jì)50年代末，計算機控制系統(tǒng)投入實際應(yīng)用

20世紀(jì)60年代末，小型計算機

1972年，微型計算機，以單片機為代表分級計算機控制、集散控制系統(tǒng)、集成制造系統(tǒng)（CIMS）基于網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)（簡稱網(wǎng)絡(luò)控制）計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

可編程控制器

嵌入式系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

計算機集成制造系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可編程控制器

在制造業(yè)的自動化生產(chǎn)線上，各道工序都是按規(guī)定的時間和條件順序執(zhí)行的，對這種自動化生產(chǎn)線進行控制的裝置稱為順序控制器。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在順序控制器中的應(yīng)用，順序控制器開始采用類似微型計算機的通用結(jié)構(gòu)，把程序存儲在存儲器中，用軟件實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯運算、延時等過去用繼電器完成的功能，形成了可編程邏輯控制器PLC。嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)合的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)嵌入的本質(zhì)是將一個微型計算機嵌入到一個具體應(yīng)用對象體系中去。集散控制系統(tǒng)

目前，在過程控制領(lǐng)域，集散控制系統(tǒng)技術(shù)已日趨完善而逐漸成為被廣泛使用的主流系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)發(fā)展初期是以實現(xiàn)分散控制為主，而進入2