第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)控制原理與技術(shù)宋書瀛計(jì)算機(jī)學(xué)院songshuying@辦公室：信息樓西303電話：67392370-6021參考教材《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》蔣心怡等清華大學(xué)出版社

2007年《計(jì)算機(jī)控制原理與應(yīng)用》陳炳和北航出版社2008年《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》(第2版)潘新民電子工業(yè)出版社2011年《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》（第3版）謝劍英等

國(guó)防工業(yè)出版社

2001年《微機(jī)工業(yè)控制》陳汝全西安電子科技大學(xué)2000年2課程的意義計(jì)算機(jī)控制是自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)本門課程主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)目的在于使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)方法；常用控制算法；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)知識(shí)和基本應(yīng)用技術(shù)3教學(xué)內(nèi)容計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論知識(shí)MCS-51單片機(jī)過程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字PID控制算法4第一章

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述5內(nèi)容簡(jiǎn)介1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型控制方式1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)61.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念自動(dòng)控制是指在沒有人直接干預(yù)的情況下，通過控制裝置使機(jī)械、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）的某個(gè)或某些物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)這種自動(dòng)控制的裝置稱為控制器71.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象等部件為了一定的目的有機(jī)的聯(lián)結(jié)成的一個(gè)進(jìn)行自動(dòng)控制的總體，稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)形式8閉環(huán)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的被控量經(jīng)反饋裝置反饋給控制器，并根據(jù)給定量與反饋量之間的偏差，產(chǎn)生控制作用，并力圖減小偏差，使被控量趨于給定量的系統(tǒng) 輸入量和反饋量之差稱為偏差信號(hào) 閉環(huán)控制系統(tǒng)是按偏差進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本形式，是大多數(shù)控制系統(tǒng)具備的結(jié)構(gòu)1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念給定量被控對(duì)象被控量反饋裝置+-偏差反饋值執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器（輸入量）（輸出量）9開環(huán)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，或前饋控制系統(tǒng)1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念控制器被控對(duì)象給定量被控量執(zhí)行機(jī)構(gòu)101.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，就組成了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。下圖是一個(gè)典型的按偏差進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。被控對(duì)象給定值檢測(cè)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器A/DD/A計(jì)算機(jī)被控量111.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度121.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)時(shí)控制4、信息管理控制周期：完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)控制所用的時(shí)間。131.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念幾個(gè)常用術(shù)語實(shí)時(shí)（Realtime）：計(jì)算機(jī)輸入、計(jì)算和輸出都在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成在線（Online）：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備直接相連離線（Offline）：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備斷開

在線與實(shí)時(shí)的關(guān)系

—一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)

—一個(gè)在線系統(tǒng)不一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng)141.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件：計(jì)算機(jī)本身及其外圍設(shè)備軟件：管理計(jì)算機(jī)的程序及過程控制應(yīng)用的程序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)之間信息交互的渠道15計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成打印機(jī)顯示終端磁盤驅(qū)動(dòng)器微型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘操作臺(tái)接口接口接口接口D／AA／D多路開關(guān)反多路開關(guān)開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)對(duì)象通用外部設(shè)備主機(jī)及操作臺(tái)外部通道接口檢測(cè)及變送控制對(duì)象傳感器變送器161.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成硬件組成

◆

主機(jī)：CPU、RAM/ROM

◆通用外部設(shè)備：打印機(jī)、顯示終端、磁盤驅(qū)動(dòng)器等

◆接口與輸入輸出通道：AI、AO、DI、DO

◆檢測(cè)元件及儀表：將被測(cè)（被控）參數(shù)由非電量變?yōu)殡娏?，并將這些電量變?yōu)锳/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一電壓。

◆執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動(dòng)、氣動(dòng)、及液動(dòng)等控制形式

◆

運(yùn)行操作臺(tái)：顯示屏、功能鍵、數(shù)字鍵17系統(tǒng)軟件：提供計(jì)算機(jī)運(yùn)行和管理的基本環(huán)境1.操作系統(tǒng)：管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等；2.診斷系統(tǒng)：調(diào)試程序及故障診斷程序；3.開發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計(jì)語言、語言處理程序(編譯程序)、服務(wù)程序(裝配程序和編輯程序)、模擬主系統(tǒng)(系統(tǒng)模擬、仿真、移植軟件)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等；4.信息處理：文字翻譯、企業(yè)管理等。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成軟件組成：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件18應(yīng)用軟件：面向用戶本身的程序1.過程監(jiān)視程序：指巡回檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報(bào)警程序、操作面板服務(wù)程序、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序、判斷程序、過程分析程序等2.過程控制計(jì)算程序：指控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序3.公共服務(wù)程序：包括基本運(yùn)算程序、函數(shù)運(yùn)算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成19網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Peer-to-Peer,P2P）客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client/Server,C/S）1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成20控制用計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)環(huán)境適應(yīng)性好、可靠性高實(shí)時(shí)性好有完善的I/O通道（設(shè)備）較強(qiáng)的中斷處理能力對(duì)字長(zhǎng)、速度、和內(nèi)存容量要求不高有完善的軟件系統(tǒng)控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成211.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)工業(yè)對(duì)象器換轉(zhuǎn)D/A采樣器測(cè)量元件顯示終端打印機(jī)控制儀表221.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式特點(diǎn)計(jì)算機(jī)不直接參與過程控制，對(duì)生產(chǎn)過程不直接產(chǎn)生影響。一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以代替大量的顯示和記錄儀表，從而對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視。對(duì)大量數(shù)據(jù)綜合處理分析，有利于指導(dǎo)生產(chǎn)過程。可用此系統(tǒng)摸清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，控制規(guī)律，為構(gòu)成計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制奠定基礎(chǔ)。23直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl,DDC）1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程顯示打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)）ID，D/A（入輸程過）OD，A/D（出輸程過241.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，改善控制質(zhì)量一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以取代多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器，控制多個(gè)回路。靈活性大，控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)，只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)各種控制算法。

25監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl,SCC）

—給定值控制

—兩種不同的結(jié)構(gòu)：

?SCC＋模擬調(diào)節(jié)器

?SCC＋DDC1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式261.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式工藝數(shù)據(jù)顯示打印報(bào)警機(jī)算計(jì)CCS測(cè)量控制模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程(a)統(tǒng)系器節(jié)調(diào)擬模+CCS給定值工藝數(shù)據(jù)顯示打印報(bào)警機(jī)算計(jì)CCS測(cè)量控制CDD生產(chǎn)過程用計(jì)算機(jī)給定值統(tǒng)系制控CDD+CCS

(b)27計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)有哪幾種形式，其主要差別？計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)即SCC系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)形式，即：SCC+DDC;SCC+模擬調(diào)節(jié)器這樣兩種結(jié)構(gòu)形式。SCC+DDC：一機(jī)控制多路（多個(gè)被控參數(shù)）靈活的修改控制算法SCC+模擬調(diào)節(jié)器：一個(gè)模擬調(diào)節(jié)器只能控制一個(gè)被控參數(shù)，多路則要多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器當(dāng)修改算法就要改動(dòng)模擬調(diào)節(jié)器的硬件模擬調(diào)節(jié)器無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法281.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式特點(diǎn)可根據(jù)工況變化，及時(shí)改變給定值，實(shí)現(xiàn)給定值的最優(yōu)控制?？煽啃院?，SCC級(jí)有故障時(shí)，DDC或模擬調(diào)節(jié)器可以獨(dú)立完成操作。DDC級(jí)有故障可由SCC級(jí)代替。適用于企業(yè)技術(shù)的升級(jí)，即用上了原來的模擬調(diào)節(jié)器，又用了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了給定值的控制。仍有DDC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。29分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）又稱為：集散控制系統(tǒng)1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式30特點(diǎn)可靠性高速度快，控制更加靈活方便結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展設(shè)計(jì)、開發(fā)、維護(hù)簡(jiǎn)便31現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,FCS）1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式321.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型控制方式順序控制和數(shù)值控制

◆

開環(huán)控制方式

◆順序控制 按一定的時(shí)間順序或邏輯順序工作

—定時(shí)控制

—邏輯控制

◆數(shù)值控制（數(shù)字程序控制） 按給定的數(shù)據(jù)以一定的程序進(jìn)行控制33數(shù)字PID控制（Proportional-Integral-Differential）◆按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制

◆算法比較簡(jiǎn)單，在連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)算法

—以Z變換為基礎(chǔ)的采樣控制系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制

—基于系統(tǒng)輸入輸出描述的控制算法

1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型控制方式341.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)可編程邏輯控制器（PLC）體積小，可靠性高，并具有很強(qiáng)的邏輯控制及數(shù)值計(jì)算能力抗干擾能力強(qiáng)，一旦出現(xiàn)故障，具有停電保護(hù)、自診斷功能，不要求一般計(jì)算機(jī)所具備的環(huán)境條件具有獨(dú)立的編程器、編程方法簡(jiǎn)單、易于掌握具有多種PID算法可供選擇功能模塊化易于組合和擴(kuò)充351.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)新型的DCS和FCS發(fā)展以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的DCS和FCS控制結(jié)構(gòu)并采用先進(jìn)的控制策略使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)向低成本綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的方向發(fā)展特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)越來越受到人們的青睞，將成為今后微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。36最優(yōu)控制

—指在生產(chǎn)過程客觀允許的范圍內(nèi)，力求獲得生產(chǎn)過程最好的產(chǎn)品質(zhì)量和最高產(chǎn)量而能耗又最低的一種控制方法。換句話說，最優(yōu)控制就是使生產(chǎn)過程獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益的控制。自適應(yīng)控制

—設(shè)計(jì)的控制器，可以使系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)變化的情況下，仍能使其性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)—一個(gè)理想的自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)環(huán)境變化和系統(tǒng)要求