计算机控制系统(天津大学自动化学院研究生课件)第一章

计算机控制系统何熠绪论•本章结构：–计算机控制系统的实例–计算机控制系统的组成–计算机控制系统的分类–计算机控制系统中的一些基本概念–计算机控制系统的理论问题–计算机控制系统的设计问题–计算机控制系统的发展趋势、发展前景计算机控制系统的实例•集散控制系统•机器人•航空航天控制•电梯控制系统•超导限流器恒流电源自动控制系统•智能楼宇控制系统•隧道led照明控制系统集散控制系统中央操作台中央操作台网间连接器网间连接器生产管理级生产管理级LANLAN局域网局域网过程管理级过程管理级管理计算机管理计算机工程师操作站工程师操作站工程师操作站操作员站操操作作员员站站监控计算机监控计算机监控计算机网间连接器网间连接器网间连接器高速数据公路高速数据公路过程控制级过程控制级DDC直接数字控制站DDCDDC直接数直接数字控制站字控制站数据采集站数据数据采集站采集站可编程逻辑控制站可编程逻辑可编程逻辑控制站控制站单回路调节控制站单回路调节单回路调节控制站控制站多功能控制站多功能多功能控制站控制站机器人娱乐机器人清洁机器人战场机器人航天机器人美军排爆机器人执行任务无人作战机器人智能娱乐机器人-童童骑自行车的机器人-村田顽童智能机器人结构图中央计算机中央计算机显示计算机显示显示计算机计算机控制计算机控制控制计算机计算机控制计算机控制控制计算机计算机图像处理机图像图像处理机处理机语言识别计算机语言识别语言识别计算机计算机语言合成器语言语言合成器合成器扬声器扬声器扬声器话筒话筒话筒显示器显示器显示器摄像摄像摄像多关节手臂多关节手臂多关节手臂行走机构行走机构行走机构知识库知识库知识库航空航天电梯控制系统超导限流器恒流电源自动控制系统直流电源交流绕组铁芯开关直流绕组负载电网–NI控制器•可以独立运行的可编程嵌入式控制器，可靠性高，适合严酷的工业环境•工作温度在-40~70°C之间。内部带有一个200MHz奔腾处理器，可以实现实时控制，数据分析以及通信等任务。还带有10M/100M兼容的以太网接口，可以与监控终端进行实时通信，而且具有宽的输入范围11to30V直流供电，实时时钟，看门狗定时器等，具有很高的可靠性。•它具有可配置的地板扩展槽，这是该款控制器的核心模块，带有FPGA实时控制模块，并可以扩展各种I/O模块，包括AD、DA、DI、DO等，可以实现用户定制的控制逻辑，输入输出，定时，触发，同步等操作。智能楼宇自动控制系统•楼宇自动控制系统(空调,电梯,电力等)•火灾报警系统•视频矩阵监控系统•停车场管理系统•安防报警系统•广播系统•门禁系统•系统集成天津市行政审批中心系统集成地下停车场监控界面隧道led照明控制系统控制台485总线控制中心灯具系统结构绪论•本章结构：–计算机控制系统的实例–计算机控制系统的组成–计算机控制系统的分类–计算机控制系统中的一些基本概念–计算机控制系统的理论问题–计算机控制系统的设计问题–计算机控制系统的发展趋势、发展前景计算机控制系统的组成对象控制器执行器检测环节计算机控制系统的结构框图工业对象工业对象传感器及变送机构传感器及传感器及变送机构变送机构执行机构执行执行机构机构数字量输入数字量输入数字量输入D/AD/AD/AA/DA/DA/D数字量输出数字量输出数字量输出多路开关多路多路开关开关多路开关多路多路开关开关I/O接口I/OI/O接口接口I/O接口I/OI/O接口接口I/O接口I/OI/O接口接口I/O接口I/OI/O接口接口计算机主机计算机主机操作台操作台操作台I/O接口I/OI/O接口接口I/O接口I/OI/O接口接口打印机打印打印机机显示终端显示显示终端终端通用通用外围设备外围设备主机主机及操作台及操作台I/OI/O接口电路接口电路I/OI/O通道通道信号检测信号检测及变送及变送被控对象被控对象计算机控制系统软件工业组态软件InTouchHMI软件：•为用户提供了今天的HMI和监控应用所需的能力和通用性。•支持用户快速建立和部署实时工业生产过程的图形显示方案。•支持用户为他们的过程快速、方便地开发定制的图形视图。•编辑器使用QuickScript编辑器可以扩展和定制InTouch应用，以满足特定的系统需求，使InTouch成为市场上最灵活的HMI产品之一。•快速切换(FastSwitch)允许应用开发者通过点击按钮在运行时和开发环境之间快速切换。•提供了比其它HMI产品更多的数以百计的I/O服务器，支持用户连接任何工业自动化控制设备。FIX组态软件：工业组态软件•分布式客户机/服务器体系结构•直观的人机界面•100%的数据完整性•实时过程监视•监督控制和数据采集•SQL/ODBC关系数据库连接•报警和报警管理•完整且精确的报告•实时和历史趋势•统计过程控制•适用于各种规模的MMI和SCADA解决方案计算机控制系统软件组态王：计算机控制系统软件工业组态软件•现场的操作者可以完成设备的起停•中控室的工程师可以完成工艺参数的整定•办公室的决策者可以实时掌握生产成本，设备利用率及产量等数据组态王6.5的Internet功能逼真再现场画面，使您在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节得实现：包括：•现场的流程画面•过程数据•趋势曲线•生产报表(支持报表打印和数据下载)•操作记录和报警计算机控制系统软件GECIMPLICITY编程，冗余，监控软件：PLC软件•具有一系列广泛的可选文本和图形功能•配备按部就班的指导及简易的组态•可以随时随心所欲的编程西门子WinccStep7Softnet冗余软件：计算机控制系统软件PLC软件•面向对象,直观的用户界面•组态取代了编程•统一的数据库•硬件组态，参数设置•建立通讯•编程(梯形图、语句表、功能块)•调试•文档•诊断绪论•本章结构：–计算机控制系统的实例–计算机控制系统的组成–计算机控制系统的分类–计算机控制系统中的一些基本概念–计算机控制系统的理论问题–计算机控制系统的设计问题–计算机控制系统的发展趋势、发展前景计算机控制系统的分类•以参于控制方式分类•以自动控制形式分类•以调节规律分类计算机控制系统的分类•以参于控制方式分类：–操作指导控制系统–直接数字控制系统–计算机监督控制系统–多级控制系统–分布式控制或集散控制系统–计算机控制网络（现场总线控制系统）操作指导控制系统图1-1操作指导控制系统组成框图微型计算机微型计算机工业对象工业对象A/D转换器A/DA/D转转换换器器采样器采样器采样器测量元件测量元件测量元件操作人员操作人员操作人员打印机显示设备调节器…………直接数字控制系统图1-2DDC控制系统原理图人工监管给定值测量值人工监管人工监管给定值给定值测量值测量值多路开关多路开关多路开关A/DA/DA/D检测元件检测元件检测元件反多路开关反多路开关反多路开关DDC微型计算机DDCDDC微型计算机微型计算机D/AD/AD/A生产过程生产过程生产过程管理命令报告图1-3SCC+模拟调节器控制系统原理图图1-4SCC+DCC控制系统原理图计算机监督控制系统人工监管给定值测量值人工监管人工监管给定值给定值测量值测量值多路开关多路开关多路开关A/DA/DA/D检测元件检测元件检测元件反多路开关反多路开关反多路开关DDCDDCDDCD/AD/AD/A生产过程生产过程生产过程管理命令报告………人工监管给定值测量值人工监管人工监管给定值给定值测量值测量值多路开关多路开关多路开关A/DA/DA/D检测元件检测元件检测元件生产过程生产过程生产过程管理命令报告………TT多级控制系统图1-5多级计算机控制系统工厂级集中控制计算机工厂级集中控制计算机车间监督计算机（SCC）车间监督计算机车间监督计算机（（SCCSCC））车间监督计算机（SCC）车间监督计算机车间监督计算机（（SCCSCC））装置控制级DDC装置控制级装置控制级DDCDDC装置控制级DDC装置控制级装置控制级DDCDDC工厂对象D工厂对象工厂对象DD企业级经营管理计算机企业级经营企业级经营管理计算机管理计算机装置控制级DDC装置控制级装置控制级DDCDDC工厂对象C工厂对象工厂对象CC工厂对象B工厂对象工厂对象BB工厂对象A工厂对象工厂对象AA装置控制级DDC装置控制级装置控制级DDCDDC至其他工厂至其他工厂…………………………集散控制系统中央操作台中央操作台网间连接器网间连接器生产管理级生产管理级LANLAN局域网局域网过程管理级过程管理级管理计算机管理计算机工程师操作站工程师操作站工程师操作站操作员站操操作作员员站站监控计算机监控计算机监控计算机网间连接器网间连接器网间连接器高速数据公路高速数据公路过程控制级过程控制级DDC直接数字控制站DDCDDC直接数直接数字控制站字控制站数据采集站数据数据采集站采集站可编程逻辑控制站可编程逻辑可编程逻辑控制站控制站单回路调节控制站单回路调节单回路调节控制站控制站多功能控制站多功能多功能控制站控制站计算机控制网络（现场总线控制系统,通用结构）DCS和FCS的比较•DCS•大系统,投资一步到位,灵活性较差•封闭•必须有D/A与A/D转换,模拟信号传输•DCS的每秒2~5次•配备大量隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O柜•结构复杂,专用化•FCS•信息处理现场化,投资起点低，可以边用、边扩、边投运•开放•全数字化•缩短了控制周期,FCS的每秒10~20次•减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用•FCS相对于DCS组态简单，结构、性能标准化发展趋势•二者都有发展空间•且有互相融合趋势计算机控制系统的分类•以调节规律分类：–程序控制系统–顺序控制系统–比例--积分--微分PID控制系统–前馈控制系统–最优控制(最佳控制)系统–自适应控制系统–自学习控制系统计算机控制系统的分类•以自动控制行式分类–计算机开环控制系统–计算机闭环控制系统–在线控制系统–离线控制系统–实时控制系统绪论•本章结构：–计算机控制系统的实例–计算机控制系统的组成–计算机控制系统的分类–计算机控制系统中的一些基本概念–计算机控制系统的理论问题–计算机控制系统的设计问题–计算机控制系统的发展趋势、发展前景计算机控制系统的基本概念•信号的种类•系统的分类•采样的操作•数据采集、转换与分配系统计算机控制系统的基本概念•信号的种类：1.模拟信号:定义在连续时间上的信号，且其幅值也是连续变化的。2.连续时间信号:时间上连续，幅值上可能是跳跃的。（如模拟信号经过采样保持）。3.离散时间信号：定义在离散时间上的瞬时信号。包括，a）采样信号：经过采样操作，且信号的幅值未经量化。b）数字信号：幅值被量化的离散时间信号。可以用二进制数表示。•系统的分类：1.连续时间控制系统：信号在时间上是连续的。可以用微分方程来描述。2.离散时间控制系统：信号是以采样信号或数字信号的形式存在的系统。可用差分方程进行描述。计算机控制系统的基本概念离散时间控制系统离散时间控制系统采样控制系统采样控制系统数字控制系统数字控制系统离散时间控制系统•采样控制系统：系统内的控制器和对象均是连续信号处理器，用采样开关来达到多个对象共享一个控制器问题。+-检测装置受控对象保持器控制器采样开关采样开关采样开关离散时间控制系统•数字控制系统:控制器只能处理数字（离散）信号，控制系统内必有、转换器完成连续信号与离散信号之间的相互转换。()ut+-计算机或微处理器受控对象()ytA/DD/A反馈装置数字控制系统•数字控制系统的基本控制方案结构包括反馈控制和前馈控制。对于一个给定的被控对象，选择合适的性能指标，然后设计控制器来优化选定的性能指标。•采样：把连续时间信号转变成离散时间数据的操作，即以离散时间点处的一系列值取代原始的连续时间信号。•量化：采用一组数码（二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转化为数字信号。•编码：将经过采样、量化后的数据编制成二进制码。计算机控制系统的基本概念采样量化、编码()计算机控制系统的基本概念ftT3T4T5T7T2T6T()/ftV0t210864τ*(2)fTtT3T4T5T7T2T6T*(