1计算机控制系统概述.

高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术计算机控制的发展•随着自动控制理论、自动化技术和计算机技术的飞速发展，计算机控制系统不仅在国防、航空航天等高精尖学科得到了广泛的应用，而且在现代化的工农业生产以及医疗卫生等领域也发挥着越来越重要的作用。所以在现代工业企业自动化中，计算机控制技术是核心，它是计算机技术和控制理论有机结合的产物。第1章计算机控制系统概论高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术先修课程该课程实践性较强，先修课程较多，是自动化类专业学生必修课程。•模拟电子技术•数字电子技术•微型计算机原理与接口技术•单片机原理与接口技术•自动控制原理高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术后续应用•毕业设计•工程设计•实际应用高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术主要内容•在微机原理教学的基础上，本课程通过深入讲解典型微机总线结构，阐明一般输入输出接口电路设计方法；•介绍将生产现场各种物理量引入计算机中的方法，为实现计算机对生产现场的检测、控制提供必要的硬件基础；•在经典控制理论的指导下，针对不同被控对象和系统性能指标要求，研究数字控制器的一般设计方法；•结合控制理论发展的新动向，介绍新型控制策略的设计与实现方法；•通过对于典型计算机控制系统设计实例的讲解，培养学生的计算机控制系统设计能力。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术学时分配•总学时：64•授课学时：48•实验学时：16高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术第1章计算机控制系统概论计算机控制系统特征和组成计算机控制系统的分类计算机控制系统的发展概况及发展趋势主要内容：高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.1计算机控制系统特征与组成典型的计算机控制系统：将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现图1.1计算机控制系统基本框图A/D控制器D/A执行机构被控对象检测装置给定值输出值－微型机或计算机计算机控制系统硬件部分软件部分控制计算机外围设备系统软件应用软件计算机控制系统的构成高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术⒈结构特征执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；可同时控制多个回路存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。1.1.1计算机控制系统的特征与工作原理高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术⒉信号特征t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模拟信号e(nT)r(nT)y(t)u*(t)u(nt)y(nT)y*(t)Σ控制器D/AA/D执行器被控对象传感器y(t)采样器计算机＋离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号图1.2计算机控制系统的信号流程高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术按照计算机控制系统中信号的传输方向，系统的信息通道由三部分组成⑴过程输出通道，包含由D/A转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道。⑵过程输入通道，包含由A/D转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道。⑶人机交互通道，系统操作者通过人机交互通道向计算机控制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等，计算机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对像控制效果等。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术⒊控制方法特征常用的设计方法有两种：模拟调节规律离散化设计法直接设计法⒋功能特征以软件代替硬件数据存储状态、数据显示管理功能高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术5计算机控制系统的工作原理计算机控制过程可归结为如下四个步骤：⑴实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入。⑵实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。⑶实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理.高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术⒍计算机控制系统的工作方式(1)、在线方式和离线方式(2)、实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.1.2计算机控制系统的硬件组成接口接口接口A/DD/A开关量输入开关量输出传感器、变送器多路开关多路开关接口显示终端打印机磁盘驱动器通信设备人机联系接口接口接口微型计算机执行机构生产过程软件通用外部设备主机及操作台I/O通道信号检测与变送生产对象I/O接口I/O接口高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术硬件组成•主机•I/O接口•通用外部设备•检测元件与执行机构•操作台高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.1.3计算机控制系统软件按功能分类，软件软件分为系统软件和应用软件两大部分系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。应用软件是面向生产过程的程序，如A/D、D/A转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2计算机控制系统的分类操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统，分布式计算机控制系统，计算机集成制造系统按照控制方式分类：开环控制和闭环控制按照控制规律分类：程序和顺序控制，比例积分微分控制（PID控制），有限拍控制，复杂规律控制，智能控制等按照系统的功能、工作特点分类：高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2.1操作指导控制系统操作指导控制系统（OperationalInformationSystem——OIS）指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术操作指导计算机A/D多路开关检测元件生产过程显示打印操作者执行机构高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2.2直接数字控制系统显示打印接口计算机执行机构检测输入通道生产过程接口输出通道设定值直接数字控制系统（DirectDigitalControlsystem——DDC是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。（如计算机温度控制系统）高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2.3监督计算机控制系统SCC+模拟调节器SCC+DDC控制系统。SCC计算机设定值测量值A/D多路开关传感器模拟调节器生产过程SCC计算机设定值检测值DDCD/A多路开关生产过程A/D多路开关传感器监督计算机控制（SupervisoryComputerControl——SCC）系统：计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2.4集散控制系统（DCS）生产管理计算机操作员站工程师站过程控制站生产过程决策管理计算机计算机网关决策管理计算机决策管理计算机生产管理计算机生产管理计算机计算机网关监控计算机站决策管理网络生产管理网络控制网络计算机网关过程控制站过程控制站过程控制站决策管理层生产管理层操作监控层直接控制层高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2.5现场总线控制系统(FCS)现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。现在国际上流行的设备级的通信网络,如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF等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;系统结构采用全分散化,现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。现场设备具有互操作性,改变了DCS控制层的封闭性和专用性,不同厂家的现场设备既可互连也可互换,并可以统一组态;通信网络为开放式互连网络,可极其方便地实现数据共享;技术和标准实现了全开放,面向任何一个制造商和用户。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2.6计算机集成制造系统(ClMS)•计算机集成制造系统(CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem)•是计算机技术,网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术、系统工程技术等新技术发展的结果•将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来,进行统一控制,求得生产活动的最优化。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.2.6计算机集成制造系统(ClMS)•CIM的理念包括两个基本出发点•第一点是企业的各个生产环节不可分割的，需要统一考虑；•第二点整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。•主要应包括工程设计自动化、产品加工自动化和生产管理信息化等三个方面。高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.3计算机控制的发展概况及趋势1.3.1计算机控制的发展过程第一台电子计算机于1946年在美国问世，50年代末，用于过程控制；1962年,英国帝国化学工业公司实现了一个DDC系统；60年代后期，集成电路技术的发展，出现了适合工业生产过程控制的小型计算机；1972年出现了微型计算机，分布式控制系统DCS；高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术1.3.2计算机控制理论与新型控制策略计算机控制系统理论主要包括离散系统理论采样系统理论数字系统理论⒈计算机控制理论高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术离散系统理论•差分方程及z变换理论。•常规设计方法。•按极点配置的设计法•最优设计方法•系统辨识及自适应控制高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术采样系统理论•采样理论•连续模型及性能指标的离散化•性能指标函数的计算•采样控制系统的仿真•采样周期的选择高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术数字系统理论•数字系统理论除了包括离散系统和采样系统的双论外•还包括数字信号整量化效应的研究高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术⒉新型控制策略1.3.2计算机控制理论与新型控制策略鲁棒控制预测控制模糊控制神经控制专家控制遗传算法高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术高等院校自动化新编系列教材计算机控制技术计算机控制技术在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控对象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素，如：参数变化；未建模动态特性；平衡点的变化；传感器噪声；不可预测的干扰输入；等等，所以我们所建立的对象模型只能是实际物理系统的不精确的表示