第1章 计算机控制系统概述

《计算机控制技术》课程说明1、课程性质机械学院专业特色课和基础选修课之一。2、前续基础课程.自动控制理论（经典/现代）.检测技术与自动化仪表.微机原理（单片机）与接口技术.程序设计技术（汇编、C/C++、VC、VB）.PLC原理及应用3、参考书和阅读期刊参考书：.谢剑英，《微型计算机控制技术》，国防工业出版社.钟约先，《机械系统计算机控制》，清华大学出版社.王锦标，《计算机控制系统》，清华大学出版社.孙增圻，《计算机控制理论及应用》清华大学出版社阅读期刊：工业控制机、控制工程、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表等等。4、考核方式（1）平时30%（包括出勤、作业、实验、课堂问题回答）（2）期末考试70%（闭卷方式）图1-1某热电厂锅炉仪表集中控制室某热电厂锅炉仪表集中控制室某热电厂锅炉计算机控制室第一章概述，介绍计算机控制系统特征与组成、计算机控制系统的分类、计算机控制系统的发展概况和趋势；第二章工业控制计算机，介绍工控机组成结构、总线结构、工控机输入/输出模板、单片机、PLC；第三章输入输出接口与过程通道，讲解计算机控制系统中输入输出接口和过程通道的设计与分析、介绍硬件抗干扰技术；第四章顺序控制与数字控制技术，主要讲解用微型计算机来实现顺序控制、数字程序控制以及步进电机的控制；主要内容第五章数字控制器设计，讲解数字控制器的模拟化设计和离散化设计的方法和步骤、介绍大林算法和数字控制器的计算机实现；第六章控制系统的数据处理技术，讲解程序设计技术、测量数据预处理技术、查表及排序技术、软件抗干扰技术；第七章复杂控制技术，介绍串级控制技术，前馈-反馈控制算法，Smith预估控制；第八章计算机控制系统设计和实现，介绍计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例；第九章智能控制技术基础，介绍模糊智能控制和神经网络控制。第十章控制网络技术，介绍工业控制网络技术、DCS控制系统、现场总线技术；第1章计算机控制系统概述计算机控制系统是计算机技术与自动控制理论、自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。本章主要介绍计算机控制系统的基本概念、结构组成、特点、分类以及计算机控制系统的发展概况和趋势。本章主要内容：1．1计算机控制系统特征和组成计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。给定量控制器执行机构被控对象测量变送生产过程控制计算机被控量+-D/AD/Areuy图1.1计算机控制系统基本框图1.1.1计算机控制系统的组成计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。接口接口打印机显示终端计算机主机接口接口接口接口多路开关数字量输入数字量输出多路开关传感器及变送器执行机构工业对象操作台通用外部设备主机及操作台通道信号检测及变送被控对象O/IO/I接口电路O/IO/IO/IO/IO/I接口电路O/ID/AA/DO/I图1.2计算机控制系统的组成框图硬件组成：主要由计算机系统（包括主机和外部设备）和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检测变送环节等组成。软件组成：系指完成各种功能的计算机程序的总和，是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都在软件控制下协调工作。分为系统软件和应用软件。在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。在计算机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混合式的结构。1.1.2计算机控制系统的特征和原理模拟信号——时间上和幅值上都连续的信号。离散模拟信号——时间上离散幅值上连续的信号。数字信号——时间上离散，幅值也离散的信号。采样——将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。量化——采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。图1.3计算机控制系统中信号变换与传递()yt*()yt()ykT控制器采样器A/DΣ()ukTD/A*()ut执行器被控对象传感器()rkT()ekT()yt数字信号离散模拟信号模拟信号数字信号量化模拟信号0123401234023401234()yt*()yt()ykT1模拟信号离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号Tt/01234*()ut()ukT(1)结构特征：模拟和数字混合系统。(2)信号特征：连续模拟、离散模拟、离散数字等多种信号。(3)控制方法特征：模拟调节规律离散化设计法和直接设计法。(4)功能特征：软件代替硬件、数据存储、状态和数据显示、管理功能。(5)计算机控制系统工作原理：过程4步骤：1）实时数据采集2）实时控制决策3）实时控制输出4）信息管理(6)工作方式：1）在线方式和离线方式2）实时概念1.2计算机控制系统的分类1.操作指导控制系统（OIS）计算机CRT打印机生产过程操作人员执行器A/D多路开关检测元件图1.4数据采集和监视系统特点：计算机输出不直接控制生产对象，结构简单，控制灵活和安全。缺点:人工操作，速度受到限制，不适用快速过程控制。场合：未摸清控制规律的系统，常用于研制初阶段和调试。2.直接数字控制系统(DDC)打印机报警操作台计算机生产过程输出通道（，）输入通道（，）CRTAIDIAODO图1.5直接数字控制系统框图计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制规律。3．监督控制系统(SCC)生产过程SCC计算机模拟调节器设定值（a)(b)传感器多路开关A/D测量值生产过程SCC计算机设定值传感器多路开关A/D测量值多路开关D/ADDC图1.6监督控制系统的两种结构形式其作用是改变给定值，又称设定值控制。它的任务着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。4.集散控制系统（DCS）采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。生产过程过程控制站过程控制站过程控制站过程控制站控制网络操作员站监控计算机站工程师站计算机网关生产管理网络生产管理生产管理生产管理计算机网关决策管理网络决策管理决策管理决策管理计算机网关直接控制层操作监控层生产管理层决策管理层图1.7DCS结构示意图5.现场总线控制系统（FCS）图1.8FCS控制层结构模式为：“工作站一现场总线智能仪表”二层结构，完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在统一国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构。连接现场智能设备和控制室之间的全数字式、开放的、双向的通行网络。核心：总线，智能仪表6.计算机集成制造系统（CIMS）图1.9CIMS系统框图多任务、多分层。目标：生产活动的最优化1.3计算机控制发展概况及趋势1.3.1计算机控制发展过程(1)开创时期(1955～1962年)，1959年美国德克萨斯州的一个炼油厂将Rw300计算机用于聚合装置的控制。(2)直接数字控制时期(1962～1967年)，1962年英国帝国化学工业公司实现了一个DDC系统。(3)小型计算机时期(1967～1972年)，规模较小的过程控制采用(4)微型计算机时期(1972年～至今)，Honeywell公司的TDC-3000分布式控制系统，CIPS，CIMS系统。1.3.2计算机控制理论和新型控制策略1、采样控制理论1）差分方程和Z变换理论2）常规设计方法（有限拍控制、根轨迹法、离散PID控制、参数寻优等）3）按极点配置设计法。4）最优设计方法。5）系统辨识和自适应控制。6）采样理论（香农采样定理、采样频谱及混迭、采样信号恢复等）7）连续模型及性能指标的离散化。8）性能指标函数9）采样控制系统的仿真10）采样周期的选择2、新型控制策略1）鲁棒控制主要应用：飞行器、柔性结构、机器人2）预测控制策略：“边走边看”滚动优化3）模糊控制场合：无法或难以建立数学模型4）神经网络控制对象：具有不确定性或高度非线性的控制对象5）专家系统场合：故障诊断，工业过程的智能控制6）遗传算法主要应用：优化和学习，和其他控制策略结合1.3.3计算机控制发展趋势1、综合自动化计算机集成制造系统CIMS、计算机集成过程系统CIPSCAD，CAM，CAPP，CAT，CAQ，MRP（MRPⅡ），ERP等2、网络化现场总线FCS3、智能控制多变量、非线性、大滞后4、虚拟化包括虚拟现实（VR）、虚拟产品开发（VPD）、虚拟制造（VM）和虚拟企业（VE）。5、绿色化（低碳化）绿色自动化，减少、消除自动化设备对人类和环境的污染和损害。作业P15：习题1、2、6