第1章 计算机控制系统 绪论

长春理工大学1长春理工大学2课程性质与任务:性质：计算机控制技术是自动化专业一门专业课，实践性和应用性都很强，是计算机技术与工业生产过程相结合的产物，其中心内容是计算机技术在工业生产过程中的应用，即利用计算机实现工业生产的自动控制，是信息技术基础课和专业基础的集成与应用。先修课：模电和数电、自控原理、微机原理、检测等。任务：掌握计算机控制系统的分析、设计和实现方法长春理工大学3•课程定位•自动化系的一门专业课，重点在于控制，计算机只是一个工具，不具体涉及计算机的内部操作。•课程目的和要求•熟悉了解自动控制原理中的基础知识和计算机控制的基本方法。长春理工大学4俞光昀编著，计算机控制技术，电子工业出版社，1997年何克忠、李伟编著，计算机控制系统，清华大学出版社，1998年李正军编著，计算机控制系统，机械工业出版社，2004年苗秀敏等编著，计算机控制系统及应用，北京科学技术出版社，1995年孙增圻编著，计算机控制理论及应用，清华大学出版社，1992年于海生等编著，微型计算机控制技术，清华大学出版社，1999年教材及参考书长春理工大学5如何学好？1、深刻理解基本理论知识2、掌握好的学习方法3、注重理论和工程实践的联系往届同学都反映是比较难学的，原因有：此课涉及到计算机技术、自动控制技术、过程控制和接口技术、程序设计、检测技术及仪表和工程技术、通讯与网络技术、信号与系统等多方面知识。课程内容比较杂乱，系统性较差，有些内容很抽象，限于实验条件，同学们对实际系统感性认识差，而课程实践性又很强，不适应。长春理工大学6课程总目标学完本课程后，应具有以下能力：了解计算机控制系统的组成及工作原理；绘制计算机控制系统结构图；熟练掌握计算机控制系统设计的方法；熟悉控制系统应用程序设计方法；灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题。学时安排共56个学时，理论教学48学时，实验8学时。评分标准平时作业＋实验＋笔试长春理工大学7常见的国内自动化类杂志理论性较强的杂志：自动化学报、控制理论与应用、系统工程理论与实践、仪器仪表学报、模式识别与人工智能、电子学报等。介于理论与应用之间的杂志：信息与控制、控制与决策、自动化仪表、工业自动化及仪表等。技术性或应用性文章较多一点的杂志：化工自动化及仪表、冶金自动化、计算机测量与控制、工业控制计算机等等。长春理工大学8常见的国外自动化类杂志COMPUTING&CONTROLENGINEERINGJOURNALIEEETRANSACTIONSONAUTOMATICCONTROLIEEETRANSACTIONSONCONTROLSYSTEMSTECHNOLOGYCONTROLANDINSTRUMENTATIONCONTROLENGINEERINGCONTROLENGINEERINGPRACTICEAUTOMATICAIEEECONTROLSYSTEMSMAGAZINE9计算机控制系统第1章计算机控制导论长春理工大学10本章主要内容1.1计算机控制系统的工作原理和系统组成1.2计算机控制系统结构、信号及控制方式的特点1.3计算机控制系统的优点1.4计算机控制系统发展、应用与分类状况1.5计算机控制理论与设计中的一些问题1.6计算机控制系统、采样系统及离散系统的概念本章小结长春理工大学111.1计算机控制系统的工作原理和系统组成本节主要内容1.1.1计算机控制系统基本工作原理1.1.2计算机控制系统基本组成长春理工大学12常规控制系统的工作原理模拟调节器执行机构被控对象测量变送器设定值reu被控参数y单回路常规控制系统示意图ym按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。1.1.1计算机控制系统基本工作原理定义：计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现对控制对象（通常为生产过程）自动控制的系统。长春理工大学131.1.1计算机控制系统基本工作原理实例典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统MG+_功率放大校正网络反馈电位计俯仰角控制通道MG+_功率放大校正网络反馈电位计方位控制通道天线定向位置指令生成装置图1-1雷达天线指向位置跟踪系统长春理工大学141.1.1计算机控制系统基本工作原理精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定向。天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立控制系统。系统除了采用速度反馈外，控制器还采用了滞后-超前等串联校正网络，该校正网络利用常规的有源模拟运算放大器实现。为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用模拟式部件实现将是很困难的。长春理工大学151.1.1计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装置的作用。MG+_功率放大反馈电位计俯仰角控制通道MG+_功率放大反馈电位计方位控制通道D/AA/DD/AA/D控制计算机(包括硬件及相应软件)(内含天线定向位置指令)图1-2雷达天线指向位置跟踪系统原理结构图长春理工大学161.1.1计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。计算机系统主要包括：．A／D转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；．D／A转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；．数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。长春理工大学171.1.1计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统的控制过程可以归结为：．实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；．实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；．实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。“实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。所需时间将依具体系统特性确定。长春理工大学18在线方式与离线方式在计算控制系统中，生产过程和计算机直接相连，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。1.1.1计算机控制系统基本工作原理长春理工大学19实时控制所谓实时，是指信号的输入、计算和控制输出在工艺要求的时间范围内完成，亦即“及时”。实时控制的性能受一次仪表的传输延迟、控制算法的复杂程度、微处理器或微控制器的运算速度和控制量的输出延迟等因素影响。实时控制的概念与工艺要求紧密相连，如对快速变化的压力（或火炮）对象控制的实时控制时间要比缓慢变化的温度对象的实时控制时间快。1.1.1计算机控制系统基本工作原理长春理工大学20思考两个问题1.在线系统是否一定是实时系统？2.实时系统是否一定是在线系统？1.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！2.是。不在线肯定不能满足实时性。1.1.1计算机控制系统基本工作原理长春理工大学211.1.2计算机控制系统基本组成计算机控制系统的典型原理结构1.计算机控制系统的硬件组成计算机主机：计算机控制系统的核心----中央处理器（CPU）----RAM、ROM等存储器、定时器----接口适配器，显示、打印、操纵台等被控对象执行机构D/A数字计算机A/D时钟反馈测量部件A/D输入信号干扰输出信号图1-3计算机控制系统的典型原理结构图长春理工大学221.1.2计算机控制系统基本组成显示器打印机外部存储器操控台计算机系统总线CPURAM、ROM(PROM、EPROM或FLASH)存储器A/DD/A调理电路传感器执行机构被控对象模拟量模拟量定时器与其他计算机通讯接口2模拟量输入通道模拟量输出通道数字传感器或电气开关数字式执行机械或电气开关数字量输入通道数字量输出通道数字量数字量中断信号输入放大驱动长春理工大学231.1.2计算机控制系统基本组成过程通道：---模／数（A/D）转换器---数／模（D/A）转换器---传感器---信号调理电路功能：传感器将非电量的物理量变换成电量，该电量并不一定适合A/D直接采样转换，常需通过放大、滤波等措施后，才能送入A/D转换器。---数字量输入通道或数字量输出通道。长春理工大学241.1.2计算机控制系统基本组成2计算机控制系统的软件软件是计算机工作程序的总称，实现信息采集、处理及输出功能的各种程序的集合。---系统软件：计算机的通用软件。---应用软件：系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。包括：控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理程序。通常，应用软件由控制系统设计人员根据所选用的硬件及软件环境和系统要求开发编写。在构成系统硬件及软件时，要充分保证系统运行的实时性及可靠性。长春理工大学25软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库软件部分数据可靠性检查程序A／D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序长春理工大学26常用的工业控制计算机可编程序控制器（PC/PLC）工控机（IPC）单片机DSP智能调节器1.1.2计算机控制系统基本组成长春理工大学271.2CCS结构、信号及控制方式的特点1.计算机控制系统是混合信号系统，具有多种信号形式：计算机是一个数字式离散处理器。被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的模拟与数字部件组成的混合系统。A/D转换器通常包含下述三种形式的变换：---模拟信号采样：按一定时间间隔对连续信号采样，将其变成时间上是断续的离散信号；---信号幅值的整量化：将采样信号幅值按有限字长的最小量化单位分层取整，变成幅值为离散的信号；---数字编码：将已整量化的分层信号变换为等值的二进制数码信号，即数字信号。长春理工大学281.2CCS结构、信号及控制方式的特点D/A变换器通常包含有下述两种形式的变换：．数字解码把数字量转换为等值的模拟脉冲信号；．信号恢复把解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化信号(有的D/A先数字解码后保持，有的先数字保持后解码)。在计算机内，可分为----时间连续数字信号(如在内存中保存的数字信号)；----时间断续的数字信号(如在处理器中的信号)。与连续模拟系统不同，计算机控制系统中包含五种信号形式的变换，如图1-5所示，具有六种信号形式,如表1-1所示。长春理工大学291.2CCS结构、信号及控制方式的特点表1-1计算机控制系统中信号形式编码和解码仅是信号形式的改变，看作无误差的等效变换，分析时可略去。最重要的是采样、量化和保持变换过程。---采样及保持涉及信号有、无问题，影响系统的传递特性，是本质问题，分析和设计时必须考虑。---量化使信号产生误差并影响系统的特性.当字长较长时影响很小，初步分析和设计时可不予考虑。图1-5计算机控制系统中信号变换长春理工大学301.2CCS结构、信号及控制方式的特点2.计算机控制系统可以实现分时串行或并行控制连续控制系统中，控制器通常都是由不同电路构成的，一台控制器仅为一个控制回路服务。计算机控制系统中，一台计算机可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制回路服务。----同一台计算机利用依次巡回方法可以实现多路串行控制；----为了节省巡回时间也常采用分时并行控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。如火炮位置计算机控制系统中高低角和方位角控制器均由同一台计算机硬件实现。如分散和集中相结合的多层次控制，在分层控制中，高层控制均采用一对多的分时控制方案。长春理工大学311.3计算机控制系统优点1.易实现复杂控制规律计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储能力，容易实现复杂的