1第一章 计算机控制系统概述

计算机控制系统讲义第一章计算机控制系统概述1第一章计算机控制系统概述内容及要求：1.1什么是计算机控制系统?1.2计算机控制系统的一般组成1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统工作过程中的量1.5计算机控制系统的实时性1.6分析设计的两种观点1.7计算机控制系统的特点1.8计算机控制系统控制策略概况。要求：重点掌握计算机控制系统的特点及工作过程中的量、计算机控制系统的实时性、分析设计的两种观点。自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。不仅在宇宙航行、导弹制导、核技术以及火器控制等新兴学科领域中是必不可少的，而且在金属冶炼、仪器制造及一般工业生产过程中也具有重要的意义，为实现工业生产过程的自动控制，高产、稳产、安全生产、改善劳动条件、提高经济效益创造了条件。生产技术的进步和科学技术的发展，要求有更加复杂、更加完善的控制装置，以期达到更高的精度、更快的速度和更大的效益。然而，若用常规的控制方法，潜力却是有限的，难以满足如此高的性能要求。由于电子计算机出现并应用于自动控制，才使得自动控制发生了巨大的飞跃。因为计算机具有精度高、速度快、存储量大，以及具有逻辑判断的功能等，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。计算机所具有的信息处理能力，能够把过程控制和生产管理有机地结合起来，从而对工厂、企业或企业体系的管理实现自动化。计算机控制既是一门新兴的学科，又与自动控制有密切的关系。本课程的主要目的就是介绍计算机控制系统的基础理论，计算机控制系统的分析方法、设计方法和实现方法。课程性质：自动化专业的专业课。课程任务：课程内容包括背景与基础知识、基于连续系统的经典设计方法、基于离散系统的经典设计方法、基于状态空间的设计方法、新型控制策略、计算机控制系统的实现等共6部分20章。通过课程教学，让学生掌握计算机控制系统的基本概念、理论基础和分析设计方法，熟悉计算机控制系统设计与实现的一般性原则和步骤，了解计算机控制系统的新型控制策略和算机控制系统的发展方向。对学生能力培养的要求：本课程是自动化专业的专业课。要求学生学习课程内容时，综合应用所学知识，从物理概念理解基础理论，从提出问题、分析问题、解决问题的思路掌握分析设计方法，从工程角度熟悉系统的设计与实现问题；通过课程学习，使学生具备分析和设计计算机控制系统所需的必要的专业知识和在计算机控制系统讲义第一章计算机控制系统概述2实践过程中解决计算机控制系统中的实际问题的能力。1.1什么是计算机控制系统?自动控制：在无人参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或装置自动地按预定规律运行，或使其某个参数按预定的要求变化。自动控制系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定的方式连接起来，完成一定的自动控制任务。一般的控制系统由两部分组成：控制装置和被控对象，如下图所示：控制器装置、过程检测装置－指令信号输出特性功放、执行控制装置被控对象Fig1.1一般控制系统框图控制系统的功能是：用控制信号通过系统诸环节来控制被控变量，使其按规定的方式和要求变化。控制器，又称调节器，补偿器，其功能如下：控制策略算法指令状态控制信号Fig1.2控制器连续时间控制器—模拟控制器，其实现：模拟电子线路、无源网络、有源放大电路等，如成品PID控制器。计算机控制：计算机取代模拟控制器（直接数字控制DDC）。定义：有计算机参加的控制系统，由于强调计算机作为控制系统的重要组成部分而得名；换言之，凡是有计算机参与的控制系统都可以称为计算机控制系统。从广义上说，现代计算机控制系统应该包括检测、控制、显示、储存、管理和通信几部分功能。计算机控制系统有时也称数字控制系统，这是强调控制系统中包含有数字信号。典型计算机控制系统的如图Fig1.3所示，系统分为两部分。一部分是计算机控制部分，包括数字控制器，模－数转换装置A/D和数－模转换装置D/A以及检测变送装置等。另一部分是生产过程，包括执行机构，被控对象等。计算机控制系统讲义第一章计算机控制系统概述3控制器D/A装置、过程检测装置－指令信号输出特性功放、执行A/D计算机控制装置被控对象Fig1.3典型计算机控制系统的原理图目前所有的控制系统实际上都是基于计算机控制来实现的，因此，充分理解计算机控制系统是十分重要的。我们可以把计算机控制系统看作是模拟控制系统的近似，但是，这种看法是不全面的，它没有充分发挥计算机控制的潜力，最多只能获得与采用模拟控制时一样好的结果。与此相反，我们最好是精通计算机控制系统，进而利用计算机控制的全部潜力。而且，在计算机控制系统中还有一些在模拟系统中未出现过的现象，这些都是一个工程技术人员应当了解的。本课程主要目的就是介绍在了解、分析和设计计算机控制系统时所需要的基础知识。1.2计算机控制系统的一般组成1.2.1硬件组成一台基本的计算机控制系统的硬件主要包括：微处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)、数字I/O接口通道、A/D和D/A转换器接口通道、人机联系设备(如键盘和显示器)、通信网络接口和电源等。它们通过微处理器的系统总线(地址总线、数据总线和控制总线)构成一个完整的系统。其框图如图1.4所示。下面对各部分作简要说明。CPU人机接口操作系统存储单元内部总线A/DD/ADIDO检测装置执行机构电气开关电气开关被控对象Fig1.4计算机控制系统硬件组成计算机控制系统讲义第一章计算机控制系统概述4计算机：计算机控制系统的核心，由CPU和存储器等构成。其任务：通过由过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息的处理、分析和计算，并做出相应的控制决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令，对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。计算机中的程序和控制数据是人们预先根据控制对象的特征编制的控制算法。计算机控制系统执行控制程序和系统程序，完成事先确定的控制任务。过程通道：过程输入输出通道是计算机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成计算机可以接收的数字代码。过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。生产过程的被控参数一般为连续变化的非电物理量，在模拟量输入通道中先用传感元件把它转换成连续变化的模拟电量，然后用模/数转换器转换成计算机能够接受的数字量。计算机输出的数字量往往要经过数/模转换器转换成连续的模拟量，去控制可连续动作的执行机构。此外还有开关量形式的信号，它将通过开关量输入输出通道来传送。因此，过程通道有：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。接口：计算机控制系统的过程输入输出通道和接口；其基本功能：将过程参数转换成计算机能够识别的代码输入给计算机以便进行运算处理，同时，把计算机发出的控制命令转换成操纵执行机构的控制信号以控制生产过程外部设备：这是实现计算机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。Fig1.5计算机控制系统硬件组成例计算机控制系统讲义第一章计算机控制系统概述5检测装置：在计算机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入计算机。执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构。它是计算机控制系统中的重要部件，其功能是根据计算机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。1.2.1软件组成计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而计算机的操作系统和各种应用程序是履行控制系统任务的关键，通称为软件。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是计算机控制系统的中枢神经。软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功能的充分发挥和推广应用。软件主要分系统软件、支持软件和应用软件。（1）系统软件：提供计算机运行和管理的基本环境，如DDS，Windows，WinNT，UNIX等以及网络平台。（2）支持软件：或语言加工软件，如汇编、编译软件和控制系统的编程软件，，由于属于专业化的软件，它们非常方便用户的二次开发，同时也保证了软件的安全性。（3）应用软件：它是面向用户本身的程序，控制系统设计者根据某个系统的要求开发的特殊控制软件和管理程序。应用软件包括：监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。其中控制程序是应用软件的核心，是经典或现代控制理论算法的具体实现(如PID程序．数字控程序等)。过程输入、输出程序分别用于管理过程输入、输出通道，一方面为过程控制程序提供运算数据，另一方面执行控制命令，其中包括A／D转换、D／A转换、数字滤波、标度变换、键盘处理、显示等程序。软件一般对计算机控制系统的依赖性较大。不同的控制对象和不同的控制任务在软件组成上有很大的区别。平衡系统硬件和软件的性能和功能，只有当确定系统硬件后，才能确定如何配制软件。在计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都配有相应的控制软件。这些应用软件采用何种语言和技术，也是各不相同的。在控制系统中，应用软件是一个直接的控制程序，而其它的程序是为它服计算机控制系统讲义第一章计算机控制系统概述6务的。所以，应用程序的质量会给系统的精度和效率带来很大的影响。从系统功能角度来分，除作为核心的监控程序外，可分为前处理程序、服务程序和后处理程序。前处理程序是指那些直接与生产过程有关的处理程序，即这些程序直接参与系统的控制过程，提供系统工作的基本服务；服务程序是指计算机控制系统对所有外设和人机联系等工作的程序，这些程序有时也称为监控程序，它与控制过程没有直接的联系，但它承担的工作是系统所不可少的；后处理程序是指那些与系统控制过程完全无关的部分，如对硬件和软件的诊断程序等，它保证系统本身的可靠性。一个典型的控制系统的软件至少包括初级监控程序和前处理程序。1.2.3组态控制技术**按照设计方法的不同，可分为以单片机为核心的计算机测控系统、以PLC(可编程控制器)为核心的计算机控制系统和以IPC（工业PC机或称工业控制计算机)为核心的计算机控制系统。组态技术是在以上三者特别是以IPC为核心的系统的基础上发展起来的计算机控制系统。以单片机为核心的计算机测控系统的突出优点是结构小型、价格低廉，因此广泛应用于智能仪器、仪表和小规模测控系统上。其缺点是硬件电路和软件都要单独设计，不能充分利用通用PC机提供的各种软硬件资源，对设计人员的要求较高，产品常不具有通用性。目前在工控(即工业控制)领域应用最多的是各种智能显示调节仪表和智能变送器。PLC是由继电器控制系统发展而来的。现已广泛地应用于工业生产的各个领域，特别在以开关量为主的系统中，己成为控制的主要手段。随着技术的发展，现在的PLC也具有了模拟量控制功能。以IPC为核心的计算机测控系统。最大的优点是可充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资源，不仅开发方便，更可利用Windows或其他操作系统，方便地进行生产的