計算機控制系統(tǒng)概述

1、計算機控制技術(shù) 隨著自動控制理論、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)不僅在國防、航空航天等高精尖學科得到了廣泛的應用，而且在現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)療衛(wèi)生等領域也發(fā)揮著越來越重要的作用。所以在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化中，計算機控制技術(shù)是核心，它是計算機技術(shù)和控制理論有機結(jié)合的產(chǎn)物。第一章第一章 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制技術(shù)該課程先修課程較多，其中自控原理是自動化類專業(yè)學生必修課程。 模擬電子技術(shù) 數(shù)字電子技術(shù) 微型計算機原理與接口技術(shù) 單片機原理與接口技術(shù) 自動控制原理自動控制原理計算機控制技術(shù) 系統(tǒng)集成 工程設計 實際應用計算機控制技術(shù) 通過深入講解典型微機總線

2、結(jié)構(gòu)，闡明一般輸入輸出接口電路設計方法； 介紹將生產(chǎn)現(xiàn)場各種物理量引入計算機中的方法，為實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測、控制提供必要的硬件基礎； 在經(jīng)典控制理論的指導下，針對不同被控對象和系統(tǒng)性能指標要求，研究數(shù)字控制器的一般設計方法； 結(jié)合控制理論發(fā)展的新動向，介紹新型控制策略的設計與實現(xiàn)方法； 通過對于典型計算機控制系統(tǒng)設計實例的講解，培養(yǎng)學生的計算機控制系統(tǒng)設計能力。計算機控制技術(shù) 賴壽宏.微型計算機控制技術(shù).機械工業(yè)出版社 謝劍英. 微型計算機控制技術(shù). 電子科技大學出版社 王平,肖瓊,陳敏娜. 計算機控制系統(tǒng).高等教育出版社 顧德英.計算機控制技術(shù).北京郵電大學出版社計算機控制技術(shù) 計算

3、機控制系統(tǒng)特征和組成計算機控制系統(tǒng)特征和組成 計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的分類 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及發(fā)展發(fā)展趨勢趨勢 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：計算機控制技術(shù)1.1 1.1 計算機控制系統(tǒng)特征與組成計算機控制系統(tǒng)特征與組成 控制器控制器(模擬調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器)執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)被控被控對象對象檢測裝置檢測裝置被控量反饋量設定量+計算機控制技術(shù)典型的計算機控制系統(tǒng)：將模擬自動控制系統(tǒng)中的控制器的功典型的計算機控制系統(tǒng)：將模擬自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)能用計算機來實現(xiàn)圖1.1 計算機控制系統(tǒng)基本框圖計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)硬件部分硬件部分軟件部分

4、軟件部分控制計算機控制計算機外圍設備外圍設備系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成 A/D控制器控制器 D/A執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)被控對象被控對象檢測裝置檢測裝置給定值給定值輸出值輸出值微型機或計算機微型機或計算機+-計算機控制技術(shù) 計算機的特點： 運算、邏輯判斷、記憶 計算機是如何實現(xiàn)自動控制的？計算機是如何實現(xiàn)自動控制的？1. 給定值和反饋值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸入計算機2. 計算機依照偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算（如 PID運算）3. 計算結(jié)果（數(shù)字信號）再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬控制信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)。計算機控制技術(shù)結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特

5、征 執(zhí)行控制功能的核心部件是計算機，是模數(shù)混合系統(tǒng)執(zhí)行控制功能的核心部件是計算機，是模數(shù)混合系統(tǒng) 控制規(guī)律利用軟件實現(xiàn)，便于實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律；控制規(guī)律利用軟件實現(xiàn)，便于實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律；可同時控制多個回路可同時控制多個回路 存在開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等不同類型的控制系統(tǒng)。存在開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等不同類型的控制系統(tǒng)。 1.1.1計算機控制系統(tǒng)的特征與工作原理計算機控制系統(tǒng)的特征與工作原理 計算機控制技術(shù)信號特征信號特征 t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模擬信號模擬信號e (

6、nT)r (nT)y (t)u*(t)u(nt)y (nT)y*(t)控制控制器器D/AA/D執(zhí)行執(zhí)行器器被控被控對象對象傳感傳感器器y (t)采樣器采樣器計算機計算機離散模離散模擬信號擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號數(shù)字信號數(shù)字信號量化模擬信號量化模擬信號系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出2. 信號特征：信號特征：計算機控制系統(tǒng)的信號有連續(xù)模擬、離散模計算機控制系統(tǒng)的信號有連續(xù)模擬、離散模擬、離散數(shù)字等多種信號形式擬、離散數(shù)字等多種信號形式計算機控制技術(shù) 按照計算機控制系統(tǒng)中按照計算機控制系統(tǒng)中信號的傳輸方向信號的傳輸方向，系統(tǒng)的信息，系統(tǒng)的信息通道由三部分組成通道由三部分組成 過程輸出通道過程輸出通道

7、，包含由，包含由D/A轉(zhuǎn)換器組成的模擬量輸出通道和轉(zhuǎn)換器組成的模擬量輸出通道和開關(guān)量輸出通道。開關(guān)量輸出通道。 （如無輸入通道，計算機（如無輸入通道，計算機開環(huán)開環(huán)控制控制系統(tǒng)系統(tǒng)）過程輸入通道過程輸入通道，包含由，包含由A/D轉(zhuǎn)換器組成的模擬量輸入通道和轉(zhuǎn)換器組成的模擬量輸入通道和開關(guān)量輸入通道。開關(guān)量輸入通道。（如無輸出通道，計算機采集系統(tǒng)、（如無輸出通道，計算機采集系統(tǒng)、開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)）人機交互通道人機交互通道，系統(tǒng)操作者通過人機交互通道向計算機控，系統(tǒng)操作者通過人機交互通道向計算機控制系統(tǒng)發(fā)布相關(guān)命令，提供操作參數(shù)，修改設置內(nèi)容等，制系統(tǒng)發(fā)布相關(guān)命令，提供操作參數(shù)，修改設置內(nèi)容等，計

8、算機則可通過人機交互通道向系統(tǒng)操作者顯示相關(guān)參數(shù)、計算機則可通過人機交互通道向系統(tǒng)操作者顯示相關(guān)參數(shù)、系統(tǒng)工作狀態(tài)、對像控制效果等。系統(tǒng)工作狀態(tài)、對像控制效果等。 計算機控制技術(shù)控制方法特征控制方法特征 常用的設計方法有兩種：常用的設計方法有兩種：模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化設計法模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化設計法 是采用連續(xù)系統(tǒng)的分析和設計方法，先設計出連續(xù)的控制器，再是采用連續(xù)系統(tǒng)的分析和設計方法，先設計出連續(xù)的控制器，再將它離散化轉(zhuǎn)換成差分方程，最后編程實現(xiàn)。缺點是只有當采樣周期很短時，將它離散化轉(zhuǎn)換成差分方程，最后編程實現(xiàn)。缺點是只有當采樣周期很短時，才能達到原設計的連續(xù)系統(tǒng)的性能指標。才能達到原設計的連

9、續(xù)系統(tǒng)的性能指標。 直接設計法直接設計法 是基于線性離散系統(tǒng)理論，直接設計數(shù)字控制器，它存在的問題是基于線性離散系統(tǒng)理論，直接設計數(shù)字控制器，它存在的問題是忽視了兩采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)過程，可能導致在各采樣點系統(tǒng)滿足性能是忽視了兩采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)過程，可能導致在各采樣點系統(tǒng)滿足性能指標要求，而實際系統(tǒng)的輸入指標要求，而實際系統(tǒng)的輸入/輸出特性很差。輸出特性很差。使用連續(xù)信號指標函數(shù)，考慮采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)特性，直接對具使用連續(xù)信號指標函數(shù)，考慮采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)特性，直接對具有有混合結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。這種方法最能反映系統(tǒng)的實際物理過程的系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。這種方法最能反映系

10、統(tǒng)的實際物理過程。 計算機控制技術(shù)功能特征功能特征 以軟件代替硬件 模擬硬件的成本幾乎和控制規(guī)律復雜程度成正比。控制規(guī)律是用軟件實現(xiàn)，有很大靈活性和適應性。 具有一定通用性，不同的控制對象硬件改動小，軟件重新設計。數(shù)據(jù)存儲 多種介質(zhì)：軟硬盤、U盤、光盤、紙質(zhì)、E2ROM、RAM 多種性質(zhì)： 海量、歷史、及時、緩沖、備份狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示 設備多：CRT類、打印繪圖類、模擬類 模式多：字符、圖形、影像、虛擬 內(nèi)容多：數(shù)值、狀態(tài)、軌跡、圖表、波形 方式多：靜態(tài)、動態(tài)、多維管理功能 聯(lián)網(wǎng)功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、資源共享、優(yōu)勢互補 管控一體化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)規(guī)劃、組織、決策、管理的最優(yōu)化結(jié)合。計算機控制技

11、術(shù)5 5 計算機控制系統(tǒng)的工作原理計算機控制系統(tǒng)的工作原理實時數(shù)據(jù)采集：實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測并輸入。對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測并輸入。實時控制決策：實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，按已定的控制規(guī)律，對采集到的被控量進行分析和處理，按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。決定將要采取的控制行為。實時控制輸出：實時控制輸出：根據(jù)控制決策、適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控根據(jù)控制決策、適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務。制任務。信信 息息 管管 理理 ：隨著網(wǎng)絡技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也是計算隨著網(wǎng)絡技術(shù)和控

12、制策略的發(fā)展，信息共享和管理也是計算機控制系統(tǒng)必須完成的功能。機控制系統(tǒng)必須完成的功能。上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標進行上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標進行工作工作,并對控制量和設備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理并對控制量和設備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理. 計算機控制過程可歸結(jié)為如下四個步驟：計算機控制過程可歸結(jié)為如下四個步驟：計算機控制技術(shù)計算機控制系統(tǒng)的工作方式計算機控制系統(tǒng)的工作方式 (1)(1)、在線方式和離線方式、在線方式和離線方式 (2)(2)、實時、實時 計算機控制系統(tǒng)的實時指信號的輸入、計算和輸出計算機控制系統(tǒng)的實時指信號的輸入、計算和輸出都要在一定

13、的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制以足夠快的速度進行控制 。 生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；稱為在線方式或聯(lián)機方式； 生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式或脫靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。機方式。 計算機控制技術(shù)1.1.2計算機控制系統(tǒng)的硬件組成計算機控制系統(tǒng)的硬件組成 接口接口接口接口接口接口A/DA/DD/A

14、D/A開關(guān)量輸入開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出開關(guān)量輸出傳感器、傳感器、變送器變送器多路開關(guān)多路開關(guān)多路開關(guān)多路開關(guān)接口接口顯示終端顯示終端打印機打印機磁盤磁盤驅(qū)動器驅(qū)動器通通信信設設備備人人機機聯(lián)聯(lián)系系接口接口接口接口接口接口微微型型計計算算機機執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程軟件軟件通用外部設備通用外部設備主機主機及操作臺及操作臺I/OI/O通道通道信號信號檢測與變送檢測與變送生產(chǎn)對象生產(chǎn)對象I/O接口接口I/O接口接口計算機控制技術(shù)主機主機核心部分，由核心部分，由CPU、RAM、ROM、時鐘、復位等構(gòu)成。、時鐘、復位等構(gòu)成。根據(jù)根據(jù)輸入通道送來的生產(chǎn)工況參數(shù)輸入通道送來的生產(chǎn)工況參數(shù)，按程序按程序

15、（控制規(guī)律）自動數(shù)據(jù)采集、處理、分析、計算，（控制規(guī)律）自動數(shù)據(jù)采集、處理、分析、計算，作出作出相應的控制決策或調(diào)節(jié)，通過輸出通道，及時發(fā)出控制指令。相應的控制決策或調(diào)節(jié)，通過輸出通道，及時發(fā)出控制指令。I/O接口接口I/O接口與接口與I/O通道是主機與外部連接的橋梁通道是主機與外部連接的橋梁I/O接口接口是主機與外圍器件或設備的連接接口，有并行、串行等。是主機與外圍器件或設備的連接接口，有并行、串行等。I/O通道通道是是過程通道，通過模擬量通道將生產(chǎn)過程參量傳送給計算機過程通道，通過模擬量通道將生產(chǎn)過程參量傳送給計算機 輸出模擬信號控制執(zhí)行機構(gòu)輸出模擬信號控制執(zhí)行機構(gòu) 通過數(shù)字量通道將生產(chǎn)過

16、程開關(guān)量傳送給計算機通過數(shù)字量通道將生產(chǎn)過程開關(guān)量傳送給計算機 輸出開關(guān)信號控制執(zhí)行機構(gòu)輸出開關(guān)信號控制執(zhí)行機構(gòu)計算機控制技術(shù) 通用外部設備通用外部設備主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。它主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。它們用來顯示、儲存、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。通用外圍設備按功能可分為輸入們用來顯示、儲存、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。通用外圍設備按功能可分為輸入設備、輸出設備和外存儲器三類。設備、輸出設備和外存儲器三類。 檢測元件與執(zhí)行機構(gòu)檢測元件與執(zhí)行機構(gòu)檢測元件檢測元件：傳感器傳感器 將被檢測的非電學量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學量將被檢測的非電學量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學量 變送器變送器 將傳感的電信號轉(zhuǎn)成

17、適于輸入通道的標準電信號將傳感的電信號轉(zhuǎn)成適于輸入通道的標準電信號執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)：為控制生產(chǎn)過程動作機構(gòu)。如開關(guān)，閥，電機，步進電機等。為控制生產(chǎn)過程動作機構(gòu)。如開關(guān)，閥，電機，步進電機等。 操作臺操作臺人機對話的聯(lián)系紐帶人機對話的聯(lián)系紐帶操作人員操作人員可通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令；可通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令；計算機計算機可向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀況發(fā)出報警信號可向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀況發(fā)出報警信號 計算機控制技術(shù)1.1.3 計算機控制系統(tǒng)軟件計算機控制系統(tǒng)軟件 按功能分類，軟件軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大部分按功能分類，軟件軟

18、件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大部分 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件一般是由計算機廠家提供的，用來管理計算機本身的資源、方便用戶使用計算機的軟件。它主要包括操作系統(tǒng)、各種編譯軟件、監(jiān)控管理軟件，這些軟件一般不需要用戶自己設計，它們只是作為開發(fā)應用軟件的工具。 應用軟件應用軟件是面向生產(chǎn)過程的程序，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序，數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波程序、標度變換程序、控制量計算程序等等。應用軟件大都由用戶自己根據(jù)實際需要進行開發(fā)。應用軟件的優(yōu)劣，將給控制系統(tǒng)的功能、精度和效率帶來很大的影響，它的設計是非常重要的。計算機控制技術(shù)1.21.2計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的分類 操作指導控制系統(tǒng)，操作指導控制系統(tǒng)，直接

19、數(shù)字控制系統(tǒng)，直接數(shù)字控制系統(tǒng)，監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)，監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)，分布式計算機控制系統(tǒng)，分布式計算機控制系統(tǒng)，計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng) 按照控制方式分類：按照控制方式分類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 按照控制規(guī)律分類：按照控制規(guī)律分類：程序和順序控制，比例積分微分控制程序和順序控制，比例積分微分控制（PID控制），有限拍控制，復雜規(guī)律控制，智能控制等控制），有限拍控制，復雜規(guī)律控制，智能控制等 按照系統(tǒng)的功能、工作特點分類：按照系統(tǒng)的功能、工作特點分類：計算機控制技術(shù)1.2.1操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng) 操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)（Operational

20、 Information SystemOIS）指計算機不直接用來控制生產(chǎn)對象，只對系統(tǒng)過程參數(shù)進行收指計算機不直接用來控制生產(chǎn)對象，只對系統(tǒng)過程參數(shù)進行收集、加工處理、然后輸出數(shù)據(jù)。操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行必集、加工處理、然后輸出數(shù)據(jù)。操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行必要的操作要的操作 顯示終端打印機微型機工業(yè)對象A/D轉(zhuǎn)換器采樣器測量元件調(diào)節(jié)器計算機控制技術(shù)操作操作指導指導計算機計算機 A/D多路多路開關(guān)開關(guān)檢測檢測元件元件生產(chǎn)生產(chǎn)過程過程顯示顯示打印打印操作者操作者執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)優(yōu)點：機構(gòu)簡單、控制靈活安全，特別適合用于未摸清控優(yōu)點：機構(gòu)簡單、控制靈活安全，特別適合用于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng)或用于

21、實驗新的數(shù)學模型和調(diào)試新的制規(guī)律的系統(tǒng)或用于實驗新的數(shù)學模型和調(diào)試新的控制程序等?？刂瞥绦虻?。缺點：由于最終需人工操作，故不適用于快速過程的控制。缺點：由于最終需人工操作，故不適用于快速過程的控制。計算機控制技術(shù)1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)顯示顯示打印打印接口接口計計算算機機執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)檢測檢測輸入輸入通道通道生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程接口接口輸 出輸 出通道通道設定值設定值直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control systemDDC） 是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式。是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式。 計算機通過輸入通道對一或多

22、個物理量進行巡回檢測，并計算機通過輸入通道對一或多個物理量進行巡回檢測，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，發(fā)出控制信號，通過輸出通道根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，發(fā)出控制信號，通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)。（直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)。（如計算機溫度控制系統(tǒng)）如計算機溫度控制系統(tǒng)）計算機控制技術(shù)1.2.3監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Control systemSCC） 計算機根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測值，按照所設計的控制算法進行計算，計算出最佳設定值直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計算機，最后由模擬調(diào)節(jié)器

23、或DDC計算機控制生產(chǎn)過程。 監(jiān)督控制方式的控制效果，主要取決于數(shù)學模型的優(yōu)劣。這個數(shù)學模型一般是針對某一目標函數(shù)設計的，如果這一數(shù)學模型能使某一目標函數(shù)達到最優(yōu)狀態(tài)，那么，這種控制方式就能實現(xiàn)最優(yōu)控制。當數(shù)學模型不理想時，控制效果也不會太理想。 分兩類： 1. SCC+模擬調(diào)節(jié)器 2. SCC+DDC控制系統(tǒng)計算機控制技術(shù)1.2.3監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)SCC+模擬調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器 SCC+DDC控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 SCC計算機計算機設定值設定值 測量值測量值A/D多路開關(guān)多路開關(guān)傳感器傳感器模擬調(diào)節(jié)器模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程SCC計算機計算機設定值設定值 檢測值檢測值DD

24、CD/A多路開關(guān)多路開關(guān)生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程A/D多路開關(guān)多路開關(guān)傳感器傳感器二級控制系統(tǒng) 計算機控制技術(shù)1.2.4集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCS）集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（Distributed Control systemDCS） 是企業(yè)經(jīng)營管理和生產(chǎn)過程控制分別由幾級計算機進行控是企業(yè)經(jīng)營管理和生產(chǎn)過程控制分別由幾級計算機進行控制，實現(xiàn)分散控制、集中管理的系統(tǒng)。制，實現(xiàn)分散控制、集中管理的系統(tǒng)。企業(yè)（公司）管理級企業(yè)（公司）管理級工廠管理級工廠管理級車間管理級車間管理級車間管理級車間管理級過程控制級過程控制級過程控制級過程控制級生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程總的協(xié)調(diào)、安排總生產(chǎn)總的協(xié)調(diào)、安排總生產(chǎn)計劃

25、、經(jīng)營方向決策計劃、經(jīng)營方向決策全廠各車間生產(chǎn)協(xié)調(diào)全廠各車間生產(chǎn)協(xié)調(diào)本車間各設備間協(xié)調(diào)本車間各設備間協(xié)調(diào)最底層，對生產(chǎn)設備最底層，對生產(chǎn)設備進行直接數(shù)字控制進行直接數(shù)字控制計算機控制技術(shù)1.2.4集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCS）生產(chǎn)管理生產(chǎn)管理計算機計算機操作員操作員站站工程師工程師站站過程控過程控制站制站生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程決策管理決策管理計算機計算機計算機計算機網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)決策管理計決策管理計算機算機決策管理決策管理計算機計算機生產(chǎn)管理生產(chǎn)管理計算機計算機生產(chǎn)管理生產(chǎn)管理計算機計算機計算機計算機網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)監(jiān)控計監(jiān)控計算機站算機站決策管理網(wǎng)絡決策管理網(wǎng)絡生產(chǎn)管理網(wǎng)絡生產(chǎn)管理網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡計算

26、機計算機網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)過程控過程控制站制站過程控過程控制站制站過程控過程控制站制站決策管理層決策管理層生產(chǎn)管理層生產(chǎn)管理層操作監(jiān)控層操作監(jiān)控層直接控制層直接控制層計算機控制技術(shù)1.2.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS) 現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設備與控制室之間的全現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設備與控制室之間的全數(shù)字式、數(shù)字式、開放的、雙向開放的、雙向的通信網(wǎng)絡。的通信網(wǎng)絡。 現(xiàn)在國際上流行的設備級的通信網(wǎng)絡現(xiàn)在國際上流行的設備級的通信網(wǎng)絡,如如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF 等等 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用全分散化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用全分散化, 現(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀現(xiàn)場總

27、線的節(jié)點是現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表，如傳感器、變送器、執(zhí)行器等。表，如傳感器、變送器、執(zhí)行器等。 信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化,從最底層逐層向最高層均采用通信從最底層逐層向最高層均采用通信網(wǎng)絡互連網(wǎng)絡互連; 現(xiàn)場設備具有互操作性現(xiàn)場設備具有互操作性,改變了改變了DCS 控制層的封閉性和專用性控制層的封閉性和專用性,不同廠家的現(xiàn)場設備既可互連也可互換不同廠家的現(xiàn)場設備既可互連也可互換,并可以統(tǒng)一組態(tài)并可以統(tǒng)一組態(tài); 通信網(wǎng)絡為開放式互連網(wǎng)絡通信網(wǎng)絡為開放式互連網(wǎng)絡,可極其方便地可極其方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享; 技術(shù)和標準實現(xiàn)了全開放技術(shù)和標準實現(xiàn)了全開放,面向任何一個制造商和用戶

28、。面向任何一個制造商和用戶。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Field Control SystemFCS）計算機控制技術(shù) 是計算機技術(shù)，網(wǎng)絡技術(shù)、自動化技術(shù)、信號處理技術(shù)、管理技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展的結(jié)果 將企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、計劃、產(chǎn)品設計、加工制造、銷售及服務等環(huán)節(jié)和人力、財力、設備等生產(chǎn)要素集成起來,進行統(tǒng)一控制,求得生產(chǎn)活動的最優(yōu)化。 計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System)計算機控制技術(shù) CIM的理念包括兩個基本出發(fā)點 第一點是企業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)不可分割的，需要統(tǒng)一考慮； 第二點

29、整個制造生產(chǎn)過程實質(zhì)上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程。 主要應包括工程設計自動化、產(chǎn)品加工自動化和生產(chǎn)管理信息化等三個方面。 計算機控制技術(shù)1.3計算機控制的發(fā)展概況及趨勢計算機控制的發(fā)展概況及趨勢1.3.1計算機控制的發(fā)展過程計算機控制的發(fā)展過程 第一臺電子計算機于第一臺電子計算機于1946年在美國問世年在美國問世 50年代末，用于過程控制年代末，用于過程控制 ； 1962年年,英國帝國化學工業(yè)公司實現(xiàn)了一個英國帝國化學工業(yè)公司實現(xiàn)了一個DDC系統(tǒng)系統(tǒng) ； 60年代后期年代后期 ，集成電路技術(shù)的發(fā)展集成電路技術(shù)的發(fā)展 ，出現(xiàn)了適合工業(yè)生產(chǎn)過出現(xiàn)了適合工業(yè)生產(chǎn)過程控制的小型計算機程控制的小

30、型計算機 ； 1972年出現(xiàn)了微型計算機年出現(xiàn)了微型計算機 ，分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)DCSDCS；計算機控制技術(shù)1.3.2 計算機控制理論與新型控制策略計算機控制理論與新型控制策略 計算機控制系統(tǒng)理論主要包括計算機控制系統(tǒng)理論主要包括離散系統(tǒng)理論離散系統(tǒng)理論采樣系統(tǒng)理論采樣系統(tǒng)理論數(shù)字系統(tǒng)理論數(shù)字系統(tǒng)理論 計算機控制理論計算機控制理論 計算機控制技術(shù) 差分方程及差分方程及z變換理論變換理論 差分方程是微分方程的離散化 ，根據(jù)采樣的各離散變量之間及時間上變化關(guān)系，如遞推關(guān)系，描述系統(tǒng)離散型模型，得到各變量運行規(guī)律。 z變換理論：分析線性時不變系統(tǒng)問題的重要工具，常用以求線性時不變差分方程的

31、解 ，根據(jù)零、極點分布分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和因果性;定性分析系統(tǒng)的頻域特征。 常規(guī)設計方法常規(guī)設計方法 以z傳遞函數(shù)（離散域傳遞函數(shù)）作為數(shù)學模型對離散系統(tǒng)進行常規(guī)設計的各種方法的研究。 如：有限拍控制、根軌跡法設計、離散PID控制、參數(shù)尋優(yōu)設計及直接解析設計法等。 按極點配置的設計法按極點配置的設計法 在已知被控對象的狀態(tài)空間模型的前提下，可按極點配置來設計控制器，使閉環(huán)系統(tǒng)既有克服擾動的能力，又有跟蹤給定值的能力。 系統(tǒng)辨識及自適應控制系統(tǒng)辨識及自適應控制 根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出時間函數(shù)來確定描述系統(tǒng)行為的數(shù)學模型，系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。計算機控制技術(shù)采樣理論

32、主要包括香農(nóng)采樣定理、采樣頻譜及混疊、采樣信號的恢復及采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖分析等。連續(xù)模型及性能指標的離散化 連續(xù)系統(tǒng)的模型包括傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程，性能指標是連續(xù)的，用離散系統(tǒng)分析設計，則需離散化。性能指標函數(shù)的計算 用離散的控制系統(tǒng)計算連續(xù)的控制對象的性能指標函數(shù)。采樣控制系統(tǒng)的仿真采樣周期的選擇計算機控制技術(shù) 數(shù)字系統(tǒng)理論除了包括離散系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)的雙論外 還包括數(shù)字信號整量化效應的研究，如量化誤差、非線性特性等 現(xiàn)實中的一些問題：如計算延時、控制算法編程等。計算機控制技術(shù)新型控制策略新型控制策略魯棒控制魯棒控制 預測控制預測控制 模糊控制模糊控制 神經(jīng)控制神經(jīng)控制 專家控制專家控制 遺傳算法遺傳算法 計算機控制技術(shù) 在常規(guī)計算機控制中，我們總是假設已經(jīng)知道了受控對在常規(guī)計算機控制中，我們總是假設已經(jīng)知道了受控對象的模型，但由于實際中存在種種不確定因素：象的模型，但由于實際中存在種種不確定因素： 參數(shù)變化；參數(shù)變化； 未建模動態(tài)特性；未建模動態(tài)特性； 平衡點的變化；平衡點的變化； 傳感器噪聲；傳感器噪聲； 不可預測的干擾輸入；不可預測的干擾輸入； 所以我們所建立的對象模型只是實際物理系統(tǒng)的不精