chapter1-緒論

1、華夏學(xué)院 計算機控制技術(shù)多媒體教學(xué)課程涵義 工業(yè)控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域, 計算機控制技術(shù)正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù), 它主要研究如何將計算機技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于生產(chǎn)過程, 并設(shè)計出所需要的計算機控制系統(tǒng). 因此計算機控制技術(shù)是我國高等學(xué)校各類自動化、 計算機應(yīng)用、 電子與電氣工程等專業(yè)的主干專業(yè)課程。微型計算機控制技術(shù)微型計算機控制技術(shù)是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課之一。是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課之一。課程總目標(biāo)教 材 作 者： 于海生 出 版 社：機械工業(yè)出版社 版 別：第1版第1次 出版日期：2007.6 微型計算機控制技術(shù) 高國琴微型計算機控制技術(shù) 機械工業(yè)出

2、版社 2006 賴壽宏微型技術(shù)機控制技術(shù)機械工業(yè)出版社 馮培悌 計算機控制技術(shù)浙江大學(xué)出版社 陶永華 尹怡欣 葛蘆生新型PID控制及其運用 機械工業(yè)出版社 潘日芳計算機控制技術(shù)清華大學(xué)出版社 王錦標(biāo) 方崇智過程計算機控制清華大學(xué)出版社 何克忠、李偉編著計算機控制系統(tǒng) 清華大學(xué)出版社 劉樂善 微型計算機接口技術(shù)及應(yīng)用華中理工大學(xué)出版社閱讀期刊： 工業(yè)控制機、控制工程、測控技術(shù)、電工業(yè)控制機、控制工程、測控技術(shù)、電氣自動化、自動化儀表、工業(yè)儀表與自氣自動化、自動化儀表、工業(yè)儀表與自動化裝置，化工自動化及儀表動化裝置，化工自動化及儀表 等等。等等。 介紹計算機控制系統(tǒng)及其組成、 分類、 發(fā)展概況及趨

3、勢。分別討論輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件設(shè)計、數(shù)字程序控制技術(shù)和常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)、計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)以及計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則、 步驟及工程實現(xiàn)等, 并給出了應(yīng)用實例。 A/D轉(zhuǎn)換器及模擬量輸入通道設(shè)計 D/A轉(zhuǎn)換器及模擬量輸出通道設(shè)計 數(shù)字控制器的連續(xù)化與離散化設(shè)計技術(shù) PID控制 先修課程 本課程涉及的知識范圍較廣, 除了計算機的知識外還涉及到傳感器技術(shù)與執(zhí)行機構(gòu), 自動控制技術(shù)等領(lǐng)域. 與所學(xué)如下課程相關(guān):第1章 緒論第2章 輸入輸出接口與過程通道第3章 數(shù)字程序控制技術(shù)第4章 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù) 第5章 現(xiàn)代控制技術(shù)第6章 應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù) 第7章分

4、散型測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 第8章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)平時: 20%實驗： 20%筆試： 60% 本章主要介紹計算機控制系統(tǒng)及其組成、工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢。第1章 緒論 計算機控制系統(tǒng)是自動控制理論、自動化技術(shù)與計算機技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，控制理論的發(fā)展，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，與計算機技術(shù)息息相關(guān)。 利用計算機快速強大的數(shù)值計算、邏輯判斷等信息加工能力，計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。計算機為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用提供了有力的工具。 計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用簡介（1）計算機技術(shù)與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問，（2）以計算機為核心部

5、件的過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。（3）從計算機應(yīng)用的角度出發(fā)，自動化控制工程是其重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動化控制工程來看，計算機技術(shù)又是一個主要的實現(xiàn)手段。 計算機控制技術(shù)及工程應(yīng)用實例：一個制藥車間的自動化生產(chǎn)流程實例：一個制藥車間的自動化生產(chǎn)流程。 計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制實踐所提出來的一系列理論與工程上的問題，又進(jìn)一步促進(jìn)和推動了控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展。 計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，不但是國防、航空航天、導(dǎo)彈制導(dǎo)等高精尖學(xué)科必不可少的組成部分，而且在現(xiàn)代化的工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域也已發(fā)揮著越來越重要的作用。 隨著計算機技術(shù)、高級控制策略、現(xiàn)場總線智能儀表和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機

6、控制技術(shù)水平必將大大提高。 計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用簡介1.1 計算機控制系統(tǒng)概述1.2 計算機控制系統(tǒng)的典型形式1.3 計算機控制的發(fā)展與展望內(nèi) 容 計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，控制對象和控制任務(wù)可從小到大，從簡單到復(fù)雜，小到控制單個電機的運轉(zhuǎn)或閥門的開關(guān)，大到可以控制和管理一條生產(chǎn)線、一個車間乃至整個企業(yè)；既可以是單回路參數(shù)的簡單控制，又可以是復(fù)雜控制規(guī)律的自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、模糊控制和神經(jīng)控制等。下面首先通過幾個典型的計算機控制系統(tǒng)介紹，以了解計算機控制系統(tǒng)的使用、組成結(jié)構(gòu)、功能以及特點，進(jìn)而給出計算機控制系統(tǒng)的分類。 1.1 計算機控制系統(tǒng)概述 計算機控制系統(tǒng) (1)計算機控制系統(tǒng)的

7、原理 微型計算機控制系統(tǒng)是由計算機（工業(yè)控制計算機）和工業(yè)對象兩大部分組成。圖1-1給出了按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。 圖1-2中給出了開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)，不同它的控制器直接根據(jù)給定信號去控制被控對象工作。被控制量在整個控制過程中對控制量不產(chǎn)生影響。與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，它的控制性能較差。 如果把圖1-1中的控制器用微型計算機來代替，就可以構(gòu)成微型計算機控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-3所示。在微型計算機控制系統(tǒng)中，只要運用各種指令，就能編出符合某種控制規(guī)律的程序。微處理器執(zhí)行這樣的程序，就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。 1.1 計算機控制系統(tǒng)概述控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象變換發(fā)送單元給

8、定信號被控參數(shù)測量元件+-圖1-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖1-2 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖控制器被控對象執(zhí)行機構(gòu)給定信號被控參數(shù)圖1-3 計算機控制系統(tǒng)基本框圖AD轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器被控對象執(zhí)行機構(gòu)被控參數(shù)微處理器微型計算機給定信號返回典型測量變送生產(chǎn)過程工業(yè)控制機 計算機控制系統(tǒng) (2)在線控制和離線控制 在線方式（或聯(lián)機方式）： 在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式。 離線方式（脫機方式）：生產(chǎn)過程不與計算機相連，并且不受計算機控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式。 (3)實時控制 所謂實時，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍那完成，亦即計算機對輸入信息，以

9、足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。 1.1 計算機控制系統(tǒng)概述 在線系統(tǒng)是否一定是實時系統(tǒng)？在線系統(tǒng)是否一定是實時系統(tǒng)？ 實時系統(tǒng)是否一定是在線系統(tǒng)？實時系統(tǒng)是否一定是在線系統(tǒng)？ 如何保證系統(tǒng)的實時性？如何保證系統(tǒng)的實時性？ 計算機控制系統(tǒng)的組成 計算機控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機和生產(chǎn)過程兩大部分組成。計算機控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1-4所示。 工業(yè)控制機：指按生產(chǎn)過程控制的特點和要求來設(shè)計的計算機，它包括硬件和軟件兩個部分。 生產(chǎn)過程：包括被控對象、測量變送、執(zhí)行機構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。 1.1 計算機控制系統(tǒng)概述工業(yè)控制機生產(chǎn)過程CPU/MEM人機接口系統(tǒng)

10、支持板磁盤配適器內(nèi)部總線模擬量輸入（AI）通道模擬量輸出（AO）通道數(shù)字量輸入（DI）通道數(shù)字量輸出（DO）通道測量變送執(zhí)行機構(gòu)電氣開關(guān)電氣開關(guān)被控對象圖1-4 計算機控制系統(tǒng)的組成框圖 微型計算機控制系統(tǒng)的硬件一般是由微型計算機、外部設(shè)備、輸入輸出通道和操作臺等組成，如圖1-5所示。1.1 計算機控制系統(tǒng)概述圖1-5 微型計算機控制系統(tǒng)原理圖1.1 計算機控制系統(tǒng)概述 軟件是指能完成各種功能的計算機程序的總和。 軟件它是微型計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。 軟件通常分為兩大類： 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件1.1 計算機控制系統(tǒng)概述表1-1 計算機控制系統(tǒng)軟件

11、分類表1-1 計算機控制系統(tǒng)軟件分類軟件軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序診斷系統(tǒng)診斷系統(tǒng)調(diào)節(jié)程序、診斷程序等調(diào)節(jié)程序、診斷程序等開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)信息處理信息處理文字翻譯、企業(yè)管理文字翻譯、企業(yè)管理應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件過程監(jiān)視過程監(jiān)視上、下限檢查及報警、巡回檢測、操作面板服務(wù)、濾波上、下限檢查及報警、巡回檢測、操作面板服務(wù)、濾波及標(biāo)度變換、判斷程序、過程分析等及標(biāo)度變換、判斷程序、過程分析等過程控制計算過程控制計算控制算法程序控制算法程序PID算法、最優(yōu)化控制、串級算法、最優(yōu)化控制、串級調(diào)節(jié)、系統(tǒng)辨識、比值調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)、系

12、統(tǒng)辨識、比值調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)、其他前饋調(diào)節(jié)、其他事故處理程序事故處理程序信息管理程序信息管理程序文件管理、輸出、打印、顯文件管理、輸出、打印、顯示示公共服務(wù)公共服務(wù)數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編輯程序、函數(shù)運算程序、基本運數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編輯程序、函數(shù)運算程序、基本運算程序算程序1.2 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點,可以將計算機控制系統(tǒng)大致分為: 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC 監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC 分散控制系統(tǒng)DCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 綜合自動化系統(tǒng)（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)定義：計算機測得的信號數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的控制算法，計算出定義：計算機測得的

13、信號數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的控制算法，計算出 供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。 缺點：開環(huán)控制。由人操作，實時性差，不能控制多個對象。缺點：開環(huán)控制。由人操作，實時性差，不能控制多個對象。計算機通過測量元件對一個或多個物理量進(jìn)行巡回檢測，經(jīng)過程輸入通道輸入計算機，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律和給定值進(jìn)行運算，然后發(fā)出控制信號直接去控制執(zhí)行機構(gòu)，使各個被控制量達(dá)到預(yù)定的要求。 在DDC系統(tǒng)中，計算機不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器參加閉環(huán)控制過程，而且不需改變硬件，只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)較復(fù)雜的控制規(guī)

14、律，如前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等。（2）直接數(shù)字控制(DDC)定義：計算機首先通過模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入通道實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過模擬量輸出通道、開關(guān)量輸出通道直接控制生產(chǎn)過程。 優(yōu)點： 能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、多回路控制，能夠靈活的把各種算法施加于生產(chǎn)過程。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資高。管理命令DDC微型機報告人工監(jiān)管給定值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)檢測元件D/A反多路開關(guān)生產(chǎn)過程圖1-7 DDC系統(tǒng)控制原理圖AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器被控對象被控對象執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)被控參數(shù)被控參數(shù)微處理器微處理器微型計算機微型計算機給定給定信號信號

15、+-計算機首先通過模擬量輸入通道、開關(guān)計算機首先通過模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入通道實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一量輸入通道實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行計算，最后發(fā)出控制定的控制規(guī)律進(jìn)行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過模擬量輸出通道、開關(guān)量信息，并通過模擬量輸出通道、開關(guān)量輸出通道直接控制生產(chǎn)過程輸出通道直接控制生產(chǎn)過程檢測變送檢測變送計算機過程控制系統(tǒng)計算機過程控制系統(tǒng)微型計算機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)微型計算機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)計算機數(shù)字程序控制系統(tǒng)計算機數(shù)字程序控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式： SCC模擬調(diào)節(jié)器 SCCDDC控制系統(tǒng)。原理：原理：計算機按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型

16、計算出計算機按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型計算出最佳給定值后，送給模擬調(diào)節(jié)器或最佳給定值后，送給模擬調(diào)節(jié)器或DDCDDC計算機，并計算機，并由模擬調(diào)節(jié)器或由模擬調(diào)節(jié)器或DDCDDC計算機控制生產(chǎn)過程計算機控制生產(chǎn)過程優(yōu)點：優(yōu)點：根據(jù)工作狀態(tài)的變化，改變給定值，以實現(xiàn)根據(jù)工作狀態(tài)的變化，改變給定值，以實現(xiàn)最優(yōu)控制最優(yōu)控制管理命令報告人工監(jiān)管給定值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)檢測元件生產(chǎn)過程.管理命令報告人工監(jiān)管給定值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)檢測元件生產(chǎn)過程DDCD/A反多路開關(guān).圖1-7 SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖 圖1-8 SCC+DCC控制系統(tǒng)原理圖 管理命令管理命令報告報告人工監(jiān)管人工監(jiān)管給定值給定

17、值測量值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)多路開關(guān)檢測元件檢測元件生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程.圖1-8 SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖 由計算機系統(tǒng)對各物理量進(jìn)由計算機系統(tǒng)對各物理量進(jìn)行巡回檢測，并按一定的數(shù)學(xué)行巡回檢測，并按一定的數(shù)學(xué)模型，計算出模型，計算出最佳給定值最佳給定值并送并送給模擬調(diào)節(jié)器給模擬調(diào)節(jié)器 此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進(jìn)行比較后，其偏差值檢測值進(jìn)行比較后，其偏差值經(jīng)經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計算模擬調(diào)節(jié)器計算，然后輸出，然后輸出到執(zhí)行機構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)生產(chǎn)到執(zhí)行機構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的過程的目的 當(dāng)當(dāng)SCC計算機出現(xiàn)故障計算機出現(xiàn)故障時，時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立完成操作可由模擬調(diào)

18、節(jié)器獨立完成操作計算機根據(jù)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描計算機根據(jù)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其它方法，自動地改述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其它方法，自動地改變模擬調(diào)節(jié)器的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終變模擬調(diào)節(jié)器的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況處于最優(yōu)工況(如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本等等低成本等等)。從這個角度上說，它的作用是改。從這個角度上說，它的作用是改變給定值變給定值管理命令管理命令報告報告人工監(jiān)管人工監(jiān)管給定值給定值測量值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)多路開關(guān)檢測元件檢測元件生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程DDCD/A反多路開關(guān)反多路開關(guān). 圖1-

19、9 SCC+DCC控制系統(tǒng)原理圖 圖1-9 SCC+DDC控制系統(tǒng)原理圖 一個兩級計算機控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)一個兩級計算機控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)控級控級SCC，另一級為，另一級為DDC 監(jiān)控級監(jiān)控級SCC：完成車間或工段等高一：完成車間或工段等高一級的級的最優(yōu)化分析和計算最優(yōu)化分析和計算，并給出，并給出最佳給最佳給定值定值送給送給DDC級直接控制生產(chǎn)過程兩級級直接控制生產(chǎn)過程兩級計算機之間通過接口進(jìn)行信息交流計算機之間通過接口進(jìn)行信息交流 當(dāng)當(dāng)DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC級計算機完成級計算機完成DDC的控制功能，大的控制功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性大提高了系統(tǒng)的可靠性 SCC級計算機承擔(dān)了先進(jìn)控制、過程級計算機承擔(dān)了先進(jìn)控制、過程優(yōu)化與部分管理任務(wù)，信息存儲量大，優(yōu)化與部分管理任務(wù)，信息存儲量大，計算任務(wù)重，一般選用高檔微型機或小計算任務(wù)重，一般選用高檔微型機或小型機作為型機作為SCC級計算機級計算機 集散控制系統(tǒng)（Distributed Control SystemDCS），又稱分散或分布式控制系統(tǒng)分級計算機控制系統(tǒng)， 由于計算機控制和管理范圍的縮小，使其應(yīng)用靈活方便，可靠性增高；特點: 將控制功能和危險性分散，用多臺計算機分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制又能實現(xiàn)管理； 電纜和敷纜成本低，易于施工，且施工周