華中科技大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)課件 新編第一章

1、計算機(jī)控制技術(shù)武漢科技(kj)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院作者(zuzh)：施保華出版：華中科技大學(xué)出版社講授：陳林共三十四頁第一章 緒 論1. 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成(z chn)及特點(diǎn)2. 計算機(jī)在控制中的典型應(yīng)用(yngyng)方式3. 工業(yè)控制機(jī)4. 開放式的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法5.計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究課題和發(fā)展共三十四頁第一節(jié) 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成(z chn)及特點(diǎn) 1.1 計算機(jī)控制的一般概念(ginin) 圖1-1 計算機(jī)控制系統(tǒng)基本框架 返回首頁共三十四頁計算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)完成的主要任務(wù)：（1）數(shù)據(jù)的實時采集(cij)（2）控制與決策 （3）控制量的輸出共三十四頁幾

2、個常用(chn yn)術(shù)語在線（Online）：計算機(jī)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備直接相連離線（Offline）：計算機(jī)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備斷開實時（Real time）：計算機(jī)輸入、輸出和計算都在規(guī)定時間內(nèi)完成在線與實時的關(guān)系 一個在線系統(tǒng)不一定是實時系統(tǒng) 一個實時系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)涉及的信號 連續(xù)信號：定義在整個連續(xù)時間范圍內(nèi)的信號（連續(xù)值，有限個間斷(jindun)點(diǎn)） 離散信號：定義在各個離散瞬時上的信號 數(shù)字信號：幅值量化的離散信號（取一組間斷的數(shù)值來表示一個變量的過程成為量化）共三十四頁1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成(z chn)及特點(diǎn)圖1-2共三十四頁 計算機(jī)控制系統(tǒng)可以分為硬件

3、和軟件兩大部分 硬件: 是指計算機(jī)本身及外圍設(shè)備，一般包括中央處理器、內(nèi)存儲器(ni cn ch q)、磁盤驅(qū)動器、各種接口電路、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道以及各種顯示、記錄設(shè)備、運(yùn)行操作臺等 軟件: 包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件,系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng), 診斷系統(tǒng)，開發(fā)系統(tǒng)，信息處理；應(yīng)用軟件如過程監(jiān)視，過程控制計算 計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本模式為內(nèi)總線模式 特點(diǎn)：過程I/O，人機(jī)接口與存儲器相當(dāng)，具有相同的模式，以及相當(dāng)?shù)拇嫒∷俣取?返回本節(jié)共三十四頁計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 對于外部環(huán)境的低靈敏性，如環(huán)境溫度、 濕度和元器件使用時間等； 數(shù)字信號傳輸成本低，抗干擾能力

4、強(qiáng)； 沒有參數(shù)漂移現(xiàn)象(xinxing)； 可靠性高； 能以較低的成本完成非常復(fù)雜的工作； 通過軟件很容易改動系統(tǒng)，因此具有很高的柔性； 能夠?qū)崿F(xiàn)多個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，典型應(yīng)用如機(jī)器人多關(guān)節(jié)控制等； 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制，如自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制、變結(jié)構(gòu)控制、智能控制、模型預(yù)測控制等；共三十四頁第二節(jié) 計算機(jī)在控制中的典型(dinxng)應(yīng)用方式計算機(jī)控制的發(fā)展概況開創(chuàng)期約1955年（監(jiān)督方式運(yùn)行，需常規(guī)模擬控制設(shè)備(shbi)） 操作指導(dǎo)方式運(yùn)行 設(shè)定定值控制直接數(shù)字控制期約1962年（計算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程）小型計算機(jī)控制期約1972年微型計算機(jī)控制期約1972年集散型控制期約1975年（Hon

5、eywell, TDC2000）網(wǎng)絡(luò)化控制期約20世紀(jì)90年代共三十四頁第二節(jié) 計算機(jī)在控制中的典型應(yīng)用(yngyng)方式 根據(jù)計算機(jī)在控制中的典型應(yīng)用方式，可以把計算機(jī)控制系統(tǒng)劃分為四類： （1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，適用于復(fù)雜的工業(yè)過程。如早期的窯爐控制等慢過程的決策與控制。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展(fzhn)，將逐步被計算機(jī)控制所取代。 缺點(diǎn)：人的勞動強(qiáng)度較大，不適合快速系統(tǒng)。 圖 1-3 計算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)示意圖見下頁共三十四頁圖1-3共三十四頁（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)） 直接數(shù)字控制(kngzh)，可完全代替模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多路控制(kngzh)，

6、應(yīng)用先進(jìn)的控制(kngzh)規(guī)律，如串級控制(kngzh)，智能控制(kngzh)，自適應(yīng)控制(kngzh)等。 DDC是分散計算機(jī)控制系統(tǒng)的最小子系統(tǒng)。 圖1-4 直接數(shù)字控制器共三十四頁（3）監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC系統(tǒng)） SCC系統(tǒng)有兩種類型： （1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器 （2）SCC+DDC控制系統(tǒng) SCC計算機(jī)完成對過程參數(shù)的采集，顯示，分析，決策，給出優(yōu)化的設(shè)定(sh dn)，實現(xiàn)最優(yōu)控制或次 優(yōu)控制。SCC計算機(jī)的設(shè)定可以是動態(tài)的優(yōu)化的設(shè)定和穩(wěn)態(tài)的優(yōu)化設(shè)定。可以不頻繁參與控制，當(dāng)其出現(xiàn)故障，DDC控制仍可繼續(xù)。 圖1-5 監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 a）SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)

7、b）SCC+DCC系統(tǒng) 見下頁共三十四頁圖1-5共三十四頁（4）分散(fnsn)計算機(jī)控制系統(tǒng) 分散控制，集中管理 特點(diǎn)：由于計算機(jī)控制系統(tǒng)的價格的下降，采用分散控制成為可能。將過程分為N個自系統(tǒng)，實現(xiàn)分散控制，子系統(tǒng)之間的信息交換通過上位計算機(jī)完成，實現(xiàn)信息的集中與優(yōu)化。有效克服了“危險集中”的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。 分散型控制系統(tǒng)：DCS結(jié)構(gòu)如下圖1-6見下頁共三十四頁圖1-6共三十四頁（5）現(xiàn)場總線型系統(tǒng) 提出該系統(tǒng)的目的是為了更好的實現(xiàn)現(xiàn)場信號的就地處理，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場各種不同的計算機(jī)控制裝置的信息交換而制定的總線規(guī)范(gufn)。可更加靈活，方便，有效實現(xiàn)信息的分散化處理以及子系統(tǒng)

8、之間的信息交換，提高系統(tǒng)的可靠性。如CAN，PROFIBUS等。 結(jié)構(gòu)圖如圖1-7：見下頁共三十四頁返回本節(jié)圖1-7共三十四頁現(xiàn)場總線(zn xin)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 新一代分布式控制結(jié)構(gòu) 以“工作站現(xiàn)場總線儀表”的二層結(jié)構(gòu)完成DCS三層結(jié)構(gòu)的功能 可以降低成本，提高可靠性，實現(xiàn)(shxin)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共三十四頁第三節(jié) 工業(yè)(gngy)控制機(jī) 3.1 工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn) 與商業(yè)用計算機(jī)相比： （1）豐富(fngf)的I/O功能（模塊） （2）實時性，具有時間驅(qū)動和事件驅(qū)動能力。 （3）高的可靠性。MTBF達(dá)幾千或上萬小時， 短的故障修復(fù)時間，運(yùn)行效率高。 （4）環(huán)境適應(yīng)性。適應(yīng)高溫、

9、高濕、腐蝕振動、灰塵、電磁干擾等。 （5）豐富的軟件支持。 （6）技術(shù)的綜合性。 返回首頁共三十四頁3.2 典型的工業(yè)控制機(jī) （1）STD總線工業(yè)控制機(jī) STD總線工業(yè)控制機(jī)采用了開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊化是STD最突出的特點(diǎn)，其系統(tǒng)(xtng)沒有固定的模式和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，而是提供了大量的功能模塊，用戶可根據(jù)需要，可配置成不同工業(yè)對象，不同生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)過程的工業(yè)控制機(jī)。 （2）PC總線工業(yè)控制機(jī) 采用PC總線控制機(jī)有許多的優(yōu)點(diǎn)，尤其支持軟件特別豐富，各種軟件包不計其數(shù)，這可大大減少軟件開發(fā)的工作量，而且PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)方便，容易構(gòu)成多微機(jī)控制與管理一體化的綜合系統(tǒng)、分級計算機(jī)控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)。返

10、回本節(jié)共三十四頁第四節(jié) 開放式的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(shj)方法 設(shè)計師面臨以下問題： （1）產(chǎn)品的更新速度加快（集成度的提高，微處理器的速度的提高，新器件的出現(xiàn)等） （2）市場競爭的激烈 影響產(chǎn)品成功的兩大因素：系統(tǒng)成本和設(shè)計周期 其中系統(tǒng)成本的主要構(gòu)成： 方案試驗 印刷(ynshu)板設(shè)計 生產(chǎn)準(zhǔn)備 硬件和軟件測試方法的開發(fā) 生產(chǎn)和測試手段投資 人員培訓(xùn) 材料和配套設(shè)備的采購 返回首頁共三十四頁 開放系統(tǒng)的設(shè)計思想是：向未來的VLSI開放，在技術(shù)上兼顧未來的發(fā)展，留下容納未來新技術(shù)的余地；著眼社會的公共參與（如STD，IPC）；兼顧通用的基本設(shè)計和用戶專用(zhunyng)要求。 返回本節(jié)（3

11、） 難以(nny)滿足用戶的要求共三十四頁第五節(jié) 計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究課題和發(fā)展(fzhn)方向5.1 研究課題：（1）集散控制系統(tǒng)(kn zh x tn)（2）可編程控制器（3）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（4）低成本自動化（5）智能控制系統(tǒng)返回首頁5.2 發(fā)展趨勢： 1、小型化 (1) 模塊的小型化共三十四頁 集成電路的發(fā)展使得器件的功能越來越強(qiáng)大 在線可編程器件的應(yīng)用 表面安裝技術(shù)（印刷板成本下降，組裝成本下降，系統(tǒng)性能的改進(jìn)） 專用集成電路 (2) 系統(tǒng)的小型化 2 、組合化（軟件(run jin)和硬件的組合化） 3 、模塊化（軟件和硬件的模塊化） 4 、標(biāo)準(zhǔn)化（總線，通信接口，工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，

12、外圍設(shè)備） 返回本節(jié)共三十四頁5.3 研究(ynji)過程共三十四頁實例：中壓變頻器主電路(dinl)拓?fù)涔踩捻搶嵗?shl)：DTC控制算法框圖共三十四頁實例：網(wǎng)絡(luò)化的電機(jī)(dinj)控制系統(tǒng) 共三十四頁汽車(qch)控制系統(tǒng)共三十四頁汽車(qch)控制系統(tǒng)馬達(dá)控制器車燈尾燈(widng)控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(tǒng)共三十四頁本課程(kchng)的目的和任務(wù)工業(yè)控制是計算機(jī)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機(jī)控制正是為了適應(yīng)(shyng)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(jī)技術(shù)和自動化控制理論應(yīng)用于工

13、業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機(jī)控制系統(tǒng)。通過本課程的學(xué)習(xí),同學(xué)們能夠了解和掌握以微型機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)知識和基本應(yīng)用技術(shù)。共三十四頁主要(zhyo)參考文獻(xiàn)謝劍英等. 微型計算機(jī)控制技術(shù)（第3版）, 國防工業(yè)出版社, 2001K. J. Astrom, B. Wittenmark. 計算機(jī)控制系統(tǒng)原理(yunl)與設(shè)計（第3版）, 電子工業(yè)出版社, 2001于海生等. 微型計算機(jī)控制技術(shù), 清華大學(xué)出版社, 1999共三十四頁內(nèi)容摘要計算機(jī)控制技術(shù)。 連續(xù)信號：定義在整個連續(xù)時間范圍內(nèi)的信號（連續(xù)值，有限個間斷點(diǎn)）。 離散信號：定義在各個離散瞬時上的信號。 數(shù)字信號：幅值量化的離散信號（取一組間斷的數(shù)值來表示一個變量的過程