第1章-計算機控制技術(shù)-20150109

計算機控制技術(shù)

教材:戴永.微型計算機控制技術(shù).湖南:湘潭大學(xué)出版社,2009參考資料:孔峰.微型計算機控制新技術(shù).重慶:重慶大學(xué)出版社,2012于海生,計算機控制技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,2013劉國榮,計算機控制技術(shù)與應(yīng)用(第2版).北京:機械工業(yè)出版社,2013成績評定實驗+考勤：30%閉卷考試：70%課程教學(xué)說明一.課程特性1）地位電氣類、自動化類專業(yè)課2）關(guān)系專業(yè)硬件基礎(chǔ)課專業(yè)理論基礎(chǔ)課計算機控制技術(shù)3）目的使同學(xué)們了解、掌握微機控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識、微機控制系統(tǒng)原理及相應(yīng)的設(shè)計方法,達到電氣類、自動化類學(xué)科本科層次知識結(jié)構(gòu)的基本完整。二.學(xué)習(xí)要求（1)計算機控制的基本理論與方法；（2)計算機控制的硬件結(jié)構(gòu)；（3)學(xué)生利用基本理論與方法可設(shè)計簡單的計算機控制系統(tǒng)，分析較復(fù)雜的計算機控制系統(tǒng)；（4)對計算機控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向有一定程度的了解。三、本課程的重點、難點1)理論基礎(chǔ)：計算機控制技術(shù)的基本概念與思考方法;計算機控制技術(shù)的控制方法;2)硬件：接口原理與設(shè)計、通道配置原理及方法、通道電路原理與設(shè)計等；數(shù)據(jù)采集原理及處理方法；3)控制方法間接、直接數(shù)字控制器設(shè)計理論與實現(xiàn)方法；順序與數(shù)字程序控制概念、原理和方法；4）總線技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計第1章緒論本章學(xué)習(xí)提要（1）計算機控制技術(shù)及經(jīng)歷的發(fā)展階段；（2）控制系統(tǒng)基本概念：

1.常用概念術(shù)語，2．常見系統(tǒng)術(shù)語。（3）控制系統(tǒng)5種典型工作狀態(tài)特性。（4）微機控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)?？刂破骱捅容^環(huán)節(jié)由微型計算機取代，這是劃時代的進步。（5）與模擬控制系統(tǒng)比較，微型機控制系統(tǒng)5個特征。（6）微型計算機控制系統(tǒng)有4種經(jīng)典結(jié)構(gòu)和4種新型結(jié)構(gòu)計算機控制技術(shù)及經(jīng)歷的發(fā)展階段是計算機應(yīng)用理論與技術(shù)和自動控制理論與技術(shù)交叉而成的新興學(xué)科，相關(guān)學(xué)科包含電子、通信、機電工程、自動檢測、網(wǎng)絡(luò)工程等。發(fā)展階段：1）局限決策型2）單向參與型3）緊密連通型4）智能算法型5）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)型1.1控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1.1.1控制系統(tǒng)基本概念1.常用概念術(shù)語對象:為完成特定動作,由機械、電氣、電子等零部件有機組成的裝置或設(shè)備。過程：被控制的運行狀態(tài).兩種不同的描述如下(1)自然過程指一種自然的逐漸進行地運轉(zhuǎn)或發(fā)展，其特征是在運轉(zhuǎn)和發(fā)展狀態(tài)中以相對固定的方法相繼發(fā)生一系列的漸進變化,并最后導(dǎo)致一個特定的結(jié)果或狀態(tài)。(2)人為過程是按人的意愿連續(xù)進行的運行狀態(tài)，這種運行狀態(tài)由一系列被控制的動作和一直進行到某一特定結(jié)果或狀態(tài)的有規(guī)則的運動構(gòu)成。過程特征表現(xiàn)為以相對固定的方式導(dǎo)致一個特定結(jié)果或狀態(tài)。系統(tǒng)：為完成相應(yīng)任務(wù)，一些元件、部件等按一定規(guī)則的組合。系統(tǒng)是動態(tài)現(xiàn)象的抽象，不同的領(lǐng)域有不同的組合內(nèi)容。擾動：對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生相反作用的信號。擾動分為內(nèi)擾和外擾兩大類，內(nèi)擾產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，外擾來自系統(tǒng)外部，和輸入量疊加在一起而進入系統(tǒng)。干擾與噪聲一系統(tǒng)受另一系統(tǒng)影響而產(chǎn)生誤差被測信號加入隨機振動，來自測量系統(tǒng)內(nèi)部控制過程：通過消除擾動因素的影響，從而保持被控制量按預(yù)期要求變化的過程。自動控制：不需要人直接參與，而使被控量自動地按預(yù)定的規(guī)律變化的控制過程?？刂屏浚罕豢叵到y(tǒng)的輸入量或給定量，用r(t)表示。被控量：被控系統(tǒng)的輸出量，用y(t)表示，如被控電機的轉(zhuǎn)速，溫控系統(tǒng)的溫度等。反饋量：與被控制量成比例的反饋信號，用yCF(t)表示。偏差量：控制量與反饋量之間的差值,用e(t)表示,e(t)=r(t)-yCF(t)。2．常見系統(tǒng)術(shù)語開環(huán)控制系統(tǒng)被控制量只能受控于控制量，而對控制量不能反施任何影響的系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)利用負反饋，將被控制量影響控制量作用的系統(tǒng)，又叫反饋控制系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)是一種反饋系統(tǒng)，隨著r(t)的變化，被控制量在前一r(t)對應(yīng)的位置進行變化，其特性如圖1-1所示。隨動系統(tǒng)多出現(xiàn)于機械位移、速度、加速度等對象的控制，所以常稱之為位置控制系統(tǒng)。r2(t)y2(t)y（t）r1(t)y1(t)t圖1-1隨動系統(tǒng)特性示意圖穩(wěn)定系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）又稱自動調(diào)整系統(tǒng)，是一種反饋系統(tǒng)，當(dāng)r(∞)為常量時，也要求被控量保持在常量上，如圖1-2所示。

常見的穩(wěn)定系統(tǒng)有恒溫、電壓、電流、頻率、壓力等控制系統(tǒng)。y（t）r（∞）t圖1-2穩(wěn)定系統(tǒng)特性示意圖過程控制系統(tǒng)以變化過程作為控制對象的控制系統(tǒng)，在控制過程中，給定量按照預(yù)先制定的規(guī)律，在程序運行中變化，所以又叫程序控制。這類系統(tǒng)多見于溫度、壓力、流量等控制系統(tǒng)。1.1.2控制系統(tǒng)工作特性

1.控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及其工作特性y（t）校正環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)r（t）比較環(huán)節(jié)e（t）擾動信號yCF（t）+-圖1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象u（t）實際控制系統(tǒng)除存在內(nèi)外擾動外，還有系統(tǒng)自身存在的邏輯死區(qū)、響應(yīng)慣性等影響系統(tǒng)的控制效果。因此，當(dāng)輸入信號作用到系統(tǒng)之后，在系統(tǒng)的輸出端并不能馬上得到響應(yīng)，而只有當(dāng)偏差信號大到一定程度時，系統(tǒng)才有輸出。輸出結(jié)果根據(jù)各環(huán)節(jié)的品質(zhì)狀況及系統(tǒng)所處環(huán)境有多種多樣。系統(tǒng)工作狀態(tài)過渡過程的測試是通過系統(tǒng)響應(yīng)特定輸入信號（或叫試驗信號）來進行的。

r(t)1(t)圖1-4單位階躍輸入信號階躍信號作為常用的測試信號，如圖1-4所示。

系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)的過渡過程及其工作特性如圖1-5所示。δPy(t)y(∞)trtstP△△圖1-52.幾種典型控制系統(tǒng)過渡過程曲線1）單調(diào)逐漸逼近

(見圖1-6特性曲線①)y(∞)過度過程曲線單調(diào)逼近y(∞)：δP＝0，N=0，y(t)=y(∞)2）等幅振蕩(見圖1-6特性曲線②

)y(∞)等幅振蕩，N—>∞（自激振蕩）。

3.振蕩發(fā)散(見圖1-6特性曲線③)振蕩發(fā)散，N—>∞；振幅系統(tǒng)無平衡狀態(tài)ΔΔy(∞)4.單調(diào)發(fā)散

(見圖1-6特性曲線④,⑤)y(∞)“過”單調(diào)發(fā)散，這類系統(tǒng)無穩(wěn)定狀態(tài)，不能使用：δP—>∞；N=0；y(t)？

④⑤5.欠阻尼振蕩阻尼振蕩：一般可工作系統(tǒng)均為此曲線。y(∞)與預(yù)期r(∞)之差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，表征系統(tǒng)控制精度的參數(shù)之一。阻尼系統(tǒng)的過渡過程分為三種工作狀態(tài),即欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼。過阻尼工作狀態(tài)相似于單調(diào)逐漸逼近或一階系統(tǒng)工作狀態(tài)，啟動速度變慢。y(∞)△△1.2微型計算機控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與特征1．2．1微機控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.微型計算機控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)擾動執(zhí)行機構(gòu)A/DR(k)y(t)＋－圖1-7微機閉環(huán)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)抽象圖控制器

微型計算機D/A被控對象檢測裝置E(k)YCF

(k)U(k)與模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)(圖1-3)比較,微機閉環(huán)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)信號傳輸?shù)穆窂浇Y(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，控制裝置即大虛線框外以右的內(nèi)容相同。不同的地方是控制裝置的四個環(huán)節(jié)均有重大變化，即（1）控制器和比較環(huán)節(jié)由微型計算機取代，這是劃時代的進步；（2）執(zhí)行環(huán)節(jié)在模擬控制系統(tǒng)中只有執(zhí)行機構(gòu)，而在微機控制系統(tǒng)中于執(zhí)行機構(gòu)前增加D/A轉(zhuǎn)換；（3）反饋環(huán)節(jié)在模擬控制系統(tǒng)中只有檢測裝置，而在微機控制系統(tǒng)中于檢測裝置后設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換。由于微型計算機處理的是離散信息，因此微型機控制系統(tǒng)中控制裝置內(nèi)的時間變量均采用人們公認的離散時間變量符號K。2.微型計算機控制系統(tǒng)硬件組成工業(yè)生產(chǎn)過程D/A多路轉(zhuǎn)換開關(guān)量輸入微型計算機系統(tǒng)主機采樣裝置A/D變送保持開關(guān)量輸出操作控制臺過程通道保持變送人機交互通道接口微機I/O設(shè)備微機外設(shè)接口圖1-8微型計算機控制系統(tǒng)硬件典型結(jié)構(gòu)圖面向過程通道的接口人機交互通道（1）工業(yè)生產(chǎn)過程

工業(yè)生產(chǎn)過程是指在生產(chǎn)現(xiàn)場把原材料變成成品或半成品，或通過原材料獲得某些所需參數(shù)的工序?qū)崿F(xiàn)。參與工序?qū)崿F(xiàn)的內(nèi)容包括工藝規(guī)則、技術(shù)范疇、參與設(shè)備、人員數(shù)量與作用、結(jié)果指標、質(zhì)量檢驗、安全保證等。（2）過程通道主機與工業(yè)生產(chǎn)過程之間需要傳遞三類信息，即互傳數(shù)據(jù)，主機向工業(yè)生產(chǎn)過程發(fā)布控制信息，主機從工業(yè)生產(chǎn)過程接受狀態(tài)信息?；鲾?shù)據(jù)有模擬、開關(guān)量兩種數(shù)據(jù)形式，而控制、狀態(tài)信息均為開關(guān)量。過程通道包括模擬過程輸入、輸出通道、開關(guān)量過程輸入、輸出通道。過程通道處于工業(yè)生產(chǎn)過程與主機接口之間，擔(dān)負著生產(chǎn)過程與主機交換信息的任務(wù)。（3）接口在微型計算機控制系統(tǒng)中一般存在三類不同功能的接口，一類介于主機與過程通道之間，用于主機與過程通道交換數(shù)字信息；二類介于主機與交互通道之間，用于主機與交互通道交換數(shù)字信息；三類介于主機與微機I/O設(shè)備之間，用于主機與微機I/O設(shè)備交換數(shù)字信息，在多微機互聯(lián)的微型計算機控制系統(tǒng)中，多微機可互按I/O設(shè)備管理。

（4）主機核心內(nèi)容——控制程序，其反映輸入輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，處于在線的主機又稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機或工控機，其特點表現(xiàn)在可靠性高、可維修性好、環(huán)境適用性強、控制實時性好、輸入輸出通道完善及軟件豐富等。（5）人機交互通道與操作控制臺人機交互通道與操作控制臺是相互依存的，操作控制臺因人機交互通道而設(shè)置，人機交互通道通過操作控制臺使得人機交互更方便。

就一般而言操作控制臺應(yīng)具有以下功能①操作鍵盤，鼠標，按鍵等.②顯示CRT或LED，LCD，打印機，記錄儀,指示燈，喇叭等：狀態(tài)指示，聲光報警等.③數(shù)據(jù)保存外存，磁存儲器，光存儲器，半導(dǎo)體存儲器,IC卡等.④遠程信息交換3.微型計算機控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件windowsBIOS監(jiān)測軟件外設(shè)管理程序人－機對話程序控制算法程序自控程序等應(yīng)用軟件注意：程序的運行時間以不影響系統(tǒng)實時性為前提1.2.2微型計算機控制系統(tǒng)特征1.結(jié)構(gòu)特征微機控制系統(tǒng)：將控制器用微機來代替，便構(gòu)成了微機控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)：控制器被控對象執(zhí)行器被控參數(shù)R(t)用微機取代閉環(huán)系統(tǒng)：

執(zhí)行機構(gòu)A/Dr(t)y(t)＋－

微型計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)圖控制器微型機D/A被控對象檢測裝置2.信號特征模擬控制系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的工作信號全為模擬信號，而微型計算機控制系統(tǒng)中主機的工作信號全為數(shù)字信號，前、后向模擬過程通道模擬、數(shù)字信號兼有，前、后向開關(guān)量過程通道是全數(shù)字信號，但無全模擬信號。3.功能特征（1）以軟件代替硬件。（2）數(shù)據(jù)保存。（3）顯示設(shè)備、方法與內(nèi)容。（4）多系統(tǒng)互聯(lián)。4.時限特征“實時”，是指在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。（1）實時數(shù)據(jù)采集。（2）實時決策運算。（3）實時控制輸出。數(shù)據(jù)采樣、運算決策、輸出控制三個階段占用時間之和滿足實時性要求，則該系統(tǒng)具有實時性。5.控制器工作方式特征控制器在控制系統(tǒng)中的工作方式有在線、離線兩種。微型計算機在線工作方式：又稱“聯(lián)機”工作方式。微型計算機在控制系統(tǒng)中直接參與控制或交換信息，而不通過其它中間記錄介質(zhì)，如磁盤、U盤、光盤、磁帶等。微型計算機離線工作方式：又稱“脫機”工作方式。微型計算機不直接參與對被控對象的控制，或不直接與被控對象交換信息，而僅是將有關(guān)控制信息記錄或打印出來，再由人來聯(lián)系，按照微機提供的信息完成相應(yīng)的控制操作。離線工作方式無實時性可談。要使系統(tǒng)具有實時性，微型計算機必須按在線方式工作。1.3微型計算機控制系統(tǒng)分類1.3.1經(jīng)典微型計算機控制系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)現(xiàn)場輸入通道顯示設(shè)備主機接口圖1-9數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

生產(chǎn)過程輸入通道顯示設(shè)備主機通道接口圖1-10操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)操作人員3.直接式數(shù)字控制系統(tǒng)4.監(jiān)督式計算機控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程接口控制操作臺主機執(zhí)行機構(gòu)接口輸出通道輸入通道檢測圖1-11DDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)工業(yè)生產(chǎn)過程DDC計算機SCC計算機模擬輸入通道模擬輸出通道給定值控制操作臺圖1-12SCC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1.3.2新型微型計算機控制系統(tǒng)

1.基于智能控制算法的微機控制系統(tǒng)智能控制是自動控制和人工智能相結(jié)合的學(xué)科,即具有摸仿人的學(xué)習(xí)、推理等功能；能適用不斷變化的環(huán)境；能處理多種信息以減少不確定性；能以安全和可靠的方式進行規(guī)劃，產(chǎn)生和執(zhí)行的動作，獲取系統(tǒng)總體上最優(yōu)或次優(yōu)的性能指標。智能控制技術(shù)有三大基本內(nèi)容：模糊控制技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，遺傳控制技術(shù)。在硬件上智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無重大區(qū)別；在軟件上，智能控制系統(tǒng)的驅(qū)動量由智能控制算法產(chǎn)生。微機智能控制系統(tǒng)的命名一般借用智能控制算法的名稱。模糊化模糊決策反模糊化圖1-13一般模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)控制量YUkXk被控對象圖1-13為模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖。2.集散式微型計算機控制系統(tǒng)集散式微型計算機控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)是基于微型計算機總線通信技術(shù)的多系統(tǒng)分層分散控制、集中管理微型計算機控制系統(tǒng)，已成為大工業(yè)現(xiàn)場普遍使用的生產(chǎn)過程控制、子系統(tǒng)管理的方案。DCS也稱為分級分布式控制系統(tǒng)，簡稱集散系統(tǒng)，它是計算機、自動化、通信、網(wǎng)絡(luò)和顯示等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。設(shè)計原則：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、綜合協(xié)調(diào)。過程控制系統(tǒng)1網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)站任務(wù)管理站過程管理站網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)站過程控制系統(tǒng)nLAN總線通信圖1-14DCS結(jié)構(gòu)圖其他LAN國外有：西屋公司、艾默生、ABB、西門子、霍尼韋爾、橫河、羅克韋爾等。國內(nèi)有：上海新華，浙大中控，和利時，自儀股份、魯能控制，國電智深，上海華文，上海樂華，浙江中自等。核電DCS：美國西屋、美國英維斯（施耐德收購）、法國阿海琺、日本三菱，北京廣利核3.現(xiàn)場總線微型計算機控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線微型計算機控制系統(tǒng)（FieldbusControlSistem，F(xiàn)CS）是DCS的換代產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的DCS相比，具有數(shù)字化的信息傳播、分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方便的互操作性、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及多種傳輸媒介、拓撲結(jié)構(gòu)等特點。FCS的核心是現(xiàn)場總線，具體表現(xiàn)于適用工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信與管理協(xié)議。由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標準中