第1章 計算機控制緒論

第一章緒論基本概念計算機控制系統(tǒng)

就是利用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機,簡稱工控機)來實現生產過程自動控制的系統(tǒng)，實質上是自動控制技術與計算機技術的結合。【注】工業(yè)控制的計算機其實是一個泛指，包括單片機、可編程控制器（PLC）、數字信號處理器（DSP）、工業(yè)PC機、智能調節(jié)器等。

基本概念自動控制

是指在沒有人的直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（即被控量）自動按照預定的規(guī)律運行。

【例如】飛機、船舶的自動駕駛；導彈發(fā)射和制導；鍋爐的溫度壓力控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)原理框圖【注】常規(guī)的（傳統(tǒng)的）自控系統(tǒng)，其輸入、輸出、控制都是由模擬電路來實現。

給定值

被控量

控制器

執(zhí)行機構

被控對象

測量元件

變換發(fā)送

＋/－自動控制理論自動控制理論，就是自動控制共同規(guī)律的總結。它經歷了三個發(fā)展階段：經典控制理論：分析方法以傳遞函數為基礎，主要研究對象是單輸入、單輸出、常參數系統(tǒng)，應用領域以工業(yè)控制為主。現代控制理論：為了適應航空和航天技術的發(fā)展，采用以狀態(tài)為基礎的時域法，主要研究對象是高性能、高精度的多變量變參數系統(tǒng)。多學科相互融合的控制理論：例如以控制論、信息論、仿生學和計算機技術為基礎的智能控制理論。典型的工業(yè)生產過程典型的工業(yè)生產過程可分為三種：連續(xù)過程（Continuousprocess)：也稱為流程工業(yè)，其產品一般都是流體，過程的輸入輸出為連續(xù)量，如：氣體、液體等。離散過程（Discreteprocess)：也稱為制造業(yè)，其產品是“固態(tài)”、按件計量的，過程的輸入輸出變量為時間離散和幅度離散的量，如：產品的數量、開關的狀態(tài)等。批量過程（Batchprocess）：是指間歇性多品種生產過程，其特點是連續(xù)過程和離散過程交替進行，如：配方切換和生產工藝改變是離散過程，而確定配方和工藝后的生產過程又是一個連續(xù)過程。計算機的發(fā)展歷程自從1946年世界上第一臺計算機問世以來，計算機的發(fā)展已經歷了四代：第一代：電子管計算機——1946～1958年第二代：晶體管計算機——1958～1964年第三代：集成電路計算機——1964～1971年第四代：大規(guī)模集成電路計算機——1971～今天計算機的應用領域大致可以分為：科學計算企業(yè)管理與數據處理計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）工業(yè)控制其它為什么在自動控制中引入計算機技術？計算機具有大容量的存儲能力，強大的邏輯判斷功能和快速運算的本領。把計算機引入自動控制中，就能夠解決常規(guī)控制解決不了的難題，能夠獲得常規(guī)控制達不到的優(yōu)異性能。計算機控制系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)的關系計算機控制系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一種。常規(guī)的（傳統(tǒng)的）自控系統(tǒng)，其輸入、輸出、控制都是由模擬電路來實現。與傳統(tǒng)的自控系統(tǒng)相比，主要區(qū)別在于計算機控制系統(tǒng)以計算機作為控制的核心。而計算機是數字的，因此計算機控制系統(tǒng)的輸入、輸出、控制都有了根本性變化。

計算機控制系統(tǒng)原理圖用計算機來代替原來的控制器，加上A/D、D/A變換器，就構成了計算機控制系統(tǒng)。

給定值

被控量

測量變送

A/D執(zhí)行機構被控對象工控機＋/－D/A工業(yè)控制機生產過程【例1】計算機控制布匹印花印染的流程是“漿洗—>漂白—>蒸汽熏蒸加濕—>印染—>烘干”。最主要的是印染的花色，它是由“各種顏料比例”和“噴灑時機”來控制的。

【例2】計算機控制軋鋼厚度軋鋼的最基本要素是張力和厚度的控制，它們決定著軋鋼質量的高低。鋼板厚度越薄，要求控制精度越高。計算機控制系統(tǒng)的工作原理【注】被控量為模擬量計算機控制系統(tǒng)原理計算機控制系統(tǒng)的工作步驟

從本質上看，計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟：

①數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

②控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。

③控制輸出：根據控制決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。計算機控制系統(tǒng)最基本的要求穩(wěn)定：系統(tǒng)偏差逐漸衰減趨向于0，且具有恢復原平衡狀態(tài)的性能?！滓鬁蚀_：控制精度要能夠達到指定的要求。及時：控制決策能夠被迅速執(zhí)行。幾個重要概念開環(huán)控制和閉環(huán)控制

在線方式和離線方式

實時

開環(huán)控制和閉環(huán)控制閉環(huán)控制被控量是系統(tǒng)的輸出，被控量又反饋到輸入端，對控制量產生影響?！獔?zhí)行命令，報告結果（如：計算機控制軋鋼）開環(huán)控制

控制器直接根據給定值，去控制被控對象工作，不需要被控量的反饋信號?！豢貙ο笾粓?zhí)行命令，不報告結果（如：計算機控制印花）【注】開環(huán)控制比較簡單，閉環(huán)控制性能比較好。

在線方式和離線方式在線方式（on-line）:

生產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。離線方式(off-line):

生產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)系并做相應操作的方式，稱為離線方式或脫機方式。實時(real-time)指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制。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?！咀ⅰ繉崟r的概念不能脫離具體過程?！纠堪l(fā)酵過程和導彈防御系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況在生產過程控制中采用數字計算機的思想出現在五十年代中期，從此計算機控制技術獲得了迅速的發(fā)展?？梢园匆韵滤膫€階段來描述其發(fā)展過程。

(1)開創(chuàng)時期(1955～1962年)(2)直接數字控制時期(1962～1967年)(3)小型計算機時期(1967～1972年)(4)微型計算機時期(1972年～至今)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢控制系統(tǒng)的網絡化控制系統(tǒng)的扁平化控制系統(tǒng)的智能化控制系統(tǒng)的綜合化計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展前景計算機控制在軋鋼、冶金、航天