第1章 計(jì)算機(jī)控制緒論

第一章緒論基本概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī),簡稱工控機(jī))來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合?！咀ⅰ抗I(yè)控制的計(jì)算機(jī)其實(shí)是一個(gè)泛指，包括單片機(jī)、可編程控制器（PLC）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、工業(yè)PC機(jī)、智能調(diào)節(jié)器等。

基本概念自動(dòng)控制

是指在沒有人的直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

【例如】飛機(jī)、船舶的自動(dòng)駕駛；導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)；鍋爐的溫度壓力控制系統(tǒng)。自動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

給定值

被控量

控制器

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

被控對象

測量元件

變換發(fā)送

＋/－自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論，就是自動(dòng)控制共同規(guī)律的總結(jié)。它經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：經(jīng)典控制理論：分析方法以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究對象是單輸入、單輸出、常參數(shù)系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域以工業(yè)控制為主?，F(xiàn)代控制理論：為了適應(yīng)航空和航天技術(shù)的發(fā)展，采用以狀態(tài)為基礎(chǔ)的時(shí)域法，主要研究對象是高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)。多學(xué)科相互融合的控制理論：例如以控制論、信息論、仿生學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制理論。典型的工業(yè)生產(chǎn)過程典型的工業(yè)生產(chǎn)過程可分為三種：連續(xù)過程（Continuousprocess)：也稱為流程工業(yè)，其產(chǎn)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(chǎn)品是“固態(tài)”、按件計(jì)量的，過程的輸入輸出變量為時(shí)間離散和幅度離散的量，如：產(chǎn)品的數(shù)量、開關(guān)的狀態(tài)等。批量過程（Batchprocess）：是指間歇性多品種生產(chǎn)過程，其特點(diǎn)是連續(xù)過程和離散過程交替進(jìn)行，如：配方切換和生產(chǎn)工藝改變是離散過程，而確定配方和工藝后的生產(chǎn)過程又是一個(gè)連續(xù)過程。計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程自從1946年世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)歷了四代：第一代：電子管計(jì)算機(jī)——1946～1958年第二代：晶體管計(jì)算機(jī)——1958～1964年第三代：集成電路計(jì)算機(jī)——1964～1971年第四代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)——1971～今天計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域大致可以分為：科學(xué)計(jì)算企業(yè)管理與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）工業(yè)控制其它為什么在自動(dòng)控制中引入計(jì)算機(jī)技術(shù)？計(jì)算機(jī)具有大容量的存儲(chǔ)能力，強(qiáng)大的邏輯判斷功能和快速運(yùn)算的本領(lǐng)。把計(jì)算機(jī)引入自動(dòng)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(dá)不到的優(yōu)異性能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)系計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是自動(dòng)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(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的自控系統(tǒng)相比，主要區(qū)別在于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為控制的核心。而計(jì)算機(jī)是數(shù)字的，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出、控制都有了根本性變化。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖用計(jì)算機(jī)來代替原來的控制器，加上A/D、D/A變換器，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

給定值

被控量

測量變送

A/D執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象工控機(jī)＋/－D/A工業(yè)控制機(jī)生產(chǎn)過程【例1】計(jì)算機(jī)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(shí)機(jī)”來控制的。

【例2】計(jì)算機(jī)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(zhì)量的高低。鋼板厚度越薄，要求控制精度越高。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理【注】被控量為模擬量計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作步驟

從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)步驟：

①數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入。

②控制決策：對采集到的被控量進(jìn)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(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。計(jì)算機(jī)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(fù)原平衡狀態(tài)的性能?！滓鬁?zhǔn)確：控制精度要能夠達(dá)到指定的要求。及時(shí)：控制決策能夠被迅速執(zhí)行。幾個(gè)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(shí)時(shí)

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(chǎn)生影響?！獔?zhí)行命令，報(bào)告結(jié)果（如：計(jì)算機(jī)控制軋鋼）開環(huán)控制

控制器直接根據(jù)給定值，去控制被控對象工作，不需要被控量的反饋信號(hào)?！豢貙ο笾粓?zhí)行命令，不報(bào)告結(jié)果（如：計(jì)算機(jī)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(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式，稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式。離線方式(off-line):

生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式，稱為離線方式或脫機(jī)方式。實(shí)時(shí)(real-time)指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制。超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義?！咀ⅰ繉?shí)時(shí)的概念不能脫離具體過程?！纠堪l(fā)酵過程和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況在生產(chǎn)過程控制中采用數(shù)字計(jì)算機(jī)的思想出現(xiàn)在五十年代中期，從此計(jì)算機(jī)控制技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展?？梢园匆韵滤膫€(gè)階段來描述其發(fā)展過程。

(1)開創(chuàng)時(shí)期(1955～1962年)(2)直接數(shù)字控制時(shí)期(1962～1967年)(3)小型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1967～1972年)(4)微型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1972年～至今)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展前景計(jì)算機(jī)控制在軋鋼、冶金、航天