計算機控制技術概述

第1章概述—計算機控制技術一

課程名稱：

計笄機按刷枝木

TheTheoryandTechnologyofComputerControl

授課教師：機電轡彷惻校泉

1支芯

1

第1章概述一計算機控制技術一

第一章結論

Introduction

王爽心：shxwangl@b

SchoolofMechanic叫ElectronicandControl

Engineering,BJTU

2

第1章概述一計算機控制技術一

本章主要內(nèi)容

I計算機控制系統(tǒng)概述

I信號的采樣與恢復

I計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

I計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與趨勢

3

第1章概述一計算機控制技術一

第一節(jié)Unit1

計算機力空制系統(tǒng)概述

IntroductionofComputer

ControlSystem

4

第1章概述一計算機控制技術一

本節(jié)主要內(nèi)容

I計算機控制系統(tǒng)的一般概念

I計算機控制系統(tǒng)的組成

I計算機控制系統(tǒng)的分類

I計算機控制系統(tǒng)的特點

I計算機控制系統(tǒng)的經(jīng)濟效益

第1章概述一計算機控制技術一

直觀的計算機控制系統(tǒng)圖片

6

第1章概述一計算機控制技術一

ControllingtheWorld's

MostPowerfulLaser

7

第1章概述一計算機控制技術一

Figure3.(a)ArtistsrenderingoftheNational

IgnitionFacilit/$controlroomjhenervecenter

oftheworld'slargestlaser.Here,theShotDirector—

boththepersonandthesupervisorysubsystem-

willintegrateeachlasershot.(b)NIFcontrolsystem

developers(clockwisefromleft)JohnWoodruff,

PaulVanArsdall,FredHolloway,andAllynSaroyan

exploreaprototypeofacontrolconsole.

8

第1章概述一計算機控制技術一

processorsHigh-current

powersupply

Figure2.(a)ElectronicsengineerBobBoydWater-cooledracks

inspectsapairoffront-endprocessors(FEPs)

inawater-cooledrack.(b)Morethan300FEPs

makeuptheFERlayeroftheNIFcontrolsystenoflaser

componentsandprecisioninstrumentsgoverningapplicationssuchasalignment,

9

第1章概述一計算機控制技術一

Eigitsi4J9vi3cryconsdss

EdgeEdgeAutomatic24camera

133dge

EthernetEthernetalicnmentvideo

swrches

wrchswrchserversdi貝zers

2,150locps500charge-coiplsd

devicecameras

Frent-end3LijFrent-end-------ATMOC-355Mb's(fiber)

processorsFEP3prccessor$-------Ethernet130Mb/s

--------Ethernet1Dand100Mbs

Figure4.ThecontrolsysterrfsnetworkemploysbothEthernetand

AsynchronousTransferMode(ATM)technologiestoprovideflexibility

andhigh-speeddatatransfer.

10

第1章概述一計算機控制技術一

1-1計算機控制系統(tǒng)的一般概念(1)5

I常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理

設定值r被調參數(shù)y

----------模擬調節(jié)器-執(zhí)行機構一被控對象―~~

*”-----------

---------------測量變送器"

圖〃單回路常規(guī)控制系統(tǒng)示意圖

按偏差e進行控制，目的是減少或消除偏差。

it

第1章概述一計算機控制技術一

V1-1計算機控制系統(tǒng)的一般概念(2)

I計算機控制系統(tǒng)的工作原理

第1章概述一計算機控制技術一

1-1-1計算機控制系統(tǒng)的一般概念(3)

I計算機控制系統(tǒng)的工作方式

-在線形式與離線形式

-實時性

計算機在控制系統(tǒng)中的主要作用

-進行實時數(shù)據(jù)處理

-對生產(chǎn)過程實施實時控制

-對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督與管理

13

第1章概述一計算機控制技術一

1-2計算機控制系統(tǒng)的組成A-Analogue+土

D-digital

P硬件部分產(chǎn)生脈沖序列

7)

連續(xù)信號臺離散信號離散信號&連續(xù)信號

14

第1章概述一計算機控制技術一

P軟件部分（在計算機上實現(xiàn)控制規(guī)律）

0主程序：系統(tǒng)初始化設置；

0控制子程序：實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制算法、控制量

的輸出和存儲。

15

第1章概述一計算機控制技術一

（開始1

控

制

子

程

序

計算機控制系統(tǒng)軟件流程

16

第1章概述一計算機控制技術一

1?1-3計算機控制系統(tǒng)的分類(1)

研算機操作指導控制系統(tǒng)

工

業(yè)

微

型

機

第1章概述一計算機控制技術一

1-1?3計算機控制系統(tǒng)的分類(2)

研算機直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)

管理命令報告

A

18

第1章概述一計算機控制技術一

控制站

I/O模塊I/O模塊I/O模塊

I/O信號I/O信號I/O信號

直接數(shù)字控制系統(tǒng)

第1章概述一計算機控制技術一

第1章概述一計算機控制技術一

監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結構形式

管理命令報告

(a)SCC+模擬調節(jié)器系統(tǒng)

第1章概述一計算機控制技術一

22

第1章概述一計算機控制技術一

工程師站

分布式控制系統(tǒng)組成框圖

23

第1章概述一計算機控制技術一

1-1-3計算機控制系統(tǒng)的分類（5）

領場總線控制系統(tǒng)

工作站一現(xiàn)場智能儀表■變送器智能部件

第1章概述一計算機控制技術一

1-1-3計算機控制系統(tǒng)的分類（6）

領場總線控制系統(tǒng)

工作站一現(xiàn)場智能儀表■智能電磁流量計

25

第1章概述一計算機控制技術一

企業(yè)管理層

（數(shù)據(jù)網(wǎng)絡）

過程監(jiān)控層

（數(shù)據(jù)網(wǎng)絡）n

監(jiān)控工作站其它工作站

現(xiàn)場線接口

a現(xiàn)場總線網(wǎng)段

現(xiàn)場控制層

（控制網(wǎng)絡）

調節(jié)閥差壓變送器差壓變送器差壓變送器溫度變送器

現(xiàn)場總線系統(tǒng)是企業(yè)的底層網(wǎng)絡

26

第1章概述一計算機控制技術一

分級計算機控制系統(tǒng)

分級計算機控制系統(tǒng)是一個四級系統(tǒng),各級計

算機的功能如圖所示。

■■企業(yè)級

U裝置控制級（DDC級）經(jīng)營管理計算機

至其它工廠至其它工廠

■■<---□----Anz—>

U車間監(jiān)督級（SCC級）

■■工廠級

U工廠集中控制級（MIS）集中控制計算機

7\1\

■■

U企業(yè)管理級（SIS）\/y

車間級監(jiān)控計算機（SCC）車間級監(jiān)控計算機（SCC）

\/VV

裝置控制級（DDC）-裝置控制級（DDC）裝置控制級（DDC）-裝置控制級（DDC）

\/\1\!\/\/\/7

工廠對象A工廠對象B工廠對象C工廠對象D

27

第1章概述一計算機控制技術一

28

第1章概述一計算機控制技術一

1?3計算機控制系統(tǒng)的分類(7)

wi十算機集成控制系統(tǒng)(CIMS/CIPS)

第1章概述一計算機控制技術一

1-1?3計算機控制系統(tǒng)的分類（8）

I根據(jù)計算機的硬件不同分類

-基于單片機的簡單系統(tǒng)

-基于IPC

-基于PLC

-基于各種類型DCS

-基于現(xiàn)場總線儀表的FCS

30

第1章概述一計算機控制技術一

1-1?3計算機控制系統(tǒng)的分類（9）

I按照控制規(guī)律分類

-程序和順序控制

-PID控制

-最少拍控制

-復雜規(guī)律的控制

-智能控制

第1章概述一計算機控制技術一

V1?4特點

I計算機控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點

Z能實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律

Z性價比高

Z組成方式靈活性

Z獲取更大的經(jīng)濟效益

Z有很強的可靠性和可維護性

Z為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化打下了良好的基礎

32

第1章概述一計算機控制技術一

1-1-5經(jīng)濟效益(1)

可計算效益部分

-增加產(chǎn)量或可處理量

-改善產(chǎn)品的質量

-降低能源消耗與原料消耗，減少成本

-提高設備的利用率，維修要求降低

-節(jié)省勞動力

I投資的回收周期：1~2年或幾個月

33

第1章概述一計算機控制技術一

1-1-5經(jīng)濟效益(2)

I不可計算效益部分

-企業(yè)的知名度和操作人員的整體素質得到提高

-操作人員的安全得到更有效的保障

-生產(chǎn)和管理的有關信息能及時獲得并加以利用

-對工況改變的適應性增強

-能及時地預報與較好地處理過程與設備的事故

-減少對環(huán)境產(chǎn)生的污染

34

第1章概述一計算機控制技術一

第二節(jié)Unit2

信號的采樣與恢復

SamplingandResumingof

Signal

35

北京交通大學測控系

第1章概述一計算機控制技術一

本節(jié)主要內(nèi)容

I信號的采樣過程

I采樣定理

1信號的恢復過程和零階保撲器

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第1章概述一計算機控制技術一

1-2-1信號的采祥過程（1）

典型的計算機控制系統(tǒng)的結構:

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-1信號的采祥過程（2）

簡化結構框圖:

數(shù)字保

控制器持

（計算機）器

38

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-1信號的采祥過程（3）

I計算機控制系統(tǒng)的采樣過程

-連續(xù)信號/⑺通過采樣開關后，轉變?yōu)槊}沖序列M，）的過程。

采樣開關

加戶⑶

加

T

原始過程信號信號通過采樣器采樣后的信號

過程連續(xù)信號采樣過程示意圖

39

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-1信號的采祥過程（4）

時域描述：

采樣周期T（單位s）

閉合時間t（s）

采樣角頻率3s（"Z/s）

采樣頻率人（履）

c8（0=00,當，二0時

罩想單位\3⑺=0,當號0時

脈沖函數(shù)|「飛⑺由=1

IJ—OO

40

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-1信號的采樣過程(5)

設5(t-kT)是上化T時刻的理想采樣脈沖，貝|

OO

r?)=/?)￡3(iT)

k二a

因為八。只與/(，)在脈沖出現(xiàn)瞬間的值/(4)有關，故

采樣信號可用下式表示：

OO

r⑺=￡/(⑺3(t-kT)=/⑺8(0

采樣周期T的選擇相當重要。I載J

_____________________手

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-1信號的采祥過程（7）

I計算機控制系統(tǒng)的采樣的合理性

-采樣器閉合時間T遠小于采樣周期T

-理想采樣器（接通電阻RfO,開路電阻R-?口）

-采樣信即⑷復現(xiàn)原信號在采樣瞬間的值y?）

—A/D轉換后，產(chǎn)⑴k=l,2,……

-采樣周期7須滿足香農(nóng)定理

當滿足上述條件時，/?）與/依為只相差量化誤差。

42

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-2來樣定理(1)

離散信號的頻譜圖

co

43

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-2來樣定理(2)

I香農(nóng)(Shannon)采樣定理:

一個連續(xù)時間信號/⑺，設其頻帶寬度是有限

的,其最高頻率為3max(或/_)。如果在等間隔點上

對該信號/⑺進行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號

廣⑺能包含原信號/⑺的全部信息量，則采樣角頻率

只有滿足下面的關系：

①s—23max

采樣后的離散信號/*⑺才能夠無失真地復現(xiàn)了⑺。

其中:

2兀

3s=M=-

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-2來樣定理(3)

I采樣周期T的選擇方法：

被控物理量采樣周期T備注

流量l~5(s)優(yōu)先選用2s

壓力3—10(s)優(yōu)先選用8s

液面6?8(s)優(yōu)先選用7s

溫度15—20(s)優(yōu)先選用純滯后時間

成份15—20(s)優(yōu)先選用18s

位置10?50(ms)優(yōu)先選用陟尊

45

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-3信號的恢復過程和零階保持器(1)

I信號的保持

-目的：是將離散采樣信號恢復為被控對象能

夠感知的連續(xù)模擬信號。

-方法：采用保持器，由現(xiàn)在或過去時刻的采

樣值，用某種函數(shù)去逼近2個采樣時刻間的原

信號。

-常用的保持器：零階、一階及高階。

(常數(shù)、線性函數(shù)、拋物線

46

第1章概述—計算機控制技術一

1-2-3信號的恢復過程和零階保持器(2)

I零階保持器恢復信號的示意圖

(Zero-orderhold)零階保持器算式：

yh(kT+t)=y(kT)

v采樣信號y優(yōu)為00V7；4=0,土1,

±2,...

由于它只是簡單地

外推，故只有當丁足

恢復信號％?)夠小時，零階保持

器才能較好地恢

原信號。

2T4T6T

47

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-3信號的恢復過程和零階保持器（3）

零階保持器的功能-信號的恢復

m九⑴

第1章概述一計算機控制技術一

1-2-3信號的恢復過程和零階保持器(4)

1,k=0

輸入：3*。)={

0,上w0

<

0求得脈沖響應為：

皿%Q)=1。)一IQ—T)

取拉氏變換，得零階保持器的傳遞

函數(shù)：

1—0

0TtH(s)=——

零階保持器的脈沖響應s

第1章概述一計算機控制技術一

第三節(jié)Unit3

計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

Designandmplementation

ofComputerControlSystem

50

第1章概述一計算機控制技術一

本節(jié)主要內(nèi)容

I設計計算機控制系統(tǒng)的一般步驟

I計算機控制系統(tǒng)的分析和設計方法

51

第1章概述一計算機控制技術一

1-3-1計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)一

1設計計算機控制系統(tǒng)的一般步驟

-總體設計

-建立數(shù)學模型

-控制系統(tǒng)綜合

-計算機硬件與控制系統(tǒng)工程化設計

-計算機軟件設計

-系統(tǒng)仿真、調試與完善

-建立整個系統(tǒng)的技術文檔

52

第1章概述一計算機控制技術一

1-3-2計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

I計算機控制系統(tǒng)分析和設計的方法

-基于連續(xù)系統(tǒng)進行分析與設計

Y

?按連續(xù)控制器設計T離散化T性能指標？T

TJN

~基于離散系統(tǒng)進行分析與設計Y

?連續(xù)數(shù)學模型離散化T設計離散的控制器T性能?T

tJN

53

第1章概述一計算機控制技術一

第四節(jié)Unit4

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢

DevelopmentandTendency

ofComputerControlSystem

54

第1章概述一計算機控制技術一

1-4-1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢今

50年代的起步期

60年代的試瞼期

70年代以來的推廣期

80年代的成熟期

90年代的進一步發(fā)展期

55

第1章概述一計算機控制技術一

1-4-4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢

1.推廣應用成熟的先進技術

(1)普及應用可編程程序控制器(PLC)

PLC與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有如下一些特點:

(a)抗干擾能力強(b)適應性好

(c)編程直觀、簡單(d)功能完善，接口功能強

第1章概述一計算機控制技術一

1-4-5計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢

(2)廣泛使用智能調節(jié)器

(3)采用新型的DCS和FCS

57

第1章概述一計算機控制技術一

1-4-6計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢

今款控制系疫DCS—DistributedControlSystem

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