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机械工程学院现代制造技术研究所引言计算机控制技术及工程应用--是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。本课程立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。下图为一个制药车间的自动化生产流程。机械工程学院现代制造技术研究所1.1.1控制系统概念计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而来的;常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成闭环控制与开环控制两种结构形式;计算机控制系统原理组成—用控制计算机代替图1-1的控制器，如图1-2所示；机械工程学院现代制造技术研究所（1）闭环控制系统：被控量参与系统控制euqy控制器执行器被控对象测量变送器偏差给定值控制作用操纵变量被控量测量值r+_zf干扰图1-1(a)闭环控制系统闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性，它对控制元件的要求比开环控制的低。但与开环控制系统相比，闭环控制系统设计比较麻烦，结构也比较复杂，因而成本较高。闭环控制是自动控制中广泛采用的一种控制方式。当控制精度要求较高，干扰影响较大时，一般都采用闭环控制。机械工程学院现代制造技术研究所（2）开环控制系统uqy控制器执行器被控对象给定值控制作用操纵变量被控量r(b)开环控制系统①开环控制：被控量(输出)不影响系统控制的控制方式称为开环控制（打出去的炮弹）当被控对象或控制装置受到干扰，或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时，系统不能进行自动补偿，被控制精度难以保证。但是由于结构比较简单，在控制精度要求不高或者元件工作特性比较稳定而干扰又很小的场合应用比较广泛。机械工程学院现代制造技术研究所（3）计算机闭环控制系统原理组成计算机闭环控制系统的原理组成--是把图1-1中的控制器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。+re偏差计算机D/A执行器被控对象uqyA/D测量变送器z测量值给定值控制计算机生产过程控制作用操纵变量被控量图1-3计算机控制系统原理框图-图1-2计算机控制系统原理图机械工程学院现代制造技术研究所n干扰转矩n功率放大器直流电动机工作机械加法器ug测速发电机带偏差控制作用的速度控制系统则可以减小或消除由各种因素所引起的转速变化。带偏差控制作用的速度控制系统原理图机械工程学院现代制造技术研究所uaijn＞uecuur12ri减速器输入轴输出轴rue电位器(比较器)放大器电动机减速器uac随动系统的原理图（例：轮船主机转速控制）机械工程学院现代制造技术研究所自动控制系统的基本组成控制装置干扰给定值(参考输入)偏差(误差)被控量(输出))被控对象检测装置控制器－放大元件执行机构反馈控制装置－机械工程学院现代制造技术研究所自动控制系统的类型：①恒值系统：给定值是恒定值（轮船主机定速控制）；②随动系统：给定值(控制指令)是事先未知的时间函数的系统称为随动系统（火炮控制）；③程序控制系统：控制指令已预先知道的系统（自动包装线）；④自动调节系统或镇定系统：如前面所示的带偏差控制作用的速度控制系统是根据偏差产生控制作用，对系统进行自动调节，使被控量保持恒定的（商店室温控制）。机械工程学院现代制造技术研究所对控制系统的基本要求：①稳定性：系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力；②快速性：被控量趋近希望值的快慢程度；③精确性：过渡过程结束后，被控量与希望值接近的程度。(a)(b)(c)(d)x(t)10ty(t)10ty(t)10ty(t)10t12机械工程学院现代制造技术研究所1.2计算机控制系统的一般构成计算机给定值被控量数字控制器－模/数转换数/模转换执行机构被控对象检测装置计算机控制系统的结构与前面介绍的反馈控制系统十分相似，只是将控制器由数字控制器来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统（火焰切割机）机械工程学院现代制造技术研究所计算机控制系统的控制过程包括以下四个方面：(1)实时数据采集：对被控制量的瞬时值进行检测，并且将采样结果输入到计算机；(2)实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后，按照预先规定的控制规律进行运算，称为(实时)决策；(3)实时控制：根据实时决策结果，适时地对执行装置发出控制信号；(4)信息管理：结合网络技术和控制策略，实现信息共享和管理（例如：数据库技术）。测、算、控、管机械工程学院现代制造技术研究所实时满足实时性：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间(采样间隔)内完成。实时控制：计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出。在线在线方式：生产过程与计算机直接相接并受控于计算机，也称为联机方式；离线方式：生产过程不与计算机相接且不受控于计算机，而靠人联系并实施操作，也称为脱机方式；实时控制系统必定是在线系统机械工程学院现代制造技术研究所计算机控制的优点：(1)可以消除常规模拟调节器的许多难以克服的缺点，如不存在模拟调节器的漂移问题，参数整定范围宽，可以数字滤波等；(2)使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬件设备，甚至可以在线改变控制方案。因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步提高控制水平。(3)具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附加功能。机械工程学院现代制造技术研究所计算机控制系统的组成计算机系统硬件：过程相关设备：传感器、执行器软件：控制软件及系统软件；*计算机通信网络：*其它设备：操作台、检测设备等；在各种计算机控制系统中，几乎都是以微处理器为核心器件，因此计算机控制系统一般就是指微机控制系统。机械工程学院现代制造技术研究所计算机系统硬件：各种工业控制计算机、可编程逻辑控制器(PLC)等1)计算机主机：CPU+存储器；2)接口：并行接口、串行接口和管理接口(包括中断管理、直接存取DMA管理、计数/定时等)；3)输入/输出通道：计算机和生产过程之间信息传递和交换的连接通道，这就是输入/输出通道，又称过程通道；一般包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道；过程通道不能直接由主机控制，必须由接口传送相应的信息和命令；4)通用外围设备：键盘、鼠标等常用输入设备，显示器、打印机、记录仪等常用输出设备，磁盘、光盘等存储设备；机械工程学院现代制造技术研究所过程相关设备1)传感器：工业对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器(又称一次仪表)变换为等效的电信号。在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，广泛采用了各种检测元件和仪表，它们的主要功能是把被检测的参数由非电量转换为电量。这些信号转换成统一的微机标准电平后再送入微机。检测元件精度的高低直接影响微机控制系统的精度。2)执行器：为了控制生产过程，需要有执行机构。常用的执行机构有电动、液动和气动等形式。动力电机和控制电机也是经常用到的执行机构；机械工程学院现代制造技术研究所软件软件是指能完成各种功能的微机程序的总和，如操作系统、监控程序、管理程序、控制程序、计算和自诊断程序等。1)系统软件：DOS，Windows，WindowsNT，UNIX等操作系统和专业化的软件工作平台（如汇编、编译等语言加工软件软件和控制系统的编程软件等）；2)应用软件和数据库：应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在微机控制系统中，每个控制对象或控制任务都配有相应的控制程序，用这些控制程序来完成对各个控制对象的不同要求。在平衡系统硬件和软件的性能和功能时，只有当确定系统硬件后，才能确定如何配制软件。只有软件和硬件相互有机配合，才能充分发挥微机的优势，研制出完善的微机控制系统。机械工程学院现代制造技术研究所1.3微机控制系统的分类按照功能结构对计算机控制系统分类1)数据采集和监视系统（安防系统）2)直接数字控制系统(DDC)（数控机床）(DirectDigitalControl)3)微机监督控制系统(SCC)（锅炉）(SupervisoryComputerControl)4)集散控制系统(DCS)(DistributedControlSystem)及分级控制系统5)现场总线控制系统(FCS)（PROFIBUS）(FieldbusControlSystem)6)计算机控制网络机械工程学院现代制造技术研究所数据采集、处理系统制表显示报警主计算机A/D转换采样/变换…并行接口…被控对象对大量的过程参数进行定时巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析，按要求定时制表、打印或将数据处理的结果记录在外存储器中，作为资料保存和供分析使用，最终对指导生产过程发挥一定作用。机械工程学院现代制造技术研究所DDC系统框图给定值显示/打印/记录DDC计算机接口接口输入通道检测……输出通道执行机构被控对象计算机参加闭环控制过程。用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，将检测结果与设定值进行比较，再根据规则进行控制运算，最后输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。计算机可完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，且不需改变硬件，只通过改变软件就可有效实现较复杂的控制算法。机械工程学院现代制造技术研究所在DDC方法中，对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，这个给定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，因此DDC方式无法使生产过程处于最优工况。监督控制(SCC)中的计算机根据工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动改变模拟调节器或者DDC系统的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况(如最低消耗、最低成本、最高产量等)。由于其作用是改变给定值，所以又称SCC为给定值控制SPC(SetPointControl)。机械工程学院现代制造技术研究所微机对各物理量进行巡回检测并接收管理命令，按照一定的数学模型计算并输出给定值到模拟调节器。此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，从而调节生产过程。由此系统可以根据生产情况的变化，不断改变给定值，达到实现最优控制的目的。该种系统特别适合老企业的技术改造工程，能够充分利用原有的模拟调节器，又可实现最优控制。机械工程学院现代制造技术研究所两级微机控制系统，一级为监督级SCC，二级为控制级DDC。SCC的作用与SCC+模拟调节器中的SCC一样，用来计算最佳给定值，SCC与DDC之间通过接口进行信息联系。直接数字控制器DDC用来把给定值与测量值(数字量)进行比较，其偏差由DDC进行数字计算，并实现对各个执行机构的调节控制作用。当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算机完成DDC的控制功能。控制系统可靠性提高，使用更加灵活。机械工程学院现代制造技术研究所DCS系统框图检测控制基本调节器监督计算机CRT操纵台高速数据通道基本调节器被控对象检测控制被控对象DCS采用分散控制和集中管理的控制理念与网络化的控制结构，灵活地将控制设备、服务器、基础自动化单元等联系在一起。从综合自动化角度出发，按功能分散、危险分散、管理集中和应用灵活等原则进行设计，具有高可靠性能，便于维修与更新。它以系统最优化为目标，以微处理机为核心，与数据通信技术、CRT显示、人机接口技术和输入/术相结合，广泛用于数据采集、过程控制和生产管理机械工程学院现代制造技术研究所分级控制系统框图被控对象检测控制设备级DDC管理指令到主管部门数据销售订货等数据市场动向信息到其他工厂生产运输指令存储数据来自其他工厂生产和库存信息企业级经营管理计算机工厂级集中监督计算机车间级监督计算机车间级监督计算机检测