第一章 计算机控制系统概述

计算机控制技术主讲：狄卫国手机：[phone]邮箱：[e-mail]电气与电子工程学院第1章第2页共44页2020年1月19日星期日课程教学安排总学时：48学时理论学时：36学时实验学时：12学时考试形式：笔试第1章第3页共44页2020年1月19日星期日教材:第1章第4页共44页2020年1月19日星期日主要参考书目第1章第5页共44页2020年1月19日星期日第1章第6页共44页2020年1月19日星期日参考教材《微型计算机控制技术实用教程》，潘新民主编，电子工业出版社，2006《微型计算机控制技术》，赖寿宏主编，机械工业出版社，2005《微型计算机控制技术》，于海生主编，清华大学出版社，2000《微型计算机控制技术及应用》，徐大诚主编，高等教育出版社，2003《微型计算机控制技术》，曾庆波主编，电子科技大学出版社，2007第1章第7页共44页2020年1月19日星期日前导技术基础课电类基础课微机原理及接口技术C语言程序设计单片机原理及应用传感器及测试技术电路模电数电计算机控制技术课程间的关系:自动控制原理第1章第8页共44页2020年1月19日星期日课程简介计算机控制技术课程较全面地介绍了计算机控制的基本理论和应用技术。主要包括计算机控制系统的一般概念、分类和组成；I/O接口和I/O通道的构成、工作原理、典型电路与系统连接的基本知识和应用举例；常用控制程序设计；采用离散化方法进行数字PID控制器及其改进算法设计的原理、参数整定、程序实现和设计举例；数字控制器直接设计方法的原理、方法；微机控制系统设计的方法、步骤、硬件、软件设计及其常用应用程序；现场总线的基础知识。第1章第9页共44页2020年1月19日星期日课程基本要求学习本课程后，应达到下列基本要求：1.对控制技术的基本概念和基本组成有明确的认识；2.能熟练掌握接口的设计一般要求、I/O通道的模式；3.掌握典型D/A、A/D芯片与计算机的接口设计以及相应的程序设计；4.掌握键盘接口技术与LED显示接口技术以及相应的程序设计；5.掌握数字程序控制技术的原理与实现技术；6.掌握PID控制中各环节的作用及参数整定的方法；7.了解微型机控制系统的设计方法与步骤。第1章第10页共44页2020年1月19日星期日第一章计算机控制系统概述本章主要内容本章主要介绍计算机控制系统的一般概念、组成、分类以及发展趋势。第1章第11页共44页2020年1月19日星期日1.1计算机控制系统的一般概念1.2计算机控制系统的组成1.3计算机控制系统的分类1.4计算机控制系统的发展趋势第一章第一章计算机控制系统概述第1章第12页共44页2020年1月19日星期日计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。20世纪50年代中期，经典的控制理论已经发展成熟和完备，并在不少工程技术领域中得到了成功的应用。在这个基础上发展起来的模拟式自动控制系统也达到了相当完善的程度，到现在，它仍然在许多工业部门占有相当重要的地位，许多元件和系统都已经形成标准化和系列化产品。尽管这种模拟式控制系统对单输入单输出系统是很有效的，对一些较复杂的多输入和多输出的参数相互耦合的系统也曾起过积极的作用。但它的进一步发展受到了限制，在控制规律的实现、系统的优化、可靠性等方面越来越不能满足更高的要求。第1章第13页共44页2020年1月19日星期日现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础。而计算机技术的发展为新型控制规律的实现提供了非常有效的手段，计算机技术和现代控制技术的结合极大地推动了自动控制技术的发展。第1章第14页共44页2020年1月19日星期日1.1.1计算机控制的发展过程世界上第一台电子计算机于1946年在美国问世，在生产过程控制中采用数字计算机控制的思想出现在20世纪50年代中期，控制理论与计算机技术结合，产生了计算机控制系统，为自动控制系统的应用与发展开辟了新的途径。经过多年的研究，到20世纪50年代末，已经将计算机用于过程控制。1962年，英国帝国化学工业公司实现了一个DDC系统，它的数据采集点为244点，控制阀为129个。这时的计算机控制系统逐步由早期的操作指导系统转变为直接数字控制系统。1.1计算机控制系统的一般概念第1章第15页共44页2020年1月19日星期日随着微型计算机特别是单片机的出现，使计算机控制由集中式的控制结构（一台计算机控制多个回路）转变为分散控制结构，形成分散控制、集中操作和分级管理的布局即DCS系统。从20世纪80年代后期到90年代，计算机技术又有了飞速的发展，微处理器已由16位发展到32位，并且进一步向64位过渡。20世纪90年代，随着分散控制系统的广泛使用和工厂综合自动化的要求，对各种控制设备提出了很强烈的通信需求，要求计算机控制的核心设备，这种系统在连续生产过程中被称为计算机集成生产／过程系统（CIPS:ComputerIntegratedProduction/ProcessSystem）。与此相对应，在机械制造行业，称为计算机集成制造系统（CIMS:ComputerIntegratedManufacturingSystem）。劳动密集向技术密集转变的过程第1章第16页共44页2020年1月19日星期日自动控制系统可以按照多种方式组成，但总的归纳起来有两种，即开环控制系统和闭环控制系统。1.1.2计算机控制系统的基本结构(a)闭环控制系统u(t)控制器执行机构被控对象r(t)e(t)y(t)测量机构(b)开环控制系统u(t)控制器执行机构被控对象r(t)y(t)图1-1控制系统的一般形式自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工、比较和控制。控制器是关键部件，决定了控制系统的控制性能和应用范围。第1章第17页共44页2020年1月19日星期日将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就构成了计算机控制系统。图1-2计算机控制系统基本框图计算机执行机构被控对象r(t)y(t)D/AA/D实时时钟测量机构控制器(a)闭环控制系统u(t)控制器执行机构被控对象r(t)e(t)y(t)测量机构第1章第18页共44页2020年1月19日星期日在计算机控制系统中，计算机的作用主要有三个方面：•对于复杂控制系统的控制规律的计算工作量很大，采用模拟解算装置难以实现，因而需要采用计算机进行处理。•用计算机的软件程序实现对控制系统的校正以保证控制系统具有所要求的动态特性。•由于计算机具有快速完成复杂工程计算的能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适应控制等高级控制功能及多功能计算调节。第1章第19页共44页2020年1月19日星期日计算机控制系统的控制过程可以归结为以下三个步骤：•实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测并输入。•实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。•实时控制：根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。实时:指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出反应或进行控制，超出这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。第1章第20页共44页2020年1月19日星期日.实时的概念不能脱离具体过程。例如温度控制过程.影响系统实时性的因素：一次仪表的延迟、过程输入量的延迟、计算和逻辑判断的延迟、控制量输出的延迟和数据传输的延迟等等。一个联机系统不一定是实时系统，但实时系统必是联机系统。生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。•由于计算机的运算速度快，精度高，含丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此能实现复杂的控制规律，从而达到较高的控制质量。•由于计算机具有分时操作的功能，所以一台计算机能代替多台控制仪器，实现群控。对于计算机控制系统来说，增加一个控制回路的费用是很少的，控制规律的改变和复杂程度的提高由编制程序实现，不需改变硬件而增加成本，有很高的性能价格比。1.1.3计算机控制系统的特点第1章第22页共44页2020年1月19日星期日•由于软件功能丰富，编程方便和硬件体积小，重量轻以及结构设计上的模块化、标准化，使计算机控制系统有很强的灵活性。硬件配置上可装配性，可扩允性好。•由于采取有效的抗干扰、抗噪声办法，并采用各种冗余、容错等技术，使计算机控制系统有很高的可靠性。•由于计算机有监控、报警、自诊断功能，使计算机控制系统有很强的可维护性。如有的工控机一旦出现故障，能迅速指出故障点和处理办法，便于立即修复。•技术更新快、信息综合性强、操作便利等也都是计算机控制系统的一些特点。第1章第23页共44页2020年1月19日星期日计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输人入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。1.2计算机控制系统的组成外部设备操作台计算机输出通道执行机构输入通道检测装置被控对象图1-3计算机控制系统的组成第1章第24页共44页2020年1月19日星期日1.计算机计算机是计算机控制系统的核心，通过接口可以发出各种命令，同时对被控对象进行实时检测及处理。具体功能是完成程序存储、程序执行、数值计算、逻辑判断和数据处理等工作。2.过程输入输出通道该部分是计算机和被控对象（或生产过程）之间设置的信息传送和转换的连接通道。过程输入输出通道一般分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。第1章第25页共44页2020年1月19日星期日3.外部设备实现计算机和外界交换价息的设备称为外部设备（简称外设），外部设备包括人—机通信设备、输入输出设备和外存储器等。4.操作台操作台是操作人员与计算机控制系统进行“对话”的装置，主要包括如下几部分：显示装置、功能键、数字键。第1章第26页共44页2020年1月19日星期日5.软件软件是指能够完成各种功能的计算机控制的程序系统，它是计算机系统的神经中枢。整个系统的动作，都是在软件的指挥下进行协调动作的。它由系统软件和应用软件组成。系统软件是指为提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用、维护和管理计算机提供方便的程序的总称。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，在计算机控制系统中则是指完成系统内各种任务的程序。第1章第27页共44页2020年1月19日星期日计算机控制系统的分类方法很多，根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可将计算机控制系统分为以下几种类型：•数据采集系统（DAS）•计算机操作指导控制系统（OGC）•直接数字控制系统（DDC）•监督计算机控制系统（SCC）•计算机分级控制系统•集散控制系统（DCS）•现场总线控制系统(FCS)•计算机集成制造系统(CIMS)1.3计算机控制系统的分类第1章第28页共44页2020年1月19日星期日数据采集系统(DataAcquisitionSystem)--是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。1.3.1数据采集系统（DAS）计算机工业对象器换转D/A采样器测量元件统系集采据数显示终端打印机第1章第29页共44页2020年1月19日星期日计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作1.3.2计算机操作指导控制系统(OGC)计算机执行机构输入通道显示、打印、报警检测装置被控对象操作者图1-4计算机操作指导控制系统第1章第30页共44页2020年1月19日星期日计算机工业对象器换转D/A采样器测量元件显示终端打印机控制仪表图1-4操作指导控制系统第1章第31页共44页2020年1月19日星期日计算机通过测量元