第1章 计算机控制系统概述

计算机控制系统西安工程大学陈增禄2011-09-13第1章计算机控制系统概述本章主要内容1.1基本概念1.2系统组成和特点1.3发展历程及典型形式1.4发展趋势1.1计算机控制系统的基本概念什么是计算机控制系统？由计算机实现控制的“自动控制系统”自动控制系统——在无人直接参与的情况下，通过“机器”实现某种控制规律，使得生产过程实时地按照设定的规律实现预期的性能指标工业控制系统的两个基本要求实时性、在线性二者的区别——见下表本课程研究哪些问题？——下表中用“黄色”标出本课程的特点强调：系统性、理论性研究：实时控制、动态性能早期自动控制系统计算机(自动)控制系统前续课程理论基础(连续时间)自动控制原理经典：高阶微分方程现代：状态空间方程组数学变换：Laplace变换离散时间控制系统理论经典：高阶差分方程现代：状态空间差分方程组数学变换：Z变换自控原理现代控制理论复变函数控制策略串并联反馈校正、PID、前馈补偿，等离散串并联反馈校正、PID、前馈补偿，极点配置，观测器，智能控制，等自控原理现代控制理论过程控制设计工具波特图、根轨迹、状态反馈，计算机仿真，等间接设计、最小拍、离散状态反馈，计算机仿真，等自控、现代，计算机仿真硬件实现气动、液压、模拟电路、数字电路（分立器件），等计算机（工控机、PLC、DSP、单片机、FPGA/CPLD，等）单片机原理、微机原理，PLC、DSP、EDA、过程控制信号通道模拟变送（电、气、液，等），多线分立并行数字传送，串口、现场总线（控制、通信网络）、光纤接口技术、数据通信与控制网络系统特点结构复杂、精度差、灵活性差，故障率高，等结构简洁、精度高、灵活性好，可靠性高、实现复杂控制率，等本课程内容第1章计算机控制系统概述第2章计算机控制系统中的信号转换和处理——Shannon采样定理第3章线性离散系统的数学描述和动态分析第4章状态空间分析法第5章直接设计方法第6章模拟化设计方法第7章状态空间设计方法第8章复杂控制规律1.2计算机控制系统的组成和特点图1计算机控制系统基本结构系统组成1特点控制器：控制计算机，控制输出通道，反馈输入通道，显示、报警、人机交互，等离散时间，数字量输出：零阶保持（数模转换）；输入：模数转换二者之界面被控对象：驱动器，执行机构，被控生产实体、或工艺过程，检测、变送，等连续时间，模拟量接口接口打印机显示终端计算机主机接口接口接口接口多路开关数字量输入数字量输出多路开关传感器及变送器执行机构工业对象操作台通用外部设备主机及操作台通道信号检测及变送被控对象O/IO/I接口电路O/IO/IO/IO/IO/I接口电路O/ID/AA/DO/I图2计算机控制系统的组成框图系统组成2特点硬件：电气与电子系统的物理实体组成。不易修改和升级软件：信息处理规则。如程序、代码，等易修改，灵活性好系统组成3特点强电：功率变换追求：功率、效率、安全弱电：信息处理追求：高速、智能、可靠1.3计算机控制系统的发展历程及典型形式1.3.1.数据采集和处理（操作指导）系统本节所述“典型形式”或称“分类”，实际上是计算机控制系统在其发展和完善过程的不同时期中，所具有的结构形式。出现于开创性的早期——上世纪50～60年代，当时：计算机速度慢加法：0.1ms数量级，乘法：1ms数量级价格昂贵，体积大采用电子管可靠性差平均无故障时间100小时数量级计算机模拟量输入（AI）通道数字量输入（DI）通道CRT打印机生产过程操作人员调节器图4数据采集和监控（监视、监测）系统因此，无法满足工业控制系统的实时性和在线性计算机未参与控制，其工作限于：寻找最佳工作条件——静态寻优完成调度，产生生产计划生成产量和成本报表人工操作采用模拟（气动、液压、少量电气仪表）调节1.3.2.直接数字控制系统（DDC）一个革命性时期——上世纪60～70年代随着计算机速度、价格、可靠性等性能的提高——其实当时的提高速度还是很慢的一台计算机可以取代上百个模拟调节仪表，直接测量上百个变量——直接数字控制DDC的优点灵活性——重新编程取代了重新接线——便于回路之间相互约束及连锁对于大型系统综合价格会低些DDC的缺点典型的集中控制（价格太贵）——计算机的可靠性至关重要——计算机故障，可能直接导致一条生产线瘫痪，这很致命囿于计算能力很低，难以实现复杂控制计算机真正参与了实时控制——直接促进了以下领域的研究：离散控制系统理论控制算法——智能化可靠性——当然包括微电子集成电路技术，及信息技术广泛的应用需求也极大的刺激了计算机科学的研究和发展——应用需求总是研究和生产的动力图5直接数字控制系统示意框图1.3.3．监督控制系统（SCC）并不是某一特定发展时期的产物，是一个系统构成形式操作指导与DDC相结合SCC计算机实现数据采集和处理，并产生控制指令——可实现一定的智能控制模拟闭环控制，或下位计算机实现DDC闭环控制图6监督控制系统的结构形式1.3.4.分布式控制系统（DCS）也称为“集散控制系统”——集中管理，分散控制较复杂的多点（多回路）控制系统——才有“分散”一说“分布式”与“分散”基本同义分级控制系统——决策级、管理级、监控级、现场级……在监督控制的基础上增设管理级……工业控制现场的控制输出、信号检测及变送等，使用大量的模拟量及数字量信号线；使得布线量大、结构复杂导致系统故障率高、灵活性差计算机技术的发展导致出现微控制器，价格低、体积小，为分散控制奠定了物质基础一台管理（监督）计算机+若干台控制计算机控制分散，使得系统性能提高；故障率下降；灵活性更大图7DCS结构示意图PLC——上世纪70年代由数字逻辑控制器取代用于逻辑和顺序控制的继电器系统广泛应用于分布式控制系统中单板机——上世纪70～80年代一块印刷版上的最小计算机系统单片机——上世纪80～90年代一个芯片上的最小计算机系统Arm（AdvancedRISCMachines）——上世纪90年代以来精简指令集微处理器嵌入式计算机内置于某一具有特定控制或信息处理功能的设备之中的微处理器所有上述技术——伴随着小型化和大幅降价——大大促进并奠定了计算机分布式和现场总线控制系统发展的基础计算机进入了底层控制和检测的终端促进了底层终端的智能化也是现场总线（底层数字通信网络）发展的基础1.3.5.现场总线控制系统现场总线——底层（工业现场）数据通信网络近十多年的最新技术成果在DCS的现场级采用现场总线取代分立的控制和检测信号线更加简洁、可靠、灵活现场总线技术蓬勃发展统一国际总线标准真正的开放式互联系统，积木式结构图8FCS控制系统研究动态模型——复杂的计算机实时控制系统需要详尽的系统（动态）模型催生了系统辨识——有现场数据计算对象的动态模型检测技术——计算机实时控制需要准确的过程参数催生了数据融合技术离散控制理论——计算机实时控制系统设计的基石智能控制理论和算法专家系统、模糊控制、神经网络、滑模及变结构控制、非线性控制理论，等分布式控制和现场总线技术1.4计算机控制系统的发展趋势本章结束