计算机控制技术计算机控制技术自动化学院计算机控制技术1.教材1.1于海生等编著,微型计算机控制技术(第2版),清华大学出版社,20091.2于海生等编著,计算机控制技术,机械工业出版社,20071.3于海生等编著,微型计算机控制技术,清华大学出版社,19992.参考书2.1谢剑英,微型计算机控制技术,国防工业出版社2.2何克忠,计算机控制系统,清华大学出版社2.3王锦标,计算机控制系统,清华大学出版社课程要求与说明计算机控制技术《计算机控制技术》是自动化专业的主干专业课。4.前续基础课程3.课程的性质程序设计技术(汇编、C/C++/VC、VB)自动控制理论(经典/现代)检测技术与自动化仪表微机原理(单片机)与接口技术计算机控制技术5.期末成绩评定卷面成绩(100分)*80%+平时成绩(10分,出勤+作业)+实验成绩(10分)学校要求抽查出勤缺课3次及以上者不得参加考试!计算机控制技术6.主要教学内容本课程以主流机型ISA/PCI总线工业控制机为控制工具,系统地阐述了计算机控制系统的设计和工程实现方法。本课程主要内容包括:计算机控制系统及其组成,计算机控制系统的典型型式、工业控制机的组成结构及特点;计算机控制系统的输入输出接口与过程通道;常规及复杂控制技术;现代控制技术;应用程序设计与实现技术;HMI/SCADA技术与监控组态软件;分布式测控网络技术。本课程以理论课和实验课相结合的形式进行教学。计算机控制技术第1章绪论1.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的典型形式1.3计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制技术1.1计算机控制系统概述自动控制:就是在没有人直接参与的情况下,通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。典型的工业生产过程:连续过程(ContinuousProcess)离散过程(DiscreteProcess)批量过程(BatchProcess)自动控制系统原理框图:计算机控制技术1.1.1计算机控制系统计算机控制系统:就是利用计算机(通常称为工业控制计算机,简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。计算机控制技术模拟式火炮位置控制系统原理结构图计算机控制技术火炮位置计算机控制系统原理结构图计算机控制技术计算机控制技术火炮模拟控制系统与计算机控制系统比较计算机控制技术三轴转台计算机控制技术任务管理系统静态交联测试计算机控制技术自动导航预备性飞行试验计算机控制技术计算机控制技术俯仰舵面方向舵面副翼舵面地面站自驾仪动力计算机控制技术惯性测量元件板(IMU)ZigbeePilotI2C数传电台空速传感器磁力计USBGPSGPS模块2876543187654321输出输入ArduPilotAtmega主控制板RC接收模块横滚俯仰速度方向自驾模式控制方向舵机电子调速器俯仰舵机横滚舵机俯仰舵面方向舵面副翼舵面地面站自驾仪动力计算机控制技术惯性测量元件板(IMU)ZigbeePilotI2C数传电台空速传感器磁力计USBGPSGPS模块2876543187654321输出输入ArduPilotAtmega主控制板RC接收模块横滚俯仰速度方向自驾模式控制方向舵机电子调速器俯仰舵机横滚舵机计算机控制技术1.计算机控制系统的工作原理①实时数据采集:对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。②实时控制决策:对采集到的被控量进行分析和处理,并按已定的控制规律,决定将要采取的控制行为。③实时控制输出:根据控制决策,适时地对执行机构发出控制信号,完成控制任务。输出通道D/A输入通道A/D对象被控量y输入通道计算机给定计算机控制技术2.在线方式和离线方式在线方式(on-line):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。离线方式(off-line):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做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。3.实时的含义实时(real-time):指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成,亦即计算机对输入信息,以足够快的速度进行控制,超出了这个时间,就失去了控制的时机,控制也就失去了意义。!而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密!不同的被控对象,对时间范围的要求不同。发酵过程和导弹防御系统的对比!计算机控制技术1.1.2计算机控制系统的组成计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分组成。1.工业控制机(1)硬件组成:主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台。(2)软件组成:系统软件;应用软件。2.生产过程计算机控制技术1.1.3常用的计算机控制系统主机1.可编程序控制器(PLC)2.工控机(IPC)3.单片机4.DSP5.智能调节器计算机控制技术1.2计算机控制系统的典型形式1.2.1操作指导控制系统优点是结构简单,控制灵活和安全。缺点是要由人工操作,开环结构,控制的实时性差,不能控制计算机根据一定的控制算法,依赖测量元件测得的信号数据,计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。计算机控制技术1.2.2直接数字控制(DDC)系统计算机控制技术1.2.3监督控制(SCC)系统a)SCC+模拟调节器的控制系统b)SCC+DDC的分级控制系统计算机控制技术1.2.4集散控制系统(DCS)亦称分布式控制系统计算机控制技术1.2.5现场总线控制系统(FCS)计算机控制技术1.2.6综合自动化系统综合自动化系统的整体解决方案:企业资源信息管理系统ERP(EnterpriseResourcesPlanning);生产执行系统MES(ManufacturingExecutionSystem);生产过程控制系统PCS(ProcessControlSystem)。综合自动化系统主要包括:计算机集成制造系统(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)——制造业;计算机集成过程系统(CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem)——流程工业。计算机控制技术1.3工业控制机的组成结构及特点1.3.1工业控制机的组成工业控制机包括硬件和软件两部分。硬件包括主机(CPU、RAM、ROM)板、内部总线和外部总线、人机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。软件包括系统软件、支持软件和应用软件。计算机控制技术1.工业控制机的硬件组成主机板人机接口系统支持磁盘系统通信接口模拟量输入通道(AI)模拟量输出通道(AO)数字量输入通道(DI)数字量输出通道(DO)外部总线内部总线工业控制机的硬件组成结构计算机控制技术2.工业控制机的软件组成(1)(2)支持软件(3)软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库数据可靠性检查程序A/D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序计算机控制技术1.3.2工业控制机的总线结构1.内部总线(1)ISA总线及其信号线定义16位的ISA总线规范要求与8位PC向下兼容。总线插槽由两部分组成:8位基本插槽和16位扩充插槽ISA共有98根信号线,数据线宽度为16位,地址线宽度为24位,总线时钟为8MHz,中断源为边沿触发。计算机控制技术2.PCI/CompactPCI总线简介PCI(PeripheralComponentInterconnect)是美国SIG(SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery)集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz,数据传输率为80Mb/s(峰值传输率为133Mb/s)。1)PCI总线的主要性能:支持10台外设、总线时钟33.3MHz/66MHz、总线宽度32位/64位等。2)其它性能:并行操作、地址/数据线复用、支持64位寻址等。计算机控制技术3)PCI总线信号定义主控设备49条,目标设备47条,可选引脚51条(主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等),总引脚数120条(包含电源、地、保留引脚等)。计算机控制技术2外部总线1)RS-232串行通信总线引脚号功能引脚号功能1保护地14(辅信道)发送数据2发送数据15发送信号无定时(DCE为源)3接收数据16(辅信道)接收数据4请求发送(RTS)17接收信号无定时(DCE为源)5允许发送(CTS,或清除发送)18未定义6数传机(DCE)准备好19(辅信道)请求发送(RTS)7信号地(公共回线)20数据终端准备好8接收线信号检测21信号质量检测9(保留供数传机测试)22振铃指示10(保留供数传机测试)23数据信号速率选择(DTE/DCE为源)11未定义24发送信号无定时(DTE为源)12(辅信道)接收线信号检测25未定义13(辅信道)允许发送(CTS)计算机控制技术RS-232C信号状态状态-15V<V1<-5V+5V<V1<+15V逻辑状态10信号条件传号(MARK)空号(SPACE)功能OFFONRS-232C电平转换及接口电路计算机控制技术2)USB串行通信总线(1)具有热插拔功能(2)USB采用“级联”方式连接各个外部设备(3)适用于低速外设连接计算机控制技术1.3.3工业控制机的特点(1)可靠性高和可维修性好。(2)环境适应性强。(3)控制的实时性。(4)完善的输入输出通道。(5)丰富的软件。(6)适当的计算机精度和运算速度。计算机控制技术1.4.1计算机控制系统的发展概况1.计算机技术的发展过程(1)开创时期(1955~1962年)(2)直接数字控制时期(1962~1967年)(3)小型计算机时期(1967~1972年)(4)微型计算机时期(1972年至今)1.4计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制技术2.计算机控制理论的发展过程(1)采样定理(2)差分方程(3)Z变换法(4)状态空间理论(5)最优控制与随机控制(6)代数系统理论(7)系统辨识与自适应控制(8)先进控制技术计算机控制技术1.4.2计算机控制系统的发展趋势1.推广应用成熟的先进技术(1)普及应用可编程序控制器(PLC)(2)广泛使用智能调节器(3)采用新型的DCS和FCS2.大力研究和发展先进控制技术模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术、自适应控制技术、预测控制技术、内模控制技术、分层递阶控制技术、鲁棒控制技术、学习控制技术已成为先进控制的重要研究内容。计算机控制技术3.计算机控制系统的发展趋势(1)控制系统的网络化(有线、无线)(2)控制系统的扁平化(3)控制系统的智能化(4)控制系统的综合化计算机控制技术本章课程结束,谢谢!课代表?