计算机控制系统 第一章 绪论

第一章绪论•第一节计算机控制系统概述•第二节计算机控制系统的分类•第三节计算机控制系统的发展•第四节本课程特点•第五节关于创新学习的探讨第一节计算机控制系统概述一、计算机控制系统的一般概念计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术的基础上产生的。没有采用计算机控制的系统一般为连续控制系统，其典型结构图如图1-1所示，图中各处的信号均为模拟信号。图1-1连续控制系统典型结构图如果将连续控制系统的控制器用计算机来实现，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。图1-2计算机控制系统典型结构图计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个骤：（1）数据采集：对被控量进行采样测量，形成反馈信号。（2）计算控制量：根据反馈信号和给定信号，按一定的控制规律，计算出控制量。（3）输出控制信号：向执行机构发出控制信号，实现控制作用。二、计算机控制系统的组成计算机控制系统由计算机系统和生产过程两大部分组成。计算机系统包括硬件和软件。硬件指计算机本身及其输入输出通道和外围设备，是计算机系统的物质基础。软件指管理计算机的程序及系统控制程序等，是计算机系统的灵魂。生产过程包括被控对象、测量变送单元、执行机构、电气开关等装置。图1-3计算机控制系统硬件组成框图1.计算机控制系统的硬件组成包括计算机系统硬件和生产过程各部分的装置。（1）计算机系统硬件：①主机：是计算机控制系统的核心。主机通过接口向系统的各个部分发出各种命令，对被控对象进行检测和控制。②输入输出通道：是计算机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成计算机可以接收的数字信号，过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。③外部设备：是实现计算机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器等。（2）生产过程装置。①测量变送单元：是为了测量各种参数而采用的相应的检测元件及变送器。②执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是计算机控制系统中的重要部件，其功能是根据计算机输出的控制信号，产生相应的控制动作，使被控对象按要求运行。2.计算机控制系统的软件组成软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。（1）系统软件。它是由计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。系统软件包括：①操作系统：包括管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；②诊断系统：指的是调试程序及故障诊断程序；③开发系统：包括各种语言处理程序（编译程序）、服务程序（装配程序和编辑程序）、模拟程序（系统模拟、仿真、移植软件）、数据管理程序等。（2）应用软件。它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。计算机控制系统的应用软件有：①过程监视程序②过程控制计算程序③公共服务程序（3）数据库。数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应的软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。三、计算机控制系统的特点计算机控制系统与连续控制系统相比，具有如下特点：（1）控制规律的实现灵活、方便。（2）控制精度高。（3）控制效率高。（4）可集中操作显示。（5）可实现分级控制与整体优化，可通过计算机网络系统与上下位计算机相通信，进行分级控制，实现生产过程控制与生产管理的一体化与整体优化，提高企业的自动化水平。（6）存在着采样延迟。第二节计算机控制系统的分类一、操作指导控制系统计算机的输出部分与被控过程不直接发生联系，而是通过数据采集和处理，为操作人员提供反映生产工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，由操作人员根据这些信息进行相应的操作。这种类型属于开环控制系统。图1-4操作指导控制系统二、直接数字控制系统（DirectDigitalControl,简称DDC）计算机直接参加闭环控制过程。计算机通过测量元件对一个或多个系统参数进行巡回检测和采样，对开关量信号直接采集输入，对模拟信号经A/D转换变成数字量输入，然后按一定的控制规律计算处理，发出控制信号，经过D/A转换器变成模拟信号，去驱动执行机构动作，或者由开关量通道直接进行控制，使各被控量达到预定的要求。图1-5直接数字控制系统三、监督计算机控制系统监督计算机控制（SupervisoryComputerControl，简称SCC）系统的构成如图1-6所示。计算机按照被控的生产过程工况和数学模型，计算出最佳给定值或最优控制量，提供给DDC计算机或模拟调节器，最后由DDC计算机或模拟调节器来控制生产过程，使生产过程始终处于最佳工况。图1-6监督计算机控制系统四、分布式控制系统（DistributedControlSystem,简称DCS）该系统有代替集中控制系统的趋势，其特点是将控制任务分散，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能实现管理。图1-7给出的是一个四级系统，图中自下而上各级计算机的任务如下。（1）装置控制级（DDC级）。（2）车间监督级（SCC级）。（3）分厂集中控制级。（4）企业经营管理级。图1-7分级计算机控制系统第三节计算机控制系统的发展一、计算机控制系统的发展过程第一个阶段是1965年以前的试验阶段。第二个阶段是1965年至1972年的实用阶段。在试验阶段用于控制的计算机基本上还是采用模拟常规调节仪表的调节规律，只在控制形式上由连续变为离散，因而调节效果得不到明显改善。第三阶段是从1972年开始到现在的发展阶段。1972年出现了微型计算机，由于它优越的性能价格比，使得计算机的应用真正地进入了普及和深入的阶段。二、计算机控制系统的发展趋势1．可编程控制器：可编程控制器（ProgrammableController，简称PC），也可称之为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，简称PLC），是一种专为工业环境应用而设计的计算机控制系统。它具有可靠性高、编程灵活简单、易于扩展和价格低廉等许多优点。随着PLC的发展，它除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算及网络等功能，不仅能处理开关量，而且还能够实现模拟量的控制，多台PLC之间可方便地进行通讯与联网。目前从单机自动化到工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络都可以见到PLC的成功应用。2．集散控制系统集散控制系统就是分布式控制系统（DCS），发展初期以实现分散控制为主，20世纪80年代以后，集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管理，使其具有分散控制和综合管理两方面特征，因此称为分散型综合控制系统，简称为集散控制系统。目前，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统。3.计算机集成制造系统计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufactureSystem,简称CIMS）是面向制造业的集成自动化系统，是计算机技术、自动化技术、制造技术、管理技术和系统工程等多种技术的综合和全企业信息的集成，包括了生产设备与过程控制、自动化装配与工业机器人、质量检测与故障诊断、CAD与CAM、立体仓库与自动化物料运输、计算机辅助生产计划制定、计算机辅助生产作业调度、办公自动化与经营辅助决策等内容。与计算机集成制造系统相类似，在石化、冶金等流程工业中具有广阔应用前景的是计算机集成过程系统（ComputerIntegratedProcessSystem,简称CIPS）。4.嵌入式系统嵌入式系统是将一个微型计算机嵌入到一个具体应用对象的体系中，实现应用对象智能化控制的计算机控制系统。这样的应用对象从MP3、手机等微型数字化产品，到智能家电、车载电子设备、智能医疗设备、智能工具、数字机床、各种机器人、网络控制等各个领域。嵌入式系统以其成本低、体积小、功耗低、功能完备、速度快、可靠性好等特点在诸多的领域体现出强大的生命力，也使计算机控制技术在这些领域获得了更加广泛的应用。与通用计算机在技术上追求高速运行、海量存储等性能不同，嵌入式计算机控制系统的技术要求是对对象的智能化控制能力、嵌入性能和控制的可靠性。5.网络控制系统网络控制系统是以网络为媒介对被控对象实施远程控制、远程操作的一种新兴的计算机控制系统。在这类系统中，管理决策、资源共享、任务调度、优化控制等上层机构可以方便地与各种现场设备或装置连接在一起，从而实现全系统的整体自动化和性能优化，这必将带来巨大的经济效益和社会效益。另外，在人不易操作或无法到达的场合，可以采用基于网络的遥控方式实现有效的控制，如强核辐射下、深海作业、小空间范围内的作业等。在一些特殊的场合，网络控制也显示出明显的优势，如用于医疗领域的远程病理诊断、专家会诊、远程手术等。在不久的将来，多数电器都会有上网的功能，可以通过网络对电器实施遥操作。随着相关领域技术的发展，网络控制技术作为“综合技术之上的技术”必将被迅速的应用到各个领域中去。第四节本课程特点一、集中描述了自动化学科的知识结构在高等学校开设本课程的有自动化专业或以自动化为后缀的有关专业，如电气工程及自动化、机械工程及其自动化、农业机械化及其自动化、农业电气化与自动化，还有电子信息工程、计算机科学与技术、测控技术与仪器、过程装备与控制工程等专业，以上专业或者以自动化学科为基础或者与自动化学科紧密相关。并不是每一门学科的知识结构都可以用一个简洁的结构图来比较清晰地表示出来，但是对于自动化学科，其知识结构与体系却可以由图1-8所示的计算机控制系统典型结构图来集中地描述出来。图1-8计算机控制系统典型结构图将图1-8分为传感器、A/D与D/A、信号处理、控制器、执行器和被控对象六个部分，每一部分都代表了自动化学科的一个知识领域:（1）传感与检测：包括各类传感器、测量信号的处理与变送、抗干扰技术、信号检测与诊断等。（2）变换与传输：包括A/D与D/A变换、信号传输与通信、网络与总线等。（3）计算与处理：包括数字信号处理、数据结构、操作系统、算法基础、模式识别等。（4）控制与智能：包括经典控制理论、现代控制理论、智能控制、自适应控制、最优控制、稳定性与鲁棒性等。（5）执行与驱动：包括驱动环节、各种基于机电液气和光机电一体化机理的执行器、自动化仪表等。（6）对象与建模：包括系统辨识与参数估计、各类系统建模技术、CAD仿真技术等。除上述六个知识领域，图1-8还关联到以下几个知识领域：（1）机电基础：包括电工基础、电子基础、机械基础、电机与传动、电力电子等。（2）计算机硬件与软件：包括计算机基础、计算机语言、微机原理、单片机原理，可编程序控制器、计算机集散系统等。（3）系统与工程：包括运动控制系统、过程控制系统、多变量系统、非线性系统、离散系统、大系统、管理信息系统、人机系统等。自动化的核心是控制与系统。由上述分析可见，计算机控制系统几乎包括了自动化学科中所有和控制与系统有关的知识。为了对计算机控制系统有更深刻的理解，我们还可以从几个不同的角度，对图1-8加以分析。（1）从信息传递的角度，图中传感器、A/D与D/A、信号处理、控制器、执行器五部分分别代表信息获取、信息传输、信息处理、信息控制、信息应用五个环节。（2）从信息与能量、物质之间关系的角度，可以将图1-8从执行器和传感器中间一分为二，右边为物质能量层，左边为信息层。按信息流向，传感器将被控对象的“物质”和“能量”转换为“信息”，实现了信息获取，再经过信息传输，信息处理和信息控制，由执行器将控制信息转换成作用于被控对象的“能量”，进而按控制要求在被控对象中产生相应的“物质”。（3）从模拟量与数字量相互转换的角度，可以从图1-8的A/D、D/A中间一分为二，右边为模拟量，左边为数字量，数字量部分是计算机控制系统中的计算机所在部分。二、具有综合性、应用性和实践性1.综合性:本课程具有几个方面的综合性。（1）设计要素的综合性。一个计算机控制系统的设计，要体现各要素之间的合理综合