计算机控制技术

机械自动化学院开课目的和任务工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。机械自动化学院课程总目录•绪论•输入输出接口与过程通道•数字控制技术•计算机控制系统数学基础•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机械自动化学院课程总目标学完本课程后，你应具有以下能力：•熟悉计算机控制系统的组成原则•了解计算机控制系统结构•掌握计算机控制系统设计的方法•把握计算机控制系统的发展方向•灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题机械自动化学院课程安排•理论教学26学时•实验单独设课，6学时，共3个实验考核办法平时成绩：20%期末考试成绩：80%机械自动化学院参考书目1.《计算机控制系统》，李元春等编著，高等教育出版社2.《计算机控制技术》，姜学军编著，清华大学出版社3.《微型计算机控制技术》，潘新民等编著，电子工业出版社4.《计算机控制技术》，冯培悌编著，浙江大学出版社5.期刊－－工业控制机（技术性比较强）、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表等等。机械自动化学院第1章绪论内容提要•计算机控制系统概述•计算机控制系统的典型形式•工业控制机的组成结构及特点•计算机控制系统的发展概况及趋势机械自动化学院本章要求、重难点•基本要求：了解计算机控制系统及其基本组成。•教学重点：计算机控制系统的典型形式。•教学难点：计算机控制系统的工作原理。机械自动化学院1.1计算机控制系统概述•自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。控制器被控对象被控量机械自动化学院自动控制系统的结构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。这些功能是由检测装置、控制器和执行机构来完成的。其中控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系统的控制性能和应用范围。给定量+控制器执行机构被控对象被控量检测装置-机械自动化学院1.1.1计算机控制系统及其组成1.计算机控制系统（1）计算机控制系统的工作原理给定量+控制器eD/Au执行机构被控对象被控量y测量变送A/D-工控机被控对象机械自动化学院工作原理实时数据采集：实时控制决策：实时控制输出：对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。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。机械自动化学院（2）在线方式和离线方式★在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。★离线方式或脱机方式：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。（3）实时的含义★实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密！★实时控制系统必定是在线系统。机械自动化学院1.1.2.计算机控制系统的组成硬件部分：主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台机械自动化学院★主机中央处理器（CPU）内存储器(RAM和ROM)★接口电路:主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁★过程输入/输出通道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★外部设备★操作台输入设备输出设备外存储器（CRT）显示器或(LED)数码显示器键盘（功能键和数字键）机械自动化学院软件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软件部分：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机械自动化学院1.1.3.常用的计算机控制系统主机1)可编程控制器2)工控机3)嵌入式系统(1)嵌入式微处理器ARM(2)嵌入式微控制器单片机(3)嵌入式DSP处理器(4)嵌入式片上系统SoC4)智能调节器机械自动化学院1.1.4.计算机控制系统的特点计算机控制系统同连续控制系统相比，具有以下特点：1）连续控制系统中，各处信号是模拟信号；计算机控制系统是含有模拟信号和数字信号的混合系统。2）连续控制系统中，控制规律由模拟电路实现。计算机控制系统中，控制规律由计算机通过程序实现，具有很大的灵活性和适应性。3）计算机控制系统具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能实现复杂控制规律。机械自动化学院4）连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。计算机控制系统不是连续控制的，而是离散控制的。5）连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。计算机控制系统中，一个控制器分时控制多个回路。6）采用计算机控制系统，如分级计算机控制系统、集散控制系统、计算机网络控制系统等，便于实现控制与管理的一体化，是工业企业的自动化程度进一步提高。机械自动化学院1.2计算机控制系统的典型形式1．操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。机械自动化学院2．直接数字控制系统（DirectDigitalControl—DDC）★要求：实时性好、可靠性高和适应性强★一台计算机通常要控制几个或几十个回路输入通道(AI.DI）输出通道(AO.DO)打印机报警操作台CRT计算机生产过程机械自动化学院3．监督控制系统（SupervisoryComputerControl—SCC）DDC计算机生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(b)工艺数据模拟调节器生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(a)工艺数据机械自动化学院4．集散型控制系统（DistributedControlSystem－DCS）机械自动化学院5．现场总线控制系统（FieldbusControlSystem—FCS）机械自动化学院6.综合自动化系统由企业资源信息管理系统ERP（EnterpriseResourcesPlanning）、生产执行系统MES（ManufacturingExecutionSystem）和生产过程控制系统PCS（ProcessControlSystem）构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。计算机集成制造系统(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)计算机集成过程系统（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）机械自动化学院(1)程序和顺序控制(2)比例积分微分控制(PID控制)(3)最小拍控制(4)复杂规律的控制(5)智能控制二.按照控制规律分类机械自动化学院(1)程序和顺序控制定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。机械自动化学院(2)比例积分微分控制(PID控制)定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。这同样是我们学习的一个重点内容。机械自动化学院(3)最小拍控制最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。最小拍控制是我们本书内容的重点和难点，是直接离散控制系统设计！机械自动化学院(4)复杂规律的控制在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解耦控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。机械自动化学院(5)智能控制智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能运筹学控制理论机械自动化学院1.3工业控制机的组成结构及特点1.工业控制机的硬件组成主机板、内部总线和外部总线、人-机接口、系统支持功能（监控定时器、电源掉电检测、保护重要数据的后备存储器体、实时日历时钟）、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。2.工业控制机的软件组成系统软件、支持软件、应用软件。1.3.1工业控制机的组成机械自动化学院1.3.2工业控制机的总线结构总线：就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。1.内部总线内部总线：就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。按功能可以分为数据总线(DB)、地址总线(AB)、控制总线(CB)和电源总线(PB)四部分。机械自动化学院ISA(AT)总线：对XT总线的扩充，98线，16位，寻址空间16MB，数据传输率16Mbps。•PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种，数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCIExpress数据传输率可以达到8Gbps。1.内部总线机械自动化学院外部总线：计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信的连线。。1）RS-232C串行通信总线2）USB串行总线►具有热插拔功能►采用“级联”方式连接各个外部设备►适用于低速外设连接2.外部总线机械自动化学院►可靠性高和可维修性好►环境适应性强►控制实时性好►完善的输入输出通道►丰富的软件►适当的计算精度和运算速度1.3.3工业控制机的特点机械自动化学院1946年世界上第一台电子计算机ENICA问世1．计算机控制技术的发展过程►开创时期（1955～1962年）►直接数字控制时期（1962～1967年）►小型计算机时期（1967～1972年）►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及趋势1.4.1计算机控制系统的发展概况机械自动化学院软件的发展：50年代至70年代软件发展缓慢70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制2．计算机控制理论的发展过程►采样定理►差分方程机械自动化学院►Z变换法)()(0kTfzkTfZkK►状态空间理论►最优控制与随机控制►代数系统理论►系统辨识与自适应控制►先进控制技术机械自动化学院1．推广应用成熟的先进技术►普及应用可编程序控制器（PLC）►广泛使用智能调节器►采用新型的DCS和FCS2．大力研究和发展先进控制技术►分级递阶智能控制系统►模糊控制系统►专家控制系统►学习控制系统►神经控制系统1.4.2计算机控制系统的发展趋势机械自动化学院3.计算机控制系统的发展趋势►控制系统的网络化►控制系统的扁平化►控制系统的智能化►控制系统的综合化机械自动化学院1.5计算机控制系统的研究内容和对系统的基本要求一.研究内容1.系统建模：自动控制系统研究的基本内容是对控制系统建立数学模型，简称系统建模。数学模型是描述系统变量之间关系的数学表达式，对连续系统为微分方程，对离散系统为差分方程，在现代控制理论中，要建立状态方程。建立系统的数学模型的方法有分析方法和实验方法。分析法是根据物理和化学定律，建立系统的动态方程。实验法是用系统辨识方法，即对系统加入已知信号，