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1第一章 绪论讲课


第一章 绪论
§1-1 计算机控制系统的组成及特点 数字计算机应用广泛, 数字计算机应用广泛,是一个国家的工业发 展水平的重要标志, 展水平的重要标志,计算机控制系统是数字计算机 与自动控制系统相结合的产物。 与自动控制系统相结合的产物。计算机承担着控制 器的任务,它对控制理论各方面都产生了深刻的影 器的任务, 响。 一、计算机控制 定义:在控制过程中, 定义:在控制过程中,如果采用计算机取代了 模拟调节器,该控制就称为计算机控制, 模拟调节器,该控制就称为计算机控制,该系统则 称为计算机控制系统。利用计算机来实现生产过程自动 称为计算机控制系统。利用计算机来实现生产过程自动
控制的系统。 控制的系统。

下图1 典型的计算机控制系统结构框图。 下图1-1典型的计算机控制系统结构框图。
1

a、开环
给定信号 控制器 执行机构 被控对象 被控参数

b、闭环
输入 反 馈

计算机 控制器

执行 构

输出

控制对象


计算机控制



控制 器
2

2.

计算机控制系统的组成
软件 接口
显示终端

变送器 传感器 A\D D\A 多路开关 反多路开关 开关量输入 执行机构 生 产 对 象

磁盘驱动器

微 型 计 算 机

接口 接口

接口
打印机

开关量输出

实时 时钟 通用外部设备

操作 台 接口 外部通道 检测及变送 控制对象

主机及操作台

硬件部分:主机、接口电路、过程输入 输出通道 输出通道、 硬件部分:主机、接口电路、过程输入/输出通道、外 部设备、 部设备、 操作台
3

(1)主机
(2) 操作台

? 中央处理器(CPU) 中央处理器( ) ? ? ? 内存储器 和 ? 内存储器(RAM和ROM)
? ? ? ? ?

(CRT)显示器或 )显示器或(LED)数码显示器 数码显示器 键盘(功能键和数字键) 键盘(功能键和数字键)

功能:完成人与系统对话,了解生产过程的状态,修改参数, 人工干预。 功能:完成人与系统对话,了解生产过程的状态,修改参数, 人工干预。 ? 输入设备 (3)通用外围设备 ? 输出设备 ? ? ? 外存储器

接口与I/O通道 (4) I/O接口与 通道 接口与

? ? ? ? ?

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

(5)传感器:非电学量转变为电学量,如热电耦、压力传感器等 传感器:非电学量转变为电学量,如热电耦、
4

软件部分: 软件部分:

? ? 控制程序 软件 ? ? 数据采集及处理程序 ? ? ? ? 应用软件 ?巡回检测程序
? ? ? 数据管理程序
? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? 系统软件 ? 语言加工系统 ? ? ? ? 诊断系统 ?

操作系统

编辑程序 编译程序 连接、 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 / 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

5

1)工作原理 实时控制—real 工作原理( control) 三、1)工作原理(实时控制 real time control) 整个工作过程是一个实时控制过程, 整个工作过程是一个实时控制过程,信号的输 入和输出都是在一定时间内完成的, 入和输出都是在一定时间内完成的,即计算机以足 够快的速度对输入信息处理, 够快的速度对输入信息处理,并在一定时间内作出 反映或进行控制,超出时间失去意义。 反映或进行控制,超出时间失去意义。
实时数据采集: 实时数据采集: 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。 进行检测和输入。 ?实时控制决策: 对采集到的被控变量进行分析和处理,并 对采集到的被控变量进行分析和处理, 实时控制决策: ? 按已定的控制规律, 按已定的控制规律,决定将要采取的控制 ? 行为。 行为。 ?实时控制输出: 根据控制决策,适时地对执行机构发出控 实时控制输出: 根据控制决策, 制信号,完成控制任务。 制信号,完成控制任务。
6

给定

被控变量 输入 通道 计算机 输出通道 D/A 对象 y

输入通道 A/D

7

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 在线方式或联机方式:生产过程和计算机直接连接, 方式或联机方式 计算机控制的方式。 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, ★ 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。 计算机控制,而是靠人进行联系并作相应操作的方式。 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 实时:是指信号的输入、 围内完成。 围内完成。 实时控制系统必定是在线系统。 ★ 实时控制系统必定是在线系统。
8

§1-2 计算机控制系统的特点与优点
计算机控制系统主要特点: 一、计算机控制系统主要特点: 结构上: (一)结构上:是模拟控制部件和数字部件混合 的系统,目前测量装置和执行机构多数为模拟部件。 的系统,目前测量装置和执行机构多数为模拟部件。 (二)信号形式上:有多种信号形式,除具有连 信号形式上:有多种信号形式, 续模拟信号外,还有离散模拟信号,离散数字信号。 续模拟信号外,还有离散模拟信号,离散数字信号。 工作方式上: (三)工作方式上:一个数字控制器可以控制多 个回路(基于计算机可以实现巡回检测, 个回路(基于计算机可以实现巡回检测,分时控制的 原理)。 原理)。
9

计算机控制系统的优点: 二、计算机控制系统的优点: 计算机控制系统的控制规律是由软件实现的, 计算机控制系统的控制规律是由软件实现的, 随着计算机的不断发展,它的优点越来越突出。 随着计算机的不断发展,它的优点越来越突出。 由于计算机具有强大的运算和存储能力, (一)由于计算机具有强大的运算和存储能力, 具有丰富的逻辑判断能力,使它能实现复杂的控制规 具有丰富的逻辑判断能力,使它能实现复杂的控制规 最优控制,自适应控制,模糊控制, 律,如:最优控制,自适应控制,模糊控制,人工神 经网络控制等。 经网络控制等。 易于改变控制规律, (二)易于改变控制规律,因为控制规律是由软 件实现的,修改控制规律无论是简单的还是复杂的, 件实现的,修改控制规律无论是简单的还是复杂的, 硬件几乎无需做根本变化。 硬件几乎无需做根本变化。 计算机控制系统是以数字信息为基础工作, (三)计算机控制系统是以数字信息为基础工作, 信息稳定,抗干扰能力强, 信息稳定,抗干扰能力强,一般模拟调节器各处都有 干扰,而数字控制器一般只在采样处引入干扰。 干扰,而数字控制器一般只在采样处引入干扰。
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10

§1.3 微型计算机控制系统分类及发展

? ? ? ?

1.操作指导控制系统 2.直接数字控制系统(DDC) 3.监督计算机系统(SCC) 4. 分级计算机控制系统

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11

一、操作指导控制系统 操作指导控制系统 (Operational Instruction System)
计算机的输出一般不直接控制生产对象, 计算机的输出一般不直接控制生产对象,只是 对系统过程参数进行收集,加工处理, 对系统过程参数进行收集,加工处理,然后输出数 操作人员根据这些数据进行必要的操作。 据,操作人员根据这些数据进行必要的操作。操作 指导系统结构图如图1 所示: 指导系统结构图如图1-3所示: 特点:手动, 特点:手动,半自动 优点: 优点:结构简单 缺点:要由人工操作,速度受到限制 受到限制, 缺点:要由人工操作,速度受到限制,不能控制多个
对象。 对象。

主要用于:调试新控制系统, 主要用于:调试新控制系统,试验新数学方法 模型。 模型。

12 返回本节

15

图1-3

操作指导控制系统组成框图
A/D 转 换 器 采 样 器 测 量 元 件

工 业 对

微 型 机

显示终端

调节器



打印机

特点:手动, 特点:手动,半自动 优点:结构简单 优点: 缺点: 缺点:速度慢

主要用于调试新系统, 主要用于调试新系统, 试验新数学方法模型。 试验新数学方法模型。
13 返回本节

直接数字控制系统 控制系统( 二、直接数字控制系统( DDC )
(Direct Digital Control System ) 一台微型机对多个物理量进行巡回检测, 一台微型机对多个物理量进行巡回检测,并 根据规定的控制规律进行运算, 根据规定的控制规律进行运算,然后发出控制信 号去控制执行结构, 号去控制执行结构,使各个被控量达到预定的要 数字控制器可以实现PID调节、最优控制、 PID调节 求,数字控制器可以实现PID调节、最优控制、自 适应控制,这也是本课程研究的重点。 适应控制,这也是本课程研究的重点。 直接数字控制系统的框图如图1 所示: 直接数字控制系统的框图如图1-4所示:

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打印机

计 算 机

接口

输入通道

检测

显示

接口

输出通道

执行

报警 操作台 图1-4 直接数字控制系统结构图

图1-4 DDC控制系统原理图 DDC控制系统原理图

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监督计算机控制系统(SCC) 三、监督计算机控制系统(SCC) Control) (Supervisory Computer Control) 原理:计算机对各控制回路分别进行最佳给定, 原理:计算机对各控制回路分别进行最佳给定,它 由原始工艺过程和其它参数, 由原始工艺过程和其它参数,按照描述生产过程的数 学模型,自动改变给定值送给模拟调节器或DDC DDC微型 学模型,自动改变给定值送给模拟调节器或DDC微型 使生产过程始终处于最优工况(高质量,高效率, 机,使生产过程始终处于最优工况(高质量,高效率, 低消耗,低成本),它是操作指导系统和DDC ),它是操作指导系统和DDC系统的 低消耗,低成本),它是操作指导系统和DDC系统的 综合与发展。 综合与发展。 SCC系统有两种不同的结构形式。 SCC系统有两种不同的结构形式。 系统有两种不同的结构形式 SCC+模拟调节器控制系统 (1)SCC+模拟调节器控制系统 SCC+DDC控制系统 (2)SCC+DDC控制系统 如图1 所示。 如图1-5所示。 如图1 所示。 如图1-6所示。
16

regulator:微型机检测被控量, regulator:微型机检测被控量, 并按一定的数学模型计算出最佳给定值, 并按一定的数学模型计算出最佳给定值,送模拟调节 由模拟调节器实现闭环控制。 器,由模拟调节器实现闭环控制。

(1) SCC+analog )

supervisory computer

A/D

采样器

监测器

D/A

模拟调节器

输出扫描

执行机构

图 1-5

SCC+模拟调节器系统 SCC+模拟调节器系统

plant
17

(2) SCC+DDC:由监控计算机完成优化分析和设 ) SCC+DDC:
并给出最佳给定,送给DDC DDC级微型机直接控制 计,并给出最佳给定,送给DDC级微型机直接控制 生产过程,两台计算机之间通过接口相联系。 生产过程,两台计算机之间通过接口相联系。

supervisory computer

A/D

采样器

检测器

DDC 微型机

输出扫描

D/A

执行机构

图1-6 SCC+DDC

plant
18

四、分级计算机控制系统
随着微型计算机的迅猛发展, 随着微型计算机的迅猛发展,大型计算机控制 系统纷纷问世,而且微型机价格不断下降, 系统纷纷问世,而且微型机价格不断下降,把分散 控制和集中控制相结合,形成分布控制系统, 控制和集中控制相结合,形成分布控制系统,在这 类控制系统中, 类控制系统中,基层控制器常采用控制器和被控对 象一一对应的关系,而高层采用一对多的方式, 象一一对应的关系,而高层采用一对多的方式,只 有必要的信息才由下一级送到上一级或中央控制室, 有必要的信息才由下一级送到上一级或中央控制室, 而绝大部分时间都是下级各个计算机并行地就地工 作。 系统工作原理图如图1 所示: 系统工作原理图如图1-7所示:

19 返回本节

至其它工厂

① 企业级 经营管理计算机 ② 工厂级 集中控制计算机

实行全企业 的调度
至其它工厂

最优化控制 直接控制对象
车间级监控计算机(SCC)

制定生产计划及 人员调配等



车间级监控计算机(SCC)

装置控制级(DDC)



装置控制级(DDC)

装置控制级(DDC)

装置控制级(DDC)

工厂对象A

工厂对象B

工厂对象C

工厂对象D

图 1-7

分级计算机控制系统
20 返回本节

分布式控制系统具有如下优点: 分布式控制系统具有如下优点: 由于各微型机控制功能分散,因此可靠性高 可靠性高。 1、由于各微型机控制功能分散,因此可靠性高。 速度快, 2、速度快,分布式微型机系统是各级并行工 速度大大提高。 作,速度大大提高。 3、系统模块化,便于操作、组装和调试。 系统模块化,便于操作、组装和调试。 4、设计开发维护简便,由于系统采用模块化的结 设计开发维护简便, 并且有自诊断和错误检测系统, 构,并且有自诊断和错误检测系统,所以器件开发 及维护均很方便,而且灵活性很大 灵活性很大。 及维护均很方便,而且灵活性很大。

21 返回本节

五、微型机控制系统的发展方向 用可编程控制器实现控制, 1、用可编程控制器实现控制,它具有可靠性 功能模块化,编程容易,价格低廉等优点。 高,功能模块化,编程容易,价格低廉等优点。 提高控制系统的性能, 2、提高控制系统的性能,用先进的控制理论 实现新型控制系统,如模糊控制、神经网络控制。 实现新型控制系统,如模糊控制、神经网络控制。 本课程要研究的主要问题是: 本课程要研究的主要问题是:计算机控制系 主要问题是 统的设计与实现, 统的设计与实现,所谓设计就是如何确定数字控 制器的结构,所谓实现就是控制算法实现时, 制器的结构,所谓实现就是控制算法实现时,如 何防止溢出及对溢出设置保护, 何防止溢出及对溢出设置保护,以及怎样解决计 算机与传感器及执行结构的硬件配合问题。 算机与传感器及执行结构的硬件配合问题。
22

§ 1.3

典型计算机控制系统简介

一、计算机过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行 测量与控制的系统。 测量与控制的系统。 二、微型计算机控制的电动机调速系统、变流装置的非线性补 微型计算机控制的电动机调速系统、 启动和调速时选用不同的控制方式或控制参数, 偿,启动和调速时选用不同的控制方式或控制参数,PWM型逆 型逆 变器中的控制,双闭环直流调速系统,晶闸管触发器、 变器中的控制,双闭环直流调速系统,晶闸管触发器、速度调 节器和电流调节器由计算机实现 三、计算机数字程序控制系统 顺序控制和数字程序控制 四、工业机器人 应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。 应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。
23

思考题: 思考题:
1、微型机控制系统由哪几部分组成?各部分的作 微型机控制系统由哪几部分组成? 用是什么? 用是什么? 操作指导、DDC、 SCC系统的工作原理如何 系统的工作原理如何? 2、操作指导、DDC、及SCC系统的工作原理如何? 3、微型机控制系统与模拟调节系统相比有什么特 点和优点? 点和优点?

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