计算机控制技术-西电版第1章绪论课件

选用教材选用教材 经典控制理论在解决较简单的自动控制系统设计方面获得了很大经典控制理论在解决较简单的自动控制系统设计方面获得了很大的成功，在这个基础上发展起来的模拟控制系统（常规控制）也已达到相的成功，在这个基础上发展起来的模拟控制系统（常规控制）也已达到相当完善的程度。但是，它的进一步发展受到了限制，在复杂控制规律的实当完善的程度。但是，它的进一步发展受到了限制，在复杂控制规律的实现、系统的最优化、可靠性等方面已不能满足更高的要求。现、系统的最优化、可靠性等方面已不能满足更高的要求。现代控制理论的发展给自动控制系统增添了理论工具，而计算机现代控制理论的发展给自动控制系统增添了理论工具，而计算机技术的发展为新型控制规律的实现、构造高性能的控制系统提供了物质基技术的发展为新型控制规律的实现、构造高性能的控制系统提供了物质基础，两者的结合极大地推动了自动控制技术的发展。础，两者的结合极大地推动了自动控制技术的发展。计算机控制技术是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础计算机控制技术是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。上产生的。第1章绪论1.1 计算机控制系统的概念1.2 计算机控制系统的组成1.3 计算机控制系统的分类1.4 计算机控制系统的发展概况及趋势第1章绪论1.1.1 常规控制系统常规控制系统(模拟控制系统模拟控制系统)常规控制系统是用常规装置(由调节器、测量元件和执行器等仪器仪表组成)根据一般规律进行控制的自动控制系统。最简单的常规控制只用一只仪表即可达到目的，复杂的常规控制需要几只以至几十只仪表才能奏效。1.1 计算机控制系统的概念1.简单调节系统简单调节系统简单调节系统一般是由一个测量元件及相应的调节器和执行器组成的控制系统，生产过程中的控制大多数属于这一类。它可以是使变量保持在常数的定值调节，也可以是使变量跟踪变化的随动调节。调节器执行机构被控对象测量元件变换发送单元给定信号被控参数-2.复杂调节系统复杂调节系统(1)串级调节。串级调节系统就是利用主、副两个调节器串联在一起来稳定一个主参数的系统。(2)前馈调节。干扰较大且可测时，可在干扰出现时测取其信号，经前馈调节器修正后，送做反馈调节器的给定值，使其在调节过程中，能够在干扰影响被调节量之前先行采取克服干扰的措施。前馈反馈复合控制系统方块图(3)均匀调节。生产中常有前一设备的产品直接用做后续设备的进料，此物质的流量必须同时满足前后两个设备的生产要求。均匀调节的调节结果使流量尽量不变，或缓慢变化，只有在危及各设备的安全生产时，才采取极端的措施。(4)分程调节。在需用不同的手段分阶段地控制一个参数时，采用这种调节。也就是一台控制器去操纵两个或两个以上的阀门，并且是按输出信号的不同区间操作不同阀门。(5)取代调节,也称超驰调节或选择性调节。这是对生产进行软保护的一种设计。实现一种在规定的条件下由一个调节系统取代另一个调节系统(两调节系统共用一个调节阀)的调节方式。1.1.2 计算机控制系统计算机控制系统简单说，若控制系统中的控制器功能由数字计算机实时完成，则称该系统为计算机控制系统。与一般控制系统相同，计算机控制系统也分为闭环系统和开环系统两种。闭环系统中，计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影响被控对象。开环系统分为两种方式：1.一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则影响被控对象，即顺序控制或事件控制；2.另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。计算机控制系统常由计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等组成，其典型结构如下图所示。1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.2.1 计算机控制系统的硬件计算机控制系统的硬件1.主机主机CPU、ROM、RAM及时钟电路、复位电路等构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、报警处理等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。2.I/O接口与接口与I/O通道通道I/O接口与I/O通道是主机与外部连接的桥梁。常用的I/O接口有并行接口、串行接口等，它们大部分是可编程的。I/O通道分为模拟I/O通道和数字I/O通道两种。3.通用外部设备通用外部设备通用外部设备主要是为扩大计算机主机的功能而设置的。它们用来显示、打印、存储和传送数据，常用的有打印机、记录仪、图形显示器(CRT)、软盘和硬盘等。4.检测元件与执行机构检测元件与执行机构检测元件主要指各种传感器和变送器。传感器的主要功能是将被检测到的非电量参数转变为电学量；变送器的作用是将传感器得到的电信号转换成适合于计算机接口使用的电信号(如4 mA20 mA DC)。执行机构接收计算机接口传输的电信号，进行各种控制动作的执行。5.操作台操作台操作台是人机对话联系的纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作命令等。它主要由以下4部分组成：(1)作用开关,如电源开关、操作方式(自动/手动)选择开关等。(2)功能键，主要包括复位键、启动键、打印键及工作方式选择键等，主要是为了操作方便而设置的。(3)LED数码管及CRT显示，用来显示被测参数及操作人员感兴趣的内容，如显示数据表格、系统流程、开关状态以及报警状态等。(4)数字键，用来输入数据或修改控制系统的参数。1.2.2 计算机控制系统的软件计算机控制系统的软件软件也是计算机控制系统必不可少的组成部分。软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，如操作程序、监控程序、管理程序、计算程序和自诊断程序等。软件是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件的指挥下协调工作的。若按功能分类，软件分为系统软件和应用软件两大部分。系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源，方便用户使用计算机。它主要包括操作系统、各种编译软件和监控管理软件等。这些软件一般不需要用户自己设计，它们是开发应用软件的工具。应用软件根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘处理、控制算法、输出与控制等程序。1.3 计算机控制系算机控制系统的分的分类1.3.1 操作指导控制系统操作指导控制系统(OIS)1.3.2 直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC)1.3.3 监督控制系统监督控制系统(SCC)在监督计算机控制（Supervisory Computer Control）系统是一种两级控制系统。计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。SCC+模拟调节器控制系统的工作原理SCC+DDC系统的工作原理1.3.4 分散型（集散型）控制系统分散型（集散型）控制系统(DCS)计算机集散控制系统是一个三级系统，各级计算机的功能如图所示。分为：现场控制级（DDC）控制管理级（SCC）生产管理级（MIS）DCS系统的组成1.3.5 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）FCS是新一代分布式控制结构。DCS结构模式为“操作站控制站现场仪表”三层结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS有各自的标准，不能互连。FCS与DCS不同，它的结构模式为“工作站现场总线仪表”二层结构，完成了DCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，实现了真正的开放式互连系统结构。服务器网桥自动监控器及显示系统操作站局域网H2现场总线现场设备H1H1H1H1H2H2现场总线H2现场总线现场设备现场设备 是一种用数字局域网络连接起来的分布式控制系统。采用控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术。具有数字化的信息传输、分散的系统结构、方便的互操作性、开放的互连网络及多种传输媒介及拓扑结构等特点。现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表。FCS系统的基本设备有：1）传感器、变送器 2）执行器 3）服务器和网桥 4）辅助设备 5）监控设备现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS 现场总线控制系统代表了一种新的控制观念现场控制。它的出现对DCS做了较大的变革。主要表现在：信号传输实现了全数字化，从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连；系统结构采用全分散化，废弃了DCS的输入输出单元和控制站，现场设备或现场仪表取而代之；现场设备具有互操作性，改变了DCS控制层的封闭性和专用性，不同厂家的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态；通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享；技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。1.3.6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统从功能上看，CIMS包括了一个企业的经营管理信息、设计自动化、制造自动化和质量保证这四个功能分系统。要使这四种功能系统集成起来，还需要一个支撑环境，即分布式数据库和计算机网络以及指导集成运行的系统技术，功能结构如下图所示。CIMS功能结构图第一层：单元自动化,简单控制第三层：生产调度，系统优化 经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第二层：先进控制，过程优化生 产 过 程 流程CIMS的递阶控制示意图1.3.7 网络控制系统网络控制系统1.网络控制系统的基本概念网络控制系统的基本概念网络控制系统，即NCS(Networked Control System)，是通过网络将分布于不同地理位置的传感器、控制器和执行机构连接起来，形成的一种全分布实时反馈闭环控制系统。控制器通过网络与传感器和执行机构交换信息，并实现对远程被控对象的控制。2.网络控制系统的结构网络控制系统的结构受控对象执行器传感器控制器网 络1.4.1 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况 1总线式工业控制微型计算机 2可编程序控制器（PC或PLC）3单片微型计算机(单片机)4数字信号处理器（DSP）5单回路数字调节器（SSC）实际中，可根据被控对象的控制规模、工艺要求、控制特点和所完成的工作来确定选择以何种控制器构成的微机控制系统。1.4 计算机控制系统的发展概况及趋势1.4.2 计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势1.控制理论的发展趋势控制理论的发展趋势1）鲁棒控制鲁棒控制 2）预测控制预测控制 3）模糊控制模糊控制 4）神经控制神经控制 5）专家控制专家控制 6）遗传算法遗传算法2.控制系统的发展趋势控制系统的发展趋势1）综合自动化）综合自动化 综合自动化包括计算机集成制造系统和计算机集成过程系统(Computer Integrated Processing System,CIPS)。2）网络化）网络化 3）大力推广研究和发展智能）大力推广研究和发展智能控制系统控制系统 4）虚拟化）虚拟化 5）绿色化）绿色化