第1章计算机控制系统绪论课件

,单击此处编辑母版标题样式,2015,年,3,月,1,日,第一章,绪论,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,广东工业大学 自动化学院 自动控制系 陈玮,计算机控制,系统（,技术,）,单击此处编辑母版标题样式,*,计算机控制技术,*,计算机控制系统（技术）,Computer Control System,计算机控制系统（技术）Computer Control S,2024/9/2,计算机控制技术,2,课程总目标,学完本课程后，你应具有以下能力：,* 了解计算机控制系统的组成原则,* 了解计算机控制系统结构图,* 了解计算机控制系统设计的方法,* 熟悉控制系统应用程序设计方法,* 应用计算机控制技术解决一些实际应用问题,2023/9/8计算机控制技术2课程总目标学完本课程后，你应,2024/9/2,计算机控制技术,3,课程安排,1,、教学学时,40,学时,其中：,理论教学,30,学时,实验,8,学时,考试,2,学时,2,、课程设计,1,周,2023/9/8计算机控制技术3课程安排1、教学学时 4,2024/9/2,计算机控制技术,4,参考书目,1.,微型计算机控制技术,黄勤等编著 机械工业出版社,2011,年,2.,微型计算机控制技术（第二版）,于海生等编著 清华大学出版社,2009,年,3.,计算机控制系统,吴坚等编著 武汉理工大学出版社,2001,2023/9/8计算机控制技术4参考书目1.微型计算机控制,2024/9/2,计算机控制技术,5,第一章 计算机控制系统概论,一、,计算机控制系统分类,二、,计算机控制系统原理和组成,三、,计算机控制系统的性能及其指标,四、,计算机控制系统的发展与展望,本章主要内容,作业,2023/9/8计算机控制技术5第一章 计算机控制系统概论一,2024/9/2,计算机控制技术,6,一、计算机控制系统分类,1.,典型的计算机控制系统,2.,计算机控制系统分类,3.,计算机控制系统的特点,2023/9/8计算机控制技术6一、计算机控制系统分类1.,2024/9/2,计算机控制技术,7,1.,典型的计算机控制系统,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，简称工控机），来实现生产过程自动控制的系统。,典型的计算机控制系统实例,2023/9/8计算机控制技术71. 典型的计算机控制系统,2024/9/2,计算机控制技术,8,例,1.,啤酒罐计算机温度控制系统,啤酒罐温度控制系统是多点温度控制系统,各点温度由测量电路转换成电压信号，由多路开关、采样保持器巡回检测，各点温度经,A/D,转换变成数字量送到计算机与给定值进行比较后，按照一定的规律（,PID,）运算，输出控制量；,各控制量经过,D/A,转换、保持器、执行机构分别控制啤酒罐相应各点的温度。,2023/9/8计算机控制技术8例1.啤酒罐计算机温度控制系,2024/9/2,计算机控制技术,9,在线检测铜液中温度和氧含量的冶炼生产线,系统功能是将,传感器,检测的温度电势和氧电势信号转换成数字信息送入计算机，计算机按照特定的数学模型处理后，直接给出连续检测的铜液温度和氧含量。,例,2.,计算机检测系统,(1),2023/9/8计算机控制技术9在线检测铜液中温度和氧含量的,2024/9/2,计算机控制技术,10,例,2.,计算机检测系统,(2),由于该系统的信号采集与处理都是在计算机完成的，不需要专用的二次仪表。,系统响应快，实时性好、可靠性高，且直观和稳定，为在线控制铜液中的氧含量提供了手段。,2023/9/8计算机控制技术10例2.计算机检测系统(2),2024/9/2,计算机控制技术,11,2.,计算机控制系统分类,（,1,）,按控制系统的功能及结构特点分类,（,2,）,按控制规律分类,2023/9/8计算机控制技术112.计算机控制系统分类（1,2024/9/2,计算机控制技术,12,（,1,）,按控制系统的功能及结构特点分类,操作指导控制系统,直接数字控制系统,DDC,监督控制系统,SCC,集散控制系统,DCS,现场总线控制系统,FCS,计算机集成制造系统,CIMS,2023/9/8计算机控制技术12（1）按控制系统的功能及结,2024/9/2,计算机控制技术,13,操作指导控制系统,(,数据采集系统）（,1,）,属于开环控制结构，是最早和最简单的计算机控制系统。,计算机的输出与生产过程的控制单元不直接发生联系，控制动作实际上由操作人员接受计算机指示去完成。,2023/9/8计算机控制技术13操作指导控制系统(数据采,2024/9/2,计算机控制技术,14,操作指导控制系统,（,2,）,计算机根据一定的控制算法，依据过程输入通道输入的由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。,操作人员根据计算机的输出信息，如,CRT,显示图形或数据、打印机输出等去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。,2023/9/8计算机控制技术14操作指导控制系统（2）,2024/9/2,计算机控制技术,15,操作指导控制系统,（,3,）,优点,：结构简单，控制灵活、安全。,缺点,：人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个对象。,适用领域,：数据检测处理、试验新的数学模型、调试新的控制程序。,2023/9/8计算机控制技术15操作指导控制系统（3）优,2024/9/2,计算机控制技术,16,直接数字控制系统,DDC,（,1,）,计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回检测，经过程输入通道输入计算机。,计算机根据规定的控制规律和给定值进行运算，然后发出控制信号通过过程输出通道直接去控制执行机构，使各个被控量达到规定要求。,直接,数字控制系统,(Direct Digital ControlDDC),2023/9/8计算机控制技术16直接数字控制系统DDC（,2024/9/2,计算机控制技术,17,直接数字控制系统,DDC,（,2,）,计算机完全取代模拟调节器参加闭环控制过程，通过改变程序有效地实现较复杂的控制规律，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。,计算机直接与生产过程相连并承担控制任务，故要求,DDC,计算机可靠性高，实时性好，抗干扰能力强，能独立工作。,微型机、工控机,2023/9/8计算机控制技术17直接数字控制系统DDC（,2024/9/2,计算机控制技术,18,计算机,监督控制系统,SCC,（,1,）,在,SCC,中，由计算机按照描述生产过程的数学模型或其他方法，计算出最佳给定值送给模拟调节器或,DDC,，最后由,DDC,或模拟调节器控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。,计算机监督,控制系统,(Supervisory Computer Control,SCC),2023/9/8计算机控制技术18计算机监督控制系统 SC,2024/9/2,计算机控制技术,19,计算机,监督控制系统,SCC,（,2,）,由计算机系统对各物理量巡回检测，并按一定的数学模型，计算出最佳给定值并送给模拟调节器。,此给定值在模拟调节器中与检测值比较后，其偏差值经模拟调节器计算，然后输出到执行机构，达到调节生产过程的目的。,* SCC,模拟调节器控制系统,2023/9/8计算机控制技术19计算机监督控制系统 SC,2024/9/2,计算机控制技术,20,计算机,监督控制系统,SCC,（,3,）,是一个两级计算机控制系统，监控级,SCC,完成最优化分析和计算，给出最佳给定值，送给,DDC,直接控制生产过程。两级计算机之间通过接口进行信息交流，当,DDC,或,SCC,级计算机出现故障，可由另一级计算机完成控制功能。系统可靠性更高。,* SCC,DDC,计算机,高档微型机、小型机,2023/9/8计算机控制技术20计算机监督控制系统 SC,2024/9/2,计算机控制技术,21,集散控制系统,DCS,（,1,）,集散控制系统,(Distributed Control SystemDCS),又称为分布式控制系统，由若干台微处理器或微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，实现复杂的控制和优化。,2023/9/8计算机控制技术21集散控制系统 DCS（1,2024/9/2,计算机控制技术,22,集散控制系统,DCS,（,2,）,有多台计算机分别执行不同的控制功能，将危险分散，既能进行控制又能实现管理；,使用灵活，可靠性提高；,系统采用积木式结构，易于扩展；,采用,CRT,显示技术，智能操作平台，操作、监视方便。,多台微机或微处理器,2023/9/8计算机控制技术22集散控制系统 DCS（2,2024/9/2,计算机控制技术,23,现场总线控制系统,FCS,（,1,）,20,世纪,80,年代,DCS,在工业过程控制得到了广泛的应用，但由于它的“操作站,控制站,现场仪表”的结构模式，各厂家生产的,DCS,标准不同，不能互联，系统成本高。,现场总线控制系统（,Fieldbus Control SystemFCS,）采用了两层结构“工作站,现场总线智能仪表”，完成了,DCS,的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，而且在统一的国际标准下实现真正的开放式互连系统结构。,2023/9/8计算机控制技术23现场总线控制系统FCS（,2024/9/2,计算机控制技术,24,现场总线控制系统,FCS,（,2,）,现场总线既是一个开放的通讯网络，又是一种全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化系统。,它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能。,应用领域包括过程自动化、制造业自动化、楼宇自动化等等。,2023/9/8计算机控制技术24现场总线控制系统FCS（,2024/9/2,计算机控制技术,25,计算机集成制造系统,CIMS,（,1,）,计算机集成制造系统（,Computer Integrated Manufacturing System,CIMS,）是在信息技术、自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计与制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产、实现整体效益的集成化智能化制造系统。,CIMS,通过分布式数据库、网络通信和自动化系统的环境支持下将产品设计、产品制造及信息管理各个功能模块集成在一起。,2023/9/8计算机控制技术25计算机集成制造系统CIM,2024/9/2,计算机控制技术,26,计算机集成制造系统,CIMS,（,2,）,CIMS,包括管理信息系统、设计自动化分系统、制造自动化分系统、质量保证分系统、计算机网络分系统、数据库分系统。,* 管理信息分系统,具有预测、经营决策、生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具和人力资源等管理信息功能，通过信息集成，达到缩短产品生产周期、降低流动资金占用、提高企业应变能力的目的。,* 设计自动化分系统,用计算机辅助产品设计、工艺设计、制造准备及产品性能测试等工作，即,CAD/CAPP/CAM,系统，目的是使产品开发活动更高效、更优质地进行。,2023/9/8计算机控制技术26计算机集成制造系统CIM,2024/9/2,计算机控制技术,27,计算机集成制造系统,CIMS,（,3,）,*,制造自动化分系统,是,CIMS,中信息流和物流的结合点。,对于,离散型制造业,可以由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制（管理）计算机等设备及相应的支持软件组成。,对于,连续型生产过程,，可以由,DCS,控制下的制造装备组成，通过管理与控制，达到提高生产率、优化生产过程、降低成本和能耗的目的。,2023/9/8计算机控制技术27计算机集成制造系统CIM,2024/9/2,计算机控制技术,28,计算机集成制造系统,CIMS,（,4,）,*,质量保证分系统,包括质量决策、质量检测与数据采集、质量评价、控制与跟踪等功能。该系统保证从产品设计、制造、检测到后勤服务的整个过程的质量，以实现产品高质量、低成本，提高企业竞争力。,* 计算机网络分系统,采用国际标准和工业规定的网络协议，实现异种机互联、异构局域网络及多种网络互联。,*,数据库分系统,是逻辑上统一、物理上分布的全局数据库管理系统，通过该系统可以实现企业数据共享和信息集成。,2023/9/8计算机控制技术28计算机集成制造系统CIM,2024/9/2,计算机控制技术,29,（,2,）按控制规律分类,（,1,）程序和顺序控制,（,2,）,PID,控制,（,3,）最少拍控制,（,4,）复杂规律的控制,（,5,）智能控制,2023/9/8计算机控制技术29（2）按控制规律分类（1）,2024/9/2,计算机控制技术,30,（,1,）程序和顺序控制,在,程序控制,中，被控制量按照预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数。,比如：单晶炉的温度控制。,顺序控制,可以看做是程序控制的扩展，在各个时期所给出的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。,2023/9/8计算机控制技术30（1）程序和顺序控制,2024/9/2,计算机控制技术,31,（,2,）,PID,控制,调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分的函数。,PID,控制是目前应用最广、最普遍的技术，,PID,控制结构简单、参数容易调整。,目前，无论模拟调节器或数字调节器，多数仍使用,PID,控制规律。,2023/9/8计算机控制技术31（2）PID控制,2024/9/2,计算机控制技术,32,（,3,）最少拍控制,最少拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间里完成调节过程。,最少拍控制通常应用在数字随动系统的设计中。,2023/9/8计算机控制技术32（3）最少拍控制 最,2024/9/2,计算机控制技术,33,（,4,）复杂规律的控制,对于存在随机扰动、纯滞后对象和多变量耦合的系统，仅用,PID,控制是难以达到满意的性能指标的，因此，针对生产过程的实际，可以引进各种复杂规律的控制。,如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。,2023/9/8计算机控制技术33（4）复杂规律的控制,2024/9/2,计算机控制技术,34,（,5,）智能控制,智能控制理论是一种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。,智能控制理论是人工智能、运筹学和控制理论的交叉和汇合。,2023/9/8计算机控制技术34（5）智能控制,2024/9/2,计算机控制技术,35,3.,计算机控制系统的特点,（,1,）计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。,（,2,）,计算机控制系统,中控制规律由程序实现，修改方便，不需要改变硬件电路。,（,3,）计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，可以实现复杂控制规律。,（,4,）,计算机控制系统,是离散控制的。,（,5,）,计算机控制系统,由于计算机的高速运算处理能力，一个数字控制器可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。,（,6,）采用,计算机控制,，便于实现控制与管理一体化。,2023/9/8计算机控制技术353. 计算机控制系统的特,2024/9/2,计算机控制技术,36,二、计算机控制系统原理和组成,1,、计算机控制系统的基本原理,2,、计算机控制系统硬件组成,3,、计算机控制系统的软件组成,2023/9/8计算机控制技术36二、计算机控制系统原理和组,2024/9/2,计算机控制技术,37,1,、计算机控制系统的基本原理,（,1,）,工作原理：,实时数据采集,实时检测和输入来自被控量的瞬时值。,实时控制决策,对采集的被控量进行实时分析和处理，并根据规定的控制规律决策将要采取的控制量。,实时控制输出,根据作出的控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，在线实时完成控制任务。,2023/9/8计算机控制技术371、计算机控制系统的基本原,2024/9/2,计算机控制技术,38,1,、计算机控制系统的基本原理,（,2,）,工作方式：,在线方式,计算机与生产过程直接相连且直接控制生产过程；,离线方式,计算机不与生产过程相连，不直接控制生产过程；,实时性,与具体生产过程密切相关，信号的输入、处理和输出都必须在一定的时间范围内完成。,2023/9/8计算机控制技术381、计算机控制系统的基本原,2024/9/2,计算机控制技术,39,2,、计算机控制系统硬件组成,（,1,）,计算机控制系统,的硬件组成，主要由控制对象（或生产过程）、执行器、测量变送环节、输入输出通道和数字调节器等组成。,2023/9/8计算机控制技术392、计算机控制系统硬件组成,2024/9/2,计算机控制技术,40,2,、计算机控制系统硬件组成,（,2,）,*,控制对象,被控的生产装置或设备。,* 执行器,根据调节器的控制信号，输出一定的控制量，使生产过程满足预定的要求。,* 测量变送环节,由传感器和测量线路组成，其功能是将被控量转换成电信号。,* 输入输出通道,为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间架设信息的传递和变换的连接桥梁。包括模拟量和数字量。,* 数字调节器,就是计算机，控制规律是通过计算机程序来实现的。,2023/9/8计算机控制技术402、计算机控制系统硬件组成,2024/9/2,计算机控制技术,41,3,、计算机控制系统的软件组成,计算机控制系统包括硬件和软件,，软件是指能够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。,*,系统软件,包括操作系统、编辑软件、数据库系统、通讯网络软件和诊断系统。,*,应用软件,系统设计人员根据要解决的某一具体生产过程而编写的各种控制和管理程序。如过程控制程序、人机接口程序、打印显示程序、数据采集及处理程序，巡回检测和报警程序以及各种公共子程序。,2023/9/8计算机控制技术413、计算机控制系统的软件组,2024/9/2,计算机控制技术,42,三、计算机控制系统的性能及其指标,1,、,计算机控制系统的性能指标,2,、,控制系统的工业控制机特点,2023/9/8计算机控制技术42三、计算机控制系统的性能及,2024/9/2,计算机控制技术,43,1,、计算机控制系统的性能指标,（,1,）,计算机控制系统,本质上还是自动控制系统，依然要遵循控制理论，其性能分析和要求与连续控制系统相似，同样用系统的稳定性、能控性、能观性、动态特性及稳态特性来表征。,*,稳定性,是控制系统的最重要的要求之一，一个控制系统只有稳定，才有可能工作，才谈得上控制性能的优劣。,离散系统稳定性分析方法,分析计算机控制系统的稳定性。,稳定裕量,衡量计算机控制系统的稳定程度。,2023/9/8计算机控制技术431、计算机控制系统的性能指,2024/9/2,计算机控制技术,44,1,、计算机控制系统的性能指标,（,2,）,*,能控性与能观性,是现代控制理论中两个非常重要的概念，从控制系统状态的控制能力和状态的观测能力两方面揭示了控制系统的两个基本问题。,2023/9/8计算机控制技术441、计算机控制系统的性能指,2024/9/2,计算机控制技术,45,1,、计算机控制系统的性能指标,（,3,）,*,动态指标,直观反映控制系统的动态过渡过程特性。,在经典控制理论的,时域分析,中用时域指标来衡量控制系统性能的好坏，常用指标有： 延迟时间,t,d,、上升时间,t,r,、 峰值时间,t,p,、调节时间,t,s,和超调量,。,在实际应用中，常用的动态性能指标为上升时间、调节时间和超调量。,用,t,r,或,t,p,评价系统的响应速度；,用,评价系统的阻尼程度；,而,t,s,是同时反映响应速度和阻尼速度的综合指标。,2023/9/8计算机控制技术451、计算机控制系统的性能指,2024/9/2,计算机控制技术,46,1,、计算机控制系统的性能指标,（,5,）,*,稳态指标,是反映控制系统控制精度和抗干扰能力的一种度量，常用稳态误差,e,ss,来表征。,通常在,阶跃函数,、,斜坡函数,或,加速度函数,作用下进行测定或计算，,e,ss,表示系统的稳态输出量,y,与期望值,y,0,之间的差值，希望,e,ss,越小越好。,2023/9/8计算机控制技术461、计算机控制系统的性能指,2024/9/2,计算机控制技术,47,1,、计算机控制系统的性能指标,（,6,）,积分型指标,是主要的综合性指标之一，主要以误差,e,(,t,),对时间的不同积分来表征，有误差平方的积分、时间乘误差平方的积分、时间平方乘误差平方的积分、误差绝对值的积分以及加权二次型性能指标等。,在设计控制系统时，选择不同的性能指标，设计得到的系统结构和参数是有区别的。,因此在设计时应根据具体情况和要求，正确选择性能指标，既要考虑能对系统的性能作出正确的评价，又要考虑到数学上便于处理及工程上容易实现，通常还需做一定的试探和比较。,2023/9/8计算机控制技术471、计算机控制系统的性能指,2024/9/2,计算机控制技术,48,2,、被控对象对控制性能的影响,假设被控对象的放大系数,K,m,和扰动放大系数,K,n,、惯性时间常数,T,m,和,T,n,、对象的纯滞后时间常数,和,n,，而控制系统的性能采用超调量,、调节时间,t,s,和稳态误差,e,ss,等来表征，根据控制理论可以得出如下结论：,（,1,）放大系数对控制性能的影响,（,2,）惯性时间常数对控制性能的影响,（,3,）纯滞后时间对控制性能的影响,2023/9/8计算机控制技术482、被控对象对控制性能的影,2024/9/2,计算机控制技术,49,（,1,）放大系数对控制性能的影响,扰动放大系数,K,n,越小，稳态误差,e,ss,也越小，控制精度就越高，,故希望,K,n,尽可能小,；,放大系数,K,m,完全可以由数字调节器的比例系数,K,p,来补偿，所以,K,m,对系统的性能没有影响。,2023/9/8计算机控制技术49（1）放大系数对控制性能的,2024/9/2,计算机控制技术,50,（,2,）惯性时间常数对控制性能的影响,当,T,n,加大或惯性环节的阶次增加时，可以减少超调量,；,而,T,m,越小，系统的反应就越灵敏，控制也就越及时，控制性能就越好,2023/9/8计算机控制技术50（2）惯性时间常数对控制性,2024/9/2,计算机控制技术,51,（,3,）纯滞后时间对控制性能的影响,扰动通道的纯滞后时间,n,对控制系统的性能没有影响，只是使输出量,y,n,(,t,),沿时间轴平移了,n,；,而控制通道的纯滞后时间,使控制系统的超调量,增大，调节时间,t,s,延长，纯滞后时间,越大，控制性能就越差。,2023/9/8计算机控制技术51（3）纯滞后时间对控制性能,2024/9/2,计算机控制技术,52,3,、控制系统的工业控制机特点,计算机控制系统,是计算机在工业过程控制中的应用，是计算机很重要的应用领域之一。但它不同于一般的计算机应用领域，对计算机有着特殊的要求。,控制系统的工业控制机（简称工控机）的特点：,*,高可靠性和可维护性,*,环境适应性强,*,控制的实时性,*,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,2023/9/8计算机控制技术523、控制系统的工业控制机特,2024/9/2,计算机控制技术,53,四、计算机控制系统的发展与展望,1,、现代计算机控制系统概论,2,、新型控制策略与计算机控制系统,3,、计算机控制系统软件技术的新发展,4,、计算机控制系统的发展趋势,2023/9/8计算机控制技术53四、计算机控制系统的发展与,2024/9/2,计算机控制技术,54,1,、现代计算机控制系统概论,（,1,）,* 20,世纪,50,年代，计算机开始用于工业生产过程控制；,*,1954,年，开始用计算机构成开环控制系统；,*,1957,年，石油蒸馏过程控制采用了计算机构成闭环系统；,*,1962,年，在一个乙烯厂实现了直接数字控制系统；,*,19651969,，计算机控制进入使用普及的阶段，出现小型机，可靠性提高，成本降低，但仍属于集中性控制；,2023/9/8计算机控制技术541、现代计算机控制系统概论,2024/9/2,计算机控制技术,55,1,、现代计算机控制系统概论,（,2,）,* 1970,年以后，控制进入大量推广和分级控制阶段。将计算机分散到生产装置中去，实现小范围的局部控制和某些特殊控制，这种控制方式称为“分散性计算机控制系统”，即,DCS,。,*,1990,年以后，由于网络技术的迅速发展，生产过程和控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网络技术应用到了控制系统的前置机以及前置和上位机之间的数据传输中。前置机完成自己的控制功能，但它与上位机之间的数据传输采用计算机网络实现。,2023/9/8计算机控制技术551、现代计算机控制系统概论,2024/9/2,计算机控制技术,56,1,、现代计算机控制系统概论,（,3,）,* 20,世纪,80,年代后期，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备数字化，人们开始寻求用一根统一电缆将现场设备连起来，这就产生了一种新的控制观念,现场控制,。其特点：,（,1,）信号传输实现了全数字化；,（,2,）系统结构全分散化；,（,3,）现场设备具有互操作性，并可以统一组态；,（,4,）通讯网络为开放式互联网络，方便数据共享；,（,5,）技术和标准实现全开放。,2023/9/8计算机控制技术561、现代计算机控制系统概论,2024/9/2,计算机控制技术,57,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(1),从模拟控制系统到计算机控制系统的长期发展中，形成了诸如,PID,控制、,Smith,控制和解耦控制等许多行之有效的传统控制策略，并得到了广泛的应用。但这些控制策略要求：,*,被控对象是精确的、时不变的，线性的,；,*,操作条件和运行环境是确定的，不变的,。,2023/9/8计算机控制技术572、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,58,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(2),20,世纪,80,年代以来，世界各国工业向着大型、连续、综合化发展，所构成的控制系统也变得越来越复杂：,* 对象结构参数是时变的，有许多不确定因素，且是非线性、多变量、强耦合和高维数的，既有数字信息，又有多媒体信息，难以建立常规的数学模型并加以研究；,* 运行的环境改变和环境干扰的时变，再加上信息的模糊性、不完全性、偶然性和未知性等，使系统的环境复杂化；,* 控制任务不再限于系统的调节或伺服问题，还包括了优化、监控、诊断、调度、规划、决策等复杂任务。,2023/9/8计算机控制技术582、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,59,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(3),计算机控制系统中，主要应用采样系统理论：,*,采样定理,因为所有的计算机控制系统都是根据过程变量在离散时刻的值来工作的，对于一个连续信号，以多大的速率对其采样，所得到的离散值能够反映出被采样的连续信号的特性？,*奈奎斯特,(Nyquist),最早探讨了其关键问题，证明了要想把正弦信号从它的采样值复现出来，就必须对正弦信号每周期内至少采样两次。,*,1949,年香农,(Shannon),在香农采样定理中完全解决了这个问题，为理解离散时间系统所产生的某些现象提供了基础。,2023/9/8计算机控制技术592、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,60,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(4),*,差分方程,采样系统理论的最初起源与某些特殊控制系统的分析有关。奥尔登伯格及萨托里厄斯于,1948,年对落弓式检流计的特性所作的研究，就是对采样系统理论的最早贡献之一。,已经被证明，用差分方程代替连续系统理论中的微分方程，通过分析一个线性时不变的差分方程可以理解系统的许多特性。,采样数据分析理论与数值分析密切相关。积分可用数值求和来近似计算。许多优化问题都能够用差分方程来描述。普通微分方程就是通过差分方程来近似积分的。如，,数值积分算法中的步长调整算法就可以视为一个采样数据控制问题,。,2023/9/8计算机控制技术602、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,61,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(5),现代控制策略：,（,1,）,自适应控制,针对对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的，其基本思想是通过在线辨识使这种影响逐渐降低乃至消除。,自适应控制,是一种逐渐修正、渐进趋向期望性能的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况，而不适用于环境干扰强的工业场合和比较复杂的生产过程。,2023/9/8计算机控制技术612、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,62,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(6),（,2,）,变结构控制,是一类特殊的非线性控制，其“结构”不是指系统本身的物理结构，而是系统在状态空间中的状态轨迹的总体几何性质，与其他控制策略的区别在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当时的状态，以跃变的方式有目的地不断变化，迫使系统按预定的“滑动模态”的状态轨迹运动。,优点在于它具有快速响应、对参数及外扰变化不灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单。,但设计比较复杂，且在状态轨迹到达滑模平面后，难以严格沿着滑模面向平衡点滑动，而且在滑模面两侧来回穿越，产生颤动，这些限制了它的应用。,2023/9/8计算机控制技术622、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,63,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(7),（,3,）,鲁棒控制,指系统的某个性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感的程度）。其基本思想在设计中设法使系统对模型的变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，品质也能在工程所能接受的范围内。,鲁棒控制,主要有代数方法和频域方法，前者的研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式，讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制；后者是从系统的传递函数矩阵出发，通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵,H,的范数取极小，来设计出相应的控制规律。,应用主要集中在飞行器、柔性结构、机器人，较少应用在工业控制领域中，主要原因在于确乏良好的设计方法。,2023/9/8计算机控制技术632、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,64,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(8),（,4,）,预测控制,是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略。其基本思想类似于人的思维和决策，即根据头脑中对外部世界的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从中择优予以实施。,预测控制,的各种算法是建立在模型预测,滚动优化,反馈校正等三条基本原理上的，其核心是在线滚动优化。这种“边走边看”的滚动优化控制策略可以随时顾及模型失配、时变、非线性或其他干扰因素等不确定性，及时进行弥补，减少偏差，以获得较高的综合控制策略。,预测控制,集建模、优化和反馈于一体，三者滚动进行，其深刻的控制思想和优良的控制效果，一直为学术界和工业界所瞩目，国外已有商品化的预测控制软件包。,缺点是在建模中未充分利用过程的知识，且计算耗时、工作量大。,2023/9/8计算机控制技术642、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,65,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(9),智能控制策略,：,（,1,）,模糊控制,用语言归纳操作人员控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。,模糊控制,不需要建立控制对象精确的模型，只要求将现场操作人员的经验和非数据总结成较完善的语言控制规则，因此它能绕过对象的不确定性、不精确性、噪音以及非线性、时变性、时滞等影响。,模糊控制系统,的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。,2023/9/8计算机控制技术652、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,66,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(10),（,2,）,专家控制,可以看成是对一个“控制专家”在解决控制问题或进行控制操作时的思路、方法、经验、策略的模拟。,专家控制器,有三个基本模块：,*用于观察、检测系统中的有关变量和状态的信息处理特征提取模块；,*运用专家知识和经验判断当前系统运行情况并分析比较各种可以采用的控制策略模块；,*存放专家控制经验和知识的控制规则集模块。,专家控制,对许多工业过程的应用颇为有效，但理论相对并不完善，没有形成有普遍意义的理论体系和设计方法。,2023/9/8计算机控制技术662、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,67,2,、新型控制策略与计算机控制系统,(11),（,3,）,神经控制,是一种模拟脑神经的结构和思维、判断等脑功能的信息处理系统。目前在实际应用上还有困难，但它是一种很有前途的方法。,（,4,）,遗传算法,模拟生物的进化机制，基本思想就是达尔文的进化论，将待求解的问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子，整个系统按照“物竞天择，适者生存”的原则，经历生成,评价,选择,操作的演化过程反复进行直至搜索到最优解。由于实时性较差，实际工业应用较少。,2023/9/8计算机控制技术672、新型控制策略与计算机控,2024/9/2,计算机控制技术,68,3,、计算机控制系统软件技术的新发展,计算机控制系统,的,软件技术,也吸取了计算机领域的网络技术的新成果，将其应用于工业过程和设备控制，从而支持控制系统的网络化发展。,（,1,）,分布对象计算,是一种全新的分布式计算平台模型，是传统的纯分布处理技术和面向对象技术以及客户、服务器技术的集合，可以看作,oo,（,Object Oriented),技术向异构分布计算平台和客户,/,服务器环境的扩展和应用。,2023/9/8计算机控制技术683、计算机控制系统软件技术,2024/9/2,计算机控制技术,69,3,、计算机控制系统软件技术的新发展,（,2,）,JAVA,技术由于具有良好的跨平台特性和网络交互能力，在,Internet,和,Intranet,中获得了广泛的应用。控制系统的网络化发展以及结合信息网络的发展，,JAVA,技术会越来越体现它的优越性。,（,3,）,Web,技术是,Internet,和,Intranet,的主流技术，,Web,和,Browser/Server,技术以成为一种标志，一个用户与网络交互的窗口。已应用控制领域，如远程监控和诊断、远程维护等。,2023/9/8计算机控制技术693、计算机控制系统软件技术,2024/9/2,计算机控制技术,70,4,、计算机控制系统的发展趋势,随着计算机网络技术、计算机软件技术和数据通讯技术的飞速发展，,计算机控制系统,将成为一种能适应各种生产环境和市场需求、总体最优、高质量、高效益、高柔性的工业过程计算机集成制造系统。发展趋势：,集成化, CIMS,的“集成”已经由原先的企业内部的信息集成和功能集成，发展到当前的以并行工程为代表的过程集成，并正在向以敏捷制造为代表的企业间集成发展。,智能化,是制造系统在柔性化和集成化基础上进一步发展和延伸，目前已广泛开展对具有自律、分布、智能、仿生等特点的下一代制造系统的研究。,2023/9/8计算机控制技术704、计算机控制系统的发展趋,2024/9/2,计算机控制技术,71,4,、计算机控制系统的发展趋势,全球化,随着“网络全球化”、“市场全球化”、“竞争全球化”和“经营全球化”的出现，许多企业都积极采用“敏捷制造”、“全球制造”和“网络制造”的策略。,虚拟化,在数字化基础上的虚拟技术的研究，包括虚拟现实（,VR,）、虚拟产品开发（,VPD,）、虚拟制造（,VM,）和虚拟企业（,VE,）等。,标准化,是信息集成、功能集成、过程集成和企业集成的基础,绿色化,绿色制造、面向环境的设计与制造、生态工厂、清洁化工厂等概念是全球可持续发展战略在制造技术中的体现，是摆在现代制造业面前的新课题。,2023/9/8计算机控制技术714、计算机控制系统的发展趋,2024/9/2,计算机控制技术,72,本章小节,1,、本章首先介绍了计算机控制系统的两个应用实例，在此基础上给出了计算机控制系统的分类。,按,控制系统的功能和结构特点,划分为，操作指导控制系统、直接数字控制系统,DDC,、监督控制系统,SCC,、集散控制系统,DCS,、现场总线控制系统,FCS,和计算机集成制造系统,CIMS,等；,按,控制规律,划分为，程序和顺序控制、比例积分微分（,PID,）控制、最少拍控制、复杂规律控制、智能控制等,2023/9/8计算机控制技术72本章小节1、本章首先介绍了,2024/9/2,计算机控制技术,73,本章小节,2,、计算机控制系统与连续控制系统相比，是模拟和数字的混合系统，具有更大的灵活性和适应性，能方便地实现复杂控制规律。,而且，它是一个离散控制系统，一个数字控制器（或工控机）可采用分时控制的方式，同时控制多个回路；同理，易于实现控制与管理一体化，使企业的自动化程度进一步提高。,2023/9/8计算机控制技术73本章小节2、计算机控制系统,2024/9/2,计算机控制技术,74,3,、计算机控制系统的工作一般可分为实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出等三个步骤，其工作方式有在线方式与离线方式、实时性三种。,在线方式,计算机与生产过程直接相连且直接控制生产过程；,离线方式,计算机不与生产过程相连，不直接控制生产过程；,实时性,与具体生产过程密切相关，信号的输入、处理和输出都必须在一定的时间范围内完成。,本章小节,2023/9/8计算机控制技术743、计算机控制系统的工作一,2024/9/2,计算机控制技术,75,4,、计算机控制系统包括硬件和软件。,硬件,主要由控制对象（或生产过程）、执行器、测量变送环节、输入输出通道和数字调节器（控制器）等组成。,软件,通常包含有系统软件和应用软件。,本章小节,2023/9/8计算机控制技术754、计算机控制系统包括硬件,2024/9/2,计算机控制技术,76,5,、计算机控制系统本质上还是控制系统，依然要遵循控制理论。,其,性能分析,和要求与连续控制系统相似，用稳定性、能控性、能观性、动态特性及稳定特性来表征；,系统优劣,的衡量指标同样是稳定裕量、动态指标、稳态指标和综合指标等。,本章小节,2023/9/8计算机控制技术765、计算机控制系统本质上还,2024/9/2,计算机控制技术,77,6,、计算机控制系统中的计算机采用,工业控制机,。要求：,* 可靠性高和维护性好；,* 对环境适应性强；,* 对控制的实时性要好；,* 有完善的输入输出通道；,* 各类相关的软件；,* 适当的计算精度和运算速度。,本章小节,2023/9/8计算机控制技术776、计算机控制系统中的计算,2024/9/2,计算机控制技术,78,7,、在计算机控制系统的研究和工业应用中使用较多的控制策略有自适应控制、变结构控制、鲁棒控制和预测控制等，同时还引入了新型的智能控制策略，包括模糊控制、专家控制、神经控制和遗传算法等。,计算机控制系统的软件技术也吸取了计算机领域网络计算技术的新成果，比如分布对象计算、,JAVA,技术、,Web,技术等等，将其应用于工业过程和设备控制中，支持控制系统向着网络化方向发展,本章小节,2023/9/8计算机控制技术787、在计算机控制系统的研究,2024/9/2,计算机控制技术,79,8,、计算机控制系统的发展经历了试验阶段、使用普及阶段、推广和分级控制阶段，目前是以现场总线技术为核心的现场控制系统；,计算机控制技术目前正朝着集成化、智能化、全球化、虚拟化、标准化和绿色化等方向发展。,本章小节,2023/9/8计算机控制技术798、计算机控制系统的发展经,2024/9/2,计算机控制技术,80,作业：,1,、,P.14,习题：,1,、,3,、,4,、,5,选作题：,7,2023/9/8计算机控制技术80作业：1、P.14,