计算机控制系统金高源第章

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,CH1 绪论,主要内容,1.1,概述,计算机控制系统的定义、组成、典型结构,应用分类及特点,发展概况,1.2,课程内容介绍,2,1.1 概述,实例,典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统,图1-1雷达天线指向位置跟踪系统,3,1.1 概述,精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定向。,天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立控制系统。,系统除了采用速度反馈外，,控制器还采用了滞后-超前等串联校正网络，该校正网络利用常规的有源模拟运算放大器实现。,为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用模拟式部件实现将是很困难的。,4,1.1 概述,计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装置的作用。,图1-2 雷达天线指向位置跟踪系统原理结构图,5,1.1 概述,1.计算机控制系统的定义,计算机控制系统（,Computer Control System,简称CCS,）：,应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。,计算机,通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。,辅助部件,主要指输入输出接口、检测装置、执行装置等,所谓,“,联系,”,，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波和光波等进行联系。,6,计算机控制系统,（,Computer Control System,简称CCS,）：,应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。,被控对象,，范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、仪器仪表和家用电器等。,控制的目的,可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。,7,闭环控制系统典型结构,2.计算机控制系统的典型结构,用数字计算机来实现，即为计算机控制系统,8,从本质来看，计算机控制系统的控制过程归结为：,实时数据采集,，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；,实时决策,，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；,实时控制,，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。,“实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。,所需时间将依具体系统特性确定。,9,在线控制,计算机对受控对象或受控生产过程，能够行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统,实时控制,指受控对象或受控过程，每当请求处理或请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统。,常用在生产过程是间断进行的场合，如炼钢，每炼一个炉钢是一个过程，每个过程都重复进行，只有进入过程才要求计算机进行控制。计算机一旦进行控制，就要求对来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制。,综上，,一个在线系统并不一定是一个实时系统，一个实时系统必是一个在线系统。,补充术语：,离线控制,计算机没有直接参与控制对象，只是对其状态检测，并处理检测数据，而后制定出控制方案，输出控制指示，操作人员参考控制指示，手动操作使控制部件进行控制,10,3.计算机控制系统(CCS)组成,计算机控制系统由,控制部分和被控对象,组成，其控制部分包括,硬件部分和软件部分,，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。,输入输出通道,生产过程装置,主机,外部设备,11,硬件部分：,被控对象；测量装置；执行机构；,计算机系统（主机和输入输出通道）；,外部设备。,3.计算机控制系统(CCS)组成,12,系统软件：,操作系统、诊断系统、开发系统等。,应用软件：,过程监视程序：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、过程分析等；,过程控制程序:控制算法、事故处理和信息管理（信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示等）；,公共服务程序:基本运算、函数运算、数码转换、格式编码等,3.计算机控制系统(CCS)组成,软件部分：,13,4.计算机控制系统应用分类,根据应用特点及控制目的和系统构成的不同，计算机控制系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类：,操作指导控制系统（数据采集处理系统）,优点：,结构简单，控制灵活和安全可靠。,缺点：,要由人工进行操作，操作速度受到了人为的限制，并且不能同时控制多个回路。,该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及试验新的数学模型，调试新的控制程序等。,生产过程集中监视,操作指导,14,直接数字控制系统DDC,这是一个闭环系统。,巡回检测一个或多个被控参数进行，与设定值进行比较，再进行控制运算，输出到执行机构。,这种系统中计算机直接参与生产过程的控制，所以要求实时性好、可靠性高和环境适应性强，这是我们研究的主要对象。,15,计算机监督控制系统（SCC）,SCC系统是2级计算机控制，它是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制；监督计算机则根据生产过程工况和已知的数学模型，进行优化分析，产生最优设定值，作为直接数字控制的指令信号。,16,分散式计算机控制系统（DCS）,-,原则：,“控制要分散，,管理要集中”,-,特点：,可靠性高、速度快、结构灵活，易于扩展、设计、开发、维护简便,17,18,5.CCS特点及优点,特点,1.系统结构与信号特点：混合系统（部件、信号）；,2.系统工作方式特点：多回路；,优点,1.避免模拟实现的困难，方便复杂计算，容易控制规律灵活多样；,2.,能够实现数据统计和工况显示，用户界面有效,；,3.性能价格比高；,4.适应性强，灵活性高。,19,l,起源,计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术结合的产物。,1950年前后：数字计算机作为控制系统的部件,系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对5个反应器供料的最佳分配，根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循环,在早期的航空应用中研制出了一些专用计算机,20世纪50年代中期：在过程控制中采用数字计算机,1956年3月，汤姆森,拉莫,伍尔里奇（TRW）航空公司与得克萨柯（Texaco）公司联合提出了一个可行性研究报告,设计出采用RW-300计算机的聚合装置计算机控制系统，1959年3月12日在线运行。它控制26个流量、72个温度、3个压力和3个成分。,6. CCS起源与发展,20,l,发展,开创期,约1955年,直接数字控制期,约1962年,n,小型计算机时期,约1967年,n,微型计算机控制期,约1972年,n,计算机控制的普遍应用期,约1980年,n,集散型控制,期,约1990年,n,进一步发展全厂监督和控制,21,开创期,约1955年,计算机发展水平：计算机系统速度慢、价格贵，也不可靠,监督操作方式：操作指导式且设定值控制,局限性：计算机的潜能没有得到充分发挥，需要常规的模拟控制设备,计算机的作用：显示、报警,1955年，美国汤姆森,拉莫,伍尔里奇（TRW）航空公司与得克萨柯（Texaco）公司合作进行计算机过程控制研究。经过3年，,设计出采用RW-300计算机的聚合装置计算机控制系统，它控制26个流量系统、72个温度系统、3个压力系统和3个成分。,系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对5个反应器供料的最佳分配,根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循环,22,直接数字控制期（DDC）,约1962年,代表产品：1962年，英国的帝国化学工业公司（ICI）制造的装置，过程控制中的全部模拟仪表由一台计算机来代替。计算机直接测量224个变量和控制129个阀门,直接数字控制：计算机直接控制生产过程,优点（1）新增控制成本低：多回路,（2）系统设备变更维护方便：板卡替换,（3）程序更改灵活：修改程序,缺点：难于实现特殊的控制策略,意义：是计算机控制系统发展方向上的重大变革，这种系统着重关心的是基本的控制功能。,23,n,小型计算机时期,约1967年,出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。,代表：CDC1700计算机,n,微型计算机控制期,约1972年,微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。,应用领域：电力、过程控制、制造、运输以及娱乐行业的控制、生产和分配的全部领域,n,集散型控制（DCS）,组成：过程站、操作站、辅助站点、通信网络,优点：易于并行运行多项任务来提高系统的性能,代表：TDC2000,网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。,24,7.,计算机控制系统应用概况,广泛地用于各种不同的工业生产；,广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中；,迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中,-各种用途的机器人系统；,25,应用:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统,现代民用飞机座舱数字控制电子设备,飞机飞行高度计算机控制系统,26,-各种空间飞行器的控制；,-现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统。,7.,计算机控制系统应用概况,27,1.设计方法,计算机控制系统是一种混合信号系统,1.2 课程内容,被控对象,D/A,A/D,CPU,A,A,D/A,A/D,被控对象,CPU,B,B,图（a）,图（b）,从图（a）中AA来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以看成是连续系统；,从图（b）中BB来看又可将其看成离散信号系统，因此在实际工程设计时亦有两种方法。,28,一、连续域设计离散化方法,近似实现方法,- 将计算机控制系统看成是连续系统，在连续,域上设计得到连续控制器。,- 采用不同方法将其数字化（离散化) 。,- 目前常用的近似设计方法 。,二、直接数字域（离散域）设计,精确设计方法,- 将系统看成是纯离散信号系统，直接在离散,域行设计，得到数字控制器。,- 准确的设计方法，日益受到重视。,正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。,软件编程值得注意。,实际工程设计时两种方法：,29,2.课程内容,-,采样理论、模型、分析、设计（与经典控制类似）,微分方程,差分方程；,S传递函数,Z传递函数；,稳定性、控制特性分析；,控制器设计；,状态空间方程,离散状态空间方程；,可控可观性；,CCS系统实现问题。,30,注意以下几点：,计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和A/D及D/A转换器来实现的。,计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统是一个混合信号系统。,计算机控制系统具有许多优点是一种柔性和智能化的系统 。广泛用于国防、国民经济各个领域中不可替代的各种系统。,计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同的特点 。,本章小结,