计算机控制系统的原理课件

,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,精选ppt,*,东南大学电气工程系,计算机控制技术,主讲教师：尤鋆,1,精选ppt,办公室：动力楼305,Email：,2,精选ppt,教材,于海生，计算机控制技术,，机械工业出版社，,ISBN 978-7-111-21294-2,，,2007,于海生，微型计算机控制技术,，清华大学出版社，,ISBN 7302033595,，,1999,参考教材,赖寿宏，微型计算机控制技术,，机械工业出版社,7111048911,，,2005,年,7,月,潘新民 王燕,，微型计算机控制技术，电子工业出版社，,7505383183,，,2003,年,1,月,曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社，,711108648,，,2004,年,7,月,3,精选ppt,1、本课程的地位,计算机控制技术是电气工程系的,一门专业课程,，是突出,计算机应用,的一门课程。,前 言,计算机控制技术主要研究任何将计算机技术、自动控制理论、电子技术应用于工业生产过程。,本课程以IBM PC系列微型计算机为控制主机。同时介绍单片机及数字信号处理器。,4,精选ppt,本课程作为“数字电路微型机原理及接口技术,计算机控制技术,”系列课程的一个应用环节。,它的先修课程是,数字电路,、汇编语言、计算机组成原理、,微型机原理及接口技术,、,自动控制理论,、单片机原理,等。,2、本课程知识范围及与相关课程的关系,5,精选ppt,微机控制系统概述,系统组成、结构类型、特点和发展趋势。,数字程序控制系统,逐点比较法插补原理，步进电机控制技术，伺服控制系统。,3、本课程主要内容,控制系统硬件设计,常用总线及接口，数字量、模拟量输入输出接口及通道，抗干扰技术。,6,精选ppt,现代控制技术,状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法等。,计算机控制系统的实现,系统的硬件软件设计、抗干扰和工程实例。,PID,控制系统,介绍比例、积分、微分三大基本的控制规律及算法。,常规及复杂控制技术,离散化设计、复杂控制,先进,控制技术,模糊控制、神经元、专家系统。,现场总线及网络,技术,测控网络、现场总线控制系统。,7,精选ppt,第1 章 绪 论,1.1,自动控制,系统概述,自动控制技术的发展,经典控制理论阶段,：20世纪4050年代，采用传递函数进行数学描述、以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法。,将复杂的生产过程人为地分解为若干个简单过程。,8,精选ppt,如单输入单输出的控制系统，其控制目标为保持生产的平稳和安全。,图1-1 蒸汽加热器带控制点的工艺流程图,热流体,冷流体,冷凝水,蒸汽,9,精选ppt,现代控制理论阶段,：20世纪50年代末60年代，为适应航天航空技术的发展需要，以状态空间分析方法为基础。包括：,以,最小二乘法为基础的系统辨识。,以,极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制。,以,卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。,以,实现从外部现象深入到揭示系统内在规律，从局部简单控制到全局最优控制，从单、闭环系统扩展到自适应环、自学习环。,10,精选ppt,计算机技术用于自动控制理论领域,：20世纪70年，采用工业控制机，使用冗余技术、软硬件自诊断，多参数多回路控制，提高稳定性和可靠性。,大系统理论和智能控制理论的形成，考虑多因素应用系统，建立数学模型，以满足闭环最优控制控制的需要。,11,精选ppt,计算机过程控制系统的任务和要求,计算机过程控制的六大参数：,温度,压力,流量,液位（或物位）,成分,物性参数,三项要求：安全性、经济性、稳定性。,12,精选ppt,自动控制系统的类型,自动控制系统的的几个术语：,被控对象和过程,：需要实现控制的设备，机器和生产过程，如蒸汽加热器。,被控变量,：被控对象内要求与给定数值保持一致（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，如蒸汽加热器热流体出口温度。,操纵变量,：受到控制装置（如调节器）操纵，用以使被控变量保持在给定值的物料量或能量，如加热蒸汽。,13,精选ppt,扰动（干扰）,：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素，如蒸汽加热器出口热流体温度受冷流体流量的变化的影响。,给定值,：被控变量的预定值。,偏差,：在理论上应该是被控变量的给定值与实际值之差，通常把给定值与测量值之差作为偏差,14,精选ppt,偏差产生的原因,扰动的出现,，此时操纵变量必须随着作相应变化，如冷流体的流量增加，应加大蒸汽流量。,给定值的变化,，此时操纵变量也必须随着作相应变化，如要求提高蒸汽加热器的出口温度。,累计误差的存在,，很难长期保持平稳，如蒸汽加热器的进出口流量的累计误差。,15,精选ppt,设定值,控制装置,控制装置,蒸汽,蒸汽,图1-2 开环控制系统的基本结构,（a）按设定值热控制的开环系统,（b）按扰动热控制的开环系统,开环控制系统和闭环控制系统,16,精选ppt,闭环（反馈）控制系统,蒸汽,图1-3 闭环控制系统的基本结构,17,精选ppt,闭环控制系统类型,1）,定值控制系统,：给定值恒定不变，任务是克服扰动对被控对象的影响。,2）,随动控制系统,：给定值是事先未知的时间函数，任务是使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪给定值的变化，而不考虑扰动对被控变量的影响。,3）,程序（顺序）控制系统,：给定值是已知的时间函数，如玻璃熔化炉的升温控制系统。,18,精选ppt,闭环控制系统的组成,图1-4 闭环控制系统的组成,控制装置,执行器,过程,检测元件变送器,比较机构,e(t),控制器,广义对象,被控变量,测量值,y(t),设定值,r(t),u(t),q(t),c(t),f(t),扰动,19,精选ppt,1.2 计算机控制系统概述,1.2.1 计算机控制系统及其组成,计算机控制系统的工作原理,图1-5,20,精选ppt,实时数据采集,，对被控变量的瞬时值进行检测和输入。,实时控制决策,，对采集被控变量进行分析处理。,实时控制输出,，对执行机构发出控制信号，完成控制任务。,在线方式和离线方式,实时的含义,计算机控制系统的工作步骤,21,精选ppt,图1-6,计算机控制系统的组成,22,精选ppt,图1-7,1.2.2 计算机控制系统的典型形式,操作指导控制系统,23,精选ppt,图1-8,直接数字控制系统（DDC）,按一定的控制规律进行计算，最后发出控制消息，通过输出通道控制生产过程的闭环系统。,24,精选ppt,图1-9,按数学模型确定设定值,25,精选ppt,分散型控制系统（DCS),图1-10,26,精选ppt,1.3 工业控制机的组成结构及特点,1.3.1 工业控制机的组成,硬件构成,图1-11,1）监控定时器(Watchdog),2）电源掉电检测,3）后备存储器,4）实时日历时钟,27,精选ppt,软件构成,系统软件,实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序；如Intel：iRMX86，Ready System：嵌入式VRTX/OS。,支持软件,低、高级语言，编译、编辑、调试、诊断程序。,应用软件,过程输入、过程控制、过程输出、人-机接口、显示打印、公用子程序等。,28,精选ppt,1.3.1 工业控制机 的总线结构,内部总线,PC总线,图1-12 PC总线,29,精选ppt,STD总线,（56根并行总线）,采用周期窃取和总线复用技术，定义了16根数据线，24跟地址线，实现8/16位机兼容。,30,精选ppt,RS-232C串行通信总线,外部总线,31,精选ppt,图1-13,RS-232C信号状态,32,精选ppt,IEEE-488并行行通信总线,16根信号线，8根地线。,总线互连设备不超过15台。,总线电缆长度不超过20米。,速率一般为500kbps，最高为1Mbps。,消息为负逻辑（=2.0V为“0”）。,按位并行、字节串行、三线握手、双向异步传送。,可互连三种设备，讲者、听者和控者,图1-14,33,精选ppt,1.4 计算机控制系统的发展,计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，伴随它们的发展而发展。,1.4.1 系统发展概况,计算机技术的发展过程,1956年3月德洲的一个炼油厂与TRW航空工业公司，经3年的研究，制造出RW-300计算机控制的聚合系统，控制26个流量，72个温度，3个压力，来确保反应器内压力最小。,34,精选ppt,开创时期（19551962年），从事操作指导和设定值控制。,四个发展时期,直接数字控制时期（19621967年），用计算机控制完全取代了模拟控制，使用灵活。,小型计算机时期（19671972年），过程控制计算机迅速发展。,微型计算机时期（1972年），出现分级递阶控制系统、分散型控制系统、专用控制器，采用高级语言进行实时控制。,35,精选ppt,计算机控制理论的发展过程,采样定理,（乃奎斯特、香农定理）,f,采,=2 f,最高,差分方程,：用一个线性时不变的差分方程来代替微分方程。,Z变换法,：霍尔维兹1947年对序f(kT)引进一个变换，定义为：,36,精选ppt,状态空间理论,：是设计和分析多输入多输出系统的有力工具。卡尔曼在此领域作出很大贡献。,最优控制与随机控制,：控制系统设计的最优化问题，随机控制理论的发展。,系统辨识与自适应控制,。,37,精选ppt,1.4.2 计算机控制系统发展趋势,推广应用成熟的先进技术,普及应用可编程控制器（PLC）,使用具有智能I/O模块的PLC，将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制。,广泛使用智能调节器,它可接受(020)mA的信号电流，而且具有RS-232或RS-422/485异步串行通信接口，实现与上位机通信。,采用新型的DCS和FCS,采用先进的控制策略，设计低成本综合自动化系统，实现CIMS。,38,精选ppt,发展智能控制系统,分级递阶智能控制系统,总结人工智能与自适应、自学习和自组织控制基础上，形成由组织级、协调级和执行级三级递阶控制系统。,模糊控制系统,提供一种实现基于知识（规则）的甚至语言描述的控制规律的新机理，它提供了一种非线性控制器的代替方法。,39,精选ppt,专家控制系统,对不确定的问题进行研究，是以模仿人类智能为基础，是工程控制论与专家系统的相结合。,学习控制系统,系统在运行中逐步获得被控对象的环境和非预知的信息，积累控制经验，进行估值、分类和决策。,神经控制系统,基于人工神经网络的控制系统。,40,精选ppt,