计算机控制系统电子教案单元设计 (1).doc

计算机控制系统席爱民 编著第1章绪 论1.1 概述可以这样说，没有计算机的参与，现代化的自动化系统是不可能实现的。随着微电子学、计算机技术革命性的发展，当今所构成的自动控制系统都是建立在计算机基础之上的。要获得比模拟控制系统更好的控制性能，使控制系统具备新的功能，只有使用计算机控制系统。计算机具有信息储存记忆、逻辑判断推理和快速数值计算功能，是一种强大的信息处理工具，其应用己经渗透到人类活动的各个领域，强有力地推动着技术与科学的全面进步。随着计算机技术的迅猛发展，计算机在工业控制中的应用也越来越广泛。如今计算机控制已广泛应用于各行各业技术工程和各类工业生产制造过程的控制中。学习本书的目的：本书将侧重系统讲述有关计算机控制系统的分析及设计的基本理论和方法，以及一些较为实用的计算机先进控制算法。实际上目前全部的控制系统都是基于计算机控制，因此懂得计算机控制是很重要的。如果将计算机控制系统仅仅看作模拟控制系统的近似是很不够的。因为那是没有看到计算机控制的全部潜在能力。很好地掌握计算机控制系统，就能够充分发挥计算机控制的全部潜能。计算机控制系统存在着一些模拟控制系统所没有的相应现象，本书的主要目标就提供了解、分析和设计计算机控制系统扎实的基础理论知识，这对于从事控制系统方面的工程技术人员来说是很重要的。本章概述：计算机控制系统的组成、类型、特点、任务以及计算机控制的发展概况及趋势；了解过程自动化的任务，进一步明确计算机控制系统的类型、特点。1.1.1计算机控制系统典型计算机反馈控制系统如图1.1所示。系统中存在着两种截然不同的信号，即模拟连续信号及数字离散信号。因而对于计算机控制系统的分析和设计就不能完全采用连续控制理论，需要有相应的离散控制理论与之图1.1 典型计算机反馈控制系统相适应。不同类型信号混合的分析有时是困难的，然而，在大多数的情况下，描述系统在采样点上的表现就足够了。1.1.2计算机控制系统组成计算机控制系统是由硬件和软件两部分组成的。 1、 硬件组成 计算机控制系统的硬件主要由主机、外部设备、过程输入输出设备和被控对象组成，如图1.2所示。 现分述如下: 主机 由中央处理器（CPU）和内存储器（RAM和ROM）通过系统总线连接的主机是计算机的核心，也是整个控制系统的核心。 外部设备 图1.2 计算机控制系统的硬件组成框图 常用的外部设备有四类:输入设备、输出设备、外存储器和通信设备。输入设备:常用的是键盘，用来输入（或修改）程序、数据和操作命令。输出设备：通常有打印机、CRT显示器等，它们以字符、曲线、表格、图形等形式来反映被控对象的运行工况和有关控制信息。外存储器: 通常是磁盘（包括硬盘和软盘）。它们兼有输入和输出两种功能，用来存放程序和数据，作为内存储器的后备存储器。通信设备: 用来与其它相关计算机控制系统或计算机管理系统进行联网通信，形成规模更大，功能更强的网络分布式计算机控制系统。 过程输入输出设备过程输入输出（简称I/O）设备是计算机与被控对象之间信息联系的桥梁和纽带，计算机与被控对象之间的信息传递都是通过I/O设备进行的。I/O设备分为过程输入设备和过程输出设备。过程输入设备：包括模拟输入通道（简称A/D通道）和开关量输入通道（简称DI通道），分别用来将测量仪表测得的被控对象各种参数的模拟信号和反映被控对象状态的开关量或数字信号输入计算机。过程输出设备:包括模拟输出通道（简称D/A通道）和开关量输出通道（简称DO通道）。D/A 通道将计算机产生的数字控制信号转换为模拟信号，再经保持器后输出，驱动执行装置对被控对象实施控制；D0通道将计算机产生的开关量控制命令直接输出驱动相应的开关动作。 被控对象一般来说，被控对象是连续模拟环节，而计算机输出数字信号，该信号经D/A转换、保持器后成为连续信号，加到被控对象上。在以后的分析中，我们将保持器、执行机构以及被控对象看作一个整体，称为广义被控对象。2、软件组成 计算机控制系统的软件通常由系统软件和应用软件两大软件组成。 系统软件系统软件通常由计算机厂家和软件公司研制，可以从市场上购置。 应用软件一般情况下，应用软件由计算机控制系统设计人员根据所确定的硬件系统和软件环境来开发编写。应当指出，计算机控制系统中的控制计算机（简称控制机或工控机）跟通常用作信息处理的通用计算机（如PC机），不仅在结构上而且在技术性能方面都有较大差别。控制机可靠性一般要求整机系统及其功能模板的平均无故障时间 MTBF（Mean Time Between Failures），分别为l年和10年以上。1.2 计算机控制系统的类型、特点1.2.1 计算机控制系统的类型 计算机控制系统按照其功能或工作任务分类，可以分为以下几种类型。1. 计算机监测与操作指导系统图1.3 计算机监测与操作指导系统计算机不参与控制。计算机按照预先建立的数学模型和控制优化算法，通过计算给出的相应控制命令由CRT显示输出，控制命令执行与否由操作人员凭经验决择；另一种是计算机按照预先存放的在特定工况下的操作方法顺序，再根据被控对象实际工况和流程，逐条输出操作信息，用以指导操作。 2. 计算机直接数字控制系统 计算机直接数字控制系统，简称DDC（Direct Digital Control）系统，是指用计算机代替常规模拟控制器，直接对被控对象进行控制的系统。其中DDC反馈系统结构如图1.1所示。计算机控制系统需要另有与之相应的理论和方法来处理。关于如何处理计算机控制系统的数学描述、分析和设计问题的理论与方法，正是本书后面要讲述的主要内容。 3. 计算机顺序控制系统 这种系统中，计算机根据被控对象运行状态，严格按照预定的时间先后顺序或逻辑顺序产生相应的操作命令，并以开关量形式输出，使被控对象各个环节或部件按照预定的规则顺序协调动作来完成相应的生产加工任务。这种系统常用于机械加工过程和连续生产过程中的启动、停止以及故障联锁保护阶段，数控机床就是一种典型的计算机顺序控制系统。市面上出售的各种类型可编程控制器，又称PLC（Programming Logical Controller）就是专门用于顺序控制系统的控制计算机。图1.4 计算机监督控制系统 4. 计算机监督控制系统计算机监督控制系统简称SCC（Supervisory Computer Control）系统,是由DDC系统加监督级构成的，其结构如图1.4所示。两级计算机监督计算机和控制计算机。在小规模计算机控制系统中监督级功能也可用DDC级同一台计算机通过软件来实现。 5. 集散型控制系统 集散型控制系统又称为分散控制系统，简称DCS（Distributed Control System）,其结构如图1.5所示。 该系统是运用计算机通信技术，由多台计算机通过通信网互相连接而成的控制系统，因而它具有网络分布结构。 图1.5 DCS控制系统 DCS自上世纪70年代中期出现以来，其技术和应用发展很快，如今已成为计算机工业控制系统的主流，也代表了今后工业企业综合自动化的发展方向。自上世纪70年代中期以来，许多国外仪表公司己陆续推出了各种类型的DCS产品，如美国Honeywell公司的DTCS3000,Foxboro公司的SPECTRUM，日本横河公司的CENTUM-XL都是较为典型的具有控制管理集成功能的DCS产品。我国十多年来已有很多石化、冶金、电力等大中型企业先后引进了DCS，并获得了成功的应用。1.2.2计算机控制的主要特点 计算机控制相对于模拟控制的主要特点可以归纳为: 计算机控制利用计算机的存储记忆、数字运算和CRT显示功能，可以同时实现模拟变送器、控制器、指示器、手操作器以及记录仪等多种模拟仪表的功能，并且便于监视和操作。 计算机控制利用计算机快速运算能力，通过分时工作可以用一台计算机同时控制多个回路；并且还可以同时实现DDC、顺序控制、监督控制等多种控制功能。 计算机控制利用计算机强大的信息处理能力，可以实现模拟控制难以实现的各种先进复杂的控制策略，如最优控制、自适应控制、多变量控制、模型预测控制以及智能控制等，从而不仅可以获得更好的控制性能，而且还可实现对于难以控制的复杂被控对象（如多变量系统、大滞后系统以及某些时变系统和非线性系统等）的有效控制。 计算机控制系统调试、整定灵活方便，系统控制方案、控制策略以及控制算法及其参数的改变和整定，只通过修改软件和键盘操作即可实现，不需要更换或变动任何硬件。 利用网络分布结构可以构成计算机控制、管理集成系统，即DCS，实现工业生产与经营的管理、控制一体化，大大提高工业企业的综合自动化水平。 计算机控制系统中同时存在连续型和离散型两类信号，系统中必有A/D和D/A转换器实现连续信号与离散信号相互转换。连续系统控制理论不能直接用于计算机控制系统分析和设计。1.3 计算机控制的发展概况及趋势 计算机控制的发展同计算机本身的发展有着紧密的联系，计算机每更新换代一次，计算机控制就前进一步，上一个新台阶。随着计算机的发展，计算机控制系统大约分以下几个时期：早期1955直接数字控制（DDC）时期1962小型机时期1967微型机时期1972数字控制的广泛应用1980分散控制19901959年3月，世界上第一个规模较大的过程计算机控制系统在德克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行，取得成功。该系统控制26个流量，72个温度，3个压力和3个成分。美国人这一开创性的工作，唤起了人们对计算机控制的极大兴趣，使计算机厂家看到了新的市场，使工业界看到了新的自动化工具，使学术界发现了新的研究课题。因而有力地推动了计算机控制和计算机本身的进一步发展。1958年前后计算机的平均故障间隔时间MTBF为50l00小时。上世纪60年代初，随着半导体技术的兴起，半导体计算机取代了电子管计算机，计算机的可靠性和其它性能指标都有较大的提高，计算机的MTBF大约为1000小时。 计算机控制的大发展是从上世纪70年代初出现微型计算机开始的。随着大规模集成电路（LSI）技术的突破，微型计算机于197l年问世。微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。 上世纪80年代以后，随着超大规模集成电路（VLSI）技术的飞速发展，计算机朝着超小型化、软件固化和控制智能化方向发展，同时测量仪表、执行装置等自动化仪表也向计算机智能化方向发展。前期DCS中的每个现场控制器一般要控制8个以上的回路。上世纪80年代中后期又推出了将DCS低层控制级的现场控制器和智能化仪表设备用现场通信总线互联构成新型分散控制系统，称之为现场总线控制系统，简称FCS（Fieldbus Control System）。参看图1.6。图1.6 现代计算机控制系统（FCS）FCS中的一个现场控制器可以只控制一二个回路。FCS具有开放性、互操作性和彻底分散性等特点，并且易于同上层管理级以及国际互联网实现互联构成多级网络控制系统。当前，PLC功能日臻完善，如具备了多种控制算法功能、通信功能等，并且运行可靠，因此在过程控制级大多选用PLC作为控制器。值得注意的是，当前一些自动化公司推出企业资源计划实用软件ERP（Enterprise Resource Planning），其基本功能具有：物料管理、生产规划、财务、销售、企业情报管理等，有些ERP还具备一些扩展功能，如供应链管理、顾客关系管理以及电子商务等。将ERP安装到FCS系统上，可以大大提高企业管理水平。FCS系统由于采用了当前最有发展前途的现场总线，从现场到控制室节约大量的电缆，而且信息传递可靠。FCS的可靠性更高，成本更低，设计安装调试使用维护更简便。因此，FCS已成为现今计算机控制系统发展的新潮流。 1.4 计算机控制理论的发展尽管在计算机控制系统中，目前主要应用采样系统理论，但是该理论中的许多问题早些时候都已经出现。本节我们讨论采样系统理论发展的一些主要思想，许多都是连续时间系统思想的扩展。现在对以下问题的发展简述如下：采样定理奈奎斯特（Nyquist）最早探讨了其关键问题，他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至少采样两次。1949年香农（Shannon）在他的重要论文中完全解决了这个问题，成为理解离散时间系统所产生某些现象的基础。差分方程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。例如，数值积分算法中的步长调整就可以视为一个采样数据控制问题。变换方法在第二次世界大战期间和战后时期，许多研究致力于雷达系统分析。因为雷达天线每旋转一周，就获得一次目标位置检测量，所以这类系统是天然的采样系统。这就产生一个问题，如何去描述这些新的系统。由于当时变换理论已成功地应用于连续时间系统中, 人们很自然试图为采样系统建立一种类似的理论。最早霍尔维茨（Hurewicz）在1947年介绍了序列的变换，定义为最优控制 在20世纪50年代后期，控制理论还有几项重要进展。贝尔曼（Bellman）(1957)和庞特里亚根（Potryagin）等人(1962)证明了许多设计问题可化为最优化问题。最优控制要解决的问题可以归结为： 利用最优控制的办法，寻找最优设定值或者最优的工况； 设计出最优调节器，计算机参与在线控制，保证工况稳定在设定值上。由于最优控制通常需要繁杂的数学运算，需要精确的数学模型。尽管最优控制的理论研究达到了相当高的水平，但在工业中应用尚不多见。随着大批性能优良、价格低廉的微型计算机的投放市场，以及数字滤波、系统辨识的深入研究，最优控制将会越来越广泛地应用到实际工程中去。系统辨识所有控制系统的分析和设计都是以过程动态模型为基础的。建立在拉氏变换基础上的经典控制理论的成功，是由于可以通过频率响应以确定过程的传递函数。随着系统辨识方法的进步，数字控制也得到同样的发展。这就是可以通过实验的方法确定过程的脉冲传递函数或差分方程，脉冲传递函数、差分方程是分析和设计数字控制系统的基础。自适应控制用数字计算机来实现一个控制器时，就能够实现比较复杂的控制算法。自然包括参数估计方法和控制设计算法。用这种方法可以获得自适应算法，即确定数学模型，实行控制系统的在线设计。自适应控制的研究起源于上世纪50年代中期。上世纪70年代，自适应控制的工业应用得到论证，取得了重要的进展。微处理器的出现使得算法成本降低，上世纪80年代早期出现了商用自适应调节器。这就激发了理论上的研究和重要产品的开发。自动调整控制器参数通常是手工整定的。经验证明，手工调整两个以上参数是困难的。从用户观点来看，在控制器内设有调节工具是很用的。这样的系统类似于自适应控制，然而,它们更容易设计和使用。基于计算机的控制器很容易引入整定工具。上世纪80年代中期工业应用中就出现了这样的系统。智能控制上世纪80年代兴起的智能控制理论，发展迅速，能够解决更复杂的工程控制问题，特别是那些难以建立被控对象精确数学模型的问题。到了上世纪90年代，智能控制的研究势头异常迅猛，其应用已经扩大到面向军事、高科技领域和日用家电产品等领域。绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的PID反馈控制律，以致控制系统的性能提高和功能的发挥受到较大的限制。改进这种局面，需要在以下研究方面加大步伐： 自上世纪60年代以来，在计算机控制推动下，控制理论也有了很大发展，先后形成了最优控制、多变量控制、系统辨识、自组织自适应控制、鲁棒控制、预测控制以及智能控制等一系列先进控制理论和方法，特别是上世纪80年代兴起的智能控制，其前景诱人，引起控制界的广泛关注。为此，需要进一步加强先进控制理论，尤其是智能控制应用的研究，发展各种使用简便的先进控制策略。在计算机控制取得进步的同时，相信在控制理论方面的研究会进一步深入发展及完善。 基于上述原因，要不断提高控制水平，发挥计算机控制系统的更大潜在功能，就要加速发展计算机控制理论与技术方面的教育，培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才。1.5 本书的安排本书讨论的是采用计算机作为标准控制部件的数字控制系统，即计算机控制系统。由于系统中采用了计算机，要处理的是离散数字信息，因此，计算机控制系统从信息处理角度看也可以叫做数字控制系统。相对连续控制系统而言，计算机控制系统也可以叫做离散控制系统。本书由第2章开始，首先讨论计算机控制系统中信号的类型，并通过对离散信号的频谱分析引出采样定理。第3章介绍计算机控制系统的数学基础Z变换。重点介绍Z变换定义及其重要性质和定理。第4章讲述计算机控制系统的数学描述及脉冲传递函数，引出描述离散系统的差分方程及脉冲传递函数的概念，讨论离散系统方框图变换方法。第5章介绍计算机控制系统特性分析及系统稳定性判定方法。第6章、第7章讨论有关数字控制器设计问题。第六章对各种离散化方法都作了详细的讨论，同时，本章还对当前用的较多的数字PID控制器的设计和改进进行了详细的论述。第7章讲述离散域直接设计方法。它是根据所要求的性能指标以及过程的脉冲传递函数，直接设计出数字控制器。这种设计方法目前正在大力探讨和发展。第8章内容为数字控制器的实现问题，根据实现方框图，可以编写控制程序。不仅如此，第8章的内容，也是学习第9章内容的基础知识。第9章讲述计算机控制系统的状态空间分析方法和设计。之所以将计算机控制系统的状态空间分析和设计方法单独成立一章，是因为在学习了前面的基础知识后，再学习第9章就不感到困难。- 22 -