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计算机控制系统的计算机控制系统的原理原理本讲稿第一页，共四十页办公室：动力楼305Email： 本讲稿第二页，共四十页教材教材于海生，计算机控制技术于海生，计算机控制技术，机械工业出版社，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于海生，微型计算机控制技术，清华大学出版社，清华大学出版社，ISBN 7302033595，1999参考教材参考教材赖寿宏，微型计算机控制技术赖寿宏，微型计算机控制技术，机械工业出版社，机械工业出版社,7111048911，2005年年7月月潘新民潘新民 王燕，微型计算机控制技术王燕，微型计算机控制技术，电子工业出版，电子工业出版社社，7505383183，2003年年1月月 曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社，711108648，2004年年7月月 本讲稿第三页，共四十页1、本课程的地位、本课程的地位 计算机控制技术是电气工程系的计算机控制技术是电气工程系的一门专业课程一门专业课程，是突出，是突出计计算机应用算机应用的一门课程。的一门课程。前前 言言 计算机控制技术主要研究任何将计算机技术、自动控制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。理论、电子技术应用于工业生产过程。本课程以本课程以IBM PC系列微型计算机为控制主机。同时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。介绍单片机及数字信号处理器。本讲稿第四页，共四十页 本课程作为本课程作为“数字电路数字电路微型机原理及接口技术微型机原理及接口技术计计算机控制技术算机控制技术”系列课程的一个应用环节。系列课程的一个应用环节。它的先修课程是它的先修课程是数字电路数字电路、汇编语言、计算机组成原理、汇编语言、计算机组成原理、微型机原理及接口技术微型机原理及接口技术、自动控制理论自动控制理论、单片机原理、单片机原理等。等。2、本课程知识范围及与相关课程的关系、本课程知识范围及与相关课程的关系本讲稿第五页，共四十页 微机控制系统概述微机控制系统概述系统组成、结构类型、特点和发展系统组成、结构类型、特点和发展趋势趋势。数数字字程程序序控控制制系系统统逐逐点点比比较较法法插插补补原原理理，步步进进电电机机控制技术，伺服控制系统。控制技术，伺服控制系统。3、本课程主要内容、本课程主要内容 控控制制系系统统硬硬件件设设计计常常用用总总线线及及接接口口，数数字字量量、模模拟拟量量输输入入输输出接口及通道，抗干出接口及通道，抗干扰扰技技术术。本讲稿第六页，共四十页 现现代代控控制制技技术术状状态态空空间间的的输输出出反反馈馈设设计计法法、极极点点配配置设计法等。置设计法等。计计算算机机控控制制系系统统的的实实现现系系统统的的硬硬件件软软件件设设计计、抗抗干干扰扰和和工程实例。工程实例。PID控控制制系系统统介介绍绍比比例例、积积分分、微微分分三三大大基基本本的的控控制制规律及算法。规律及算法。常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术离散化设计、复杂控制离散化设计、复杂控制 先进先进控制技术控制技术模糊控制、神模糊控制、神经经元、元、专专家系家系统统。现场总线及网络现场总线及网络技术技术测测控网控网络络、现场总线现场总线控制系控制系统统。本讲稿第七页，共四十页 第第1 章章 绪绪 论论 1.1 自动控制自动控制系统概述系统概述 自动控制技术的发展自动控制技术的发展 经经典典控控制制理理论论阶阶段段：20世世纪纪4050年年代代，采采用用传传递递函函数数进进行行数数学学描描述述、以以根根轨轨迹迹法法和和频频率率法法作作为为分分析析和和综综合合系统的基本方法。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。将复杂的生产过程人为地分解为若干个简单过程。本讲稿第八页，共四十页 如如单单输输入入单单输输出出的的控控制制系系统统，其其控控制制目目标标为为保保持持生生产的平稳和安全。产的平稳和安全。图图1-1 蒸汽加热器带控制点的工艺流程图蒸汽加热器带控制点的工艺流程图热流体热流体冷流体冷流体冷凝水冷凝水蒸汽蒸汽本讲稿第九页，共四十页 现现代代控控制制理理论论阶阶段段：20世世纪纪50年年代代末末60年年代代，为为适适应应航航天天航航空空技技术术的的发发展展需需要要，以以状状态态空空间间分分析析方方法法为为基基础础。包括：包括：以以最小二乘法为基础的系统辨识。最小二乘法为基础的系统辨识。以以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制。极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制。以以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计。以以实实现现从从外外部部现现象象深深入入到到揭揭示示系系统统内内在在规规律律，从从局局部部简简单单控控制制到到全全局局最最优优控控制制，从从单单、闭闭环环系系统统扩扩展展到到自自适适应应环环、自自学习环。学习环。本讲稿第十页，共四十页 计计算算机机技技术术用用于于自自动动控控制制理理论论领领域域：20世世纪纪70年年，采采用用工工业业控控制制机机，使使用用冗冗余余技技术术、软软硬硬件件自自诊诊断断，多多参参数多回路控制，提高稳定性和可靠性。数多回路控制，提高稳定性和可靠性。大大系系统统理理论论和和智智能能控控制制理理论论的的形形成成，考考虑虑多多因因素素应应用用系系统，建立数学模型，以满足闭环最优控制控制的需要。统，建立数学模型，以满足闭环最优控制控制的需要。本讲稿第十一页，共四十页 计算机过程控制系统的任务和要求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：计算机过程控制的六大参数：温度温度 压力压力 流量流量 液位（或物位）液位（或物位）成分成分 物性参数物性参数 三项要求：安全性、经济性、稳定性。三项要求：安全性、经济性、稳定性。本讲稿第十二页，共四十页 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 自动控制系统的的几个术语：自动控制系统的的几个术语：被控对象和过程被控对象和过程：需要实现控制的设备，机器和生产：需要实现控制的设备，机器和生产过程，如蒸汽加热器。过程，如蒸汽加热器。被控变量被控变量：被控对象内要求与给定数值保持一致（接近：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。流体出口温度。操纵变量操纵变量：受到控制装置（如调节器）操纵，用以使被：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。控变量保持在给定值的物料量或能量，如加热蒸汽。本讲稿第十三页，共四十页 扰动（干扰）扰动（干扰）：除操纵变量外，作用于被控对象并：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。流体温度受冷流体流量的变化的影响。给定值给定值：被控变量的预定值。：被控变量的预定值。偏差偏差：在理论上应该是被控变量的给定值与实际值之：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差，通常把给定值与测量值之差作为偏差本讲稿第十四页，共四十页 偏差产生的原因偏差产生的原因 扰动的出现扰动的出现，此时操纵变量必须随着作相应变化，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。如冷流体的流量增加，应加大蒸汽流量。给定值的变化给定值的变化，此时操纵变量也必须随着作相应变化，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。如要求提高蒸汽加热器的出口温度。累计误差的存在累计误差的存在，很难长期保持平稳，如蒸汽加热器的，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。进出口流量的累计误差。本讲稿第十五页，共四十页设定值设定值控制装置控制装置控制装置控制装置蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽图图1-2 开环控制系统的基本结构开环控制系统的基本结构（a）按按设设定定值值热热控控制的开环系统制的开环系统（b）按按扰扰动动热热控控制制的开环系统的开环系统 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统本讲稿第十六页，共四十页 闭环（反馈）控制系统闭环（反馈）控制系统蒸汽蒸汽图图1-3 闭环控制系统的基本结构闭环控制系统的基本结构本讲稿第十七页，共四十页 闭环控制系统类型闭环控制系统类型1）定值控制系统定值控制系统：给定值恒定不变，任务是克服扰动：给定值恒定不变，任务是克服扰动对被控对象的影响。对被控对象的影响。2）随动控制系统随动控制系统：给定值是事先未知的时间函数，任务：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。化，而不考虑扰动对被控变量的影响。3）程序（顺序）控制系统程序（顺序）控制系统：给定值是已知的时间函数，：给定值是已知的时间函数，如玻璃熔化炉的升温控制系统。如玻璃熔化炉的升温控制系统。本讲稿第十八页，共四十页 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成图图1-4 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成控制装置控制装置执行器执行器过程过程检测元件变送器检测元件变送器比较比较机构机构e(t)控制器控制器广义对象广义对象被控变量被控变量测量值测量值y(t)设定值设定值r(t)u(t)q(t)c(t)f(t)扰动扰动本讲稿第十九页，共四十页 1.2 计算机控制系统概述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及其组成 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理图图1-5本讲稿第二十页，共四十页 实时数据采集实时数据采集，对被控变量的瞬时值进行检测和输，对被控变量的瞬时值进行检测和输入。入。实时控制决策实时控制决策，对采集被控变量进行分析处理。，对采集被控变量进行分析处理。实时控制输出实时控制输出，对执行机构发出控制信号，完成控制任，对执行机构发出控制信号，完成控制任务。务。在线方式和离线方式在线方式和离线方式 实时的含义实时的含义 计算机控制系统的工作步骤计算机控制系统的工作步骤本讲稿第二十一页，共四十页图图1-6 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成本讲稿第二十二页，共四十页图图1-71.2.2 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 操作指导控制系统操作指导控制系统本讲稿第二十三页，共四十页图图1-8 直接数字控制系统（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。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。本讲稿第二十四页，共四十页图图1-9按数学模型确定设定值按数学模型确定设定值本讲稿第二十五页，共四十页 分散型控制系统（分散型控制系统（DCS)图图1-10本讲稿第二十六页，共四十页 1.3 工业控制机的组成结构及特点工业控制机的组成结构及特点1.3.1 工业控制机的组成工业控制机的组成 硬件构成硬件构成图图1-111）监控定时器）监控定时器(Watchdog)2）电源掉电检测）电源掉电检测3）后备存储器）后备存储器4）实时日历时钟）实时日历时钟本讲稿第二十七页，共四十页 软件构成软件构成 系统软件系统软件 实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序；实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序；如如Intel：iRMX86，Ready System：嵌入式：嵌入式VRTX/OS。支持软件支持软件 低、高级语言，编译、编辑、调试、诊断程序。低、高级语言，编译、编辑、调试、诊断程序。应用软件应用软件 过程输入、过程控制、过程输出、人过程输入、过程控制、过程输出、人-机接口、显机接口、显示打印、公用子程序等。示打印、公用子程序等。本讲稿第二十八页，共四十页1.3.1 工业控制机工业控制机 的总线结构的总线结构 内部总线内部总线 PC总线总线图图1-12 PC总线总线本讲稿第二十九页，共四十页 STD总线总线（56根并行总线）根并行总线）采用周期窃取和总线复用技术，定义了采用周期窃取和总线复用技术，定义了16根数据线，根数据线，24跟跟地址线，实现地址线，实现8/16位机兼容。位机兼容。本讲稿第三十页，共四十页 RS-232C串行通信总线串行通信总线 外部总线外部总线本讲稿第三十一页，共四十页图图1-13 RS-232C信号状态信号状态本讲稿第三十二页，共四十页 IEEE-488并行行通信总线并行行通信总线 16根信号线，根信号线，8根地线。根地线。总线互连设备不超过总线互连设备不超过15台。台。总线电缆长度不超过总线电缆长度不超过20米。米。速率一般为速率一般为500kbps，最高为，最高为1Mbps。消息为负逻辑（消息为负逻辑（=2.0V为为“0”）。）。按位并行、字节串行、三线握手、双向异步传送。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、听者和控者可互连三种设备，讲者、听者和控者图图1-14本讲稿第三十三页，共四十页1.4 计算机控制系统的发展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。合的产物，伴随它们的发展而发展。1.4.1 系统发展概况系统发展概况 计算机技术的发展过程计算机技术的发展过程 1956年年3月德洲的一个炼油厂与月德洲的一个炼油厂与TRW航空工业公航空工业公司，经司，经3年的研究，制造出年的研究，制造出RW-300计算机控制的计算机控制的聚合系统，控制聚合系统，控制26个流量，个流量，72个温度，个温度，3个压力，个压力，来确保反应器内压力最小。来确保反应器内压力最小。本讲稿第三十四页，共四十页 开创时期（开创时期（19551962年），从事操作指导和设定值年），从事操作指导和设定值控制。控制。四个发展时期四个发展时期 直接数字控制时期（直接数字控制时期（19621967年），用计算机控制完年），用计算机控制完全取代了模拟控制，使用灵活。全取代了模拟控制，使用灵活。小型计算机时期（小型计算机时期（19671972年），过程控制计算机年），过程控制计算机迅速发展。迅速发展。微型计算机时期（微型计算机时期（1972年年），出现分级递阶控制系统、），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分散型控制系统、专用控制器，采用高级语言进行实时控制。时控制。本讲稿第三十五页，共四十页 计算机控制理论的发展过程计算机控制理论的发展过程 采样定理采样定理（乃奎斯特、香农定理）（乃奎斯特、香农定理）f采采=2 f最高最高 差分方程差分方程：用一个线性时不变的差分方程来代替：用一个线性时不变的差分方程来代替微分方程。微分方程。Z变换法变换法：霍尔维兹：霍尔维兹1947年对序年对序f(kT)引进一个引进一个变换，定义为：变换，定义为：本讲稿第三十六页，共四十页 状态空间理论状态空间理论：是设计和分析多输入多输出系统的：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。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最优控制与随机控制：控制系统设计的最优化问题，：控制系统设计的最优化问题，随机控制理论的发展。随机控制理论的发展。系统辨识与自适应控制系统辨识与自适应控制。本讲稿第三十七页，共四十页1.4.2 计算机控制系统发展趋势计算机控制系统发展趋势 推广应用成熟的先进技术推广应用成熟的先进技术 普及应用可编程控制器（普及应用可编程控制器（PLC）使用具有智能使用具有智能I/O模块的模块的PLC，将顺序控制和过程控制结合起，将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制。来，实现对生产过程的控制。广泛使用智能调节器广泛使用智能调节器 它可接受它可接受(020)mA的信号电流，而且具有的信号电流，而且具有RS-232或或RS-422/485异步串行通信接口，实现与上位机通信。异步串行通信接口，实现与上位机通信。采用新型的采用新型的DCS和和FCS 采用先进的控制策略，设计低成本综合自动化系统，实现采用先进的控制策略，设计低成本综合自动化系统，实现CIMS。本讲稿第三十八页，共四十页 发展智能控制系统发展智能控制系统 分级递阶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。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。律的新机理，它提供了一种非线性控制器的代替方法。本讲稿第三十九页，共四十页 专家控制系统专家控制系统 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。础，是工程控制论与专家系统的相结合。学习控制系统学习控制系统 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。信息，积累控制经验，进行估值、分类和决策。神经控制系统神经控制系统 基于人工神经网络的控制系统。基于人工神经网络的控制系统。本讲稿第四十页，共四十页