第1章 计算机控制概述优秀课件.ppt
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1、第1章 计算机控制概述第1页,本讲稿共37页本章主要内容 引言引言 n 1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成n 1.2 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 n 1.3 计算机控制装置种类计算机控制装置种类 n 1.4 计算机控制系统实例计算机控制系统实例n 本章小结本章小结n 思考题思考题第2页,本讲稿共37页 引言 计算机控制系统及工程应用计算机控制系统及工程应用-是把计算机技术与自动化控制系统融是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问,是以计算机为核心部件的过程控制系统和运为一体的一门综合性学问,是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出
2、发,自动化控制工程是其重要的一动控制系统。从计算机应用的角度出发,自动化控制工程是其重要的一个应用领域;而从自动化控制工程来看,计算机技术又是一个主要的实个应用领域;而从自动化控制工程来看,计算机技术又是一个主要的实现手段。现手段。本课程立足于工业自动化的领域,讨论这种不同于普通计算机的计算本课程立足于工业自动化的领域,讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。下图为下图为一个制药车间的自动一个制药车间的自动化生产流程。化生产流程。第3页,本讲稿共37页1.1 计算机控制系统的组成主要知识点主要知识点:1.1.1 1.1
3、.1 控制系统概念控制系统概念1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成第4页,本讲稿共37页1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念计计算算机机控控制制系系统统是是由由常常规规仪仪表表控控制制系系统统演演变变而而来来的的;常常规规仪仪表表组组成成的的自自动动控控制制系系统统根根据据不不同同的的控控制制要要求求,一一般般分分成成闭闭环环控控制制(图图1-1a1-1a所所示示)与与开开环环控控制制(图图1-1b1-1b所示所示)两种结构形式两种结构形式;计计算算机机控控制制系系统统原原理理组组成成用用控控制制计计算算机机代代替替图图1-11-1的控制
4、器,如图的控制器,如图1-21-2所示;所示;第5页,本讲稿共37页(1)闭环控制系统 闭闭环环控控制制系系统统-闭闭环环控控制制系系统统中中,测测量量变变送送器器对对被被控控对对象象进进行行检检测测,把把被被控控量量如如温温度度、压压力力等等物物理理量量转转换换成成电电信信号号再再反反馈馈到到控控制制器器中中,控控制制器器将将此此测测量量值值与与给给定定值值进进行行比比较较形形成成偏偏差差输输入入,并并按按照照一一定定的的控控制制规规律律产产生生相相应应的的控控制制信信号号驱驱动动执执行行器器工工作作,执执行行器器产产生生的的操操纵纵变变量量使使被被控控对对象象的的被被控控量量跟跟踪踪趋趋近
5、近给给定定值值,从从而而实实现现自自动动控控制制稳稳定定生生产产的的目目的的。这这种种信信号号传传递递形形成成了了闭合回路,所以称此为闭合回路,所以称此为按偏差进行控制按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。的闭环反馈控制系统。euqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送器测量变送器偏差偏差给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 测量值测量值r+_zf干扰干扰图图1-1(a)闭环控制系统闭环控制系统模拟调节器第6页,本讲稿共37页(2)开环控制系统 开环控制系统开环控制系统-不同于闭环系统,它不需要被控对象的测不同于闭环系统,它不需要被控对象的测量反馈信号,控制器直接根
6、据给定值驱动执行器去控制被控对象,量反馈信号,控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象,所以这种信号的传递是单方向的。所以这种信号的传递是单方向的。环控制系统不能自动消除被环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差,其控制性能不如闭环系统。控量与给定值之间的偏差,其控制性能不如闭环系统。uqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 r(b)(b)开环控制系统开环控制系统第7页,本讲稿共37页(3)计算机闭环控制系统原理组成 计算机闭环控制系统的原理组成计算机闭环控制系统的原理组成-是把图是把图1-11-1中的控制器用中的控制器用
7、控制计算机即微型计算机及控制计算机即微型计算机及A/DA/D(模(模/数)转换接口与数)转换接口与D/AD/A(数(数/模)转换接口代替,由于计算机采用的是数字信号传递,而一模)转换接口代替,由于计算机采用的是数字信号传递,而一些仪表多采用模拟信号传递,因此需要有些仪表多采用模拟信号传递,因此需要有A/DA/D转换器将模拟量转转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号,以及换为数字量作为其输入信号,以及D/AD/A转换器将数字量转换为模转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。拟量作为其输出信号。图图1-2 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图 第8页,本讲稿共37页(4)计算机控制系统的监
8、控过程步骤a.a.实时数据采集实时数据采集-对来自测量变送器的被控量的对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入瞬时值进行采集和输入 ;b.b.实时数据处理实时数据处理-对采集到的被控量进行分析、比对采集到的被控量进行分析、比较和处理,按一定的控制规律运较和处理,按一定的控制规律运算,进行控制决策;算,进行控制决策;c.c.实时输出控制实时输出控制-根据控制决策,适时地对执行器根据控制决策,适时地对执行器发出控制信号,完成监控任务;发出控制信号,完成监控任务;第9页,本讲稿共37页1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成计算机控制系统硬件一般包括:计算机控制系统硬件一般包括:n主机主机-C
9、PU CPU RAMRAMROMROM系统总线系统总线 n常规外部设备常规外部设备-输入输入/输出设备、外存储器等输出设备、外存储器等n过程输入输出通道过程输入输出通道AIAI、AOAO、DIDI、DODO人机接口设备人机接口设备CRTCRT、LEDLED、LCDLCD、打印机、打印机 等等通信设备通信设备交换机、交换机、modemmodem、集线器等、集线器等图图 1-3 1-3所示硬件组成框图所示硬件组成框图第10页,本讲稿共37页 图图1-3 1-3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图 第11页,本讲稿共37页1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成硬硬件件仅仅为为计计
10、算算机机控控制制系系统统的的躯躯体体。要要使使计计算算机机正正确确地地运运行行解解决决各种问题,必须为它编制软件。各种问题,必须为它编制软件。软软件件是是各各种种程程序序、控控制制算算法法和和管管理理方方法法的的统统称称,它它是是计计算算机机控控制制系系统统的的神神经经中中枢枢,整整个个系系统统的的动动作作都都是是在在软软件件程序指挥下协调工作的。程序指挥下协调工作的。软软件件通通常常分分为为系系统统软软件件和和应应用用软软件件两两大大类类;系系统统软软件件一一般般由由计计算算机机厂厂家家提提供供,专专门门用用来来使使用用和和管管理理计计算算机机本本身身的的程程序序;应应用用软软件件是用户针对
11、生产过程要求而编制的各种应用程序。是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序。第12页,本讲稿共37页1.2 控制系统分类 主要知识点主要知识点1.2.1 1.2.1 数据采集系统(数据采集系统(DASDAS)1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统 (OGC)(OGC)1.2.3 1.2.3 直接数字控制系统(直接数字控制系统(DDCDDC)1.2.4 1.2.4 监督计算机控制系统(监督计算机控制系统(SCCSCC)1.2.5 1.2.5 分散控制系统(分散控制系统(DCSDCS)1.2.6 1.2.6 现场总线控制系统(现场总线控制系统(FCSFCS)第13页,本讲稿共3
12、7页1.2.11.2.1 数据采集系统数据采集系统(DASDAS)数据采集系统数据采集系统(Data Acquisition System)-(Data Acquisition System)-是计算机应用于生产过程控制最早、也是是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型,如图最基本的一种类型,如图1-51-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和和A/DA/D通道或通道或DIDI通道巡回采集后送入计算机,由计算机对这些数据进行分析和处理,并按通道巡回采集后送入计算机,由计算机对这些数据进行分析和处理,并按操作要求进
13、行屏幕显示、制表打印和越限报警。操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。第14页,本讲稿共37页1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统(OGC)(OGC)操操作作指指导导控控制制系系统统-是是基基于于数数据据采采集集系系统统的的一一种种开开环环结结构构,如如图图1-61-6所所示示。计计算算机机根根据据采采集集到到的的数数据据以以及及工工艺艺要要求求进进行行最最优优化化计计算算,计计算算出出的的最最优优操操作作条条件件,并并不不直直接接输输出出控控制制被被控控对对象象,而而是是显显示示或或打打印印出出来来,操操作作人人员员据据此此去去改改变变各各个个控控制制器器的的给给定定
14、值值或或操操作作执执行行器器,以以达达到到操操作作指指导导的的作作用用。它它相相当当于于模拟仪表模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。控制系统的手动与半自动工作状态。优点优点:结构简单,控制灵活和安全。结构简单,控制灵活和安全。缺缺点点:要要由由人人工工操操作作,速速度度受受到到限限制制,不不能能同同时时控控制多个回路。制多个回路。第15页,本讲稿共37页第16页,本讲稿共37页1.2.31.2.3 直接数字控制系统直接数字控制系统(DDCDDC)DDCDDC系系统统-是是用用一一台台计计算算机机不不仅仅完完成成对对多多个个被被控控参参数数的的数数据据采采集集,而而且且能能按按一一定定的的控
15、控制制规规律律进进行行实实时时决决策策,并并通通过过过过程程输输出出通通道道发发出出控控制制信信号号,实实现现对对生生产产过过程程的的闭闭环环控控制制,为为了了操操作作方方便便,DDCDDC系系统统还还配配置置一一个个包包括括给给定定、显显示示、报报警警等等功功能能的的操操作作控控制制台台。DDCDDC系系统统中中的的一一台台计计算算机机不不仅仅完完全全取取代代了了多多个个模模拟拟调调节节器器,而而且且在在各各个个回回路路的的控控制制方方案案上上,不不改改变变硬硬件件只只通通过过改改变变程程序序就就能能有有效效地地实实现现各各种种各各样样的的复复杂控制杂控制。第17页,本讲稿共37页计计算算机
16、机生生产产过过程程显示显示打印机打印机报警报警操作台操作台)ID,D/A(入入输输程程过过)OD,A/D(出出输输程程过过图图1-7 1-7 直接数字控制系统直接数字控制系统第18页,本讲稿共37页1.2.41.2.4计算机监督控制系统计算机监督控制系统(SCCSCC)监督计算机控制系统即监督计算机控制系统即SCCSCC-是是OGCOGC系统与常规仪表控系统与常规仪表控制系统或与制系统或与DDCDDC系统综合而成的系统综合而成的两级两级系统,如图系统,如图1-81-8所示。显然,所示。显然,这属于计算机这属于计算机在线最优控制在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时,的一种形式。当上位机出现
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