第01章计算机控制系统概述精.ppt

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1、第1页，本讲稿共56页课程基本情况F课程编号课程编号：0RH033050RH03305F课程性质课程性质：专业课，选修：专业课，选修F总学时：总学时：4040学时，其中主讲：学时，其中主讲：3232学时学时 实践：实践：8 8学时学时F考核方式考核方式：平时成绩：平时成绩30%30%期末考试期末考试(开卷）开卷）70%70%平时成绩:实验、作业、报告、考勤第2页，本讲稿共56页F教 材：计计算机控制系算机控制系统统理理论论、技、技术术与与应应用用杨树兴杨树兴，李擎，李擎，苏苏中，侯会文中，侯会文编编著机械工著机械工业业出版社，出版社，2006,52006,5ISBN ISBN 7-111-18

2、970-1/TP4796(7-111-18970-1/TP4796(课课)3535 0.7 0.7 元元 F 参考书：1 1、微型微型计计算机控制技算机控制技术术 谢剑谢剑英，英，贾贾青青 编编著著国防工国防工业业出版社，出版社，20012001年年9 9月第月第3 3版版 2 2、计计算机控制系算机控制系统统-理理论论与技与技术术K.J.AstromK.J.Astrom著著.清清华华大大学出版社，学出版社，20012001年年1 1月月第3页，本讲稿共56页本课程的地位、作用与任务 随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展，计计算算机机在在控控制制领领域域中中的的应应用用越越来来越越广广泛泛

3、。本本课课程程是是一一门门集集自自动动控控制制技技术术、计计算算机机技技术术和和通通信信技技术术于于一一体体化化的的综综合合性性的的专专业业课课程。程。第4页，本讲稿共56页 本课程的任务是通过学习计算机控制系统的特点及其分析和设计分析和设计方法，利用不断发展的计算机技术和自动控制技术，设计出所需要的计算机控制系统。提高理论联系实际的能力。为今后从事相关专业的实际工作奠定基础。第5页，本讲稿共56页教学内容第第1章章计算机控制系统概述计算机控制系统概述第第2章章计算机控制系统的分析计算机控制系统的分析第第3章章数字数字PID控制算法控制算法第第4章章数字控制器的直接设计方法数字控制器的直接设计

4、方法第第5章章状态空间设计法状态空间设计法*第第6章章滑模变结构控制滑模变结构控制 *第第7章章模糊控制模糊控制第6页，本讲稿共56页课堂教学内容第第8章章数控系统数控系统*第第9章章控制用计算机简介控制用计算机简介第第10章章过程通道过程通道第第11章章网络系统网络系统第第12章章电磁兼容电磁兼容技术第第13章章系统设计与示例系统设计与示例 第第14章章基础实验指导基础实验指导第7页，本讲稿共56页（1）计算机控制系统基础理论；）计算机控制系统基础理论；（2）离散状态空间设计法（极点配置法、最优）离散状态空间设计法（极点配置法、最优控制）、控制）、PID及其改进方法、数字控制器直接及其改进方

5、法、数字控制器直接设计法等基于被控对象模型或不依赖被控对象设计法等基于被控对象模型或不依赖被控对象模型的智能控制、非线性控制与线性控制策略模型的智能控制、非线性控制与线性控制策略及其算法；及其算法；（3）工控机、）工控机、PLC、DSP、单片机、单片机、ARM等等控制用计算机及其应用实例，阐述如何构建和控制用计算机及其应用实例，阐述如何构建和实现计算机控制系统（设计方法、接口技术、实现计算机控制系统（设计方法、接口技术、可靠性技术、现场总线技术、组态技术等）；可靠性技术、现场总线技术、组态技术等）；（4）数控技术；）数控技术；（5）基础实验指导。）基础实验指导。第8页，本讲稿共56页第第1 1

6、章章计算机控制系统概述Introduction of Computer Control System第9页，本讲稿共56页本章主要内容F1.1 1.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念F1.2 1.2 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类F1.3 1.3 计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势第10页，本讲稿共56页1.1计算机控制系统的一般概念F一、计算机的作用一、计算机的作用F二、采用计算机控制的优点二、采用计算机控制的优点F三、计算机控制系统的工作步骤三、计算机控制系统的工作步骤 F四、微型计算机控制系统的组成及特点四、微型计算机控制系统的组成及特点第11页

7、，本讲稿共56页一、计算机的作用数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控制，承担了控制系统中控制器的任务，从而形成计算机控制，承担了控制系统中控制器的任务，从而形成计算机控制系统。制系统。第12页，本讲稿共56页1、常规控制系统的工作原理按偏差按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。进行控制，目的是减少或消除偏差。模拟调节器执行机构被控对象测量变送器设定值reu被调参数y图1.1 单回路常规控制系统示意图ym第13页，本讲稿共56页2、计算机控制系统的工作原理u计算机保持器广义对象测量变送器e(kT)u(kT)被调参数y图1.2 单回路计算机

8、控制系统示意图ym采样器A/DD/A计算机系统设定值r第14页，本讲稿共56页3、计算机控制系统的信号形式连续模拟信号连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如时间与幅值上均连续，如y(t)、u(t)离散模拟信号离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t)连续数字信号连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量时间是连续的，幅值上已是数字量离散数字信号离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)采样器A/D计算机D/A保持器y(t)y*(t)y(kT)u(kT)u*(t)u(t)第15页，本讲稿共56页第

9、16页，本讲稿共56页二、采用计算机控制的优点1、实现复杂的控制规律，提高控制质量。、实现复杂的控制规律，提高控制质量。2、能有效地克服随机扰动。、能有效地克服随机扰动。3、控制规律灵活、多样，改动方便。、控制规律灵活、多样，改动方便。4、控制与管理结合，为实现企业综合自动化打下了良好、控制与管理结合，为实现企业综合自动化打下了良好的基础。的基础。第17页，本讲稿共56页三、计算机控制系统的工作步骤1、计算机控制系统的工作过程可归纳为以下步骤：、计算机控制系统的工作过程可归纳为以下步骤：（1）实时数据采集：对被控制量的瞬时值进行检测，并且将采实时数据采集：对被控制量的瞬时值进行检测，并且将采样

10、结果输入到计算机。样结果输入到计算机。（2）实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后，按照预先规定的控制规律进行运算，决定下一步的控制过后，按照预先规定的控制规律进行运算，决定下一步的控制过程。程。（3）实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。信号，完成控制任务。（4）信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共）信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统之中。享和管理也介入到控制系统之中。第18页，本讲稿共56页计算机控制系统的工作方

11、式计算机控制系统的工作方式-在线形式与离线形式在线形式与离线形式计算机在控制系统中的主要作用计算机在控制系统中的主要作用-进行实时数据处理进行实时数据处理-对生产过程实施实时控制对生产过程实施实时控制-对生产过程进行监督与管理对生产过程进行监督与管理第19页，本讲稿共56页四、微型计算机控制系统的组成微机控制系统一般由计算机系统微机控制系统一般由计算机系统、受控对象、检测、受控对象、检测装置（包括传感器、变送器等）和执行机构等组成。用装置（包括传感器、变送器等）和执行机构等组成。用计算机（软件）实现控制律及其控制算法。计算机（软件）实现控制律及其控制算法。微机控制系统中的计算机应是广义的，可以

12、是工业控微机控制系统中的计算机应是广义的，可以是工业控制计算机、制计算机、PLC（ProgrammableLogicController，可编程，可编程控制器）、单片微机系统、控制器）、单片微机系统、DSP（DigitalSignalProcessing，数字信号处理器）等。，数字信号处理器）等。第20页，本讲稿共56页微机控制系统包括硬件设备、控制软件和通信网络三微机控制系统包括硬件设备、控制软件和通信网络三大部分。硬件是指微机本身及其外围设备，是微机控制系大部分。硬件是指微机本身及其外围设备，是微机控制系统的基础；软件是管理计算机的程序以及过程控制的应用统的基础；软件是管理计算机的程序以及

13、过程控制的应用程序，是微机控制系统的灵魂；通信网络则负责各个独立程序，是微机控制系统的灵魂；通信网络则负责各个独立的数据采集节点和控制单元之间进行数据信息交换，以及的数据采集节点和控制单元之间进行数据信息交换，以及各个控制回路之间和网络之间的信息交换。各个控制回路之间和网络之间的信息交换。第21页，本讲稿共56页微型计算机控制系统的硬件组成第22页，本讲稿共56页软件部分计算机控制系统硬件部分控制计算机主机、系统总线过程通道外设通信设备现场仪表（测量传感器、执行机构等）操作系统诊断程序汇编或高级语言、过程控制语言等通信网络软件信息处理系统软件应用软件过程输入/输出程序、人机接口程序过程控制程序

14、监视程序各种公共子程序历史数据库、实时数据库第23页，本讲稿共56页1.2计算机控制系统的分类 Classification of Computer Control SystemF计算机控制系统与所控制的生产过程的复杂程度相关，一般来说，控制对象和控制要求不同，则控制方案不同。由于被控对象不同，工业生产过程及被测参数也千差万别，因此由微机组成的控制系统也不尽相同。F计算机控制系统分类的方法很多，可以按照系统的功能分类，也可以按照系统控制规律分类，还可以按照控制方式分类。第24页，本讲稿共56页一、按控制方式分类F1 1、开环控制系统：、开环控制系统：结结构构简简单单，在在控控制制精精度度要要求

15、求不不高高或或者者元元件件工工作作特性比较稳定而干扰又很小的场合应用比较广泛。特性比较稳定而干扰又很小的场合应用比较广泛。1、开环2、闭环第25页，本讲稿共56页2 2、闭环控制系统、闭环控制系统F按偏差进行控制。按偏差进行控制。F在在给给定定值值和和被被控控量量之之间间，除除了了有有一一条条从从给给定定值值到到被被控控量量方方向向传传递递信信号号的的前前向向通通道道外外，还还有有一一条条从从被被控控量量到到比比较较元元件件传传递递信信号号的的反反馈馈通通道道。控控制制信信号号沿沿着着前前向向通通道道和和反反馈馈通通道道循循环环传传递递，故故闭闭环环控控制又称反馈控制。制又称反馈控制。第26页

16、，本讲稿共56页二、按功能分类 从从应应用用功功能能、控控制制目目的的和和系系统统构构成成方方面面出出发发，计计算算机机控控制系统的典型应用可分为：制系统的典型应用可分为：F1 1、操作指导控制系统（数据采集和监控系统）、操作指导控制系统（数据采集和监控系统）F2 2、直接数字控制系统、直接数字控制系统F3 3、监督控制系统、监督控制系统F4 4、网络控制系统。、网络控制系统。第27页，本讲稿共56页1、操作指导控制系统 在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，

17、供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。第28页，本讲稿共56页 另外，计算机有存储大量数据的能力，可以预先存入各种工艺参数，在数据处理过程中进行参数的越限报警，或者按要求定时制表、打印或将数据处理的结果记录在外存储器中，作为资料保存和供分析使用。该系统的优点是结构简单，控制灵活和安全可靠。缺点是要由人工进行操作，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。第29页，本讲稿共56页2、直接数字控制系统(DDCS)直接数字控制系统(Direct Digital Control Sy

18、stem)是计算机在工业应用中最普遍和最基本的一种方式。DDC S中的计算机完全取代模拟调节器，参加闭环控制过程。它用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，将检测结果与设定值进行比较，再根据规定的PID规律、模糊逻辑规律或直接数字方法等进行控制运算，最后输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。一般的直接数字控制系统有一个功能齐全的运行操作台，系统的给定、显示、报警等集中在此操作台上。直接数字控制直接数字控制(DDC)计算机计算机CRT打印机打印机报报警警操作台操作台过程输入通道过程输入通道测量变送测量变送测量变送测量变送被被控控生生产产过过程程过程输出通道过程输出通道执行机构

19、执行机构执行机构执行机构第30页，本讲稿共56页一个典型DDCS实例啤酒发酵过程计算机控制系统 啤酒发酵过程计算机控制系统是多点温度、多点压力和多点液位控制系统。系统硬件可由工业控制计算机(其中包括AIAO过程通道)、传感器(铂电阻温度传感器、电容式压力变送器、电容式液位变送器)、执行器(电动调节阀)组成。系统软件一般包括数据采集程序、数字滤波程序、物理量-数字量标度变换程序、给定值计算(给定工艺曲线的实时插补计算)、控制算法(针对被控对象的特性，通常为PID+迟延补偿算法)和其他应用程序(计时、打印、显示、报警、调节参数修改、报表、图形、曲线显示等功能程序)。第31页，本讲稿共56页3、计算

20、机监督控制系统(SCCS)先由监督计算机根据工艺数据和已设定的描述生产过程的数学模型，按照某一目标函数进行优化分析，自动产生最优设定值，作为控制器的给定值，再由直接数字控制器系统加以执行。第32页，本讲稿共56页4、网络控制系统F1、分布式控制系统、分布式控制系统DCSF2、现场总线控制系统、现场总线控制系统FCSF3、工业以太网控制系统、工业以太网控制系统F4、计算机集成制造系统、计算机集成制造系统CIMS第33页，本讲稿共56页第34页，本讲稿共56页（1）DCS系统（又称分布式控制系统）由若干台微处理器或微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和

21、操作，并实现复杂的控制和优化。第35页，本讲稿共56页(2)现场总线控制系统FCS 将现场仪表和控制室仪表连接起来的全数字化、双向、多站的互联通信的控制网络系统。智能电磁流量计现场智能仪表第36页，本讲稿共56页第37页，本讲稿共56页（3）工业以太网控制系统工业以太网控制系统方案，其中包括：Modbus./RTU应用技术Modbus/TCP应用技术GSM(SMS短消息)技术工业以太网视频传输控制技术工业无线以太网技术RS485-工业以太网转换技术实时监控、人机交互(HMI)技术Web发布功能第38页，本讲稿共56页（4）计算机集成制造系统CIMS（新型分布式控制系统）通过分布式数据库、网络通

22、信和自动化系统的环境支持下将产品设计、产品制造及信息管理三个功能集成在一起。经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化,简单控制生产过程流程CIMS的递阶控制示意图第39页，本讲稿共56页例：工厂自动化系统_分级控制系统框图企业管理级（MIS）工厂集中控制级（MIS）车间监督级（SCC级）装置控制级（DDC级）第40页，本讲稿共56页三、按控制规律分类1、程序控制和顺序控制、程序控制和顺序控制程序控制是指被控量按照预先规定的时间函数变化，程序控制是指被控量按照预先规定的

23、时间函数变化，被控制量是时间的函数，如加热炉的温度控制。顺序控制被控制量是时间的函数，如加热炉的温度控制。顺序控制则可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定则可以看作是程序控制的扩展，在各个时期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。第41页，本讲稿共56页2、经典控制策略、经典控制策略:PID控制、串级控制、前馈控制、有控制、串级控制、前馈控制、有限拍控制等。限拍控制等。3、现代控制策略：自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、

24、现代控制策略：自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、预测控制、最优控制等预测控制、最优控制等4、智能控制策略：模糊控制、专家控制、神经控制和、智能控制策略：模糊控制、专家控制、神经控制和遗传算法等遗传算法等第42页，本讲稿共56页四、按给定信号分类调节系统调节系统随动系统随动系统第43页，本讲稿共56页1、调节系统炉温自动控制系统炉温自动控制系统第44页，本讲稿共56页2、随动系统在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统随动系统（Servo-mec

25、hanism）。炮跟踪系统、雷达导引系统和天文望远）。炮跟踪系统、雷达导引系统和天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。镜的跟踪系统等都属于随动系统。第45页，本讲稿共56页3、程序自动控制系统运 算控制器变 换放大器电动机工作机床切削刀具控制脉冲脉冲指令位移反馈测量元件当自动控制系统的给定信号(相当于上节中的Ur)是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统第46页，本讲稿共56页1.3计算机控制系统的发展与趋势Development and Tendencyof Computer Control System第47页，本讲稿共56页第48页，本讲稿共56页计算机控制系统的发展历程F50年代的

26、起步期年代的起步期F60年代的试验期年代的试验期F70年代以来的推广期年代以来的推广期F80年代的成熟期年代的成熟期F90年代的进一步发展期年代的进一步发展期第49页，本讲稿共56页嵌入式处理器和嵌入式控制系统F现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从空间一般从64kB到到16MB，处理速度从，处理速度从0.1MIPS到到2000MIPS，常用封装从，常用封装从8个引脚到个引脚到144个引脚。根据其现状，个引脚。根据其现状，嵌

27、入式计算机可以分成下面几类。嵌入式计算机可以分成下面几类。第50页，本讲稿共56页1嵌入式微处理器嵌入式微处理器和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。嵌外设等安装在一块电路板上

28、，称为单板计算机。嵌入式处理器目前主要有入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。系列等。嵌入式处理器嵌入式处理器第51页，本讲稿共56页2嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时定时/计数器、计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉

29、宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。适合于控制适合于控制第52页，本讲稿共56页3嵌入式嵌入式D

30、SP处理器处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)嵌入式嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经处理器经过单片化、过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理处理器，器，TITMS320C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单等属于此范畴；二是在通用单片机或片机或SOC中增加中增加DSP协处理器协处理器.4、嵌入式片上系统、嵌入式片上系统在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是来临，这就是SystemOnChip(S

31、OC)。第53页，本讲稿共56页嵌入式控制系统嵌入式控制系统德国德国EPIS公司公司EMD系列产品系列产品EPIS公司把公司把PLC功能功能,NC运动控制功能，温度调节运动控制功能，温度调节,触触摸屏功能，摸屏功能，CAN总线通讯总线通讯,高级语言编程及大量通用的库函数高级语言编程及大量通用的库函数集成在一起形成一系列通用控制系统。这些系统的主要区别集成在一起形成一系列通用控制系统。这些系统的主要区别在系统体积，图形面板尺寸，控制伺服电机的数量，在系统体积，图形面板尺寸，控制伺服电机的数量，I/O口数口数量及通讯方式上。各按键的功能和图示内容可按各种设备的量及通讯方式上。各按键的功能和图示内容

32、可按各种设备的专用功能要求来编程。输入口和输出口数量及种类可选，专用功能要求来编程。输入口和输出口数量及种类可选，I/O口数量最多可扩展达到口数量最多可扩展达到512路。路。第54页，本讲稿共56页计算机控制理论的发展计算机控制理论的发展F1、采样定理、采样定理F2、差分方程、差分方程F3、变换方法、变换方法F4、状态空间理论、状态空间理论F5、最优控制、最优控制F6、系统辨识、系统辨识F7、智能控制、智能控制第55页，本讲稿共56页计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势F1、发展、发展MEMS器件和系统器件和系统F2、开放化、网络化、开放化、网络化F3、普及应用可编程序控制器、普及应用可编程序控制器F4、应用和发展容错技术、应用和发展容错技术F5、发展智能控制、发展智能控制第56页，本讲稿共56页