计算机控制系统1第一章、概论.ppt

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1、计算机控制技术宁波大学信息学院宁波大学信息学院2016计算机控制技术课程介绍计算机控制技术课程介绍:本课程介绍计算机控制系统本课程介绍计算机控制系统 系统的结构系统的结构 硬件配置硬件配置 控制算法控制算法 软件设计软件设计 系统设计应用系统设计应用达到目的达到目的对基本控制系统：对基本控制系统：掌握掌握系统的选择、设计、调试系统的选择、设计、调试对复杂控制系统：了解硬件结构、控制算法对复杂控制系统：了解硬件结构、控制算法课程内容：课程内容：评分：评分：课堂讨论课堂讨论理论：理论：80%80%基础作业基础作业 大作业大作业 期末期末 实验：实验：20%20%学位课学位课 学分学分：3.5 课程

2、性质课程性质探究式示范建设课程探究式示范建设课程 50%50%n1 1、教材：、教材：刘士荣，计算机控制系统，机械工刘士荣，计算机控制系统，机械工 业出版社业出版社n2 2、何克忠，计算机控制技术，清华大学出版社、何克忠，计算机控制技术，清华大学出版社n3 3、曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业、曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业出版社出版社n4 4、李元春，计算机控制系统，高等教育出版、李元春，计算机控制系统，高等教育出版社社参考书：参考书：n第一部分：第一部分：计算机控制系统的概论计算机控制系统的概论第二部分：第二部分：工控机，工控机，I/O接口与过程通道接口与过程通道第三部分：第

3、三部分：控制策略的实现控制策略的实现 组态软件组态软件第四部分：第四部分：计算机控制系统的工程设计计算机控制系统的工程设计 数字伺服系统数字伺服系统 双闭环直流数字调速系统双闭环直流数字调速系统 电阻炉温度控制系统电阻炉温度控制系统 数字程序控制系统数字程序控制系统 第五部分：第五部分：新颖计算机控制系统新颖计算机控制系统内容介绍：内容介绍：n1、何谓计算机控制？、何谓计算机控制？一一.绪论绪论计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机（如工业就是利用计算机（如工业控制控制计算机）来实现计算机）来实现控制对象控制对象（如生产过程）（如生产过程）自动自动控制控制的系统。的系统。控制:实验室+工业

4、现场(高温,噪声)自动:无人为参与,有预定目标控制:by 计算机,模拟电路控控 制制 器器检测检测装置装置 执行执行装置装置被被 控控 对对 象象 控控制制部部分分n2、控制系统组成、控制系统组成1）、连续控制系统结构）、连续控制系统结构n3、控制框图描述、控制框图描述2）、离散系统结构）、离散系统结构4 4、计算机控制系统的工作原理、计算机控制系统的工作原理工作原理主要为：工作原理主要为：（1 1）实时数据采集（）实时数据采集（2 2）实时控制决策（）实时控制决策（3 3）实时控）实时控制输出制输出控制器控制器执行器执行器受控对象受控对象给定给定+-检测系统检测系统D/AD/AA/DA/D工

5、业控制机工业控制机生产过程生产过程+-MG+-+-+-信号放大信号放大功率放大功率放大位置检测位置检测指令信号指令信号校正电路校正电路超前校正超前校正环节环节超前校正环节：超前校正环节：改善系统的瞬态性能，提高响应速度和频宽；改善系统的瞬态性能，提高响应速度和频宽；滞后校正滞后校正环节环节滞后校正环节：滞后校正环节：改善系统的稳态性能。改善系统的稳态性能。缺点：缺点：1.当系统复杂时，校正电路会很复杂当系统复杂时，校正电路会很复杂,由于校正电路往往是由模拟由于校正电路往往是由模拟电路为主构成，稳定性、抗干扰差；电路为主构成，稳定性、抗干扰差；2.校正电路一旦建立，修改就很困难。校正电路一旦建立

6、，修改就很困难。5 5 应用应用应用应用:雷达天线位置伺服控制雷达天线位置伺服控制Motor 电动机Generator 发电机MG+-+-+-信号放大信号放大功率放大功率放大位置检测位置检测计算机计算机A/DA/DD/A计算机控制系统计算机控制系统6 雷达天线位置计算机控制系统雷达天线位置计算机控制系统 实时数据采集：实时数据采集：实时数据采集：实时数据采集：对来自测量对来自测量对来自测量对来自测量变送装置变送装置变送装置变送装置的被控量的的被控量的的被控量的的被控量的瞬时值进行检测和输入瞬时值进行检测和输入瞬时值进行检测和输入瞬时值进行检测和输入。计算机控制原理可归纳为以下三个步骤：计算机控

7、制原理可归纳为以下三个步骤：实时控制输出：实时控制输出：实时控制输出：实时控制输出：根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的上述过程不断重复，使整个系统按照一定的上述过程不断重复，使整个系统按照一定的上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标品质指标品质指标品质指标进行工作，并对进行工作，并对进行工作，并对进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。被控

8、量和设备本身的异常现象及时作出处理。被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。实时控制决策：实时控制决策：实时控制决策：实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。的控制策略。的控制策略。的控制策略。实时:按照一定的时间间隔,以固定的频率反复进行品质指标:动态参数(超调量,ts,tp),波形7 计算机控制系统的组成计算机控

9、制系统的组成计计 算算 机机D/A通道通道A/D通道通道A/D通道通道给定值给定值反馈值反馈值输出控制值输出控制值 A/D通道通道 D/A通道通道 计算机计算机构成了计算机控制系统构成了计算机控制系统硬件硬件的的三大基本要素。三大基本要素。硬件系统详细的组成硬件系统详细的组成接口电路:信号转换,数据缓冲思考思考在线控制方式？在线控制方式？离线方式？离线方式？控制的实时性？控制的实时性？在线:I/O 相连,通讯离线:无硬件相连,有硬件但无通讯实时一定在线,在线不一定实时8、计算机控制系统的主要特点、计算机控制系统的主要特点 模拟、数字混合系统 便于修改控制规律 可实现复杂的控制规律 离散控制 可

10、分时控制多个回路 便于实现控制与管理一体化回路:闭环系统集散控制系统:企业对多对象控制 by 网络9、计算机控制系统的典型形式、计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。要求，应有不同的控制方案。或者说：由于或者说：由于A/D、D/A通道的形式不同以及计通道的形式不同以及计 算机在系统中的地位、作用不同，计算机控制系统的算机在系统中的地位、作用不同，计算机控制系统的形式也是多种多样。形式也是多种多样。10、计算

11、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 直接数字控制系统直接数字控制系统 监督控制系统监督控制系统 分级计算机控制系统分级计算机控制系统1.对象数学模型难建；2.存在安全隐患。对象数学模型明确 分级计算机控制系统分级计算机控制系统装置控制级（装置控制级（DDC级）级）工厂集中控制级工厂集中控制级 车间监督级（车间监督级（SCC级）级）企业管理级企业管理级图1.7分级计算机控制系统讨论题n1、请举出日常生活中几个计算机控制实、请举出日常生活中几个计算机控制实例，你准备如何实现控制。例，你准备如何实现控制。n2、如何评价一个控制系统的性能？、如何评价一个控

12、制系统的性能？全自动洗衣机稳、准、快11 11 计算机控制系统的性能及其指标计算机控制系统的性能及其指标 1).1).计算机控制系统的稳定性计算机控制系统的稳定性 图图 过渡过程的过渡过程的4 4种情况种情况（a a）发散振荡）发散振荡 （b b）衰减振荡）衰减振荡 （c c）等幅振荡）等幅振荡 （d d）非周期衰减）非周期衰减稳稳2)2)控制系统的动态指标控制系统的动态指标 图图 阶跃信号作用下的系统动态过程阶跃信号作用下的系统动态过程动态指标能够比动态指标能够比较直观地反映控较直观地反映控制系统的过渡过制系统的过渡过程特性，动态指程特性，动态指标包括超调量，标包括超调量，调节时间，峰值调节

13、时间，峰值时间，衰减比和时间，衰减比和振荡次数。振荡次数。超调量超调量 表示了系统过冲的程度。设输出量表示了系统过冲的程度。设输出量 的最大值为的最大值为 ，输出量，输出量 的稳态值为的稳态值为 ，则超调量定义为，则超调量定义为 超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过程的平稳性。程的平稳性。调整时间调整时间 调整时间调整时间 反映了过渡过程时间的长短，当反映了过渡过程时间的长短，当 时，若时，若 ，则，则 定义为调定义为调整时间，式中整时间，式中 是输出量是输出量 的稳态值，的稳态值，取取0.02 0.02 或或0.05 0.05 。它反映了动态过

14、程进行的快。它反映了动态过程进行的快慢，是系统的快速性指标。慢，是系统的快速性指标。4)4)控制系统的稳态指标控制系统的稳态指标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量差来表征。稳态误差是输出量 的稳态值的稳态值 与要求值与要求值 的差值，定义为的差值，定义为 5)5)控制系统的综合指标控制系统的综合指标 综合性能指标通常有综合性能指标通常有3 3种类型种类型 1)1)积分型指标积分型指标 u误差平方的积分误差平方的积分 这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾及小的误差，但这种指标数学

15、上易于处理，可以及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以得到数学解析解，因此经常使用。得到数学解析解，因此经常使用。误差e小，并且时间t短，可使J小 这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该指渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该指标反映了控制系统的快速性和精确性。标反映了控制系统的快速性和精确性。u 时间乘误差平方的积分时间乘误差平方的积分加强了时间t对J的影响控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响 例例例例 假设控制对象的特性归结为对象的控制通道假设控制对象的特性归结为对象的控制通道G(s)和对象

16、的扰动通道和对象的扰动通道Gn(s)，如图，如图1-10所示。所示。控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响 控制通道的放大系数控制通道的放大系数K Km m惯性时间常数惯性时间常数T Tm m对象的纯滞后时间常数对象的纯滞后时间常数；扰动通道放大系数为扰动通道放大系数为K Kn n惯性时间常数惯性时间常数T Tn n纯滞后时间常数纯滞后时间常数n n 。控制系统的性能采用超调量控制系统的性能采用超调量%调节时间调节时间t ts s稳态误差稳态误差e essss控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响控制对

17、象对控制性能的影响 根据控制理论知识可以得出如下根据控制理论知识可以得出如下结论结论：*扰动通道的放大系数扰动通道的放大系数Kn越小，稳态误差越小，稳态误差ess也也越小，控制精度就越高，故希望越小，控制精度就越高，故希望Kn尽可能小；尽可能小；*K Km m对对系系统统的的性性能能没没有有影影响响，因因为为K Km m完完全全可可以以由控制器的比例系数由控制器的比例系数K Kp p来补偿。来补偿。*扰扰动动通通道道的的Tn加加大大或或惯惯性性环环节节的的阶阶次次增增加加时时，可以减少超调量；可以减少超调量；*Tm越越小小，系系统统的的反反应应就就越越灵灵敏敏，控控制制也也就就越越及时，控制性

18、能就越好。及时，控制性能就越好。控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响 *扰扰动动通通道道的的纯纯滞滞后后时时间间n n对对控控制制系系统统的的性性能能没没有有影影响响，只只是是使使扰扰动动引引起起的的输输出出量量yn n(t)(t)沿沿时时间间轴平移了轴平移了n n；*控控制制通通道道的的纯纯滞滞后后时时间间使使控控制制系系统统的的超超调调量量%增增大大，调调节节时时间间t ts s延延长长，纯纯滞滞后后时时间间越越大大，控制性能就越差，甚至导致系统不稳定。控制性能就越差，甚至导致系统不稳定。12 12 计算机控制系统应用实例计算机控

19、制系统应用实例q 发酵罐控制系统q IPC测控系统q 工业机器人模型IPC测控系统工业机器人模型 工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。图1.11工业机器人结构示意图工业机器人模型 工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。图1.12 机械臂关节结构示意图图1.13 机械臂关节模型计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程 1946年，世界上第一台电子计算机 20世纪50年代末，计算机控制系统投入实际应用 20世纪60年代末，小型计算机 197

20、2年，微型计算机，以单片机为代表 分级计算机控制、集散控制系统、集成制造系统（CIMS）基于网络的控制技术（简称网络控制）计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势q 可编程控制器 q 嵌入式系统q 集散控制系统 q 现场总线控制系统q 计算机集成制造系统 q 网络控制系统可编程控制器可编程控制器 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按规定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储在存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成

21、了可编程逻辑控制器PLC。嵌入式系统嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded System）以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和Internet网络技术与具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机嵌入到一个具体应用对象体系中去。集散控制系统集散控制系统 目前，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统。集散控制系统发展初期是以实现分散控制为主，而进入20世纪80年代以后，集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管理，因其具有分散控制和综合管理两方面特征，故称为分散型

22、综合控制系统，简称为集散控制系统。现场总线控制系统现场总线控制系统 现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。计算机集成制造系统计算机集成制造系统 计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将工厂中的全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机地集成起来，消除“自动化孤岛”，实现多品种、

23、中小批量生产的总体高效率、高柔性的智能制造系统。网络控制系统网络控制系统 网络控制（Internet Based Control）系统是以网络为媒介对被控对象实施远程遥控制、遥操作的一种新兴的计算机控制系统。网络控制技术的发展与网络技术、计算机应用技术、嵌入式应用技术和控制理论与应用技术的发展息息相关。网络控制已经引起了各方面的广泛关注。第一章：总结第一章：总结n掌握：掌握：n1、一般计算机控制的组成、一般计算机控制的组成n2、计算机控制典型的结构方式、计算机控制典型的结构方式n3、在线、离线、实时的概念、在线、离线、实时的概念了解：了解：1、计算机控制的发展过程、趋势、计算机控制的发展过程、趋势2、典型的应用、典型的应用作业：nP14 n2，3，4n讨论讨论1：IPC与普通与普通PC在组成上和应用场合上有在组成上和应用场合上有什么异同？在选择什么异同？在选择IPC时应考虑哪些问时应考虑哪些问题？请结合具体实例。题？请结合具体实例。课堂讨论分组（自动化课堂讨论分组（自动化122）要求：每组代表至少介绍要求：每组代表至少介绍10分钟分钟课堂讨论分组课堂讨论分组（自动化（自动化121）