计算机控制教案.pdf
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1、计 算 机 控 制 系 统 概 述 一、总 论 计 算 机 控 制 系 统 是 自 动 控 制 理 论、自 动 化 技 术 与 计 算 机 技 术 紧 密 结 合 的 产 物。控 制 理 论 的 发 展,尤 其 是 现 代 控 制 理 论 的 发 展,与 计 算 机 技 术 息 息 相 关。利 用 计 算 机 快 速 强 大 的 数 值 计 算、逻 辑 判 断 等 信 息 加 工 能 力,计 算 机 控 制 系 统 可 以 实 现 比 常 规 控 制 更 复 杂、更 全 面 的 控 制 方 案。计 算 机 为 现 代 控 制 理 论 的 应 用 提 供 了 有 力 的 工 具。同 时,计 算
2、机 控 制 系 统 应 用 于 工 业 控 制 领 域 提 出 来 一 系 列 理 论 与 工 程 上 的 问 题,又 进 一 步 推 动 了 控 制 理 论 和 计 算 机 技 术 的 发 展。计 算 机 技 术 在 控 制 领 域 中 的 应 用,还 有 力 地 推 动 了 自 动 控 制 技 术 的 发 展,大 大 扩 展 了 控 制 技 术 在 工 业 生 产 中 的 应 用 范 围,特 别 是 使 复 杂 的、大 规 模 的 自 动 化 系 统 与 过 程 发 展 到 了 一 个 崭 新 的 阶 段。二、计 算 机 控 制 系 统 及 其 组 成 计 算 机 控 制 系 统 就 是
3、利 用 计 算 机(通 常 称 为 工 业 控 制 计 算 机,简 称 工 业 控 制 机 I P C)来 实 现 生 产 过 程 自 动 控 制 的 系 统。1、计 算 机 控 制 系 统 的 工 作 原 理 图 1 计 算 机 控 制 系 统 原 理 图 计 算 机 控 制 系 统 的 工 作 原 理 可 归 纳 为 三 个 步 骤:(1)、实 时 数 据 采 集:对 来 自 测 量 变 送 装 置 的 被 控 量 的 瞬 时 值 进 行 检 测 和 输 入。(2)、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
4、定 将 要 采 取 的 控 制 策 略。(3)、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。上 述 过 程 不 断 重 复,使 整 个 系 统 按 照-,定 的 品 质 指 标 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。在 一 般 的 模 拟 控 制 系 统 中,控 制 规 律 是 由 硬 件 电 路 产 生 的,要 改 变 控 制 规 律 就 要 更 改 硬 件 电 路。而 在 计 算 机 控 制 系 统 中,控 制 规 律 是 用 软 件 实 现 的
5、,计 算 机 执 行 预 定 的 控 制 程 序,就 能 实 现 对 被 控 参 数 的 控 制。因 此,要 改 变 控 制 规 律,只 要 改 变 控 制 程 序 就 可 以 了。这 就 使 控 制 系 统 的 设 计 更 加 灵 活 方 便。特 别 是 可 以 利 用 计 算 机 强 大 的 计 算、逻 辑 判 断、记 忆、信 息 传 递 能 力,实 现 更 为 复 杂 的 控 制 规 律,如 非 线 性 控 制、逻 辑 控 制、自 适 应 控 制、自 学 习 控 制 及 智 能 控 制 等。2、在 线 方 式 和 离 线 方 式:在 计 算 机 控 制 系 统 中,生 产 过 程 和 计
6、 算 机 直 接 连 接,并 受 计 算 机 控 制 的 方 式 称 为 在 线 方 式 或 联 机 方 式;生 产 过 程 不 和 计 算 机 相 连,且 不 受 计 算 机 控 制,而 是 靠 人 进 行 联 系 并 作 相 应 操 作 的 方 式 称 为 离 线 方 式 或 脱 机 方 式。3、实 时 的 含 义:实 时 性 是 指 工 业 控 制 计 算 机 系 统 应 该 具 有 的 能 够 在 限 定 的 时 间 内 对 外 来 事 件 做 出 反 应 的 特 性。在 具 体 地 确 定 这 里 所 说 的 限 定 时 间 时,主 要 考 虑 两 个 要 素:-是 根 据 工 业
7、生 产 过 程 出 现 的 事 件 能 够 保 持 多 长 的 时 间;二 是 该 事 件 要 求 计 算 机 在 多 长 的 时 间 以 内 必 须 做 出 反 应,否 则,将 对 生 产 过 程 造 成 影 响 甚 至 造 成 损 害。可 见,实 时 性 是 相 对 的。实 时 性 一 般 都 要 求 计 算 机 具 有 多 任 务 处 理 能 力,以 便 将 测 控 任 务 分 解 成 若 干 并 行 执 行 的 多 个 任 务,加 速 程 序 执 行 速 度。可 以 把 那 些 变 化 并 不 显 著,即 使 不 立 即 作 出 反 应 也 不 至 于 造 成 影 响 或 损 害 的
8、事 件,作 为 顺 序 执 行 的 任 务,按 照 一 定 的 巡 检 周 期 有 规 律 地 执 行,而 把 那 些 保 持 时 间 很 短 且 需 要 计 算 机 立 即 作 出 反 应 的 事 件,作 为 中 断 请 求 源 或 事 件 触 发 信 号,为 其 专 门 编 写 程 序,以 便 在 该 类 事 件 一 旦 出 现 时 计 算 机 能 够 立 即 响 应。如 果 山 于 测 控 范 围 庞 大,变 量 繁 多,这 样 分 配 仍 然 不 能 保 证 所 要 求 的 实 时 性 时,则 表 明 计 算 机 的 资 源 已 经 不 够 使 用,只 得 对 结 构 进 行 重 新
9、设 计,或 者 提 高 计 算 机 的 档 次。实 时 的 概 念 不 能 脱 离 具 体 过 程,一 个 在 线 的 系 统 不 一 定 是 一 个 实 时 系 统,但 一 个 实 时 控 制 系 统 必 定 是 在 线 系 统。4、计 算 机 控 制 系 统 组 成 计 算 机 控 制 系 统 山 计 算 机 和 工 业 对 象 组 成。计 算 机 是 计 算 机 控 制 系 统 中 的 核 心 装 置,是 系 统 中 信 号 处 理 和 决 策 的 机 构,它 相 当 于 控 制 系 统 的 神 经 中 枢。计 算 机 控 制 系 统 是 山 硬 件 和 软 件 两 部 分 组 成 的。
10、(1)、硬 件 组 成 计 算 机 控 制 系 统 的 硬 件 主 要 山 主 机、外 部 设 备、过 程 输 入 输 出 设 备 和 被 控 对 象 组 成,如 图 2 所 示。外 部 设 备 一 主 机 上 过 程 输 入 输 出 设 备,通 信 设 备 键 盘 一*接 口 CRT 接 口 打 印 机 系 统 总 线 CPURAMROM*接 口 D/A*接 口 一 开 关 输 入 接 口 开 关 输 出 被 控 对 象*-接 口 图 2 计 算 机 控 制 系 统 的 硬 件 组 成 框 图、主 机 由 中 央 处 理 器(CPU)和 内 存 储 器(R AM和 ROM)通 过 系 统 总
11、 线 连 接 的 主 机 是 计 算 机 的 核 心,也 是 整 个 控 制 系 统 的 核 心。它 按 照 预 先 存 放 在 内 存 中 的 程 序、指 令,不 断 通 过 过 程 输 入 设 备 获 取 反 映 被 控 对 象 运 行 工 况 的 信 息,并 按 程 序 中 规 定 的 控 制 算 法,或 操 作 人 员 通 过 键 盘 输 入 的 操 作 命 令 自 动 地 进 行 运 算 和 判 断,及 时 地 产 生 并 通 过 过 程 输 出 设 备 向 被 控 对 象 发 出 相 应 控 制 命 令,以 实 现 对 被 控 对 象 的 自 动 控 制 目 标。、外 部 设 备
12、常 用 的 外 部 设 备 有 4 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
13、储 器。通 信 设 备:用 来 与 其 他 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。以 上 这 些 常 规 的 外 部 设 备 通 过 接 口 与 主 机 连 接 便 构 成 具 有 科 学 计 算 和 信 息 处 理 功 能 的 通 用 计 算 机,但 是 这 样 的 计 算 机 不 能 直 接 用 于 控 制。如 果 用 于 控 制,还 需 要 配 备 过 程 输 入 输 出 设 备 构 成 计 算 机 控 制 系 统。、过 程 输 入 输 出 设
14、 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
15、 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;DO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
16、 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 上 述 硬 件 构 成 的 计 算 机 控 制 系 统 只 是 一 个 硬 件 系 统,还 必 须 配 备 相 应 的 软 件 系 统 才 能 实 现 预 期 的 各 种 自 动 化 功 能。软 件 是 计 算 机 工 作 程 序 的 统 称,软 件 系 统 亦 即 程 序 系 统,是 实 现 预 期 信 息 处 理 功 能 的 各
17、种 程 序 的 集 合。计 算 机 控 制 系 统 的 软 件 系 统 的 优 劣 不 仅 关 系 到 硬 件 功 能 的 发 挥,而 且 也 关 系 到 控 制 系 统 的 控 制 品 质 和 操 作 管 理 水 平。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 即 计 算 机 通 用 性 软 件,主 要 包 括 数 据 结 构、操 作 系 统、数 据 库 系 统 和 一 些 公 共 服 务 软 件(如 各 种 计 算 机 语 言 编 译、程 序 诊 断 以 及 网 络 通 信 等 软 件)。
18、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。计 算 机 控 制 系 统 设 计 人 员 一 般 没 有 必 要 研 制 系 统 软 件,但 是 需 要 了 解 和 学 会 使 用 系 统 软 件,以 便 更 好 地 开 发 应 用 软 件。、应 用 软 件 应 用 软 件 是 计 算 机 在 系 统 软 件 支 持 下 实 现 各 种 应 用 功 能 的 专 用 程 序。计 算 机 控 制 系 统 的 应 用 软 件 一 般 包 括 控 制 程 序,过 程 输 入 输 出 接 口 程 序,人 机 接 口 程 序,显 示、打 印、报
19、 警 和 故 障 联 锁 程 序 等。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 P C机),不 仅 在 结 构 上 而 且 在 技 术 性 能 方 面 都 有 较 大 差 别。由 于 控 制 机 要 对 被 控 对 象 进 行 实 时 控 制 和 监 视,需 要 不 间 断 长 期 可 靠 地 工 作,而
20、且 其 工 作 环 境 一 般 都 较 恶 劣,所 以 控 制 机 不 仅 需 要 配 置 过 程 输 入 输 出 设 备 实 现 与 被 控 对 象 之 间 的 信 息 联 系,而 且 还 必 须 具 有 实 时 响 应 能 力 和 很 强 的 抗 干 扰 能 力 以 及 很 高 的 可 靠 性。三、计 算 机 控 制 系 统 的 发 展 2 0世 纪 5 0年 代 初,计 算 机 就 开 始 用 于 工 业 生 产 过 程 控 制。控 制 理 论 与 计 算 机 的 结 合,产 生 了 新 型 的 计 算 机 控 制 系 统。为 自 动 控 制 系 统 的 应 用 与 发 展 开 辟 了
21、新 途 径。1965年 到 1969年 是 计 算 机 控 制 进 入 实 用 普 及 的 阶 段。1970年 以 后 控 制 进 入 了 大 量 推 广 分 级 控 制 阶 段。2 0世 纪 9 0年 代 后,计 算 机 控 制 系 统 进 一 步 完 善、应 用 更 加 普 及、价 格 不 断 下 降 的 同 时:功 能 却 更 加 丰 富,性 能 亦 更 加 可 靠。可 以 预 料 的 是,计 算 机 控 制 技 术 将 会 随 着 计 算 机 技 术 与 自 动 控 制 技 术 的 发 展 而 飞 速 发 展,给 国 民 经 济 带 来 巨 大 的 经 济 效 益。作 业:I、简 述
22、计 算 机 控 制 系 统 的 工 作 原 理。2、计 算 机 控 制 系 统 是 由 哪 两 部 分 组 成?请 分 别 说 明。计 算 机 控 制 系 统 的 类 型 计 算 机 控 制 系 统 按 功 能 及 结 构 大 致 可 以 分 为 以 下 几 种 典 型 的 形 式。1、操 作 指 导 控 制 系 统(Operational Information System,简 称 OIS)图 1 操 作 指 导 控 制 系 统 该 系 统 不 仅 具 有 数 据 采 集 和 处 理 的 功 能,而 且 能 够 为 操 作 人 员 提 供 反 映 生 产 过 程 工 况 的 各 种 数 据
23、,并 相 应 地 给 出 操 作 指 导 信 息,供 操 作 人 员 参 考 该 控 制 系 统 属 于 开 环 控 制 结 构。计 算 机 根 据 一 定 的 控 制 算 法(数 学 模 型),依 赖 测 量 元 件 测 得 的 信 号 数 据,计 算 出 供 操 作 人 员 选 择 的 最 优 操 作 条 件 及 操 作 方 案。操 作 人 员 根 据 计 算 机 的 输 出 信 息,如 C R T显 示 图 形 或 数 据、打 印 机 输 出 等 去 改 变 调 节 器 的 给 定 值 或 直 接 操 作 执 行 机 构。操 作 指 导 控 制 系 统 的 优 点 是 结 构 简 单,控
24、 制 灵 活 和 安 全。缺 点 是 要 由 人 工 操 作,速 度 受 到 限 制,不 能 控 制 多 个 对 象。2、直 接 数 字 控 制 系 统(Direct Digital Control,简 称 DDC)图 2 直 接 数 字 控 制 系 统 框 图 计 算 机 首 先 通 过 模 拟 量 输 入 通 道(A I)和 开 关 量 输 入 通 道(D1)实 时 采 集 数 据,然 后 按 照 一 定 的 控 制 规 律 进 行 计 算,最 后 发 出 控 制 信 息,并 通 过 模 拟 量 输 出 通 道(A 0)和 开 关 量 输 出 通 道(D O)直 接 控 制 生 产 过 程
25、。D D C系 统 属 于 计 算 机 闭 环 控 制 系 统,是 计 算 机 在 工 业 生 产 过 程 中 最 普 遍 的 一 种 应 用 方 式。由 于 D D C系 统 中 的 计 算 机 直 接 承 担 控 制 任 务,所 以 要 求 实 时 性 好、可 靠 性 高 和 适 应 性 强。为 了 充 分 发 挥 计 算 机 的 利 用 率,一 台 计 算 机 通 常 要 控 制 几 个 或 几 十 个 回 路,那 就 要 合 理 地 设 计 应 用 软 件,使 之 不 失 时 机 地 完 成 所 有 功 能。3、监 督 控 制 系 统 SCC(Supervisory Computer
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