01 第一章 计算机控制绪论.pptx

第1页：计算机控制课程封面

计算机控制

计算机控制是一门综合性学科，自动控制工程是计算机技术的一个重要应用领域，计算机控制技术是自动控制工程的一个重要实现手段。

第2页：第一章绪论目录

第一章 绪论

• 计算机控制系统概述
• 计算机控制系统分类
• 计算机控制理论
• 思考题

第3页：1.1 计算机控制系统概述

１.１ 计算机控制系统概述

计算机控制技术

计算机控制是一门综合性学科。自动控制工程是计算机技术的一个重要应用领域，计算机控制技术是自动控制工程的一个重要实现手段。

第4页：控制理论发展三个阶段

控制理论随系统复杂性提高而发展：

• 开环控制
• 确定性反馈控制
• 最优控制
• 随机控制
• 自适应/鲁棒控制
• 自学习控制
• 智能控制

三个发展阶段：经典控制理论阶段、现代控制理论阶段、智能控制理论阶段。

第5页：计算机控制发展的推动因素

• 控制对象复杂，性能要求高
• 计算机技术的发展与提高
• 先进控制理论的应用

以上因素促进了计算机控制理论与技术的应用和发展。采用计算机的数字控制系统为先进控制理论的应用提供了有效的手段；用数字控制增加控制方案的灵活性，使数字控制系统具有决策和逻辑判断能力，在分担控制任务的同时还可以满足其它的要求。

第6页：研究内容与主要特点

研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用，以及微机的控制方法及其应用。

主要的特点：

1. 理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等
2. 综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等
3. 实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等
4. 理论与实践相结合
5. 实用性强
6. 应用广泛

第7页：计算机控制系统结构与组成

2.1.2 计算机控制系统的结构及组成

• 典型模拟控制系统
• 典型计算机控制系统

第8页：计算机控制系统硬件组成框图

系统硬件由两大部分构成：

计算机基本系统

CPU、RAM、ROM、系统总线、接口，以及输入设备、输出设备、外存储器、通信设备、操作台等常规外部设备。

过程输入输出通道

经接口与系统总线相连，含开关输入、开关输出、测量变送、驱动执行以及A/D转换、D/A转换，与工业对象相接。

第9页：电机转速数字控制系统

电机转速数字控制系统：由计算机、测速环节、D/A转换与驱动执行环节构成，对被控电机转速进行数字闭环控制。

第10页：

第11页：主机的作用与选型

1.计算机控制系统的硬件

（1）主机

作用

为系统核心，通过接口发出各种命令，接受被控对象和过程的各种检测数据，完成程序存储、执行、检测、数据处理、逻辑判断、计算、控制、报警等。

选型

工业PC机、PLC、8位或16位或32位单片机、DSP等。

第12页：输入输出通道作用与选型

（2）输入/输出通道

作用

输入通道把被控对象的被控参数转换成计算机可以处理的数字代码；输出通道把计算机发出的控制信号转换成可以对被控对象控制的信号。

分类

主要分为模拟量输入/输出通道、数字量输入/输出通道。

选型

并行接口8255或8155、串行接口8251、DMA控制器8237、中断控制器8259、定时器/计数器8253、A/D转换器ADC0809、D/A转换器DAC0832等。

第13页：通用外部设备与检测元件

3 通用外部设备

作用

显示、打印、存储、传输数据。

4 检测元件

作用

对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标准电信号（0—5V或4—20mA）。

器件

各种传感器、变送器。

第14页：执行机构与操作台

5 执行机构

作用

根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。

设备

电动的、气动的、液压传动的等。

6 操作台

作用

实现人—机对话，进行各种操作。

组成

功能键、数字键、开关、按钮、LED数码管或CRT显示器。

第15页：商用计算机的控制局限

控制用主机种类

（1）商用计算机

• 可靠性差，没有机械防振、耐冲击、防尘、高温、抗电磁、抗电流浪涌、抗化学腐蚀等措施
• 没有采用开放式的总线结构，没有数据采集、输出等I/O模板
• 通用性较差，适合工业用的各种组态软件、多任务实时操作系统也较少

第16页：控制用PC工控机

(2) 控制用PC

定义

工业控制机，是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，简称工业控制机或工控机。

结构特点

机箱加密封、防振、电源抗干扰、防电磁；依赖标准总线设计，配CPU板、I/O板、A/D、D/A板等模块化接口板。

总线类型

STD总线、Q-BUS、Multi-BUS、ISA、ESA、PCI等。

与商用PC相比

取消了系统母板，采用开放式总线结构，I/O模板可直接插在总线槽上，选用工业级抗干扰电源，按要求配置模板实现最小配置。

特点

模块化结构、软件资源极其丰富、软件开发容易、使用方便等。

第17页：

第18页：研华数据采集卡规格对照表

A/D、D/A转换板

第19页：PLC的特点与功能

(3) PLC

早期是从继电器逻辑控制系统和计算机技术结合而发展起来的，低端即为逻辑控制的代用品，高端是一种高性能的计算机实时控制系统。现在的PLC已有了运动控制功能、过程控制功能、PID控制模块等。

特点

工作可靠；抗干扰能力强；可与工业现场信号直接相连；积木式结构；构成灵活；扩展方便；编程调试容易；易于安装及维修。

功能

1条件控制（可代替继电器进行开关量控制）2定时控制 3计数控制 4顺序控制 5数据处理 6A/D、D/A转换 7通信连网。

第20页：PLC硬件结构示意图

PLC硬件由输入接口（行程开关、继电器触点、各种开关、传感器、模拟量输入）、CPU、ROM/RAM、输出接口（照明、电磁装置、执行机构，采用光电隔离的继电器、可控硅、晶体管电路）、电源部件与外设接口构成，外设接口接编程器、打印机、计算机。输入、输出接口均采用光电隔离装置。

第21页：嵌入式微控制器单片机

(4) 嵌入式处理器

嵌入式微控制器又称单片机，以一种微处理器为核心，芯片内集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种功能的外设。

为适应不同的需求，有多种衍生品：处理器的内核是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装，这样可以最大限度地和应用需求相匹配，从而减少功耗和成本，提高可靠性。

第22页：单片机的特点

单片机的特点：

1. 集成度高、功能强
2. 结构合理，采用Harvard结构，数据存储器和程序存储器相对独立
3. 抗干扰能力强，各种功能集成在单片机内部，布线短，数据多在内部传输，可靠性高
4. 指令丰富，特别是位操作十分方便，如MCS51单片机有专门的布尔处理器和布尔指令集
5. 体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、易于产品化

由于强大的面向控制能力，单片机在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到极为广泛的应用。

第23页：嵌入式DSP处理器

嵌入式微控制器（EMPU）又称单板机，和工业控制机相比，具有体积小、成本低、重量轻、可靠性高等优点，如STD-BUS、PC104等。

（5）嵌入式DSP处理器：对系统的结构和指令系统进行了专门的设计，使其适合执行DSP算法，编译效率较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，如Texas Instruments的TMS320系列和Motorola DSP56000系列。

第24页：计算机控制系统监控过程

计算机控制系统的监控过程步骤

1. a.实时数据采集：对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入
2. b.实时数据处理：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算，进行控制决策
3. c.实时输出控制：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

第25页：系统软件的组成

2.计算机控制系统的软件

程序设计语言

汇编语言、算法语言（Basic、Pascal、Fortran、C语言等）

语言处理程序

汇编语言、算法语言、编译程序等

服务语言

装配程序、编辑程序

模拟主系统

系统模拟、仿真、移植软件等

数据管理系统

信息处理：文字翻译，企业管理等

开发系统

用于应用程序开发

系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机本身的程序，具有一定的通用性，包括操作系统、数据库系统和一些公共服务软件。

第26页：应用软件的组成

应用软件是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序。

过程监视程序：巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序、事故处理程序。

过程控制程序：PID算法、模糊控制算法、最优化算法、串级控制、前馈控制、系统辨识、其它控制算法程序。

公共服务程序：基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。

信息管理程序：信息生成调度、文件管理、输出显示打印。

第27页：

第28页：与连续控制相比的特点（一）

2.1.3 与连续控制相比计算机控制的特点

1. 结构上是数字式处理器，A/D变换器的作用是离散和量化，量化过程是一个非线性函数
2. 功能强大，具有很强的运算和逻辑判断功能，可以实现复杂的控制规律
3. 是一个实时采样控制系统，能够在限定的时间内对外来事件做出反应

附图：定点制舍入处理的量化特性。

第29页：与连续控制相比的特点（二）

4. 可以进行多回路控制：连续控制系统中一个控制器只控制一个回路，计算机控制系统中的数字控制器可以采用分时控制的方式控制多个回路
5. 控制功能由软件实现：可以容易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能；适应性、灵活性高，易于修改，具有很高的柔性

第30页：操作指导控制系统

1.2 计算机控制系统的分类

1. 操作指导控制系统

性质

是一种开环控制系统，结构简单，控制灵活，安全

局限

需要人的参与，速度受到限制

第31页：直接数字控制系统DDC

2. 直接数字控制系统（DDC，Direct Digital Control）

• 计算机取代模拟调节器直接参与闭环控制
• 实现多回路的PID控制
• 通过改变程序可以实现较为复杂的控制

第32页：监督计算机控制系统SCC

3. 监督计算机控制系统（SCC，Supervisory Computer Control）

• 是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统
• 属于计算机在线最优控制的一种形式
• 当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制
• 下位机直接参与生产过程控制，要求实时性好、可靠性高和抗干扰能力强；上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强、存储容量大的高档计算机

第33页：SCC两种结构形式

监督计算机控制系统的两种结构形式：

(a) SCC+模拟控制器系统

SCC计算机完成工艺数据的显示打印报警与测量采集，向模拟控制器送出给定值，由模拟控制器控制生产过程。

(b) SCC+DDC控制系统

SCC计算机向DDC用计算机送出给定值，DDC用计算机完成测量采集与过程控制。

第34页：集散控制系统DCS

4. 集散控制系统（DCS，Distribute Control System）

也称为分布式控制系统或分散式控制系统，是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。

采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。系统结构由三级组成：底层的分散过程控制级（DDC）、中间层的监督控制级（SCC）、上层的生产管理级（MIC）。是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。

第35页：DCS三级结构与各级功能

系统结构三级组成：底层的分散过程控制级（DDC）、中间层的监督控制级（SCC）、上层的生产管理级（MIC）。

分散过程控制级 DDC

用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息；该级由多个以计算机为核心的工作站组成。

监督控制级 SCC

任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。

管理级 MIC

是整个系统的中枢，接受管理者的指令，对信息进行存储与管理，提供各种信息与报表，根据下级提供的信息及生产任务要求选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令。

第36页：DCS各级功能（续）

各级功能（续）

分散过程控制级 DDC

用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息；该级由多个以计算机为核心的工作站组成。

监督控制级 SCC

任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。

管理级 MIC（Manage Information Control）

是整个系统的中枢，接受管理者的指令；对信息进行存储与管理；给管理者提供各种信息与报表；根据下级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令等。

第37页：

第38页：DCS结构示意图

DCS结构：分散过程控制级由现场控制站、智能调节器、其他测控装置组成；集中操作监控级由操作员操作站、工程师操作站、监控计算机组成；综合信息管理级由管理计算机组成。各级之间通过网间连接器、控制网与局部网络（LAN）互联，并可接至其它局域网。

第39页：计算机集成制造系统CIMS

5. 计算机集成制造系统（CIMS）

第40页：分层递阶控制

分层递阶控制（Hierarchical Control）

定义

一种把所需要完成的任务按层次分级的层状或树状的命令/反馈控制方式，高一级的装置控制低一级的装置。

特点

低一级的任务更为具体。

第41页：自适应机械手的分级控制

自适应机械手的分级控制：按分层递阶控制方式组织，高一级装置向低一级装置下达命令并接受反馈，低一级任务更为具体。

第42页：现场总线控制系统FCS

6. 现场总线控制系统（FCS）

• 是新一代分布式控制结构，DCS的替代品
• 数字化的信息传输，实现高速、双向、多变量、多地点的可靠信息传输
• 分散的系统结构：采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，每个现场仪表（如变送器、执行器）都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作，形成一个彻底的分散控制模式

第43页：FCS的互操作性与开放性

• 方便的互操作性：改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点
• 开放的互联网络：FCS的技术和标准全部是开放的，从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户，可以实现信息共享

第44页：

第45页：FCS结构示意图

FCS结构：现场总线I/O经接线盒以树型、菊花链型、带接点总线型、点到点型等方式连接，通过H1现场总线与H2控制网互联，并由计算机与网桥实现网段扩展。

第46页：FCS企业级网络结构

企业级FCS网络：管理层经Server连接WAN，过程服务器（优化层）向下连接现场总线过程控制器，控制器再连接现场智能仪器仪表，实现从管理到现场的一体化信息传输。

第47页：采样系统的时变特性

1.3 计算机控制理论

1.3.1 关于计算机控制的理论问题

（1）计算机控制系统不是一个时不变系统：采样系统的时变特性，响应和时间相关。

第48页：差拍现象

（2）差拍现象：采样频率10Hz与采样频率5Hz两种情况下的响应对比，出现4.9Hz的拍频。

第49页：有限拍响应

（3）响应可以是有限拍：双积分环节的阶跃响应，计算机控制系统的响应可以在有限时间内达到稳态值。

第50页：有限拍控制磁盘臂伺服仿真

采用有限拍控制的磁盘臂伺服控制系统仿真图：系统按有限拍控制规律设计，使磁盘臂在有限采样拍数内完成定位。

第51页：极限环振荡与可控性变化

（4）由于量化误差的响应产生极限环振荡：A/D和D/A变换器、计算机内存及运算器的字长是有限的，量化效应是非线性的变换，某些情况下计算机控制系统的响应会出现极限环振荡。

（5）系统本身固有的特性可能发生变化：连续系统是可控的，变成计算机控制系统时，由于采样过程的存在可能变成不可控。

第52页：拉氏变换与Z变换比较

1.3.2 计算机控制理论

拉氏变换与Z变换的比较：连续系统以拉氏变换为工具，计算机控制系统以Z变换为工具，两者在时域与复频域上的描述形式相对应。

第53页：离散理论主要内容

1 离散理论

1. 差分方程及Z变换理论
2. 常规设计方法：最小拍控制、根轨迹法设计、离散PID控制、参数寻优设计及直接解析设计法等
3. 按极点配置的设计法
4. 最优设计方法
5. 系统辨识及自适应控制

第54页：采样理论主要内容

2 采样理论

1. 主要包括香农（Shannon）采样定理、采样频谱及混叠、采样信号的恢复以及采样系统的结构图分析等
2. 连续模型及性能指标的离散化
3. 性能指标函数的计算
4. 采样控制系统的仿真
5. 采样周期的选择
6. 数字信号整量化效应的研究，如量化误差、非线性特性的影响等

第55页：计算机控制的优点

1.4 计算机控制系统的优缺点

优点：

1. 对于外部环境的低灵敏性，例如环境温度、湿度和元器件使用时间等
2. 数字信号传输成本低，抗干扰能力强
3. 没有参数漂移现象
4. 可靠性高
5. 能够以较低的成本完成非常复杂的工作
6. 通过软件很容易改动系统，因此具有很高的柔性
7. 能够实现多个系统的协调控制，典型应用如机器人多关节控制、数控机床多坐标轴联动等
8. 能够实现复杂的控制，如前馈控制、自适应控制、学习控制、变结构控制、智能控制等

第56页：计算机控制的缺点

缺点：

1. 由于数字计算的有限精度引入了误差（或噪声）
2. 由于计算机控制的离散时间特性，其控制变化陡峭
3. 高性能控制算法的工程实现较复杂
4. 对于系统的运行速度有较大的限制，即计算机控制系统的频带要比实现同样功能的模拟控制系统要窄

第57页：本章思考题

本章思考题

1. 计算机控制系统的组成和分类
2. 简述计算机控制系统的控制过程
3. 计算机控制系统不同于连续控制系统的特点是什么？
4. 计算机控制的优点和缺点是什么？
5. 计算机控制理论所包含的内容主要有哪些？