計算機控制技術課件第1講緒論.ppt

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計算機控制技術,1,第1講緒論,主要內容：1計算機控制系統(tǒng)概述2計算機控制系統(tǒng)的組成及分類3計算機控制研究的課題與發(fā)展方向,計算機控制技術,2,1.1計算機控制系統(tǒng)概述,計算機控制，是關于將計算機技術應用于工農業(yè)生產(chǎn)、國防等行業(yè)實現(xiàn)自動控制的一門綜合性學科與技術。計算機控制是以計算機、自動控制理論、自動控制工程、電子學和自動化儀表為基礎的綜合學科。計算機控制系統(tǒng)簡單地說就是以計算機替代了原模擬控制系統(tǒng)的控制器（控制儀表）組成的自動控制系統(tǒng)。但是這種取代決不是一種簡單的替代而是一種升華。,計算機控制技術,3,控制對象的復雜化→控制系統(tǒng)的復雜化（多輸入—多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變和分布參數(shù)系統(tǒng)等等）→常規(guī)控制方法和手段難以實現(xiàn)→微型計算機的出現(xiàn)并應用于自動控制領域，使自動控制水平產(chǎn)生了巨大的飛躍。,1.計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因,計算機控制技術,4,微電子技術和計算機技術的發(fā)展，為計算機控制的發(fā)展奠定了堅實的基礎。（1）發(fā)展歷史：1）1946年世界上第一臺可由程序控制的計算機（稱為電子數(shù)字器與計算器）ENICA誕生，但其可靠性又難以勝任作為控制器的需要。2）20世紀50年代初，美國首先用計算機來完成對生產(chǎn)過程進行巡檢數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）首先應用在化工、鋼鐵和電力行業(yè)。3）自1971世界上第一片四位微處理器的出現(xiàn)，微型計算機得以快速的發(fā)展，微處理器和微型計算機的誕生與發(fā)展為實現(xiàn)分散控制創(chuàng)造了良好的條件。,2.計算機控制技術的發(fā)展,計算機控制技術,5,,4）1975年美國Honeywell公司研制成功世界上第一套集散型控制系統(tǒng)TDC－2000并投入使用，開創(chuàng)了計算機應用于實際生產(chǎn)過程控制的新紀元。隨后一直到80年代末，集散控制系統(tǒng)（DCS）迅速發(fā)展。5）隨著3C技術（計算機、通信和消費電子產(chǎn)品）和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)應運而生?？删幊炭刂破鞯木C合應用已打破了原工業(yè)控制的格局，并共同融入到計算機控制系統(tǒng)的大門類之中。,計算機控制技術,6,（2）發(fā)展趨勢：深度和廣度1）廣度：向著大系統(tǒng)或系統(tǒng)工程的方向發(fā)展，向著管理控制一體化的方向發(fā)展。從單一過程、單一對象的局部控制，發(fā)展到對整個工廠、整個企業(yè)，甚至對社會經(jīng)濟、國土利用、生態(tài)平衡、環(huán)境保護等大規(guī)模復雜對象和系統(tǒng)進行綜合控制。2）深度：向著智能化方向發(fā)展。人們逐步地引入了自適應、自學習等控制方法，并且模擬生物的視覺、聽覺和觸覺，能夠自動地識別圖像、文字、語言進一步根據(jù)感知的信息進行推理分析、直觀判斷、自學習、自行解決故障和問題。計算機在控制系統(tǒng)中的應用，不但帶動了計算機技術的發(fā)展，同時也推動了自動控制理論和工程的發(fā)展。,計算機控制技術,7,1.2計算機控制系統(tǒng)的組成及分類,1.2.1計算機控制系統(tǒng)1.2.2計算機控制系統(tǒng)的硬件組成1.2.3計算機控制系統(tǒng)的軟件組成1.2.4計算機控制系統(tǒng)的分類,計算機控制技術,8,1.2.1計算機控制系統(tǒng),自動控制是在非人工直接參與的前提下，應用自動控制裝置自動地、有目的地控制設備和生產(chǎn)過程，使他們具有一定的狀態(tài)和性能，完成相應的功能，實現(xiàn)預定的目標。自動控制系統(tǒng)一般可以分為：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。,計算機控制技術,9,所謂開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器按照先驗的控制方案對對象或系統(tǒng)進行控制，使被控制的對象或系統(tǒng)能夠按照約定來運動或變化。如圖1.1所示。,1.開環(huán)控制系統(tǒng),計算機控制技術,10,閉環(huán)控制系統(tǒng)是按照偏差進行的控制，較開環(huán)控制系統(tǒng)增加了一個比較環(huán)節(jié)和一個來自被控參數(shù)的反饋信號。,圖1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖,2閉環(huán)控制系統(tǒng),計算機控制技術,11,在開、閉環(huán)控制系統(tǒng)中都少不了控制器這樣一個環(huán)節(jié)。若用計算機替代了系統(tǒng)中的控制器這樣就形成了計算機控制系統(tǒng)。由于計算機處理的是數(shù)字信號，而自然界中的信號又都是模擬信號，計算機要替代原模擬調節(jié)器必須完成模擬量到數(shù)字量的轉換（A/D）和數(shù)字量到模擬量的轉換（D/A），如圖1.3所示。,,,控制器,,對象,,D/A,,,,,A/D,,,,計算機,圖1.3計算機控制系統(tǒng)基本框圖（閉環(huán)）,+,-,3計算機控制系統(tǒng),,通道,計算機控制技術,12,計算機控制系統(tǒng)的控制過程可簡單地歸納為三個過程：（1）信息的獲取計算機通過外部設備獲取被控對象的實時信息和人的指令性信息。（2）信息的處理計算機根據(jù)預先編好的程序對信息進行處理。（3）信息的輸出計算機將處理完的信息通過外部設備送到控制對象，通過顯示、記錄或打印等操作輸出。,4計算機控制系統(tǒng)的控制過程,計算機控制技術,13,1.2.2計算機控制系統(tǒng)的硬件組成,典型的計算機控制系統(tǒng)的硬件主要包括：計算機主機、過程控制通道、操作控制臺和常用的外設，如圖1.4所示。應該指出的是，隨著計算機網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，網(wǎng)絡設備也成為計算機控制系統(tǒng)硬件不可少的一部分。,計算機控制技術,14,計算機控制技術,15,1.主機主機是指我們用于控制的計算機，它主要由CPU、存儲器和接口三大部分組成，是整個系統(tǒng)的核心。目前使用的主機有：單片機、PLC、工業(yè)PC等。它主要完成數(shù)據(jù)和程序的存取、程序的執(zhí)行、控制外部設備和過程通道中的設備的工作，實現(xiàn)對被控對象的控制，實現(xiàn)人機對話和網(wǎng)絡通信。由于CPU技術的發(fā)展和廣泛應用及網(wǎng)絡技術的發(fā)展和廣泛應用，主機還要完成對一些含CPU設備和網(wǎng)絡設備的控制。,計算機控制技術,16,2過程控制通道過程控制通道是被控對象與主機進行信息交換的通道，根據(jù)信號的方向和形式，過程控制通道又可分為：（1）模擬量輸入通道完成過程和被控對象送往主機的模擬信號的轉換，使之成為計算機能夠接收的標準數(shù)字信號。（2）模擬量輸出通道目前，大多數(shù)執(zhí)行機構仍只能接收模擬信號，而計算機運算決策的最終結果是數(shù)字信號。通過模擬量輸出通道完成對數(shù)字量轉換為模擬量并且保持。,計算機控制技術,17,（3）數(shù)字量輸入通道數(shù)字量的輸入通道是把過程和被控對象的開關量或通過傳感器已轉換的數(shù)字量以并行或串行的方式轉入計算機。（4）數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道是將計算機運算、決策之后的數(shù)字信號以串行或并行的方式輸出給被控對象或外部設備，應該強調的是數(shù)字量輸出通道輸出的信號有時是直接驅動外部設備，其功率和阻抗的匹配是應該特別注意的。,計算機控制技術,18,3.操作控制臺操作控制臺是計算機控制系統(tǒng)人機交互的關鍵設備。通過操作控制臺，操作人員可以及時了解被控對象的運行狀態(tài)，運行參數(shù)；對控制系統(tǒng)發(fā)出各種控制的操作命令，并且通過操作控制臺還可以修改控制方案和程序。操作控制臺一般應包括：（1）信息的顯示（2）信息的記錄（3）工作方式狀態(tài)的選擇（4）信息輸入,計算機控制技術,19,4.通訊設備隨著信息技術的發(fā)展和網(wǎng)絡的廣泛應用及自動化的普及，通信已經(jīng)變得無所不在?，F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程的規(guī)模也越來越大。企業(yè)信息化的需求也要求生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)能夠實時的上傳到企業(yè)信息管理系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)作為網(wǎng)絡上的一個結點的方案已經(jīng)被廣泛采納。通訊設備已成為計算機硬件的一個重要部分。這些設備可以完成計算機控制系統(tǒng)的信息交換。,計算機控制技術,20,1.2.3計算機控制系統(tǒng)的軟件組成,系統(tǒng)軟件和應用軟件系統(tǒng)軟件是維持計算機運行操作的基礎，是用于管理、調度、操作計算機的各種資源，實現(xiàn)對系統(tǒng)監(jiān)控與診斷，提供各種開發(fā)支持的程序。包括：操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程序、故障診斷程序、各種計算機語言及解釋、編譯工具，一般由供應商提供或專業(yè)人員開發(fā)，用戶不需自己設計開發(fā)。應用軟件是用戶根據(jù)控制對象、控制要求，為實現(xiàn)高效、可靠、靈活的控制而自行編寫的各種程序。包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標度變換、鍵盤的處理、過程控制算法、輸出與控制等程序。,計算機控制技術,21,1.2.4計算機控制系統(tǒng)的分類,按系統(tǒng)結構分為：開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；按控制規(guī)律分為：程序和順序控制、常規(guī)控制、高級控制（最優(yōu)、自適應、預測、非線性等）、智能控制（FUZZY控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡等）按系統(tǒng)功能分為：操作指導控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)六大類。,計算機控制技術,22,1.操作指導系統(tǒng)（OperationGuideControl）操作指導系統(tǒng)又叫數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（DPS），是基于生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)直接采集的非在線的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1.5所示：,圖1.5操作指導系統(tǒng),計算機控制技術,23,控制過程：計算機通過數(shù)據(jù)輸入通道對生產(chǎn)過程各項參數(shù)進行采集，根據(jù)工藝和生產(chǎn)的需求進行最優(yōu)化計算，計算出優(yōu)化的操作條件和參數(shù)，利用其輸出設備，將其結果顯示或打印。操作人員根據(jù)計算機提供的結果改變控制器的參數(shù)或設定值，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，屬于計算機離線最優(yōu)控制的一種形式。該系統(tǒng)結構簡單、控制安全、靈活，由于人的介入使該系統(tǒng)可以應用于一些復雜的不便由計算機進行直接控制的場合。,計算機控制技術,24,2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl）直接數(shù)字系統(tǒng)是計算機控制系統(tǒng)的最基本形式，也是應用最多的一類計算機控制系統(tǒng)。如圖1.6所示，計算機實現(xiàn)在線實時控制。,計算機控制技術,25,3.計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl）計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)是計算機集散系統(tǒng)的最初、最基本的模式。分為兩種結構：SCC+模擬調節(jié)器，SCC+DCC（兩級計算機控制系統(tǒng)）。如圖1.7所示：,計算機控制技術,26,4.集散控制系統(tǒng)（DistributedControlsystem）集散控制系統(tǒng)又稱為分布控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、綜合協(xié)調形成具有層次化體系結構的分級分布式控制，一般分為四級，如：過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級。過程控制級是集散控制的基礎，用于直接控制生產(chǎn)過程，在這級參與直接控制的可以是計算機也可以是PLC或專用的數(shù)字控制器，完成對現(xiàn)場設備的直接監(jiān)測和控制，由于生產(chǎn)過程的控制分別由獨立的控制器進行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不會影響整個系統(tǒng)的工作，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。,計算機控制技術,27,5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldBusControlSystem）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是20世紀90年代興起的迅速得以應用的新型計算機控制系統(tǒng)，已廣泛的應用在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化領域，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是利用現(xiàn)場總線將各智能現(xiàn)場設備，各級計算機和自動化設備互聯(lián)，形成了一個全數(shù)字式分散雙向串行傳輸，多分支結構和多點通信的通信網(wǎng)絡。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程現(xiàn)場的各種儀表、變送器、執(zhí)行機構控制器都配有分級處理器，屬智能現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場總線可以直接連接其它的局域網(wǎng)，甚至Internet。可構成不同層次的復雜控制網(wǎng)絡，它已經(jīng)成為今后工業(yè)控制體系結構發(fā)展的方向之一。,計算機控制技術,28,6.計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）計算機集成制造的概念是在70年代美國的一名叫哈靈頓提出的，隨著計算機和信息技術的發(fā)展最終得以實施。計算機集成制造原本是將工業(yè)生產(chǎn)的全過程集成由計算機網(wǎng)絡和系統(tǒng)在統(tǒng)一模式進行，包括從設計、工藝、加工制造到產(chǎn)品的檢驗出廠一體化的模式。隨著現(xiàn)代市場的需求和企業(yè)模式的現(xiàn)代化計算機集成制造已經(jīng)將制造集成轉換為信息集成，并融入了企業(yè)的全面管理和市場營銷。CIMS是一項寵大的系統(tǒng)工程，它需要有許多基礎的應用平臺的支持，它實現(xiàn)的是企業(yè)物流、資金流和信息流的統(tǒng)一。由于其涉及面廣，應用存在的困難較多，所以許多CIMS工程在規(guī)劃實話中都提出了整體規(guī)劃分步實施的策略。盡管目前CIMS工程在企業(yè)的推廣存在許多困難，但是它確實使企業(yè)真正走向現(xiàn)代化的方向。,計算機控制技術,29,1.3計算機控制研究的課題與發(fā)展方向,1.控制理論方面涉及到的課題（1）數(shù)字描述和分析方法計算機控制系統(tǒng)的外特性同模擬系統(tǒng)一致，但計算機控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，所以計算機控制系統(tǒng)的設計和分析一直存在模擬和離散兩種分析方法。這兩種方法從理論上講是有嚴格的差別的，而在實際應用中往往我們都近似地把它們視同為模擬系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的描述通常我們都會用差分方程和Z傳遞函數(shù)以及離散狀態(tài)空間方法來進行分析。,計算機控制技術,30,（2）采樣周期的選取模擬系統(tǒng)離散化一個非常關鍵的問題就是計算機控制系統(tǒng)的采樣周期的選擇。嚴格地講計算機控制系統(tǒng)的采樣周期分為信號采集的采樣周期和計算機控制器的控制周期。我們都很清楚：信號采樣將模擬信號采樣為離散信號，采樣周期越小越好，采樣周期取決于計算機的運算速度，過小的采樣周期，計算機很難勝任，為了保證采樣信號在采樣后能夠正確地反映模擬信號，信號采集的采樣周期選取就滿足SHANNON采樣定理：采樣的最低頻率須大于信號最高變化頻率的兩倍。,計算機控制技術,31,2.控制系統(tǒng)計算機硬件技術的研究為了適應不同的行業(yè)，不同的工藝設備的需求，計算機制造廠家已研究出多種典型的標準化機型。如：（1）可編程序控制器（PLC）（2）可編程序調節(jié)器應用于計算機控制系統(tǒng)中的單元控制（3）單片微型計算機——嵌入式系統(tǒng)（4）總線式工控機小型化、模板化、組合化和標準化的總線式工控機（5）新型微型控制單元如DSP,計算機控制技術,32,3.計算機控制系統(tǒng)軟件的研究與開發(fā)軟件是計算機的靈魂，伴隨著硬件技術的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)軟件的研究也從未放松過。新型的系統(tǒng)設計、仿真軟件越來越得到控制工程師的青睞，嵌入式系統(tǒng)的大量應用又為嵌入式操作系統(tǒng)的研究帶來了大量的課題。隨著計算機控制系統(tǒng)的普及應用，計算機控制系統(tǒng)的應用軟件的研究和開發(fā)帶給用戶的是一種更開放、更簡單易操作的應用系統(tǒng)。,