第章计算机控制系统概述ppt课件.ppt

前 言 计算机控制系统/技术是高等院校自动控制、工业电气自动化、检测技术与仪器仪表、机电一体化、计算机应用等专业的一门主要技术课程。该课程是自控理论与微机原理及接口技术课程的后续课程，是一门跨科学、应用性强的现代技术课程。通过此课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的结构、控制原理和设计方法，培养学生根据实际问题设计和组成计算机控制系统的能力。本课程学时：64 学时(实验16学时）参考书：微型计算机控制技术 邮电 潘新民,第一章 计算机控制系统概述,回顾：自动控制基本概念 1.1 计算机控制系统的组成 1.2 计算机控制系统的主要特征 1.3 计算机控制系统的分类 1.4 计算机控制系统的发展概况,回顾：自动控制的基本概念一、自动控制理论的形成和发展（一）20世纪40年代形成 生物条件反射 反馈控制论自动调节原理 最早应用于工业过程中的自动反馈控制器，是英国人瓦特（James Walt）在1769年发明的飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。机械装置测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，控制进入蒸汽机的蒸汽流量。转速增大时，飞球离开轴线，于是关紧阀门。,瓦特的蒸汽机转速控制系统,（二）自动控制的三大领域 工程控制论、生物控制论、经济控制论（三）控制论所要解决的主要问题 系统建模（实际问题抽象，数学描述）系统分析（稳定性，动/静态性能）系统综合（方案选择，设计)系统验证（数字仿真，半实物/实物仿真）,（四）控制论的研究方法1、模型化的方法 系统建模分析综合2、数学化的手段“规律化、定量化、普适化”3、计算机辅助“计算机仿真，借计算机辅助设计，虚拟现实”,军事上：火力控制，自动跟踪控制，武器装 备的精确制导工业：自动化生产线,各类工业控制设备航空航天：勇气号，神舟六号交通：无人自动驾驶，交通灯智能控制，列 车运行自动控制家电：冰箱、空调、洗衣机、微波炉,（五）控制论的应用,（六）控制论分类 1、经典控制论 应用方法:时域法、频域法、根轨迹法 研究对象:单输入，单输出 研究内容:随动调节 数学模型:微分方程，传递函数 数学工具:微分方程，复变函数，拉普拉 斯变换 适用系统:简单系统,2、现代控制论 研究对象:多输入，多输出 研究内容:多变量控制、最优控制 数学模型:状态方程 数学工具:线性代数，泛函分析 应用方法:时域法 适用系统:复杂系统,（七）控制理论的发展 计算机空控制：用计算机代替常规控制器；最优控制:性能最优的控制律；自适应控制:系统特性变动下可自动调整控制 智能控制:人工智能与自动控制的交叉，包括 模糊控制、神经网络、遗产变异、专家 系统、学习控制；鲁棒控制:模型出现偏差仍可保持性能。,二、控制系统的基本概念（一）基本概念1、自动控制 没有人直接操作的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量或工作状态自动地按照预定的规律运行或变化。2、自动控制系统 能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。由被控制对象和控制装置组成。,3、被控制对象：要求实现控制的生产过程、设备和机器。4、控制装置：对被控制对象起控制作用的设备总体，包括测量装置、比较和放大装置、执行机构等。5、被控制量：被控制对象中要求保持给定数值或按要求变化的物理量。6、给定值：作用于控制系统输入端并作为控制依据的物理量,例1 恒值控制系统:烘烤炉温度控制系统,被控对象 烘炉被控量 温度给定值 温度（电位器输出电压）干扰 工件温度、环境温度、煤气压力等测量元件 热电偶执行机构 电动机、阀门,例2 位置随动系统,被控对象 工作机械被控量 工作机械角位置给定值 转角测量元件 两个相同的电位器干扰 影响工作机械角位置的各种因素执行机构 电动机、减速器,思考题：调速系统（画出原理框图，确定各部件的作用）,被控对象 电动机 被控量 转速 给定值 给定电位器 输出电压 干扰 影响转速的各种因素 测量元件 测速发电机,（二）开环控制系统和闭环控制系统,1、开环系统：组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系的系统。即：输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没有影响。（1）按给定值操纵的开环控制系统,例：固定时间定时的交通灯、烤箱、数控机床、老式洗衣机,按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统,（2）按干扰补偿的开环控制系统,特点：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测对象及受控对象各功能部件内部参数变化对被控量造成的影响，系统自身无法控制。,例：稳压电源，稳压二极管,2、闭环系统,例：空调；车速控制系统,（1）组成系统的控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的系统（2)反馈：输出送回至输入端并与输入信号进行比较的过程。有正反馈和复反馈两种。,开环系统：优点：成本低，易于构建，稳定；缺点：抗干扰能力差，无自动修正偏差的功能；适用于：系统的输入量事先知道，并且不存在不可测量的扰动的系统,闭环系统：优点：控制精度高，抗干扰能力强，可自动修正偏差 缺点：稳定性是主要问题，成本高；适用于：存在着无法预计的扰动或系统中元件的参数存在着无法预计变化的系统。,两者比较:,1.1 计算机控制系统的组成 自动控制理论 计算机控制系统：计算机技术 通讯网络技术,一、计算机控制 用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制。,1、在控制系统中，控制器是其核心部分，直接影响控制系统的性能。2、早期的控制系统都采用模拟控制器（仪器仪表）。模拟控制器的优点是可靠性高，易于操作和维护。3、随着生产向大型化、复杂化方向发展，对自动化的要求也越来越高，常规的模拟控制器已难以实现如自适应、最优控制等复杂控制。4、用计算机作控制器可以满足大型化、复杂化的要求，主要原因是：,（1）计算机得到了快速的发展，其特点是运算速度快、存储容量大、有强大的逻辑判断能力、软件可灵活多变。（2）出现了适用于控制系统的各种计算机，如单片机、可编程控制器、各类工业控制机。（3）与微机配套的I/O接口、输入/输出通道齐全。（4）控制算法和控制软件不断发展可适用于各种不同类型的控制系统。,二 计算机控制系统的组成,例1：温度控制系统,炉 窑,热电偶 输入 A/D 计 外,阀门 D/A 机 操作台,算,设,输出,例2：机械手随动系统,A/D D(Z)D/A 放大 KT,压力传感器 机械手,由上面例子可看出：（1）计算机控制系统由计算机系统、检测和执行机构、通道与接口、外设和工业生产对象等部分组成。（2）计算机经过检测和执行机构、输入/输出通道和接口与被控对象连接；通过各种类型的外部设备与操作员相联系。检测部分对被控对象进行检测，信号经通道与接口变换后送计算机处理。计算机处理后发出控制信号驱动执行机构对被控对象进行控制。（3）计算机只能处理数字量，对模拟信号必需经A/D、D/A转换。,计算机控制系统由硬件和软件两大部分组成。硬件：由微型计算机、输入/输出通道和接口、检测元件仪表、执行机构和各种外设组成，是控制系统的基础。软件：分为系统软件和应用软件；系统软件用于管理计算器的各种资源，方便用户的使用；应用软件用于解决用户控制中的实际问题。,（一）计算机控制系统的硬件 计算机控制系统的硬件由五部分组成 1、主机 2、接口和输入/输出通道 3、通用外部设备 4、检测元件和仪表、执行机构 5、操作台 由于控制的对象不同，组成控制系统的硬件的多少也不同，可以根据控制系统的需要进行合理的组合和扩展。,1、主机 主机采用一台和多台计算机，是计算机控制系统的核心。（1）主机通过检测元件和I/O通道，接受检测设备传来的信息；（2）对检测信息和参数进行处理、计算、分析、逻辑判断等；（3）根据检测结果发控制命令，通过接口和I/O通道驱动执行器工作，完成控制目标。（4）通过通用外部设备进行人机交流。,2、接口和输入/输出通道 接口和输入/输出通道是主机和被控对象之间进行信息交换的纽带。按功能分，接口可分为并行接口、串行接口、A/D和D/A转换接口等；按通道处理信息的类型分，通道可分为模拟量输入/输出通道、数字量输入/输出通道和开关量输入/输出通道。,3、通用外部设备 通用外设是计算机系统与操作人员联系的界面，用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。常用的通用外部设备有显示器、打印机、键盘、鼠标、磁盘驱动器、大屏幕等。4、检测元件、仪表和执行机构（1）检测元件和仪表用于测量生产对象中的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量。常用的检测元件是传感器，例如热电偶将温度变成电压信号，该电压信号经过仪表转换成统一标准的计算机标准电平后再送入计算机进行分析和处理。,（2）执行器接受CPU的命令完成规定的控制动作，执行器分为电动、液压和气动三大类。5、操作台 在较大型的控制系统中需要设置操作台，用来实现人机之间的联系。操作人员通过操作台向计算机输入程序，修改，发出数据，发出操作命令，并通过显示器显示控制系统的状况，监视整个生产过程及各个回路的实时参数和工作状态。,计算机操作控制台,（二）计算机控制系统的软件 计算机控制系统常用软件完成各种控制功能。软件分为系统软件和应用软件 1、系统软件 是由计算机设计和制造者为用户提供的、专门用来管理和方便使用的计算机程序。系统软件主要包括操作系统、各种工具软件和语言及语言处理程序等。操作系统的主要部分驻留在主存储器中，称为操作系统的内核，通常由进程管理、存储管理、设备管理、文件和作业管理等组成。操作系统对外联系界面称为系统调用。,对计算机控制系统而言，要求操作系统具有实时特性，多任务调度，可多道程序并行操作，并能满足控制对时间的要求和限制。实时操作系统应保证在异常情况下，系统能及时发现、处理、并纠正随机性错误，并具有抵制错误操作和错误输入信息的能力，此外还需要有友善的人机界面。其他系统软件：语言及处理程序(汇编语言，高级语言，解释或编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系统维护程序）、数据库及信息管理系统等。,2、应用软件：微机控制系统的应用程序从功能分为两大类：(1)专用控制程序：数据采集程序，实时控制程序，控制算法程序等。(2)常用控制程序：数据处理，数字滤波，标度变换，显示和键盘程序，通信，报警程序等。,1.2 计算机控制系统的主要特征 计算机控制系统是一个实时系统，当生产过程中发生不正常的情况时，计算机控制系统应及时进行处理和报警，对过程中出现的微小变化要及时进行判断和响应，以便使计算机控制系统工作在最佳的状态。为了达到上述目标，需要在计算机控制系统的硬件和软件两方面进行保证。（1）硬件方面，应当配置高速计算机、接口电路和优先级中断处理电路；（2）软件方面，应当有完善的中断处理程序。,一个完善的计算机控制系统应当具有以下特征：1、实时性 实时性指系统在限定时间内对外部事物做出反应的特性，限定时间的长短因生产过程不同而变化，主要考虑以下两个方面的因素：（1）生产过程中出现的事件能保持的时间。（2）计算机控制系统在这段时间内能否对出现的事件作出必要和及时的反应。计算机控制系统必须在尽可能短的时间内处理出现的问题，为了较好的实时性，应当选用速度高的计算机和配套的外部通道与接口。,2、良好的输入/输出能力（1）计算机控制系统控制的量有模拟量、数字量和开关量。（2）计算机控制系统需要与多种仪器仪表、执行器、传输接口、各种外设相联系。因此计算机控制系统应当有很强的输入/输出能力、足够多的I/O通道和扩充能力。3、标准化和系列化 计算机控制系统应尽量采用国际上通用的计算机、总线、接口和各种器件。使用标准化和系列化的器件可降低成本，提高系统的性能，避免底层次重复性开发，缩短设计、制造、调试和开通的时间周期。,4、模块化的系统结构 将计算机控制系统的各部分按功能分成若干模块，对不同的控制系统采用不同的模块进行组合和设计。采用模块化后可以提高系统的开发效率和系统的可靠性。减少二次开发过程和设计中的工作量，降低系统的成本，提高系统的质量。（1）用现成的功能模块可迅速配套组成各种不同类型的系统。（2）功能模块由企业成批生产，可使产品质量稳定，价格低廉。（3）系统的结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。,5、可靠性 计算机控制系统的工作环境往往十分恶劣，控制现场存在着温度、湿度、粉尘、震动、电磁干扰、电压不稳定等干扰因素，因此必须采取一系列措施防止干扰，提高系统的可靠性。计算机控制系统应当符合以下的要求：（1）长的平均无故障时间 控制系统可以采用平均无故障时间MTBF（mean time before failures）来衡量系统的可靠性。在设计和制造系统时要尽可能使MTBF高一些，例如，对板级产品可选MTBF105H，对于系统可选MTBF104H。,（2）强的抗干扰能力 计算机控制系统应采用抗干扰能力强的工业级电源和地线隔离、屏蔽地线、浮空等技术，防止电网电压波动带来的脉冲干扰和由传感器、执行器引入的地线干扰。（3）具有定时自动启动功能和硬件自检功能 计算机控制系统应配有看门狗电路（watch dog），当系统的计算机受到干扰使控制程序偏离时，能自动从入口处重新启动。另外，计算机控制系统应能在运行中定时对主机和I/O通道进行自检。,1.3 计算机控制系统的分类 计算机控制系统大致可分为以下五类：1、数据采集系统（DAS，Data Acquision System）2、直接数字控制系统（DDC，Direct Digital Control）3、计算机监督系统（SCC，Supervisory Computer Control）4、分布式控制系统（DCS，Distributed Control System）5、现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）,1、数据采集系统 数据采集系统简称：DAS 计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，并将处理后的数据输出。操作人员根据输出的数据，对生产过程出现的问题进行处理，计算机不直接参与生产过程的控制，该系统结构简单，安全可靠。,2、直接数字控制系统 直接数字控制系统简称：DDC（1）直接数字控制系统中，计算机经输入（AI或DI）对生产过程进行数据采集。（2）采集的数据进入计算机后与预先设定的值进行比较，或按照要求进行处理。（3）计算机根据比较和分析的结果，按照控制规律（如PID）经输出（AO或DO）对生产过程进行直接控制。,DDC是计算机控制技术中最常用的方法之一。其优点是灵活性大、可靠性高，可以实现较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、滞后控制等。,3、计算机监督系统 计算机监督系统简称：SCC 计算机监督系统实际是两级计算机控制系统，上一级为SCC，下一级为DDC。,SCC 计 算 机,DDC计算机,输出通道 输入通道,生产过程,（1）生产过程采集数据经AI、DI送DDC的同时也送SCC。（2）SCC根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送给DDC。（3）DDC对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经AO、DO送出，对生产过程进行控制。（4）对计算机监督系统，要求SCC级具有强大的数据处理能力，存储容量大；DCC则需要实时性好、可靠性高和环境适应性好。,4、分布式计算机控制系统 简称：DCS 又称集散式控制系统。为什么采用分布式计算机控制系统（1）随着生产方式的不断发展，现代工业企业中需要测控的对象种类多、数量大；（2）并且被测点位置不集中，往往分散在生产现场的各个地方。（3）除需要对生产过程进行自动控制外，有些部门希望在更高的层次上实现对生产过程的调度和管理的自动化。,站机站机站机站机,（4）分布式计算机控制系统的特点是“控制分散，管理集中”，往往要采用两级或两级以上的计算机系统。如图所示为一个铁路信号检测系统，是一个分布式计算机控制系统，该系统有三级计算机。,采集机。它的任务是通过I/O接口板采集现场的信号，用单片机实现。站机。它的任务是接收采集机发来的信息并进行实时的处理，采用工控机IPC-610。监控计算机。用于信号的调度管理和网络服务，采用高档服务器+终端。该分布式计算机控制系统的硬件可配置各种不同类型的I/O采集板、声光报警设备、大屏幕显示器、操作台等，软件平台采用WINDOWS/NT，各级计算机之间采用现场总线CAN或485连接。,分布式计算机系统的结构和特点（1）分布式计算机控制系统的结构 主要考虑信息的存储方法、网络的扩展性、系统的可靠性。常用的系统结构有分级结构、网状结构、星型结构、总线式结构。（2）分布式计算机控制系统有以下特点：可靠性高 由于分布式计算机控制系统的控制功能分散，每台计算机的任务减少，功能明确，因此系统的可靠性大大提高。,速度快 分布式计算机控制系统中，各级计算机并行工作，数据采集、处理和控制功能分散到各子系统中去执行，减少了数据集中处理的时间，提高了系统的运算、处理和控制速度。系统模块化 由于控制分散和功能的重复，可以更好地采用模块化结构，使系统便于操作，方便组装，易于维修。成本较低 由于在不同场合可以选用不同档次的计算机和外设，因此成本较集中式控制系统低。,5、现场总线控制系统（FCS）（1）FCS是建立在网络基础的计算机控制系统。（2）现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统的数字式网络。（3）现场总线使控制系统实现了现场网络通信、设备互连与互操作、全数字通信等。（4）现场总线的组成 由监控设备、服务器和网桥、执行器、变送器、辅助设备等部分组成。,现场总线控制网络模型,FCS与DCS系统相比有以下特点：（1）全数字信息传输 传统分布式计算机控制系统的中、底层到控制站之间信息传送采用420mA电流模拟信号；采用FCS后，传感器、执行器、控制器之间的现场中、底层的信号传输全部实现数字化，提高了信息传输的可靠性。（2）系统结构更合理 DCS控制系统一般采用“现场仪表控制站操作站”三层主从式结构。,FCS则采用智能节点式的多主结构，将输入/输出单元和控制功能分散到各节点的现场仪表中去，使每个智能节点具有测量、校正、调节诊断等功能，降低了系统的故障风险，实现了彻底的分散型体系，提高了控制系统的可靠性。（3）方便的互操作性 FCS具有互连和互操作性，不同厂商生产的产品都可以直接挂接在现场总线上，组成统一的系统，改变了DCS系统产品不能兼容的缺点，使用户使用更方便。,一、测控技术的发展历程 20世纪50年代以前的人工控制阶段（基地式仪表控制系统）20世纪60年代的模拟式仪表控制阶段（电动单元组合式仪表控制系统）20世纪70年代的计算机集中控制阶段 20世纪80年代的集散式控制阶段（分布式控制系统）,1.4 计算机控制系统的发展概况,仪表集中控制室,计算机集中监控室,二、计算机控制系统发展过程 大致可分为三个阶段：1、开创阶段 20世纪50年代中期，在炼油、工业酒精、聚丁橡胶、乙烯等生产过程中使用计算机控制，取得了一定程度的成功。1959年美国德克萨斯州的PORT ARTHUR炼油厂采用TRW-300计算机对炼油过程进行控制，该计算机用于对炼油装置的26个流量、3个压力、72个温度和3个成分进行分析和控制，取得了成功，提高了炼油的质量。,由于早期的计算机运算速度慢、价格昂贵、体积庞大并且可靠性差，所以只能用于巡回检测、数据处理等简单的控制。2、小型计算机阶段 从20世纪60年代开始，控制系统开始使用小型计算机，如CDC-1700、PDP-11等机型。由于小型计算机体积小、速度快、价格相对便宜，因此得到了推广应用。此阶段开始使用DDC控制方式，计算机成为闭环控制回路的组成部分。,3、微型计算机阶段 20世纪70年代，微型计算机的问世，使计算机控制技术进入了飞速发展的阶段。微型计算机价格便宜、体积小、速度快，使控制系统都能用计算机来实现，实现了集散式控制（DCS）。计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径，自动控制理论的发展又给计算机控制增添了理论基础，两者的相互结合必将使计算机的控制技术推向新的发展阶段。,三、计算机控制系统的发展趋势和展望,1、发展趋势 纵观目前的计算机控制技术的发展，其趋势主要体现在以下几个方面：,（1）工业控制逐步地从单机的监控、直接数字控制（DDC）发展到集散型控制系统（DCS）、网络化分布式控制系统（NCS）。,（2）DCS、PLC和工业控制计算机技术正在相互渗透发展，并扩大各自的应用领域。,（3）现代通信与网络技术在现代控制领域广泛进行渗透，Ethernet将成为工厂底层控制网络的信息传输主干，Ethernet+TCP/IP的传感器、变送器可望直接成为网络的节点。,（4）工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展。,（5）工业控制软件已向组态化方向发展，工业控制软件主要包括人机界面软件、控制软件以及生产管理软件等。,2、发展特点（1）智能化,所谓智能，是指能随外界条件的变化，具有人的思维能力以及推理、做出决策的能力，智能化的仪表或系统，可以在局部或整体系统上使之具有智能的特征。例如智能化的测试仪表，它能在被测参数变化时自动选择测量方案，进行自校正、自补偿、自检、自诊断等，以获取最佳测试结果。为了更有效地利用被测量，采用实时动态建模技术、在线识别技术，以获得实时最优控制、自适应控制等功能。有的系统则直接运用人工智能、专家系统技术设计智能控制器。,（2）综合化与集成化,电子测量仪器、自动化仪表、自动化测试系统、数据采集和控制系统在过去是分属各学科和领域各自独立发展。由于生产自动化的要求，使他们在发展中相互靠近，功能互相覆盖，差异逐渐缩小，实现综合管理与控制系统。对测量控制技术本身提出了高技术的要求，如高灵敏度、高精度、高分辨率、高速响应、高稳定性、高度自动化智能化等。要求提高系统综合与设计的能力，这就涉及多种科学、多种技术的互相融合、互相渗透，使系统功能强大，向更高层次发展。,（3）系统化与标准化,现代检测与控制的任务，更多地涉及到系统的特征。所谓系统，是指若干个相互间具有内在关联的要素，构成一个整体，由它来完成规定的功能，以达到某个给定的目的。因而在系统内部，若要设立多台微机，则这些微机往往不是互不相干的，而是要构成相互联系的整体，这就形成了各种多微机的系统。在向系统化发展的同时，还需要涉及到系统部件接口的标准化、系列化和模块化，用户只需选用符合标准的制造厂产品，而不必再考虑能否与现有系统连接，能否与现有系统进行数据通信等问题。,（4）微型化与大型化,嵌入式系统是计算机测控技术的一个发展方向。所谓嵌入式系统，是指计算机测控系统是与被监控对象一体的，即计算机测控系统是嵌入在被监控对象之中的。微处理芯片技术、液晶显示技术、大容量电子存储器件技术的发展为嵌入式系统的开发提供了可靠的保证。与微型化相反的一个方向是大型化。特点是控制系统监控的参量非常的多，达到数万个甚至数十万个；控制的地域非常的宽广，面积可达数十平方千米，距离可达上万千米。由于大型化的需求以及计算机网络技术的日渐成熟，基于计算机网络的计算机控制系统越来越多。,（5）多媒体化与网络化,多媒体技术正在迅速地从家庭、办公室向计算机控制技术应用的各个领域扩散。通过应用多媒体技术，不仅使得操作人员能够获取丰富的现场信号，同时，还使得原本枯燥乏味的工作变得有趣起来。随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，各种层次的计算机网络在控制系统中的应用越来越广泛，规模也越来越大，从而使传统意义上的回路控制系统所具有的特点在系统网络化过程中发生了根本变化，并最终逐步实现了控制系统的网络化。,习题与思考题1、什么是开环系统和闭环系统，两者的主要区别是 什么？2、什么是计算机控制系统？与传统的控制系统相比，计算机控制系统的优点是什么？3、简述计算机控制系统的硬件组成和各自的功能。4、计算机控制系统的软件是如何分类的？5、一个完善的计算机控制系统应当有哪些主要特征？它们各自有什么特点？6、简述计算机控制系统的发展概况。7、计算机控制系统大致可分为哪几类？简述各类计 算机控制系统的结构和特点。,