計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課件第1講緒論.ppt

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計(jì)算機(jī)控制技術(shù),1,第1講緒論,主要內(nèi)容：1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類3計(jì)算機(jī)控制研究的課題與發(fā)展方向,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),2,1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述,計(jì)算機(jī)控制，是關(guān)于將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防等行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一門綜合性學(xué)科與技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制是以計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論、自動(dòng)控制工程、電子學(xué)和自動(dòng)化儀表為基礎(chǔ)的綜合學(xué)科。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡單地說就是以計(jì)算機(jī)替代了原模擬控制系統(tǒng)的控制器（控制儀表）組成的自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制技術(shù),3,控制對象的復(fù)雜化→控制系統(tǒng)的復(fù)雜化（多輸入—多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時(shí)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(shí)現(xiàn)→微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)并應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，使自動(dòng)控制水平產(chǎn)生了巨大的飛躍。,1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),4,微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（1）發(fā)展歷史：1）1946年世界上第一臺可由程序控制的計(jì)算機(jī)（稱為電子數(shù)字器與計(jì)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(jì)50年代初，美國首先用計(jì)算機(jī)來完成對生產(chǎn)過程進(jìn)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(yīng)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(jì)算機(jī)得以快速的發(fā)展，微處理器和微型計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展為實(shí)現(xiàn)分散控制創(chuàng)造了良好的條件。,2.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),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(jì)算機(jī)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程控制的新紀(jì)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(shù)（計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)電子產(chǎn)品）和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生?？删幊炭刂破鞯木C合應(yīng)用已打破了原工業(yè)控制的格局，并共同融入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的大門類之中。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),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(gè)工廠、整個(gè)企業(yè)，甚至對社會(huì)經(jīng)濟(jì)、國土利用、生態(tài)平衡、環(huán)境保護(hù)等大規(guī)模復(fù)雜對象和系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)、自學(xué)習(xí)等控制方法，并且模擬生物的視覺、聽覺和觸覺，能夠自動(dòng)地識別圖像、文字、語言進(jìn)一步根據(jù)感知的信息進(jìn)行推理分析、直觀判斷、自學(xué)習(xí)、自行解決故障和問題。計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，不但帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了自動(dòng)控制理論和工程的發(fā)展。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),7,1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類,1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成1.2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成1.2.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),8,1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),自動(dòng)控制是在非人工直接參與的前提下，應(yīng)用自動(dòng)控制裝置自動(dòng)地、有目的地控制設(shè)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(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制技術(shù),9,所謂開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器按照先驗(yàn)的控制方案對對象或系統(tǒng)進(jìn)行控制，使被控制的對象或系統(tǒng)能夠按照約定來運(yùn)動(dòng)或變化。如圖1.1所示。,1.開環(huán)控制系統(tǒng),計(jì)算機(jī)控制技術(shù),10,閉環(huán)控制系統(tǒng)是按照偏差進(jìn)行的控制，較開環(huán)控制系統(tǒng)增加了一個(gè)比較環(huán)節(jié)和一個(gè)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(jì)算機(jī)控制技術(shù),11,在開、閉環(huán)控制系統(tǒng)中都少不了控制器這樣一個(gè)環(huán)節(jié)。若用計(jì)算機(jī)替代了系統(tǒng)中的控制器這樣就形成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)要替代原模擬調(diào)節(jié)器必須完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換（A/D）和數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換（D/A），如圖1.3所示。,,,控制器,,對象,,D/A,,,,,A/D,,,,計(jì)算機(jī),圖1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖（閉環(huán)）,+,-,3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),,通道,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),12,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可簡單地歸納為三個(gè)過程：（1）信息的獲取計(jì)算機(jī)通過外部設(shè)備獲取被控對象的實(shí)時(shí)信息和人的指令性信息。（2）信息的處理計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先編好的程序?qū)π畔⑦M(jìn)行處理。（3）信息的輸出計(jì)算機(jī)將處理完的信息通過外部設(shè)備送到控制對象，通過顯示、記錄或打印等操作輸出。,4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),13,1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成,典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要包括：計(jì)算機(jī)主機(jī)、過程控制通道、操作控制臺和常用的外設(shè)，如圖1.4所示。應(yīng)該指出的是，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件不可少的一部分。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),14,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),15,1.主機(jī)主機(jī)是指我們用于控制的計(jì)算機(jī)，它主要由CPU、存儲(chǔ)器和接口三大部分組成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。目前使用的主機(jī)有：單片機(jī)、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(shè)備和過程通道中的設(shè)備的工作，實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話和網(wǎng)絡(luò)通信。由于CPU技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主機(jī)還要完成對一些含CPU設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),16,2過程控制通道過程控制通道是被控對象與主機(jī)進(jìn)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(jī)的模擬信號的轉(zhuǎn)換，使之成為計(jì)算機(jī)能夠接收的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號。（2）模擬量輸出通道目前，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍只能接收模擬信號，而計(jì)算機(jī)運(yùn)算決策的最終結(jié)果是數(shù)字信號。通過模擬量輸出通道完成對數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量并且保持。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),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(guān)量或通過傳感器已轉(zhuǎn)換的數(shù)字量以并行或串行的方式轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)。（4）數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道是將計(jì)算機(jī)運(yùn)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(shè)備，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是數(shù)字量輸出通道輸出的信號有時(shí)是直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，其功率和阻抗的匹配是應(yīng)該特別注意的。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),18,3.操作控制臺操作控制臺是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)交互的關(guān)鍵設(shè)備。通過操作控制臺，操作人員可以及時(shí)了解被控對象的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)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(yīng)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(jì)算機(jī)控制技術(shù),19,4.通訊設(shè)備隨著信息技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用及自動(dòng)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?qū)崟r(shí)的上傳到企業(yè)信息管理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)的方案已經(jīng)被廣泛采納。通訊設(shè)備已成為計(jì)算機(jī)硬件的一個(gè)重要部分。這些設(shè)備可以完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信息交換。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),20,1.2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成,系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件是維持計(jì)算機(jī)運(yùn)行操作的基礎(chǔ)，是用于管理、調(diào)度、操作計(jì)算機(jī)的各種資源，實(shí)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(jì)算機(jī)語言及解釋、編譯工具，一般由供應(yīng)商提供或?qū)I(yè)人員開發(fā)，用戶不需自己設(shè)計(jì)開發(fā)。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)控制對象、控制要求，為實(shí)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(biāo)度變換、鍵盤的處理、過程控制算法、輸出與控制等程序。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),21,1.2.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類,按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yīng)、預(yù)測、非線性等）、智能控制（FUZZY控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）按系統(tǒng)功能分為：操作指導(dǎo)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)六大類。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),22,1.操作指導(dǎo)系統(tǒng)（OperationGuideControl）操作指導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng),計(jì)算機(jī)控制技術(shù),23,控制過程：計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)輸入通道對生產(chǎn)過程各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集，根據(jù)工藝和生產(chǎn)的需求進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出優(yōu)化的操作條件和參數(shù)，利用其輸出設(shè)備，將其結(jié)果顯示或打印。操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的結(jié)果改變控制器的參數(shù)或設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，屬于計(jì)算機(jī)離線最優(yōu)控制的一種形式。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制安全、靈活，由于人的介入使該系統(tǒng)可以應(yīng)用于一些復(fù)雜的不便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接控制的場合。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),24,2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControl）直接數(shù)字系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的最基本形式，也是應(yīng)用最多的一類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如圖1.6所示，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),25,3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl）計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)集散系統(tǒng)的最初、最基本的模式。分為兩種結(jié)構(gòu)：SCC+模擬調(diào)節(jié)器，SCC+DCC（兩級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）。如圖1.7所示：,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),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(diào)形成具有層次化體系結(jié)構(gòu)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(chǔ)，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(jì)算機(jī)也可以是PLC或?qū)Ｓ玫臄?shù)字控制器，完成對現(xiàn)場設(shè)備的直接監(jiān)測和控制，由于生產(chǎn)過程的控制分別由獨(dú)立的控制器進(jìn)行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),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(jì)90年代興起的迅速得以應(yīng)用的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，已廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化領(lǐng)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(shè)備，各級計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化設(shè)備互聯(lián)，形成了一個(gè)全數(shù)字式分散雙向串行傳輸，多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)通信的通信網(wǎng)絡(luò)。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(jī)構(gòu)控制器都配有分級處理器，屬智能現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場總線可以直接連接其它的局域網(wǎng)，甚至Internet?？蓸?gòu)成不同層次的復(fù)雜控制網(wǎng)絡(luò)，它已經(jīng)成為今后工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),28,6.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展最終得以實(shí)施。計(jì)算機(jī)集成制造原本是將工業(yè)生產(chǎn)的全過程集成由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)在統(tǒng)一模式進(jìn)行，包括從設(shè)計(jì)、工藝、加工制造到產(chǎn)品的檢驗(yàn)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(jì)算機(jī)集成制造已經(jīng)將制造集成轉(zhuǎn)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(xiàng)寵大的系統(tǒng)工程，它需要有許多基礎(chǔ)的應(yīng)用平臺的支持，它實(shí)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(yīng)用存在的困難較多，所以許多CIMS工程在規(guī)劃實(shí)話中都提出了整體規(guī)劃分步實(shí)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(shí)使企業(yè)真正走向現(xiàn)代化的方向。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),29,1.3計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的外特性同模擬系統(tǒng)一致，但計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yán)格的差別的，而在實(shí)際應(yīng)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(huì)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(jìn)行分析。,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),30,（2）采樣周期的選取模擬系統(tǒng)離散化一個(gè)非常關(guān)鍵的問題就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期的選擇。嚴(yán)格地講計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期分為信號采集的采樣周期和計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，過小的采樣周期，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制技術(shù),31,2.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的研究為了適應(yīng)不同的行業(yè)，不同的工藝設(shè)備的需求，計(jì)算機(jī)制造廠家已研究出多種典型的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)型。如：（1）可編程序控制器（PLC）（2）可編程序調(diào)節(jié)器應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的單元控制（3）單片微型計(jì)算機(jī)——嵌入式系統(tǒng)（4）總線式工控機(jī)小型化、模板化、組合化和標(biāo)準(zhǔn)化的總線式工控機(jī)（5）新型微型控制單元如DSP,計(jì)算機(jī)控制技術(shù),32,3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的研究與開發(fā)軟件是計(jì)算機(jī)的靈魂，伴隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的研究也從未放松過。新型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(yīng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的普及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)。,