計算機(jī)控制技術(shù) 緒論

課程要求與說明1.教材

于海生等編著，計算機(jī)控制技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，20072.參考書

2.1謝劍英，微型計算機(jī)控制技術(shù)，國防工業(yè)出版社

2.2何克忠，計算機(jī)控制系統(tǒng)，清華大學(xué)出版社

2.3王錦標(biāo)，計算機(jī)控制系統(tǒng)，清華大學(xué)出版社課程要求與說明

3.課程的性質(zhì)計算機(jī)控制技術(shù)是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課。4.前續(xù)基礎(chǔ)課程程序設(shè)計技術(shù)（匯編、C/C++/VC、VB）自動控制理論（經(jīng)典/現(xiàn)代）檢測技術(shù)與自動化儀表微機(jī)原理（單片機(jī)）與接口技術(shù)課程要求與說明課程要求與說明

5.指定課后閱覽的參考期刊雜志電氣自動化自動化儀表電氣傳動控制工程自動化博覽工業(yè)控制機(jī)測控技術(shù)工業(yè)儀表與自動化裝置化工自動化及儀表課程要求與說明課程要求與說明

6.主要教學(xué)內(nèi)容

本課程以主流機(jī)型ISA/PCI總線工業(yè)控制機(jī)為控制工具，系統(tǒng)地闡述了計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計和工程實現(xiàn)方法。內(nèi)容共分9章，內(nèi)容包括：計算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成，計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型型式、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢；計算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出接口與過程通道；數(shù)字控制技術(shù)；常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)；現(xiàn)代控制技術(shù)；應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)；HMI/SCADA技術(shù)與監(jiān)控組態(tài)軟件；分布式測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。本課程以理論課和實驗課相結(jié)合的形式進(jìn)行教學(xué)，配有實驗指導(dǎo)書。課程要求與說明課程要求與說明

7、計算機(jī)控制的基本概念

1.開環(huán)與閉環(huán)控制

開環(huán)控制被控制量（輸出）不影響系統(tǒng)控制的控制方式。控制性能較差（穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、魯棒性）；結(jié)構(gòu)簡單，適于對控制質(zhì)量要求不高的場合。7、計算機(jī)控制的基本概念閉環(huán)控制（半閉環(huán)）被控量參與系統(tǒng)控制的控制方式?？刂破鳎ㄕ{(diào)節(jié)器、校正網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行環(huán)節(jié)）、檢測裝置（反饋環(huán)節(jié)）、被控對象、被控參數(shù)7、計算機(jī)控制的基本概念2.模擬控制與數(shù)字控制（計算機(jī)控制）

數(shù)字控制器的基本組成：數(shù)字計算機(jī)（微處理器、微控制器）ADC（VFC）DAC

（PWM）計算機(jī)控制系統(tǒng)的信號流程返回授課目錄模擬控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)：難以實現(xiàn)復(fù)雜規(guī)律的調(diào)節(jié)與控制、不易實現(xiàn)集中監(jiān)視和操作、不易實現(xiàn)分級控制和綜合自動化、控制方案的更改比較困難；返回授課目錄計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：實現(xiàn)最優(yōu)控制、實現(xiàn)集中監(jiān)視和操作、控制靈活、控制精度高。控制系統(tǒng)的基本要求

■

穩(wěn)定性

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快速性

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精確性7、計算機(jī)控制的基本概念第1章緒論1.1計算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型型式1.3計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢1.1計算機(jī)控制系統(tǒng)概述

自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

運(yùn)動控制、過程控制典型的工業(yè)生產(chǎn)過程：連續(xù)過程（ContinuousProcess）離散過程（DiscreteProcess）批量過程（BatchProcess）自動控制系統(tǒng)原理框圖：

如果把圖控制器用微型計算機(jī)來代替，就可以構(gòu)成微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本框圖。在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，只要運(yùn)用各種指令，就能編出符合某種控制規(guī)律的程序。微處理器執(zhí)行這樣的程序，就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。

圖計算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖y控制器-被控對象e給定量執(zhí)行機(jī)構(gòu)+rD/A被控量測量變送uA/D生產(chǎn)過程工控機(jī)1.1.1計算機(jī)控制系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)：就是利用計算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計算機(jī)，簡稱工業(yè)控制機(jī))來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。

1.計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理：

①實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。

②實時控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。

③實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。2.在線方式和離線方式

在線方式（on-line）:生產(chǎn)過程和計算機(jī)直接連接，并受計算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式。

離線方式(off-line):

生產(chǎn)過程不和計算機(jī)相連，且不受計算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。3.實時的含義

實時(real-time)：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機(jī)對輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機(jī)，控制也就失去了意義。！而且這個時間范圍的大小跟被控對象聯(lián)系非常的緊密！不同的被控對象，對時間范圍的要求不同。1.1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計算機(jī)控制系統(tǒng)由計算機(jī)(工業(yè)控制機(jī))和生產(chǎn)過程兩大部分組成。

1.工業(yè)控制機(jī)

（1）硬件組成：

（2）軟件組成:系統(tǒng)軟件；應(yīng)用軟件。

2.生產(chǎn)過程計算機(jī)控制系統(tǒng)通常包括：硬件設(shè)備、控制軟件及通信網(wǎng)絡(luò)。1．系統(tǒng)硬件CPU、RAM/ROM、I/O、A/D、D/A、人機(jī)接口、通信接口及電源各部分間通過系統(tǒng)總線（DB、AB、CB）構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)DataBus:BidirectionalAddressBus:UnidirectionalControlBus:UnidirectionalorBidirectionalCPU通常包括：

1）通用單片機(jī)(Micro-controller)4～32bit優(yōu)點(diǎn)：成本低、體積小。缺點(diǎn)：運(yùn)算與擴(kuò)展能力較弱。編程：匯編、C語言。

2）PC及其兼容機(jī)(Micro-processor)缺點(diǎn)：成本高、體積大（PC104）。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算與擴(kuò)展能力強(qiáng)，軟件資源豐富。編程：匯編及多種高級語言。3）DSP（DigitalSignalProcessor）運(yùn)算能力相當(dāng)強(qiáng)（RISC結(jié)構(gòu)）。其它同（1）。4）專用微處理器主要用于一些批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。如家用電器的智能控制、工業(yè)控制（電機(jī)控制）。其中：1）、2）應(yīng)用最廣泛。常用的計算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)

1.可編程序控制器（PC）

2.工控機(jī)（IPC）

3.單片機(jī)

4.DSP

5.智能調(diào)節(jié)器

過程通道（微機(jī)原理、傳感檢測、電工學(xué)）

模擬量輸入通道（A/D、V/F）：含多路開關(guān)（2、4、8、16選一），S/H

模擬量輸出通道

（D/A、F/V、PWM）

開關(guān)（數(shù)字）量輸入通道：光電隔離

開關(guān)（數(shù)字）量輸出通道：光電隔離、驅(qū)動能力

通常將模擬量輸入/輸出通道分別稱作前向/后向通道。2．系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件包括：初始化程序定時器中斷數(shù)據(jù)采樣（A/D）控制算法控制作用輸出(D/A)監(jiān)控程序

控制理論（控制算法）：

1）經(jīng)典控制理論（課程重點(diǎn)）適于SISO線性系統(tǒng)。采用傳遞函數(shù)來描述。分析與設(shè)計方法：頻域、根軌跡。校正網(wǎng)絡(luò)：滯后、超前、滯后－超前（PID）。

2）現(xiàn)代控制理論適于MIMO線性系統(tǒng)。采用狀態(tài)空間表達(dá)式描述。分析方法：主要是時域。設(shè)計方法：極點(diǎn)配置、最優(yōu)控制。

3）其它控制方法

自適應(yīng)控制、魯棒控制、非線性控制等。

設(shè)計原則：在滿足控制系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)下，盡可能選擇簡單的控制方法。3．通信網(wǎng)絡(luò)

串行通信、局域網(wǎng)、現(xiàn)場總線。

1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式1.2.1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)是要由人工操作，開環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實時性差，不能控制多個對象。1.計算機(jī)監(jiān)控與操作指導(dǎo)系統(tǒng)計算機(jī)監(jiān)督與操作指導(dǎo)系統(tǒng)作用：計算機(jī)只承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集與處理工作，而不直接參與控制?？刂疲翰僮魅藛T計算機(jī)處理結(jié)果去改變調(diào)節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活；缺點(diǎn)是要人工操作，速度受到限制。1.2.2直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實時性好，可以控制多個回路或?qū)ο蟆?.直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC

（DirectDigitalControl）計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)是利用計算機(jī)代替模擬控制器，直接對被控對象進(jìn)行控制的系統(tǒng)。計算機(jī)進(jìn)行巡回檢測，采樣、A/D轉(zhuǎn)換等把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，根據(jù)控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出控制信號直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。DDC計算機(jī)直接參與閉環(huán)控制，能實現(xiàn)各種復(fù)雜的和先進(jìn)的控制。本課程以DDC系統(tǒng)為研究對象，介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實現(xiàn)。1.2.3監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)

a）SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)

b）SCC+DDC的分級控制系統(tǒng)返回本節(jié)首頁監(jiān)督控制系統(tǒng)人工監(jiān)管給定值測量值多路開關(guān)A/D檢測元件反多路開關(guān)DDCD/A生產(chǎn)過程管理命令報告……人工監(jiān)管給定值測量值多路開關(guān)A/D檢測元件生產(chǎn)過程管理命令報告……TTSCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖SCC+DCC控制系統(tǒng)原理圖監(jiān)督控制中，計算機(jī)根據(jù)原始工藝信息和其他的參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其他方法，自動地改變模擬調(diào)節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的微型機(jī)中的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況（如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本等等）。從這個角度上說，它的作用是改變設(shè)定值，又稱為設(shè)定值控制SPC(SetPointControl).監(jiān)督控制系統(tǒng)1.2.4集散控制系統(tǒng)（DCS分布式控制系統(tǒng))

返回本節(jié)首頁分級控制系統(tǒng)返回本節(jié)首頁

DCS采用分散控制，集中操作，分級管理，分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則。整個網(wǎng)絡(luò)具有開放性、可靠性等特點(diǎn)。MNET監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)SNET系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)CNET控制網(wǎng)絡(luò)DCS（DistributedControlSystem）可以是二層結(jié)構(gòu)模式、三層結(jié)構(gòu)模式或四層結(jié)構(gòu)模式。過程控制級由若干現(xiàn)場控制計算機(jī)對生產(chǎn)裝置直接進(jìn)行控制；控制管理級對現(xiàn)場控制計算機(jī)的工作進(jìn)行監(jiān)督、協(xié)調(diào)和優(yōu)化；生產(chǎn)經(jīng)營管理級是對全廠生產(chǎn)管理部門監(jiān)督、協(xié)調(diào)和綜合管理。分布式控制系統(tǒng)DCS（集散控制系統(tǒng)）

1.2.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）（a）傳統(tǒng)的控制系統(tǒng) （b）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)返回本節(jié)首頁現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS為系統(tǒng)設(shè)計、安裝、維護(hù)帶來很多方便。在兩根普通導(dǎo)線制成的雙絞線上，可掛接幾個、幾十個自控設(shè)備，與傳統(tǒng)設(shè)備間一對一的接線方式相比，可節(jié)省大量線纜、槽架、連接件。連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，一般無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1.2.6綜合自動化系統(tǒng)

綜合自動化系統(tǒng)的整體解決方案：企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP

（EnterpriseResourcesPlanning）；生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES

（ManufacturingExecutionSystem）；生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS

（ProcessControlSystem）。綜合自動化系統(tǒng)主要包括：

計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)——制造業(yè)；

計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）——流程工業(yè)。計算機(jī)控制的特點(diǎn)與模擬控制系統(tǒng)相比，計算機(jī)（數(shù)字）控制系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）在開發(fā)階段，采用數(shù)字控制易于進(jìn)行各種控制策略的試驗，根據(jù)存儲的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)便于對控制性能進(jìn)行評價和改進(jìn)，且易于實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略。

2）數(shù)字控制器除了使被控裝置穩(wěn)定工作外，還可以承擔(dān)大量的額外任務(wù)。如設(shè)定值給定、數(shù)字濾波、非線性校正等，通過軟件實現(xiàn)原來需要用硬件實現(xiàn)的功能，從而在一定程度上簡化了硬件電路。計算機(jī)控制的特點(diǎn)

3）采用數(shù)字控制，使得傳感器、偏置和其它參數(shù)的標(biāo)定更為容易，這些步驟可以逐步地做成自治的，甚至可包括自校正控制器在內(nèi)。

4）可以在線監(jiān)測控制系統(tǒng)的運(yùn)行工況，可以實現(xiàn)顯示、記錄及遠(yuǎn)距離傳輸。出現(xiàn)意外和緊急情況可以及時作出反映，并可根據(jù)記錄的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)分析故障原因。

5）系統(tǒng)的改進(jìn)一般只涉及軟件更改，因而便于控制器的更新和升級。計算機(jī)控制的特點(diǎn)

6）實現(xiàn)的控制策略基本不受溫度、時間等外界環(huán)境因素的影響，長時間工作的穩(wěn)定性、一致性好。

7）借助于網(wǎng)絡(luò)易于實現(xiàn)復(fù)雜的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如集散式、分布式控制系統(tǒng)。此外，不是所有的控制系統(tǒng)都適宜采用計算機(jī)控制：

1）采用模擬控制器可以滿足要求的控制系統(tǒng)；

2）某些對系統(tǒng)成本要求極其苛刻的系統(tǒng)；

3）對采樣速率要求極高的系統(tǒng)。1.3工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.3.1工業(yè)控制機(jī)的組成

工業(yè)控制機(jī)包括硬件和軟件兩部分。硬件包括主機(jī)(CPU、RAM、ROM)板、內(nèi)部總線和外部總線、人機(jī)接口、系統(tǒng)支持板、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。軟件包括系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件。

1.工業(yè)控制機(jī)的硬件組成主機(jī)板人機(jī)接口系統(tǒng)支持磁盤系統(tǒng)通信接口模擬量輸入通道(AI)模擬量輸出通道(AO)數(shù)字量輸入通道(DI)數(shù)字量輸出通道(DO)外部總線內(nèi)部總線圖1-10工業(yè)控制機(jī)的硬件組成結(jié)構(gòu)2.工業(yè)控制機(jī)的軟件組成

(1)系統(tǒng)軟件(2)支持軟件(3)應(yīng)用軟件1.3.2工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu)

1.內(nèi)部總線(1)ISA總線及其信號線定義16位的ISA總線規(guī)范要求與8位PC向下兼容?？偩€插槽由兩部分組成：8位基本插槽和16位擴(kuò)充插槽ISA共有98根信號線，數(shù)據(jù)線寬度為16位，地址線寬度為24位，總線時鐘為8MHz,中斷源為邊沿觸發(fā)。

(2)PCI/CompactPCI總線簡介PCI(PeripheralComponentInterconnect)是美國SIG(SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery)集團(tuán)推出的64位總線。該總線的最高總線頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為80Mb/s(峰值傳輸率為133Mb/s)。

1）PCI總線的主要性能

2）其它性能3）PCI總線信號定義主控設(shè)備49條，目標(biāo)設(shè)備47條，可選引腳51條（主要用于64位擴(kuò)展、中斷請求、高速緩存支持等），總引腳數(shù)120條（包含電源、地、保留引腳等）。4）CompactPCI總線2外部總線1）RS-232串行通信總線引腳號功能引腳號功能1保護(hù)地14（輔信道）發(fā)送數(shù)據(jù)2發(fā)送數(shù)據(jù)15發(fā)送信號無定時（DCE為源）3接收數(shù)據(jù)16（輔信道）接收數(shù)據(jù)4請求發(fā)送（RTS）17接收信號無定時（DCE為源）5允許發(fā)送（CTS，或清除發(fā)送）18未定義6數(shù)傳機(jī)（DCE）準(zhǔn)備好19（輔信道）請求發(fā)送（RTS）7信號地（公共回線）20數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好8接收線信號檢測21信號質(zhì)量檢測9（保留供數(shù)傳機(jī)測試）22振鈴指示10（保留供數(shù)傳機(jī)測試）23數(shù)據(jù)信號速率選擇（DTE/DCE為源）11未定義24發(fā)送信號無定時（DTE為源）12（輔信道）接收線信號檢測25未定義13（輔信道）允許發(fā)送（CTS）RS-232C信號狀態(tài)狀態(tài)-15V＜V1＜-5V+5V＜V1＜+15V邏輯狀態(tài)10信號條件傳號（MARK）空號（SPACE）功能OFFONRS-232C電平轉(zhuǎn)換及接口電路2）USB串行通信總線（1）具有熱插拔功能（2）USB采用“級聯(lián)”方式連接各個外部設(shè)備（3）適用于低速外設(shè)連接1.3.3工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)(1)可靠性高和可維修性好。(2)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。(3)控制的實時性。(4)完善的輸入輸出通道。(5)豐富的軟件。(6)適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)精度和運(yùn)算速度。

1.4.1計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

1.計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程

（1）開創(chuàng)時期（1955～1962年）（2）直接數(shù)字控制時期（1962～1967年）（3）小型計算機(jī)時期（1967～1972年）（4）微型計算機(jī)時期（1972年至今）1.4計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢

2.計算機(jī)控制理論的發(fā)展過程（1）采樣定理（2）差分方程（3）Z變換法（4）狀態(tài)空間理論（5）最優(yōu)控制與隨機(jī)控制（6）代數(shù)系統(tǒng)理論（7）系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制（8）先進(jìn)控制技術(shù)

1.4.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)（1）普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC）（2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器