第1章機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制

機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化系教學(xué)目的與要求通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基本理論與概念，了解機(jī)械裝備及其制造業(yè)中計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)和控制的特有環(huán)境，熟悉常用的機(jī)械系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制的基本方式和結(jié)構(gòu)形式，能夠就機(jī)械裝備的工作條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能參數(shù)等方面問(wèn)題進(jìn)行分析與決策，并具有設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)和工業(yè)過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本能力。具體要求：●掌握機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制體系知識(shí)；●聯(lián)系機(jī)械裝備及其制造業(yè)的特點(diǎn)，明確計(jì)算機(jī)對(duì)其軟硬件接口的基本要求；●積極參與案例分析與討論；●掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用技術(shù)。課程內(nèi)容簡(jiǎn)介本課程根據(jù)機(jī)械裝備及其制造業(yè)的特點(diǎn)，介紹了計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)的基本理論、過(guò)程和方法。課程主要講述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、組成、分類(lèi)和機(jī)械裝備及其制造業(yè)中計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)和通信技術(shù)；模擬量輸入輸出通道接口技術(shù)；數(shù)字量輸入輸出通道接口技術(shù)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)工具與數(shù)學(xué)分析；計(jì)算機(jī)控制的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；PLC主控系統(tǒng)架構(gòu)模式；工業(yè)控制機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模式；嵌入控制系統(tǒng)架構(gòu)模式；常用機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。

參考書(shū)目●翟天嵩主編，《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)仿真》，清華大學(xué)出版社，2012年

●劉國(guó)榮梁景凱主編，《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年●趙俊生主編，《機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制及輔助設(shè)計(jì)》，電子工業(yè)出版社，2012年●輔小榮主編，《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》，國(guó)防工業(yè)出版社，2012年機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第1章機(jī)械工程與計(jì)算機(jī)技術(shù)

第2章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)第3章接口與過(guò)程通道配置技術(shù)第4章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第5章計(jì)算機(jī)常用控制技術(shù)

第6章面向機(jī)械運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

第7章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第1章機(jī)械工程與計(jì)算機(jī)技術(shù)1.1機(jī)械工程中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

1.1.1計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1.1.2計(jì)算機(jī)在機(jī)械制造中的應(yīng)用1.1.3機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用2.計(jì)算機(jī)在機(jī)械制造中的應(yīng)用3.機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一、CAD技術(shù)的應(yīng)用1.CAD的基本應(yīng)用繪圖（幾何實(shí)體造型）標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)與調(diào)用標(biāo)注—標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的引用零件的設(shè)計(jì)計(jì)算——二次開(kāi)發(fā) 將制圖工具——設(shè)計(jì)工具 將通用的設(shè)計(jì)工具平臺(tái)——專(zhuān)用的設(shè)計(jì)系統(tǒng)2.CAD與設(shè)計(jì)方法的集成應(yīng)用基于模塊化設(shè)計(jì)方法的CAD基于DFX設(shè)計(jì)方法的CAD基于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的CAD基于可靠性設(shè)計(jì)方法的CAD支持自頂向下方式的CAD智能CAD網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)CAD常用軟件：UG、Pro/E、Solidworks、I-deas、Autocad、CAXA

1.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用二、CAE技術(shù)的應(yīng)用1.有限元分析使用有限元軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析：強(qiáng)度(應(yīng)力)、剛度（應(yīng)變和變形）、動(dòng)態(tài)特性（固有頻率、振動(dòng)模態(tài)）、熱態(tài)特性（溫度場(chǎng)、熱變形）。有限元建模：網(wǎng)格劃分、邊界條件的確定。常用軟件：ANSYS、SAP、ADINA、NASTRAN等2.優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，以機(jī)械的某項(xiàng)或多項(xiàng)性能指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)，求解其設(shè)計(jì)參數(shù)。選定優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。確定設(shè)計(jì)參數(shù)和約束條件軟件：ISIGHT、OPB—21.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2.計(jì)算機(jī)在機(jī)械制造中的應(yīng)用一、CAM技術(shù)的應(yīng)用利用計(jì)算機(jī)輔助編制CNC機(jī)床的零件加工程序。刀位軌跡計(jì)算（優(yōu)化）、編輯、驗(yàn)證（仿真）、后置處理。

二、CAPP技術(shù)的應(yīng)用利用計(jì)算機(jī)輔助制定零件的加工工藝過(guò)程。零件信息的描述、毛坯選擇、工藝過(guò)程擬定（工藝方案分析）、工藝參數(shù)計(jì)算、工藝文件的生成。創(chuàng)成式、派生式、半創(chuàng)成式、工具式。1.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3.機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)一、計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)采集、分析處理、存儲(chǔ)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。設(shè)備的在線監(jiān)控和診斷。溫度的控制；位移、速度和加速度的控制；力的控制；流量的控制；液面控制二、計(jì)算機(jī)控制利用計(jì)算機(jī)作為控制器對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制。傳感器；控制器（運(yùn)算單元）；執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序控制 計(jì)算機(jī)直接控制順序控制 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制恒值控制 計(jì)算機(jī)分級(jí)控制最優(yōu)控制 計(jì)算機(jī)分布式控制自適應(yīng)控制伺服控制魯棒控制1.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3.機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)一、實(shí)例

1.軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

控制軋鋼機(jī)軋制鋼板時(shí)的張力和鋼板厚度張力傳感器數(shù)字計(jì)算機(jī)張力控制厚度控制張力給定厚度給定軋輥開(kāi)卷機(jī)卷取機(jī)厚度傳感器張緊輥液壓伺服系統(tǒng)改變張緊輥的位置張力改變軋輥的間距厚度由張力傳感器和厚度傳感器檢測(cè)實(shí)際張力和鋼板實(shí)際厚度，將數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)，與張力和厚度的給定值比較，經(jīng)計(jì)算機(jī)按一定的規(guī)律計(jì)算，輸出控制信號(hào)給液壓伺服系統(tǒng)，由液壓伺服系統(tǒng)執(zhí)行改變張緊輥的位置和軋輥的間距，從而調(diào)節(jié)張力和鋼板厚度到給定值。1.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3.機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)一、實(shí)例

2.發(fā)電機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓改變勵(lì)磁電壓電壓改變閥門(mén)開(kāi)度轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器和電壓計(jì)檢測(cè)發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際電壓，將數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)，與速度和電壓的給定值比較，經(jīng)計(jì)算機(jī)按一定的規(guī)律計(jì)算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)給電液轉(zhuǎn)換器，由電液轉(zhuǎn)換器執(zhí)行改變閥門(mén)的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速到給定值；輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)給勵(lì)磁器，由勵(lì)磁器執(zhí)行改變勵(lì)磁電壓，從而調(diào)節(jié)電壓到給定值。

發(fā)電機(jī)渦輪機(jī)閥門(mén)數(shù)字計(jì)算機(jī)勵(lì)磁器電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)速傳感器電壓計(jì)速度給定電壓給定轉(zhuǎn)速控制電壓控制1.1機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用—計(jì)算機(jī)控制技術(shù)3.機(jī)械裝備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)一、實(shí)例

3.絲桿磨床螺距誤差補(bǔ)償計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

給絲桿螺母一個(gè)附加轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償螺距誤差用圓光柵檢測(cè)主軸(被加工絲桿)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，直線光柵檢測(cè)砂輪架縱向位移。兩信號(hào)經(jīng)分頻器處理后，由相位計(jì)鑒相，其數(shù)據(jù)送計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按一定規(guī)律計(jì)算，輸出螺距誤差補(bǔ)償控制信號(hào)，由伺服電機(jī)執(zhí)行，控制螺母作補(bǔ)償螺距誤差的轉(zhuǎn)動(dòng)。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念1.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與自動(dòng)控制理論

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念1.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與自動(dòng)控制理論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)作為核心環(huán)節(jié)構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，因而，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與控制理論有著非常密切的關(guān)系。按構(gòu)成控制器的不同方式，自動(dòng)控制系統(tǒng)分為模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)兩種不同的類(lèi)型。古典控制論的體系已經(jīng)非常成熟和完備，它可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，特別是對(duì)于單輸入、單輸出的單變量線性系統(tǒng)的分析，是特別行之有效的?，F(xiàn)代控制理論體系以狀態(tài)空間法為代表可以處理多輸入、多輸出的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及參數(shù)隨時(shí)間變化的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)等形式。目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)都是數(shù)字電子計(jì)算機(jī)，因此決定了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種數(shù)字控制系統(tǒng)。它是采用采樣定理和離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制理論來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)，這是強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)中包含數(shù)字信號(hào)。

計(jì)算機(jī)控制理論就是控制理論基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)所需要的理論，如：采樣周期的選擇量化效應(yīng)的分析信號(hào)采樣與恢復(fù)模型及其性能指標(biāo)的離散化數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要分為以下兩個(gè)方面：1）計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)方面的離線應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、仿真以及建模等，這方面的計(jì)算機(jī)軟（硬）件系統(tǒng)稱(chēng)為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)或控制系統(tǒng)CAD。2）計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)方面的在線應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)代替常規(guī)的模擬控制器，而使它成為控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分?；谟?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制器稱(chēng)為數(shù)字控制器。

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)中的信號(hào)一般包括連續(xù)信號(hào)、離散信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

連續(xù)信號(hào)指時(shí)間上連續(xù)、幅值上也連續(xù)的信號(hào)，也可以稱(chēng)為模擬信號(hào)

離散信號(hào)指時(shí)間上離散、幅值上連續(xù)的信號(hào)，也稱(chēng)為離散模擬信號(hào)

數(shù)字信號(hào)指時(shí)間上離散、幅值上量化的信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)按照它所包含的信號(hào)形式通?？梢詣澐譃檫B續(xù)控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)中的信號(hào)一般包括連續(xù)信號(hào)、離散信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

連續(xù)信號(hào)指時(shí)間上連續(xù)、幅值上也連續(xù)的信號(hào)，也可以稱(chēng)為模擬信號(hào)

離散信號(hào)指時(shí)間上離散、幅值上連續(xù)的信號(hào)，也稱(chēng)為離散模擬信號(hào)

數(shù)字信號(hào)指時(shí)間上離散、幅值上量化的信號(hào)。控制系統(tǒng)按照它所包含的信號(hào)形式通?？梢詣澐譃檫B續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念計(jì)算機(jī)控制的對(duì)象狹義上來(lái)說(shuō)指回路級(jí)的控制，即給定一個(gè)對(duì)象G（s）和控制指標(biāo)，應(yīng)用控制理論知識(shí)設(shè)計(jì)控制器D（z）。該控制理論包括經(jīng)典控制理論（如PID控制）、現(xiàn)代控制理論（如最優(yōu)控制）、智能控制理論（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制）等。

如果把上圖的數(shù)字控制器用計(jì)算機(jī)來(lái)代替，就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在計(jì)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。給定值控制器執(zhí)行器傳感器被控對(duì)象變送器被控參數(shù)D/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程包括以下四個(gè)方面：(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控制量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并且將采樣結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)；(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)輸入的實(shí)時(shí)給定值與被控量的數(shù)值進(jìn)行處理后，按照預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，稱(chēng)為(實(shí)時(shí))決策；(3)實(shí)時(shí)控制：根據(jù)實(shí)時(shí)決策結(jié)果，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號(hào)；(4)信息管理：結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略，實(shí)現(xiàn)信息共享和管理（例如：數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)）。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念廣義上來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)控制的對(duì)象不僅包括回路級(jí)的控制，也包括過(guò)程的控制、生產(chǎn)線的控制，甚至一個(gè)企業(yè)的管理控制?；芈返目刂茝?qiáng)調(diào)的是單一對(duì)象的控制，滿(mǎn)足其常規(guī)控制指標(biāo)，如過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和超調(diào)量等；過(guò)程自動(dòng)化強(qiáng)調(diào)的是對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化各個(gè)控制回路的設(shè)定值優(yōu)化以及各個(gè)回路之間的協(xié)調(diào)，滿(mǎn)足的是過(guò)程指標(biāo)，如產(chǎn)品的質(zhì)量、消耗的能量等；調(diào)度自動(dòng)化強(qiáng)調(diào)的是生產(chǎn)線上各個(gè)過(guò)程的優(yōu)化調(diào)度，滿(mǎn)足的是調(diào)度指標(biāo)，如生產(chǎn)節(jié)奏與時(shí)間等；管理決策自動(dòng)化強(qiáng)調(diào)的是企業(yè)產(chǎn)供銷(xiāo)各個(gè)部門(mén)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化管理，滿(mǎn)足的是企業(yè)的管理目標(biāo)，如生產(chǎn)效率、利潤(rùn)指標(biāo)等。

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.硬件計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件由計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、操作臺(tái)、輸入通道、輸出通道、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象以及相應(yīng)的軟件組成外部設(shè)備操作臺(tái)輸入通道檢測(cè)裝置輸出通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)被控對(duì)象1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.硬件打印機(jī)顯示終端磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器軟件計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘操作臺(tái)接口接口接口接口D\AA\D多路開(kāi)關(guān)反多路開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)對(duì)象通用外部設(shè)備主機(jī)及操作臺(tái)外部通道接口檢測(cè)及變送控制對(duì)象傳感器變送器1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件：各種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、微控制器等1)計(jì)算機(jī)主機(jī)：CPU+存儲(chǔ)器；2)接口：并行接口、串行接口和管理接口(包括中斷管理、直接存取DMA管理、計(jì)數(shù)/定時(shí)等)；3)輸入/輸出通道：計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間信息傳遞和交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱(chēng)過(guò)程通道；一般包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開(kāi)關(guān)量輸入通道和開(kāi)關(guān)量輸出通道；過(guò)程通道不能直接由主機(jī)控制，必須由接口傳送相應(yīng)的信息和命令；4)通用外圍設(shè)備：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等常用輸入設(shè)備，顯示器、打印機(jī)、記錄儀等常用輸出設(shè)備，磁盤(pán)、光盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.硬件過(guò)程相關(guān)設(shè)備1)傳感器：工業(yè)對(duì)象的過(guò)程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過(guò)傳感器(又稱(chēng)一次儀表)變換為等效的電信號(hào)。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了收集和測(cè)量各種參數(shù)，廣泛采用了各種檢測(cè)元件和儀表，它們的主要功能是把被檢測(cè)的參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)換為電量。這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平后再送入微機(jī)。檢測(cè)元件精度的高低直接影響微機(jī)控制系統(tǒng)的精度。2)執(zhí)行器：為了控制生產(chǎn)過(guò)程，需要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)等形式。動(dòng)力電機(jī)和控制電機(jī)也是經(jīng)常用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成2.軟件軟件是指能完成各種功能的微機(jī)程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計(jì)算和自診斷程序等。1)系統(tǒng)軟件：DOS，Windows，WindowsNT，UNIX等操作系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)化的軟件工作平臺(tái)（如匯編、編譯等語(yǔ)言加工軟件和控制系統(tǒng)的編程軟件等）；2)應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)：應(yīng)用軟件是用戶(hù)根據(jù)要解決的實(shí)際問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制對(duì)象或控制任務(wù)都配有相應(yīng)的控制程序，用這些控制程序來(lái)完成對(duì)各個(gè)控制對(duì)象的不同要求。在平衡系統(tǒng)硬件和軟件的性能和功能時(shí)，只有當(dāng)確定系統(tǒng)硬件后，才能確定如何配制軟件。只有軟件和硬件相互有機(jī)配合，才能充分發(fā)揮微機(jī)的優(yōu)勢(shì)，研制出完善的微機(jī)控制系統(tǒng)。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)種類(lèi)繁多，命名方法也各有不同。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要可分為六種類(lèi)型：1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)系統(tǒng)（安防系統(tǒng)）2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)（數(shù)控機(jī)床）(DirectDigitalControl)3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)（鍋爐）(SupervisoryComputerControl)4.集散型控制系統(tǒng)(DCS)(DistributedControlSystem)5.分級(jí)控制系統(tǒng)6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)（PROFIBUS）(FieldbusControlSystem)……1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)只承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集和處理工作，而不直接參與控制。

如視頻監(jiān)控系統(tǒng)。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)只承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集和處理工作，而不直接參與控制。

如機(jī)床數(shù)顯系統(tǒng)。顯示終端打印機(jī)計(jì)算機(jī)工業(yè)對(duì)象A/D轉(zhuǎn)換器采樣器測(cè)量元件調(diào)節(jié)器1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)大量的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行定時(shí)巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警及對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析，按要求定時(shí)制表、打印或?qū)?shù)據(jù)處理的結(jié)果記錄在外存儲(chǔ)器中，作為資料保存和供分析使用，最終對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程發(fā)揮一定作用。如抄表系統(tǒng)等。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的性能特點(diǎn)：（1）DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)（2）在DDC中，在信號(hào)出入計(jì)算機(jī)時(shí)必須經(jīng)D/A、A/D轉(zhuǎn)換，如簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的性能特點(diǎn)：（1）DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)（2）在DDC中，在信號(hào)出入計(jì)算機(jī)時(shí)必須經(jīng)D/A、A/D轉(zhuǎn)換，如熱處理溫度控制系統(tǒng)。外部設(shè)備操作臺(tái)A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)裝置保持器執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)被控對(duì)象D/A轉(zhuǎn)換1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)計(jì)算機(jī)參加閉環(huán)控制過(guò)程。用一臺(tái)微機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再根據(jù)規(guī)則進(jìn)行控制運(yùn)算，最后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。計(jì)算機(jī)可完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，且不需改變硬件，只通過(guò)改變軟件就可有效實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)SCC是一種兩級(jí)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，低級(jí)由DDC或模擬調(diào)節(jié)器完成生產(chǎn)過(guò)程的控制；高級(jí)則根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的工況和已定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算，產(chǎn)生最優(yōu)化設(shè)定值，送給低級(jí)控制器執(zhí)行。SCC級(jí)微機(jī)承擔(dān)著高級(jí)控制與管理任務(wù)，要求數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大等，一般采用較高檔微機(jī)。如高檔數(shù)控系統(tǒng)。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)裝置模擬控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)SCC計(jì)算機(jī)被控對(duì)象D/A轉(zhuǎn)換保持器A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)裝置DDC計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)SCC計(jì)算機(jī)被控對(duì)象D/A轉(zhuǎn)換保持器1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)微機(jī)對(duì)各物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)并接收管理命令，按照一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算并輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測(cè)值進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計(jì)算后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程。由此系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷改變給定值，達(dá)到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。該種系統(tǒng)特別適合老企業(yè)的技術(shù)改造工程，能夠充分利用原有的模擬調(diào)節(jié)器，又可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。直接數(shù)字控制器DDC用來(lái)把給定值與測(cè)量值(數(shù)字量)進(jìn)行比較，其偏差由DDC進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制作用。當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能。控制系統(tǒng)可靠性提高，使用更加靈活。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

4.集散型控制系統(tǒng)(DCS)集散控制系統(tǒng)分為多個(gè)層次，每層由多個(gè)計(jì)算機(jī)組成，分別行使不同的功能，主要由數(shù)據(jù)采集站、控制站、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、操作站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、輸入輸出通道等部分組成特點(diǎn)：集中監(jiān)視、集中操作，分散控制、分散危險(xiǎn)

1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

4.集散型控制系統(tǒng)(DCS)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別控制生產(chǎn)過(guò)程中多個(gè)控制回路，同時(shí)又可集中獲取數(shù)據(jù)和集中管理的自動(dòng)控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)是控制(Control)、計(jì)算機(jī)(Computer)、數(shù)據(jù)通訊(Communication)和屏幕(CRT)顯示技術(shù)的綜合應(yīng)用，如過(guò)程生產(chǎn)控制系統(tǒng)。中央處理機(jī)前端機(jī)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)通信總線前端機(jī)生產(chǎn)過(guò)程……1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

4.集散型控制系統(tǒng)(DCS)DCS采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，將控制設(shè)備、服務(wù)器、基礎(chǔ)自動(dòng)化單元等聯(lián)系在一起。按功能分散、危險(xiǎn)分散、管理集中和應(yīng)用靈活等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高可靠性能，便于維修與更新。它以數(shù)據(jù)通信技術(shù)、CRT顯示、人機(jī)接口技術(shù)和輸入/輸出和接口技術(shù)相結(jié)合，廣泛用于數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制和生產(chǎn)管理。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

5.分級(jí)控制系統(tǒng)分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)四級(jí)系統(tǒng)。(1)裝置控制級(jí)(DDC級(jí))對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行直接控制，如進(jìn)行PID控制或前饋控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)控制。(2)車(chē)間監(jiān)督級(jí)(SCC級(jí))它根據(jù)廠級(jí)計(jì)算機(jī)下達(dá)的命令和通過(guò)裝置控制級(jí)獲得的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行最優(yōu)化控制。完成各個(gè)裝置的協(xié)調(diào)控制和對(duì)DDC計(jì)算機(jī)級(jí)進(jìn)行監(jiān)督的任務(wù)。(3)工廠集中控制級(jí)(MIS)它可根據(jù)上級(jí)下達(dá)的任務(wù)和本廠情況，制定生產(chǎn)計(jì)劃、安排本廠工作、進(jìn)行人員調(diào)配及各車(chē)間的協(xié)調(diào)，并及時(shí)將SCC級(jí)和DDC級(jí)的情況向上級(jí)報(bào)告。(4)企業(yè)管理級(jí)(MIS)制定長(zhǎng)期發(fā)展現(xiàn)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、銷(xiāo)售計(jì)劃，發(fā)命令至各工廠，并接受各工廠、各部門(mén)發(fā)回來(lái)的信息，實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的總調(diào)度。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

5.分級(jí)控制系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

5.分級(jí)控制系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

5.分級(jí)控制系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

6.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)智能儀表：傳統(tǒng)儀表與DDC相結(jié)合，帶有通訊端口。現(xiàn)場(chǎng)總線：連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制裝置之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。被稱(chēng)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

1.5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著相關(guān)技術(shù)和理論的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展中，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主要發(fā)展體現(xiàn)在四個(gè)方面：1.網(wǎng)絡(luò)化

2.智能化

3.扁平化

4.綜合化

……1.5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，規(guī)模越來(lái)越大，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代漸漸到來(lái)。除了集散控制系統(tǒng)外，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化下誕生的一個(gè)新的系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的一種開(kāi)放型的數(shù)字通信技術(shù)，其發(fā)展的初衷是用數(shù)字通信代替一對(duì)一的I/O連接方式，把數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)。開(kāi)放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)FCS)。傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)也可由各種工作站通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)連接而成?，F(xiàn)場(chǎng)總線將把控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)自下而上的全數(shù)字化通信，可以認(rèn)為是通信總線在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的延伸，把企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍延伸到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開(kāi)放性，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，使它與Internet的結(jié)合成