計算機(jī)控制概述課件

第一章計算機(jī)控制概述本章要點1.了解計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理2.了解計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。3.初步認(rèn)識微型計算機(jī)控制系統(tǒng)分類與裝置種類

本章主要內(nèi)容

引言

1.1計算機(jī)控制系統(tǒng)組成

1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)分類

1.3計算機(jī)控制裝置種類

1.4計算機(jī)控制系統(tǒng)實例

本章小結(jié)

思考題引言

計算機(jī)控制系統(tǒng)及工程應(yīng)用--是把計算機(jī)技術(shù)與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問，是以計算機(jī)為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。從計算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，自動化控制工程是其重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動化控制工程來看，計算機(jī)技術(shù)又是一個主要的實現(xiàn)手段。本課程立足于工業(yè)自動化的領(lǐng)域，討論這種不同于普通計算機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、相關(guān)技術(shù)及其工程應(yīng)用。下圖為一個制藥車間的自動化生產(chǎn)流程。

1.1.1控制系統(tǒng)概念計算機(jī)控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來的;常規(guī)儀表組成的自動控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成閉環(huán)控制(圖1-1a所示)與開環(huán)控制(圖1-1b所示)兩種結(jié)構(gòu)形式;計算機(jī)控制系統(tǒng)原理組成—用控制計算機(jī)代替圖1-1的控制器，如圖1-2所示；（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)--閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量變送器對被控對象進(jìn)行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號驅(qū)動執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實現(xiàn)自動控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。euqy控制器執(zhí)行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量

測量值r+_zf干擾圖1-1(a)閉環(huán)控制系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器（2）開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)--不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。環(huán)控制系統(tǒng)不能自動消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環(huán)系統(tǒng)。

uqy控制器執(zhí)行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r(b)開環(huán)控制系統(tǒng)（4）計算機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程步驟a.實時數(shù)據(jù)采集--對來自測量變送器的被控量的瞬時值進(jìn)行采集和輸入；b.實時數(shù)據(jù)處理--對采集到的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按一定的控制規(guī)律運算，進(jìn)行控制決策；

c.實時輸出控制--根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行器發(fā)出控制信號，完成監(jiān)控任務(wù)；

1.1.2硬件組成計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件一般包括：主機(jī)--CPU＋RAM＋ROM＋系統(tǒng)總線

常規(guī)外部設(shè)備--輸入/輸出設(shè)備、外存儲器等過程輸入輸出通道—AI、AO、DI、DO人機(jī)接口設(shè)備—CRT、LED、LCD、打印機(jī)等通信設(shè)備—交換機(jī)、modem、集線器等圖1-3所示硬件組成框圖

圖1-3計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖

1.2控制系統(tǒng)分類

主要知識點1.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）1.2.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)1.2.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）1.2.4監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）1.2.5分散控制系統(tǒng)（DCS）1.2.6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）1.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem)--是計算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖1-5所示。生產(chǎn)過程中被控對象的大量參數(shù)經(jīng)測量變送儀表發(fā)送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入計算機(jī)，由計算機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并按操作要求進(jìn)行屏幕顯示、制表打印和越限報警。

1.2.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)--是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。計算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計算，計算出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據(jù)此去改變各個控制器的給定值或操作執(zhí)行器，以達(dá)到操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動與半自動工作狀態(tài)。優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點:要由人工操作，速度受到限制，不能同時控制多個回路。

1.2.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）DDC系統(tǒng)--是用一臺計算機(jī)不僅完成對多個被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，而且能按一定的控制規(guī)律進(jìn)行實時決策，并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，為了操作方便，DDC系統(tǒng)還配置一個包括給定、顯示、報警等功能的操作控制臺。DDC系統(tǒng)中的一臺計算機(jī)不僅完全取代了多個模擬調(diào)節(jié)器，而且在各個回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜控制。計算機(jī)生產(chǎn)過程顯示打印機(jī)報警操作臺）ID，D/A（入輸程過）OD，A/D（出輸程過圖1-7直接數(shù)字控制系統(tǒng)1.2.4計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)即SCC--是OGC系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)或與DDC系統(tǒng)綜合而成的兩級系統(tǒng)，如圖1-8所示。顯然，這屬于計算機(jī)在線最優(yōu)控制的一種形式。當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時，可由下位機(jī)獨立完成控制。下位機(jī)直接參與生產(chǎn)過程控制，要求其實時性好，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)；而上位機(jī)承擔(dān)高級控制與管理任務(wù)，故障的診斷和預(yù)報，應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，存儲容量大的高檔計算機(jī)。1.2.5分散控制系統(tǒng)（DCS）分散控制系統(tǒng)--是以微處理器為基礎(chǔ)，借助于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的先進(jìn)計算機(jī)控制系統(tǒng)。由于早期開發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征，因此國外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng)，國內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng)，或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡稱為DCS。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。地理上和功能上的綜合控制1.2.6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)即FCS--是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進(jìn)了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點，采用集管理控制功能于一身的工作站與現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去，形成一個徹底的分散控制模式。每個現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個智能節(jié)點，都帶CPU單元，可分別獨立完成測量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能，靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。1.3控制裝置種類

主要知識點1.3.1可編程控制器1.3.2可編程調(diào)節(jié)器1.3.3總線式工控機(jī)1.3.4單片微型計算機(jī)1.3.5其他控制裝置可編程控制器（PLC）特點：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)定;采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出；應(yīng)用廣泛--不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢，而且在運動控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色；PLC具有系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，編程簡單，調(diào)試容易，抗干擾能力強(qiáng)；1.3.2可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器--又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器。它主要由微處理單元、過程I／O（輸入/輸出）單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖所示。

不同的是它的外殼采用全鋼標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)加固型機(jī)架機(jī)箱，機(jī)箱密封并加正壓送風(fēng)散熱，機(jī)箱內(nèi)的原普通計算機(jī)的大主板變成通用的底板總線插座系統(tǒng)，將主板分解成幾塊PC插件，采用工業(yè)級抗干擾電源和工業(yè)級芯片，并配以相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用軟件。總線式工控機(jī)具有小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計特點，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運行。因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。1.3.4單片微型計算機(jī)

隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)的另一個分支──超小型化的單片微型計算機(jī)(SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機(jī)誕生了。它是將CPU、存儲器、串并行I/O口、定時/計數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。單片機(jī)的應(yīng)用軟件可以采用面向機(jī)器的匯編語言，但這需要較深的計算機(jī)軟硬件知識，而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語言的發(fā)展，其軟件開發(fā)環(huán)境正在逐步改善。目前，市場上已推出面向單片機(jī)結(jié)構(gòu)的高級語言，如早期的ArchimedesC和FranklinC，現(xiàn)在的KeilC51、DynamicC等語言。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、性能可靠、價格低廉、功能擴(kuò)展容易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化等諸多優(yōu)點，特別是強(qiáng)大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、軍事裝置等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)的應(yīng)用從4位機(jī)開始，歷經(jīng)8位、16位、32位四種。但在小型測控系統(tǒng)與智能化儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域里，8位單片機(jī)因其品種多、功能強(qiáng)、價格廉，目前仍然是單片機(jī)系列的主流機(jī)種。1.4計算機(jī)控制系統(tǒng)實例例1衛(wèi)星姿態(tài)控制運行中的衛(wèi)星經(jīng)常要求對其姿態(tài)進(jìn)行控制，以使它的天線和傳感器相對于地球具有適當(dāng)?shù)姆轿弧榇?，計算機(jī)往往對三個軸分時地進(jìn)行姿態(tài)控制。圖1-6畫出了一個軸的運動情況。假設(shè)只允許繞垂直于本書頁面的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的運動方程如下：式中：I是衛(wèi)星圍繞其質(zhì)量中心的慣性矩；MC是由助推器加上的控制轉(zhuǎn)矩；MD是擾動力矩；θ是衛(wèi)星軸相對于基準(zhǔn)線的角。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖令可得上式的拉氏變換為如果不考慮擾動(wd(s)=0)，則其傳遞函數(shù)為：例2天線方位控制伺服系統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤天線的仰角控制(見右圖)假設(shè)天線及其可動部分具有慣性轉(zhuǎn)矩J，由于直流驅(qū)動電機(jī)的反電勢及由于軸承和空氣動力摩擦產(chǎn)生了阻尼，其阻尼系數(shù)為B，則運動方程為：式中：Tc是驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的純轉(zhuǎn)矩；Td是刮風(fēng)時的擾動轉(zhuǎn)矩。如果我們定義：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，則方程化簡為：天線示意圖其拉氏變換式為如果不考慮擾動(w(s)=0)，則其傳遞函數(shù)為：本章小結(jié)

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