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1、第一章 计算机控制系统概述081第1页，本讲稿共40页第一章第一章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.0 计算机控制系统的应用计算机控制系统的应用 简简单单地地说说，计计算算机机控控制制系系统统就就是是由由各各种种各各样样的的计计算算机机参参与与控控制制的的一一类类控控制制系统。系统。计计算算机机控控制制在在众众多多领领域域有有着着广广泛泛的的应应用用，如如机机械械工工程程、电电气气工工程程、汽汽车车工工程、过程控制、航空航天、通讯工程等。程、过程控制、航空航天、通讯工程等。2第2页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用计算机控制技术的应用 机械工程机械工程3第3页，本讲稿共40页计算机控
2、制技术的应用计算机控制技术的应用 机械工程机械工程4第4页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用计算机控制技术的应用 电气工程电气工程发电机计算机控制发电机计算机控制5第5页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用计算机控制技术的应用 汽车工程汽车工程ECU、ABS、EBD、TCS、BSC、ASR6第6页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用计算机控制技术的应用 过程控制过程控制7第7页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用计算机控制技术的应用 航天工程航天工程8第8页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用航空工程计算机控制技术的应用航空工程9第9页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用航海工程计算机控制技
3、术的应用航海工程10第10页，本讲稿共40页计算机控制技术的应用通讯工程计算机控制技术的应用通讯工程11第11页，本讲稿共40页1.1 计算机控制的基本概念计算机控制的基本概念 1.开环与闭环控制开环与闭环控制 q开环控制开环控制被控制量（输出）不影响系统控制的控制方式被控制量（输出）不影响系统控制的控制方式。控制性能较差（稳定性、稳态、动态、鲁棒性）；控制性能较差（稳定性、稳态、动态、鲁棒性）；结构简单，适于对控制质量要求不高的场合。结构简单，适于对控制质量要求不高的场合。12第12页，本讲稿共40页1.1 计算机控制的基本概念计算机控制的基本概念n闭环控制（半闭环）n被控量参与系统控制的控
4、制方式。被控量参与系统控制的控制方式。n控控制制器器（调调节节器器、校校正正网网络络、补补偿偿网网络络）、执执行行机机构构（执执行行环环节节）、检检测测装装置置（反反馈馈环环节节）、被被控对象、被控参数控对象、被控参数13第13页，本讲稿共40页1.1 计算机控制的基本概念计算机控制的基本概念2.模拟控制与数字控制模拟控制与数字控制（计算机控制）（计算机控制）数字控制器的基本组成：数字控制器的基本组成：n数字计算机（微处理器、微控制器）数字计算机（微处理器、微控制器）nADC（VFC）nDAC（PWM）14第14页，本讲稿共40页1.1 计算机控制的基本概念计算机控制的基本概念3.控制系统的基
5、本要求控制系统的基本要求 稳定性稳定性 快速性快速性 精确性精确性15第15页，本讲稿共40页1.1 计算机控制的基本概念计算机控制的基本概念4.4.在控制中在控制中计计算机三个方面的主要作用：算机三个方面的主要作用：信信息息处处理理，对对于于复复杂杂的的控控制制系系统统，输输入入信信号号和和根根据据控控制制规规律律的的要要求求实实现现的的输输出出偏偏差差信信号号的的计计算算工工作作量量很很大大，采采用用模模拟拟解解算算装装置置不不能能满满足足精精度度要要求求，因因而而需要采用计算机进行处理；需要采用计算机进行处理；用用计计算算机机的的软软件件程程序序实实现现对对控控制制系系统统的的校校正正以
6、以保保证证控控制系统具有所要求的动态特性；制系统具有所要求的动态特性；由由于于计计算算机机具具有有快快速速完完成成复复杂杂的的工工程程计计算算的的能能力力，因因而而可可以以实实现现对对系系统统的的最最优优控控制制、自自适适应应控控制制等等高级高级控制功能及多功能计算调节控制功能及多功能计算调节。16第16页，本讲稿共40页1.1 计算机控制的基本概念计算机控制的基本概念5.5.计算机控制过程归结为三个主要步骤：计算机控制过程归结为三个主要步骤：实时数据采集实时数据采集对被控参数的瞬时值进行检测并输入。对被控参数的瞬时值进行检测并输入。实时决策实时决策对对采采集集到到的的表表征征被被控控参参数数
7、的的状状态态量量进进行行分分析析，并并按按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。已定的控制规律，决定进一步的控制过程。实时控制实时控制根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。17第17页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的结构与组成计计算算机机控控制制系系统统通通常常包包括括：硬硬件件设设备备、控控制制软软件件及及通通信信网络网络。1系统硬件系统硬件nCPUCPU、RAM/ROMRAM/ROM、I/OI/O、A/DA/D、D/AD/A、人人机机接接口口、通通信信接接口口及电源及电源n各部分间通过系统总线（各部分间通过系统总线
8、（DBDB、ABAB、CBCB）构成一个完整的系统）构成一个完整的系统nData Bus:BidirectionalnAddress Bus:UnidirectionalnControl Bus:Unidirectional or Bidirectional18第18页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的结构与组成19第19页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的结构与组成CPU通常包括：通常包括：1）通用单片机通用单片机(Micro-controller)432bitn优点：成本低、体积小。优点：成本低、体积小。n缺点：运算与扩展能力
9、较弱。缺点：运算与扩展能力较弱。n编程：汇编、编程：汇编、C语言。语言。2）PC及其兼容机及其兼容机(Micro-processor)n缺点：成本高、体积大（缺点：成本高、体积大（PC104）。）。n优点：运算与扩展能力强，软件资源丰富。优点：运算与扩展能力强，软件资源丰富。n编程：汇编及多种高级语言。编程：汇编及多种高级语言。20第20页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的结构与组成3）DSP（Digital Signal Processor）n运算能力相当强（运算能力相当强（RISC结构）。结构）。n其它同（其它同（1）。）。4）专用微处理器专用微处理器n主主
10、要要用用于于一一些些批批量量生生产产的的产产品品。如如家家用用电电器器的智能控制、工业控制（电机控制）。的智能控制、工业控制（电机控制）。其中：其中：1）、）、2）应用最广泛。）应用最广泛。21第21页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成过程通道过程通道（微机原理、传感检测、电工学）（微机原理、传感检测、电工学）n模拟量输入通道（模拟量输入通道（A/D、V/F）：）：含多路开关（含多路开关（2、4、8、16选一），选一），S/Hn模拟量输出通道模拟量输出通道（D/A、F/V、PWM）n开关（数字）量输入通道：光电隔离开关（数字）量输入通道：光电隔离n开关（数字）量输出通道：光电隔
11、离、驱动能力开关（数字）量输出通道：光电隔离、驱动能力通通常常将将模模拟拟量量输输入入/输输出出通通道道分分别别称称作作前前向向/后向通道。后向通道。22第22页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的结构与组成2系统软件与系统软件与应用软件应用软件应用软件包括：应用软件包括：n初始化程序初始化程序n定时器中断定时器中断n数据采样（数据采样（A/D）n控制算法控制算法n控制作用输出控制作用输出(D/A)n监控程序监控程序 23第23页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的结构与组成控制理论（控制算法）：控制理论（控制算法）：1 1）经典控制
12、理论经典控制理论（课程重点）（课程重点）n适于适于SISO线性系统。采用传递函数来描述。线性系统。采用传递函数来描述。n分析与设计方法：频域、根轨迹。分析与设计方法：频域、根轨迹。n校正网络：滞后、超前、滞后超前（校正网络：滞后、超前、滞后超前（PID）。2 2）现代控制理论现代控制理论n适于适于MIMO线性系统。采用状态空间表达式描述。线性系统。采用状态空间表达式描述。n分析方法：主要是时域。分析方法：主要是时域。n设计方法：极点配置、最优控制。设计方法：极点配置、最优控制。24第24页，本讲稿共40页1.2 计算机控制系统的结构与组成计算机控制系统的结构与组成3）其它控制方法其它控制方法
13、自适应控制、鲁棒控制、非线性控制等。自适应控制、鲁棒控制、非线性控制等。设计原则设计原则：在满足控制系统要求的性能指标下，尽可：在满足控制系统要求的性能指标下，尽可能选择简单的控制方法。能选择简单的控制方法。3 3通信网络通信网络串行通信、局域网、现场总线。串行通信、局域网、现场总线。25第25页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类1.计算机监控与操作指导系统计算机监控与操作指导系统图图1-5 计算机监督与操作指导系统计算机监督与操作指导系统26第26页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类作用作用：计算机只承担数据的采集与处理工作，：计算
14、机只承担数据的采集与处理工作，而不直接参与控制。而不直接参与控制。控制控制：操作人员计算机处理结果去改变调节器：操作人员计算机处理结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。的给定值或直接操作执行机构。优缺点优缺点：优点是系统结构简单，控制灵活；缺：优点是系统结构简单，控制灵活；缺点是要人工操作，速度受到限制。点是要人工操作，速度受到限制。27第27页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类2.直接数字控制系统直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control）n计算机直接数字控制系统是利用计算机代替模计算机直接数字控制系统是利用计算机代替模拟控制器，
15、直接对被控对象进行控制的系统。拟控制器，直接对被控对象进行控制的系统。n计算机进行巡回检测，采样、计算机进行巡回检测，采样、A/D转换等把模转换等把模拟量转化为数字量，根据控制规律进行运算，拟量转化为数字量，根据控制规律进行运算，发出控制信号直接控制执行机构。发出控制信号直接控制执行机构。nDDC计算机直接参与闭环控制，能实现各种计算机直接参与闭环控制，能实现各种复杂的和先进的控制。复杂的和先进的控制。n本课程以本课程以DDC系统为研究对象，介绍计算机系统为研究对象，介绍计算机控制系统的分析、设计与实现。控制系统的分析、设计与实现。28第28页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类29第
16、29页，本讲稿共40页 3.计算机监督控制系统计算机监督控制系统（Supervisory Computer Control）简称）简称SCC系统。系统。在在DDC中，被控参数的给定值是预先给定并存入计算机中，被控参数的给定值是预先给定并存入计算机内存中，不能根据生产信息的变化而及时修正内存中，不能根据生产信息的变化而及时修正A/D转换检测装置模拟控制器执行机构SCC计算机被控对象D/A转换保持器1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类30第30页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类A/D转换检测装置DDC计算机执行机构SCC计算机被控对象D/A转换保持器SC
17、C+DDC控制系统控制系统SCC计算机根据被控对象运行工况的数据和预先给定的数计算机根据被控对象运行工况的数据和预先给定的数学模型及性能目标函数，按照某种优化控制算法和逻辑判学模型及性能目标函数，按照某种优化控制算法和逻辑判断，为断，为DDC系统提供最优设定值，或修正系统控制算法中系统提供最优设定值，或修正系统控制算法中的参数、约束条件等，使得系统整体性能指标最优。的参数、约束条件等，使得系统整体性能指标最优。31第31页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类4.计算机分级控制系统计算机分级控制系统 生生产产过过程程中中既既存存在在控控制制问问题题，也也存存在在大大量
18、量管管理理问问题题，这这需需要要更更高高一一级级的的控控制制系系统统，如如计计算算机机分分级级控控制制系系统。统。如如下下图图所所示示为为计计算算机机分分级级控控制制系系统统是是一一个个四四级级系系统统，装装置置控控制制级级（DDC级级），车车间间监监督督级级（SCC级级），工工厂厂集中控制级（集中控制级（MIC），），企业管理级（企业管理级（MIS）32第32页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类33第33页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 分布式控制系统如图分布式控制系统如图1-8所示为三层结构。所示为三层结构。（Distribu
19、ted Control System）分分布布式式控控制制系系统统可可以以是是二二层层结结构构模模式式、三三层层结结构构模模式式或或四层结构模式。四层结构模式。特特点点：分分散散控控制制、集集中中管管理理、综综合合协协调调，通通过过网网络络将将分分布布在在不不同同区区域域的的各各级级联联系系。整整个个网网络络具具有有开开放放性性、可可靠靠性性等特点。等特点。过过程程控控制制级级由由若若干干现现场场控控制制计计算算机机对对生生产产装装置置直直接接进进行行控控制制；控控制制管管理理级级对对现现场场控控制制计计算算机机的的工工作作进进行行监监督督、协协调调和和优优化化；生生产产经经营营管管理理级级是
20、是对对全全厂厂生生产产管管理理部部门门监监督督、协协调调和综合管理。和综合管理。5.5.分布式控制系统分布式控制系统 DCS DCS（集散控制系统）（集散控制系统）34第34页，本讲稿共40页1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类图图18 DCS35第35页，本讲稿共40页1.4 计算机控制的特点计算机控制的特点 与与模模拟拟（R、C、L、OPA）控控制制系系统统相相比比，计计算算机机（数数字）控制系统的优越性表现在以下几个方面：字）控制系统的优越性表现在以下几个方面：1）在在开开发发阶阶段段，采采用用数数字字控控制制易易于于进进行行各各种种控控制制策策略略的的试试验验，根根据据存存
21、储储的的系系统统状状态态参参数数便便于于对对控控制制性性能能进进行行评评价和改进，且易于价和改进，且易于实现复杂的控制策略实现复杂的控制策略。2）数数字字控控制制器器除除了了使使被被控控装装置置稳稳定定工工作作外外，还还可可以以承承担担大大量量的的额额外外任任务务。如如设设定定值值给给定定、数数字字滤滤波波、非非线线性性校校正正等等，通通过过软软件件实实现现原原来来需需要要用用硬硬件件实实现现的的功功能能，从而在一定程度上简化了硬件电路从而在一定程度上简化了硬件电路。36第36页，本讲稿共40页1.4 计算机控制的特点计算机控制的特点 3）采采用用数数字字控控制制，使使得得传传感感器器、偏偏置
22、置和和其其它它参参数数的的标标定定更更为为容容易易，这这些些步步骤骤可可以以逐逐步步地地做做成成自自治治的的，甚至可包括自校正控制器在内。甚至可包括自校正控制器在内。4）可可以以在在线线监监测测控控制制系系统统的的运运行行工工况况，可可以以实实现现显显示示、记记录录及及远远距距离离传传输输。出出现现意意外外和和紧紧急急情情况况可可以以及及时时作作出出反反映映，并并可可根根据据记记录录的的系系统统状状态态参参数数分分析析故障原因。故障原因。5）系系统统的的改改进进一一般般只只涉涉及及软软件件更更改改，因因而而便便于于控控制制器的更新和升级器的更新和升级。37第37页，本讲稿共40页1.4 计算机
23、控制的特点计算机控制的特点 6）实实现现的的控控制制策策略略基基本本不不受受温温度度、时时间间等等外外界界环环境境因素的影响，长时间工作的因素的影响，长时间工作的稳定性、一致性好稳定性、一致性好。7）借借助助于于网网络络易易于于实实现现复复杂杂的的控控制制系系统统结结构构，如如集集散散式、分布式控制系统。式、分布式控制系统。38第38页，本讲稿共40页1.4 计算机控制的特点计算机控制的特点 此外，不是所有的控制系统都适宜采用计算机控制：不是所有的控制系统都适宜采用计算机控制：1）采用模拟控制器可以满足要求的控制系统；）采用模拟控制器可以满足要求的控制系统；2）某些对系统成本要求极其苛刻的系统；）某些对系统成本要求极其苛刻的系统；3）对采样速率要求极高的系统。）对采样速率要求极高的系统。39第39页，本讲稿共40页本章练习P16-17:1、5、7、8、15.40第40页，本讲稿共40页