計算機控制技術主講教師:都洪基南京理工大學.自動化學院

2012.9《計算機控制技術》課程說明

《計算機控制技術》是電氣工程及自動化專業(yè)的主干專業(yè)課之一。2、前續(xù)基礎課程1、課程的性質(zhì).自動控制理論（經(jīng)典/現(xiàn)代）.微機原理（單片機）與接口技術.程序設計技術（匯編、C/C++/VC、VB）3、指定參考書和閱讀期刊

.謝劍英，《微型計算機控制技術》，國防工業(yè)出版社熊靜琪，《計算機控制技術》，電子工業(yè)出版社.何克忠，《計算機控制系統(tǒng)》，清華大學出版社.王錦標，《計算機控制系統(tǒng)》，清華大學出版社.孫增圻，《計算機控制理論及應用》清華大學出版社 蘇小林，《計算機控制技術》，中國電力出版社趙邦信，《計算機控制技術》，科學出版社

第一章是緒論，介紹了計算機控制系統(tǒng)及其組成、計算機控制系統(tǒng)的典型形式、工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢；

第二章討論了輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件設計；

主要內(nèi)容 第三章討論了數(shù)字程序控制技術，重點介紹了逐點比較法插補原理和步進電機控制技術（工作原理以及工作方式）；

第四章主要講解數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術、數(shù)字控制器的離散化設計技術以及相關的各類控制算法，介紹常規(guī)及復雜控制技術；

第五章討論了現(xiàn)代控制技術，主要介紹了采用狀態(tài)空間的輸出反饋設計法、極點配置設計法、最優(yōu)化設計法；

第六章討論了計算機控制系統(tǒng)的應用程序設計與實現(xiàn)技術，重點放在數(shù)據(jù)處理、數(shù)字控制器的工程實現(xiàn)以及軟件抗干擾技術；

第七章討論了分散型測控網(wǎng)絡技術，闡述通信網(wǎng)絡技術、DCS控制技術，介紹現(xiàn)場總線技術；

第八章討論了計算機控制系統(tǒng)的設計原則、步驟和工程實現(xiàn)，并給出了設計實例；第1章緒論1.1計算機控制系統(tǒng)概述1.1.1計算機控制系統(tǒng)及其組成

計算機控制系統(tǒng)：就是利用計算機（工業(yè)控制計算機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。

1.常規(guī)控制系統(tǒng)的一般形式微型計算機控制系統(tǒng)是由計算機和工業(yè)對象兩大部分組成。閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)常規(guī)控制系統(tǒng)的一般形式（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

給定值

控制器執(zhí)行機構(gòu)

被控對象被控參數(shù)

測量元件

變換發(fā)送

閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，它的控制器直接根據(jù)給定信號去控制被控對象工作。被控制量在整個控制過程中對控制量不產(chǎn)生影響。與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，它的控制性能較差。

給定值

控制器

執(zhí)行機構(gòu)

被控對象

被控參數(shù)

（2）開環(huán)控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)2.計算機控制系統(tǒng)工作原理如果把控制器用計算機來代替，就可以構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)。在計算機控制系統(tǒng)中，只要運用各種指令，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。

給定信號

微處理器D/A轉(zhuǎn)換器

執(zhí)行機構(gòu)

被控參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器

×被控對象（1）計算機控制系統(tǒng)的工作原理

從本質(zhì)上看，計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為三個步驟：

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行檢測和輸入。

②實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，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)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務。（2）幾個重要概念.在線方式（on-line）:

生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；.離線方式(off-line):

生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。..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，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，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。

思考題.在線系統(tǒng)是否一定是實時系統(tǒng)？.實時系統(tǒng)是否一定是在線系統(tǒng)？.如何保證系統(tǒng)的實時性？關鍵信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成！3.計算機控制系統(tǒng)的組成

計算機控制系統(tǒng)主要由：工業(yè)控制機和生產(chǎn)過程兩大部分組成。

工業(yè)控制機是指按生產(chǎn)過程控制的特點和要求而設計的計算機，它包括硬件和軟件兩部分。

生產(chǎn)過程包括被控對象、測量變送、執(zhí)行機構(gòu)、電氣開關等裝置。

計算機控制系統(tǒng)的組成框圖1.1.2計算機控制系統(tǒng)的典型型式

1.按照結(jié)構(gòu)功能分類2.按照控制規(guī)律分類3.按照控制方式分類1.按照功能來分類（1）操作指導控制系統(tǒng)計算機測得的信號數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的控制算法，計算出可供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點：開環(huán)控制。由人操作，實時性差，不能控制多個對象。不是在線系統(tǒng)!但卻是實時系統(tǒng)（2）直接數(shù)字控制(DDC)計算機首先通過模擬量輸入通道、開關量輸入通道實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過模擬量輸出通道、開關量輸出通道直接控制生產(chǎn)過程。優(yōu)點：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、多回路控制，能夠靈活 的把各種算法施加于生產(chǎn)過程。缺點：結(jié)構(gòu)復雜，投資高。實時采集數(shù)據(jù)控制決策控制實施生產(chǎn)過程（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）監(jiān)督控制：計算機根據(jù)原始工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其它方法，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，它的作用是改變給定值，所以又稱設定值控制。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）結(jié)構(gòu)形式（a）自動地改變模擬調(diào)節(jié)器（b）直接數(shù)字控制方式模擬調(diào)節(jié)器直接數(shù)字控制器優(yōu)點：計算機壞了，在（a）中，模擬儀表可以靠人工直接控制；在（b）中，DDC計算機可以直接控制，SCC計算機只是采集，優(yōu)化；這實際上是一種不存在上下級通信的兩級控制，只存在傳遞設定值的關系。缺點：造價高、效益差，現(xiàn)在已經(jīng)不用了。（a）（b）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)的設計原則，把系統(tǒng)從上到下分為分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級、綜合信息管理級，形成分級分布式控制。（4）分散型控制系統(tǒng)（DCS）（集散控制）分散過程控制級集中操作監(jiān)控級綜合信息管理級（4）分散型控制系統(tǒng)（DCS）（集散控制）特點：①分散過程控制級：這是最底層，直接和現(xiàn)場控制點打交道；②集中操作控制級：集中在控制室通過顯示屏等幾種監(jiān)控、操作③綜合信息管理級：實現(xiàn)整個企業(yè)的綜合信息、管理，主要執(zhí)行生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理功能，能夠提供管理決策信息。（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

新一代分布式控制系統(tǒng)，采用“工作站---現(xiàn)場總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，國際標準統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（OSI)。主要有五種：

CAN總線（controllerareanetwork,控制器局域網(wǎng)絡）

LONGWORKS總線(localoperatingnetwork局部操作網(wǎng)絡)

PROFIBUS(processfieldbus過程現(xiàn)場總線)

HATR總線（可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡）

FF總線（基金會現(xiàn)場總線）2.按照控制規(guī)律分類（1）數(shù)字程序和順序控制（2）比例積分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）復雜規(guī)律的控制（5）智能控制……（1）程序和順序控制程序控制:被控制量按照一定的、預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間函數(shù)的變化。順序控制:程序控制的擴展，在各個時期所給出設定值可以是不同的物理量，而且每次設定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。（2）比例積分微分控制（PID控制）

定義：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID控制是現(xiàn)在應用最廣、最為廣大工程技術人員熟悉的技術。PID控制結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)容易調(diào)整，因此，無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)使用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。（3）最小拍控制最小拍控制的性能指標是要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間內(nèi)完成調(diào)節(jié)過程。最小拍控制通常用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設計中。最小拍控制是直接離散控制系統(tǒng)設計的根本思想！（4）復雜規(guī)律的控制在PID控制的基礎上，引進了各種復雜規(guī)律的控制，比如串級控制、前饋控制、純滯后補償、解偶控制、最優(yōu)控制、自適應控制等，組成復雜控制系統(tǒng)。

目的：是為了解決隨機擾動問題，使系統(tǒng)控制達到滿意的性能指標。（5）智能控制

智能控制把先進的方法學理論與解決當前技術問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學科。可以看成三個主要理論領域的交叉或會合，即：

人工智能運籌學控制論3.按照控制方式分類按照控制方式的不同，計算機控制系統(tǒng)可分為:

開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)1.2工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點

1.2.1工業(yè)控制機的組成1.工業(yè)控制機的硬件組成2.工業(yè)控制機的軟件組成

1.2.2工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)1.2.3工業(yè)控制機的特點

1.2.1工業(yè)控制機的組成主機板人機接口系統(tǒng)支持磁盤系統(tǒng)通訊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1.工業(yè)控制機的硬件組成（1）主機板:CPU、RAM、ROM、看門狗及掉電檢測、實時時鐘和EEPROM等。作用：進行數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理。

內(nèi)部總線：工業(yè)控制機內(nèi)部各組成部分進行信息傳送的公共通道，它是一組信號線的集合。常用內(nèi)部總線有IBMPC、PCI總線和STD總線和ISA總線。

外部總線：工業(yè)控制機與其它計算機和智能設備進行信息傳遞的公共通道。RS—232C、USB和IEEE—488通信總線。（2）內(nèi)部總線和外部總線（3）人—機接口:鍵盤、顯示器、打印機。（4）磁盤系統(tǒng)：軟盤和硬盤。（5）通信接口工業(yè)控制機和其它計算機或智能外設通信的接口。常用通信接口有： RS—232C、USB和IEEE—488接口等(6)系統(tǒng)支持功能①監(jiān)控定時器(看門狗-Watchdog)②電源掉電檢測③保護重要數(shù)據(jù)的后備存貯器體④實時日歷時鐘(7)輸入輸出通道

工業(yè)控制機和生產(chǎn)過程之間設置的信號傳遞和變換的連接通道。它包括：模擬量輸入(AI)通道模擬量輸出(AO)通道數(shù)字量(或開關量)輸入(DI)通道數(shù)字量(或開關量)輸出(DO)通道

輸入輸出通道的作用有兩個：其一是將生產(chǎn)過程的信號變換成主機能夠接受和識別的代碼；其二是將主機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)變換后作為執(zhí)行機構(gòu)或電氣開關的控制信號。2.工業(yè)控制機的軟件組成(1)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件包括實時多任務操作系統(tǒng)、引導程序、調(diào)度執(zhí)行程序，如美國Intel公司推出的iRMX86實時多任務操作系統(tǒng)，美國ReadySystem公司推出的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)VRTX／OS。除了實時多任務操作系統(tǒng)以外，也常常使用MS—DOS和Windows等系統(tǒng)軟件。(2)支持軟件支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。(3)應用軟件應用軟件是系統(tǒng)設計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。它包括過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、人機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。1.2.2工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)1．內(nèi)部總線

所謂內(nèi)部總線，就是計算機內(nèi)部功能模板之間進行通信的總線，它是構(gòu)成完整的計算機系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。常用的有IBMPC、PCI總線和STD總線。

2．外部總線

所謂外部總線，就是計算機與計算機之間或計算機與其它智能設備之間進行通信的連線，常用的外部總線有IEEE—488并行總線、USB和RS—232C串行總線。

1.2.3工控機的特點1．可靠性高和可維修性好。2．環(huán)境適應性強。3．控制的實時性。工業(yè)控制機應具有時間 驅(qū)動和事件驅(qū)動能力。4．完善的輸入輸出通道。5．豐富的軟件。6．適當?shù)挠嬎銠C精度和運算速度。1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢1.3.1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1.計算機控制技術的發(fā)展過程2.計算機控制理論的發(fā)展過程1.3.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.3.1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況(1)開創(chuàng)時期(1955～1962年)

計算機價格昂貴主要進行一些基礎性的研究，計算機中斷技術

(2)直接數(shù)字控制時期(1962～1967年)

計算機直接控制（DDC)、連續(xù)的模擬量離散化、建立控制對象的數(shù)學模型(3)小型計算機時期(1967～1972年)

小型計算機體積小、價格低、維護容易。計算機過程控制范圍擴展(4)微型計算機時期(1972年～至今)

1.計算機控制技術的發(fā)展過程

在生產(chǎn)過程控制中采用數(shù)字計算機的思想出現(xiàn)在五十年代中期。2.計算機控制理論的發(fā)展過程

計算機控制系統(tǒng)理論主要包括離散系統(tǒng)理論和采樣系統(tǒng)理論。離散系統(tǒng)理論主要指對離散系統(tǒng)進行分析和設計的各種方法的研究。包括： （1）差分方程及z變換理論； （2）常規(guī)設計方法； （3）按極點配置的設計方法； （4）最優(yōu)設計方法； （5）系統(tǒng)辨識及自適應控制。……采樣系統(tǒng)理論

采樣系統(tǒng)理論除了包括離散系統(tǒng)的理論外，還有以下內(nèi)容：（1）采樣理論-香農(nóng)采樣定理。（2）連續(xù)模型及性能指標的離散化。（3）性能指標函數(shù)的計算。（4）采樣控制系統(tǒng)的仿真。（5）采樣周期的選擇