自動控制系統(tǒng)的基本概念詳解演示文稿當前第1頁\共有67頁\編于星期二\14點（優(yōu)選）自動控制系統(tǒng)的基本概念當前第2頁\共有67頁\編于星期二\14點第1章自動控制系統(tǒng)的基本概念

第2章自動控制系統(tǒng)分析基礎

第3章連續(xù)控制系統(tǒng)的分析與設計

第4章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計第5章順序與數(shù)字程序控制第6章數(shù)字控制器的模擬化設計第7章離散控制系統(tǒng)設計第8章計算機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)主要內(nèi)容當前第3頁\共有67頁\編于星期二\14點第1章自動控制系統(tǒng)的基本概念

1.1自動控制系統(tǒng)的基本原理1.2計算機控制系統(tǒng)的一般構成1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

當前第4頁\共有67頁\編于星期二\14點背景介紹

自動控制對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展具有越來越重要的作用。

應用領域：宇宙航行、導彈制導、核技術以及火箭控制等新興學科領域以及金屬冶煉、儀器制造及一般工業(yè)生產(chǎn)過程中

目的：實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、安全生產(chǎn)，改善勞動條件，提高經(jīng)濟效益當前第5頁\共有67頁\編于星期二\14點

古典控制理論是20世紀40年代發(fā)展起來的，直到現(xiàn)在仍然是分析、設計自動控制系統(tǒng)的主要理論基礎，它在工程上應用較普遍的是頻率法和根軌跡法。這些方法用來處理單輸入單輸出的線性自動控制系統(tǒng)是卓有成效的。

隨著科學的發(fā)展和技術的進步，控制對象越來越復雜、多樣，因此自動控制系統(tǒng)日益復雜，出現(xiàn)了多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化的時變系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)以及最優(yōu)控制系統(tǒng)等。當前第6頁\共有67頁\編于星期二\14點

因此，古典控制理論已經(jīng)難以分析和設計上述復雜的系統(tǒng)了。到60年代逐漸形成了以狀態(tài)空間法為基礎的現(xiàn)代控制理論，它的形成和發(fā)展為數(shù)字計算機應用于自動控制領域創(chuàng)造了條件。狀態(tài)空間法：不僅可以描述系統(tǒng)輸入輸出之間的關系，而且還可以描述系統(tǒng)的內(nèi)部特性，是一種內(nèi)部描述，特別適用于多輸入輸出系統(tǒng)，它采用狀態(tài)空間表達式作為描述系統(tǒng)的模型。是對系統(tǒng)的一種完全描述。當前第7頁\共有67頁\編于星期二\14點

常規(guī)的控制方法難以滿足更高的精度、更快的速度和更大的效益的要求。

計算機的特點：精度高、速度快、存儲量大，能夠進行邏輯判斷、具有強大的信息處理能力因此可以實現(xiàn)高級復雜的控制算法，獲得快速精密的控制效果、能夠把過程控制和生產(chǎn)管理有機地結合起來，從而對工廠、企業(yè)或企業(yè)體系的管理實現(xiàn)自動化。當前第8頁\共有67頁\編于星期二\14點

微電子技術和計算機技術的發(fā)展，為計算機控制的發(fā)展和應用奠定了堅實的基礎。電子計算機在經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路等階段之后，現(xiàn)已到了第五代計算機研制階段。計算機的發(fā)展是異常神速的。無論在速度、性能、可靠性、能耗、性能價格比等方面，現(xiàn)在的計算機都有了突飛猛進的變化，其運算速度已經(jīng)達到了1000萬次每秒到1億次每秒。當前第9頁\共有67頁\編于星期二\14點

計算機信息處理技術的發(fā)展，也從數(shù)字發(fā)展到文字，從黑白發(fā)展到彩色，從無聲發(fā)展到有聲，從本地發(fā)展到遠程。正如有關專家預測的，計算機將向微型化、巨型化、網(wǎng)絡化、多媒體以及智能化方向發(fā)展。計算機控制是以自動控制理論與計算機技術為基礎的。計算機控制既是一門新興的學科，又與自動控制有著密切的關系。當前第10頁\共有67頁\編于星期二\14點

本書闡述自動控制和計算機控制的基礎理論，概述計算機控制系統(tǒng)的分析方法，總結計算機控制系統(tǒng)的設計方法和控制規(guī)律，同時，聯(lián)系實際討論計算機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法(包括硬件和軟件實現(xiàn))，并介紹了一些計算機控制系統(tǒng)的應用實例。當前第11頁\共有67頁\編于星期二\14點

1.1.1自控系統(tǒng)的工作原理

1.速度控制系統(tǒng)

1.1自動控制系統(tǒng)的基本原理

控制目標：控制車床主軸速度①—電位器②—放大器③—直流電動機當前第12頁\共有67頁\編于星期二\14點

當電動機的負載轉矩（也稱扭矩）變化很小，系統(tǒng)元件特性比較穩(wěn)定時，所示的控制系統(tǒng)可以滿足預期的要求。否則，電動機的實際轉速與期望值相比將有較大的誤差。為了克服或減小負載轉矩變化對轉速的影響，可以采用干擾補償?shù)霓k法，但是，采用干擾補償?shù)南到y(tǒng)一般不能解決由于元件特性不穩(wěn)定所產(chǎn)生的輸出誤差。而下圖所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)則可以減小或消除由各種因素所引起的轉速變化。圖1―2直流電動機轉速控制系統(tǒng)原理圖

當前第13頁\共有67頁\編于星期二\14點電動機的轉速由ug和ub共同控制Ub與實際轉速相對應當轉速低于理論轉速時△u=ug-ub會增大，從而電動機轉速升高，而回復到要求值。當前第14頁\共有67頁\編于星期二\14點圖1―4帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)原理圖

當前第15頁\共有67頁\編于星期二\14點

2.隨動系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)的任務是保證輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化，由于輸入軸的位置無法預先確定(如雷達導引系統(tǒng))，因此該系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)。當前第16頁\共有67頁\編于星期二\14點系統(tǒng)工作原理如下：電位計①和②，分別把輸入軸和輸出軸的轉角θr和θc變成相應的電壓，然后把這兩個電壓反向串聯(lián)(相減)，即可以得到與角度偏差θe＝θr-θc成比例的電壓ue該電壓經(jīng)過放大器放大后加到電動機上，電動機的軸經(jīng)減速器和輸出軸相連，并且同時帶動電位器②的電刷移動，如果θc≠θr，則ue≠0，放大后的電壓ua驅動電機轉動，轉動方向最終應使θc向θr接近，使θe減小。最后，兩者取得一致，θc＝θr，則ue＝0，電機停止轉動，系統(tǒng)進入平衡狀態(tài)。這樣就保證了輸出軸緊緊地跟隨著輸入軸變化。在隨動系統(tǒng)中，當指令信號變化時，輸出軸便精確地復現(xiàn)著輸入軸的變化規(guī)律。這個系統(tǒng)的原理如圖1―6所示。2.隨動系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)的任務是保證輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化，由于輸入軸的位置無法預先確定(如雷達導引系統(tǒng))，因此該系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)。當前第17頁\共有67頁\編于星期二\14點圖1―6隨動系統(tǒng)的原理圖當前第18頁\共有67頁\編于星期二\14點

由上面兩種系統(tǒng)的討論可知：

(1)自動控制系統(tǒng)是由控制裝置和被控對象(或被控過程)兩大部分組成的。對被控對象(或被控過程)產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用的設備或裝置稱為控制裝置。圖1-7當前第19頁\共有67頁\編于星期二\14點

一般的控制裝置包括如下環(huán)節(jié)：①檢測裝置。檢測裝置的任務是對系統(tǒng)被控量進行檢測，并把它轉換成與參考輸入相同的物理量后，送入比較環(huán)節(jié)。前述系統(tǒng)中的測速發(fā)電機和測量電位計等就是檢測反饋元件。②比較器。比較器的作用是將檢測反饋裝置送來的信號與參考輸入進行比較，得出兩者偏差(誤差)信號。比較器往往是由綜合電路或檢測裝置兼而完成的，一般用符號表示；“-”表示輸入信號與反饋信號相減，即負反饋；“+”表示正反饋。當前第20頁\共有67頁\編于星期二\14點

③放大元件。將比較環(huán)節(jié)輸出的微弱信號進行放大。如電壓放大器和功率放大器。④執(zhí)行機構。將放大元件的輸出信號轉變成機械運動，從而對受控對象施加控制調(diào)節(jié)作用。如電機構。⑤校正裝置。校正裝置(或稱控制器、調(diào)節(jié)器)是對偏差信號進行比例、積分、微分等運算的元件，參數(shù)或結構便于調(diào)整，用于改善系統(tǒng)性能。⑥被控對象。接受控制的設備(或過程)，如工作機械。

當前第21頁\共有67頁\編于星期二\14點

(2)自動控制系統(tǒng)含義：是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對受控對象進行控制操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的。

被控量：指系統(tǒng)的輸出，它是受控對象中被控制的一個物理量，如速度控制系統(tǒng)中工作機械的速度、隨動系統(tǒng)中的轉角等。

參考輸入：又稱給定值，如速度控制系統(tǒng)中的給定電壓ug、隨動系統(tǒng)中的角度θr等。當前第22頁\共有67頁\編于星期二\14點

(3)由圖可見，對系統(tǒng)參與控制或施加影響的信號可能來自三個方面，除了參考輸入量還有干擾和偏差。

干擾：指除參考輸入和反饋信號以外的對系統(tǒng)被控量產(chǎn)生影響的其他因素。干擾可能來自系統(tǒng)的內(nèi)部或外部。來自系統(tǒng)外部的干擾，是環(huán)境對系統(tǒng)的一種作用，所以它也是系統(tǒng)的一種輸入。

偏差：又稱為誤差信號，就是比較環(huán)節(jié)的輸出，即被控量經(jīng)過檢測反饋環(huán)節(jié)之后與給定參考輸入量進行比較所得的差值。當前第23頁\共有67頁\編于星期二\14點

(4)前面討論的幾種系統(tǒng)，可分別歸屬于如下類型：

①恒值系統(tǒng)。圖1―1和圖1―3所示的速度控制系統(tǒng)，它們的給定值都是恒定值，故這類系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)。②隨動系統(tǒng)。給定值(控制指令)是事先未知的時間函數(shù)的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。在隨動系統(tǒng)中，當指令信號變化時，工作機械便精確地復現(xiàn)著指令信號的變化規(guī)律。圖1―5所示的系統(tǒng)為隨動系統(tǒng)。③程序控制系統(tǒng)?？刂浦噶钜杨A先知道的系統(tǒng)，稱為程序控制系統(tǒng)。④自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)。圖1―3所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)是根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，對系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，使被控量保持恒定的。故這類系統(tǒng)又常稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)。當前第24頁\共有67頁\編于星期二\14點

1.1.2自動控制的基本方式

1.開環(huán)控制

定義：被控量(輸出)不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制。特點：不對被控量進行任何檢測在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系。信號傳遞是單向進行的。當前第25頁\共有67頁\編于星期二\14點

開環(huán)控制方式

缺點：當被控對象或控制裝置受到干擾，或者在工作過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時，系統(tǒng)不能進行自動補償，被控制精度難以保證。

優(yōu)點：結構比較簡單

適用場合：控制精度要求不高或者元件工作特性比較穩(wěn)定而干擾又很小。當前第26頁\共有67頁\編于星期二\14點

2.閉環(huán)控制

定義：被控量參與系統(tǒng)控制的控制方式稱為閉環(huán)控制。結構特點：在給定值和被控量之間，除了有一條從給定值到被控量方向傳遞信號的前向通道外，還有一條從被控量到比較元件傳遞信號的反饋通道?？刂菩盘栄刂跋蛲ǖ篮头答佂ǖ姥h(huán)傳遞，故閉環(huán)控制又稱反饋控制。另外，只要閉環(huán)控制系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)都能自行調(diào)節(jié)以減小偏差。故閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱按照偏差調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)。偏差當前第27頁\共有67頁\編于星期二\14點閉環(huán)控制

優(yōu)點：從原理上提供了實現(xiàn)高精度控制的可能性，對控制元件的要求比開環(huán)控制的低。

缺點：設計比較麻煩，結構也比較復雜，因而成本較高。

適用場合：控制精度要求較高，干擾影響較大時。圖1―3所示的速度控制系統(tǒng)及圖1―5所示的隨動系統(tǒng)都是閉環(huán)控制系統(tǒng)。當前第28頁\共有67頁\編于星期二\14點

1.1.3對控制系統(tǒng)的基本要求

控制系統(tǒng)工作的場合不同，對它的性能要求也就不同?？刂葡到y(tǒng)的任務是使被控量按參考輸入保持常值或跟隨參考輸入變化。但要在任何時間做到這一點并不容易。例如，當圖1―5所示的隨動系統(tǒng)的指令電位計①，在瞬間轉動一個單位角度時，由于系統(tǒng)慣性的存在，以及能源功率的限制，工作機械不可能立即跟隨轉動相等的角度。

當前第29頁\共有67頁\編于星期二\14點

當偏差產(chǎn)生的控制作用使工作機械轉過與給定值相等的角度時，由于慣性關系，工作機械將仍以一定速度繼續(xù)旋轉，因而出現(xiàn)反向偏差，控制系統(tǒng)又產(chǎn)生反向控制作用，使工作機械反向轉動。如此周而復始，出現(xiàn)了振蕩的跟蹤過程?？刂葡到y(tǒng)的這一運動過程稱為動態(tài)過程(或瞬態(tài)過程、暫態(tài)過程、過渡過程等)。當系統(tǒng)結構及其參數(shù)匹配合理時，經(jīng)過一定時間后，被控量將趨于希望值，稱為進入穩(wěn)態(tài)。圖1―10表示了在階躍輸入信號作用下，幾種系統(tǒng)的被控量的變化過程。圖中x(t)表示輸入，y(t)表示輸出。當前第30頁\共有67頁\編于星期二\14點系統(tǒng)要能正常工作，必須滿足如下基本要求：

(1)穩(wěn)定性。被控量偏離給定值而振蕩時，系統(tǒng)抑制振蕩的能力。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，隨著時間的增長，被控量將趨近于希望值。可見，穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。圖1―10(b)和(c)所示的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，這種系統(tǒng)不能工作。

(2)快速性。指被控量趨近希望值的快慢程度。快速性好的系統(tǒng)，它的過渡過程時間短，能復現(xiàn)快速變化的控制信號，因而具有較高的動態(tài)精度。圖1―10(d)所示的系統(tǒng)1，其快速性要比系統(tǒng)2好。穩(wěn)定性和快速性是反映動態(tài)過程好壞的尺度。

(3)精確性。指過渡過程結束后，被控量與希望值接近的程度。也就是當系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后，被控量對希望值的偏差的大小。系統(tǒng)的這一性能指標稱為穩(wěn)態(tài)精度。當前第31頁\共有67頁\編于星期二\14點1.2計算機控制系統(tǒng)的一般構成

1.2.1一般概念

計算機控制系統(tǒng)的結構與前面介紹的反饋控制系統(tǒng)十分相似，只是將控制器由數(shù)字控制器來實現(xiàn)，如圖所示。給定量和反饋量都是二進制數(shù)，為了信號的匹配，計算機的輸入/輸出兩側分別帶有模/數(shù)(A/D)轉換器和數(shù)/模(D/A)轉換器：反饋量經(jīng)過模/數(shù)轉換器送入計算機，計算機接收了給定量和反饋量后，運用計算機中微處理器的各種指令，就能對該偏差值進行運算(如PID運算)，再經(jīng)過數(shù)/模轉換器輸出到執(zhí)行機構，便完成了對被控制量的控制作用。當前第32頁\共有67頁\編于星期二\14點

從本質上看，計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以歸納為以下四個方面：

(1)實時數(shù)據(jù)采集。對被控制量的瞬時值進行檢測，并且將采樣結果輸入到計算機。

(2)實時決策。對輸入的實時給定值與被控量的數(shù)值進行處理后，按照預先規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，則稱實時決策，或簡稱決策。

(3)實時控制。根據(jù)實時決策結果，適時地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號。

(4)信息管理。隨著網(wǎng)絡技術和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)之中。當前第33頁\共有67頁\編于星期二\14點

上述幾個過程不斷重復，使整個系統(tǒng)能按一定的動態(tài)(過渡過程)指標進行工作，且可對被控制量和設備本身所出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時進行監(jiān)督并迅速做出處理，這就是計算機控制系統(tǒng)最基本的功能。

控制過程中的實時概念，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間(采樣間隔)內(nèi)完成。如果計算機能夠在工藝要求的時間范圍內(nèi)及時對被控參數(shù)進行測量、計算和控制輸出，則稱為實時控制。實時控制的概念與工藝要求緊密相連，如快速變化的壓力對象的實時控制時間要比緩慢變化的溫度對象的實時控制時間短。當前第34頁\共有67頁\編于星期二\14點

采用計算機控制具有下述優(yōu)點：

(1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，比例、積分和微分系數(shù)可以單獨調(diào)節(jié)，而且可以在整個控制范圍內(nèi)實行多參數(shù)調(diào)節(jié)。

(2)使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設備的情況下逐步提高控制水平。

(3)具有增加控制回路而不會顯著地增加費用的特點，還可實現(xiàn)打印、制表、報警、顯示等附加功能。

模擬控制系統(tǒng)是連續(xù)控制系統(tǒng)，數(shù)學模型用微分方程描述

計算機控制系統(tǒng)是以分時方式對控制對象進行控制的，它以定時采樣和階段控制來代替常規(guī)調(diào)節(jié)裝置的連續(xù)檢測和連續(xù)控制，所以它是離散系統(tǒng)，數(shù)學模型用差分方程描述。離散系統(tǒng)是在連續(xù)系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。當前第35頁\共有67頁\編于星期二\14點

1.2.2計算機控制系統(tǒng)的組成

計算機控制系統(tǒng)包括計算機硬件設備、控制軟件和計算機通信網(wǎng)絡三大部分。硬件是指微機本身及其外圍設備，是微機控制系統(tǒng)的基礎；軟件是管理計算機的程序以及過程控制的應用程序，是微機控制系統(tǒng)的靈魂；計算機通信網(wǎng)絡則負責各個獨立的數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制單元之間進行數(shù)據(jù)信息交換。當前第36頁\共有67頁\編于星期二\14點

在各種計算機控制系統(tǒng)中，幾乎都是以微處理器為核心器件，因此計算機控制一般就是指微機控制系統(tǒng)。下面對微機控制系統(tǒng)各部分的功能進行說明。

1.硬件硬件由主機、接口電路及外圍設備組成。不同的系統(tǒng)，所需硬件也不同，一般可根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進行擴展。現(xiàn)已生產(chǎn)出具有各種功能的插件板或功能模塊，可用標準總線連接起來，使用非常方便，PC總線構成的各種工業(yè)控制計算機、可編程邏輯控制器(PLC)等即屬此類。當前第37頁\共有67頁\編于星期二\14點

1)計算機主機

主機由CPU和存儲器構成，是整個控制系統(tǒng)的指揮部。它自動地對系統(tǒng)的各種參數(shù)進行巡回檢測，通過過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預先安排的程序，進行信息處理、分析和計算，并作出相應的控制決策或調(diào)節(jié)，并且以信息的形式通過輸出通道及時發(fā)出有關的控制命令。當前第38頁\共有67頁\編于星期二\14點

2)接口與輸入/輸出通道在計算機和生產(chǎn)過程之間設置信息的傳遞和交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱過程通道，它是主機與被控對象進行信息交換的紐帶，是生產(chǎn)過程控制所特殊要求的。由于微機只能接收數(shù)字量，而一般的連續(xù)化生產(chǎn)過程大都是以模擬量為主，因此，為實現(xiàn)微機控制，還必須把模擬量變成數(shù)字量，或者把數(shù)字量變成

模擬量。過程通道一般可分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關量輸入通道和開關量輸出通道等。

當前第39頁\共有67頁\編于星期二\14點

過程通道是不能直接由主機控制的，必須由“接口”來傳送相應的信息和命令。計算機控制系統(tǒng)的接口，根據(jù)應用的不同，有各種不同的接口電路。這里講的接口是指通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口(包括中斷管理、直接存取DMA管理、計數(shù)/定時等)。工業(yè)接口卡按接口類型可分為PCI卡和ISA卡；按信號可分為：模擬量輸入和輸出卡、開關量輸入和輸出卡。當前第40頁\共有67頁\編于星期二\14點

3)通用外圍設備

通用外圍設備主要是為了擴大主機的功能而設置的，通用外圍設備可分為輸入設備、輸出設備和存儲設備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。

(1)常用的輸入設備有鍵盤、鼠標等，主要用來輸入程序、數(shù)據(jù)和命令等。

(2)常用的輸出設備有顯示器、打印機、記錄儀等。輸出設備將各種數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使其能夠了解過程控制的情況。

(3)存儲設備用來存儲數(shù)據(jù)庫和備份重要的數(shù)據(jù)，主要有磁盤、光盤等。當前第41頁\共有67頁\編于星期二\14點

4)檢測元件及儀表

工業(yè)對象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器(又稱一次儀表)變換為等效的電信號。在微機控制系統(tǒng)中，廣泛采用了各種檢測元件和儀表。

主要功能：把被檢測的參數(shù)由非電量轉換為電量，如熱電偶把溫度變成mV信號，壓力變送器把壓力變成電信號等。這些信號轉換成統(tǒng)一的微機標準電平后再送入微機。

為了控制生產(chǎn)過程，還需要有執(zhí)行機構。常用的執(zhí)行機構有電動、液動和氣動等形式。另外還有動力電機和控制電機。

當前第42頁\共有67頁\編于星期二\14點

5)操作臺

操作臺是人機對話的聯(lián)系紐帶。程序員使用它來輸入、修改和檢查程序。當主機硬件發(fā)生故障時，維修人員可以利用此設備判斷故障。生產(chǎn)過程的操作人員必須了解控制臺的使用細節(jié)，否則會引起嚴重后果。計算機控制系統(tǒng)的運行操作一般具有如下設備：屏幕或數(shù)字顯示器、一組簡單的開關、數(shù)字鍵和功能鍵等。當前第43頁\共有67頁\編于星期二\14點

2.軟件

軟件是指能完成各種功能的微機程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計算和自診斷程序等。因此，軟件是微機系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的動作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件的質量關系到計算機運行和控制效果的好壞，以及硬件功能是否能夠充分發(fā)揮和推廣應用。分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應用軟件和數(shù)據(jù)庫。當前第44頁\共有67頁\編于星期二\14點

3.計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構可以分為兩大類：一類稱為對等式網(wǎng)絡結構(Peertopeer)；另一類稱為客戶機/服務器結構(Client/Server)。這種分類主要是按照網(wǎng)絡各節(jié)點之間的關系確定的。我們將網(wǎng)絡上各個節(jié)點的功能分為若干層次，從硬件開始一層層向上，越往上越靠近具體的應用。層次劃分后，就可以定義低層(靠近硬件的層次)的功能是其上一層的Server，而上層的功能是其下一層功能的Client。當前第45頁\共有67頁\編于星期二\14點

如果在一個網(wǎng)絡中有兩個節(jié)點，這兩個節(jié)點中都具有從底層到高層的所有功能，那么這兩個節(jié)點是對等的，它們組成了一個Peertopeer結構的網(wǎng)絡。如果這兩個節(jié)點在功能層次上不同，就組成了一個Client/Server結構的網(wǎng)絡。

必須指出的是，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)——現(xiàn)場總線技術，是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一。現(xiàn)場總線技術使自控系統(tǒng)與分散的生產(chǎn)設備具有了通信能力，并把它們連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡的行列。當前第46頁\共有67頁\編于星期二\14點

1.2.3微機控制系統(tǒng)的分類

由于被控對象不同，工業(yè)生產(chǎn)過程及被測參數(shù)也千差萬別，因此由微機組成的控制系統(tǒng)也不盡相同。計算機控制系統(tǒng)分類的方法很多，可以按照系統(tǒng)的功能分類，也可以按照系統(tǒng)控制規(guī)律分類，還可以按照控制方式分類。當前第47頁\共有67頁\編于星期二\14點

1.按照功能對計算機控制系統(tǒng)分類

1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)

一個微機控制系統(tǒng)離不開數(shù)據(jù)的采集和處理。計算機在數(shù)據(jù)采集和處理時，主要是對大量的過程參數(shù)進行定時巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理、參數(shù)的越限報警及對大量數(shù)據(jù)進行積累和實時分析。下圖是微機數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)的典型框圖。當前第48頁\共有67頁\編于星期二\14點

計算機在過程參數(shù)的測量和記錄中可以代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對整個生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視。對大量的輸入數(shù)據(jù)進行必要的集中、加工和處理，可以預先存入各種工藝參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理過程中進行參數(shù)的越限報警等工作，或者按要求定時制表、打印或將數(shù)據(jù)處理的結果記錄在外存儲器中，作為資料保存和供分析使用。當前第49頁\共有67頁\編于星期二\14點

2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)

直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl)是計算機在工業(yè)應用中最普遍和最基本的一種方式。DDC系統(tǒng)中的計算機參加閉環(huán)控制過程，無需中間環(huán)節(jié)(調(diào)節(jié)器)。它用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，將檢測結果與設定值進行比較，再根據(jù)規(guī)定的PID規(guī)律、模糊邏輯規(guī)律或直接數(shù)字方法等進行控制運算，最后輸出到執(zhí)行機構對生產(chǎn)過程進行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。其系統(tǒng)原理如圖所示。當前第50頁\共有67頁\編于星期二\14點

優(yōu)點：計算機不僅完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，而且不需要改變硬件，只需要通過改變軟件就可以有效地實現(xiàn)較復雜的控制算法。

缺點：給定值是預先設定的，這個給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時修改，因此無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。

當前第51頁\共有67頁\編于星期二\14點3)微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)

監(jiān)督控制SCC(SupervisoryComputerControl)中，計算機根據(jù)工藝信息和其他參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其他方法，自動地改變模擬調(diào)節(jié)器或者DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(目標如：最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。從這個角度上說，它的作用是改變給定值，所以又稱給定值控制SPC(SetPointComputerControl)。當前第52頁\共有67頁\編于星期二\14點

SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，同時還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等.監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種典型的結構形式，如圖1―14所示。圖1―14SCC系統(tǒng)框圖當前第53頁\共有67頁\編于星期二\14點

(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器微機的作用是對各物理量進行巡回檢測并接收管理命令，然后，按照一定的數(shù)學模型計算后，輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計算后輸出到執(zhí)行機構，以達到調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的目的。這樣，系統(tǒng)就可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷地改變給定值，以達到實現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。當前第54頁\共有67頁\編于星期二\14點

(2)SCC+DDC系統(tǒng)

該系統(tǒng)為兩級微機控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級SCC，二級為DDC。SCC的作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計算最佳給定值，它與DDC之間通過接口進行信息聯(lián)系。直接數(shù)字控制器DDC用來把給定值與測量值(數(shù)字量)進行比較，其偏差由DDC進行數(shù)字計算，并實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構的調(diào)節(jié)控制作用。當DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC計算機完成DDC的控制功能。當前第55頁\共有67頁\編于星期二\14點

4)分級控制系統(tǒng)除了直接數(shù)字控制和監(jiān)督控制以外，還包含了工廠級集中監(jiān)督微機和企業(yè)級經(jīng)營管理微機。在企業(yè)經(jīng)營管理中，除了管理生產(chǎn)過程的控制，還具有生產(chǎn)管理、收集經(jīng)濟信息、計劃調(diào)度、產(chǎn)品訂貨和運輸?shù)裙δ?。圖1―15是一個分級控制系統(tǒng)的典型結構圖。當前第56頁\共有67頁\編于星期二\14點圖1―15分級控制系統(tǒng)框圖當前第57頁\共有67頁\編于星期二\14點

5)集散控制系統(tǒng)

20世紀70年代中期出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem,或稱分布式控制系統(tǒng))，采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡化的控制結構，靈活地將控制設備、服務器、基礎自動化單元等聯(lián)系在一起。從綜合自動化角度出發(fā)，按功能分散、危險分散、管理集中和應用靈活等原則進行設計，具有高可靠性能，便于維修與更新。該系統(tǒng)的典型結構圖如圖1―16所示。當前第58頁\共有67頁\編于星期二\14點

6)計算機控制網(wǎng)絡

由一臺中央計算機(CC)和若干臺衛(wèi)星計算機(SC)構成計算機網(wǎng)絡，中央計算機配置了齊全的各類外圍設備，各個衛(wèi)星計算機可以共享資源，網(wǎng)絡中的設備以及其他資源可以得到充分利用。。當前第59頁\共有67頁\編于星期二\14點

2.按照控制規(guī)律對計算機控制系統(tǒng)分類

1)程序控制和順序控制

程序控制是指被控量按照預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)，如加熱爐的溫度控制。

順序控制則可以看作是程序控制的擴展，在各個時期所給出的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果的邏輯判斷。

2)比例―積分―微分控制(簡稱PID控制)

調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制一直是應用最廣、最為廣大工程技術人員所熟悉的技術。PID控制結構簡單，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)都使用PID控制規(guī)律。當前第60頁\共有67頁\編于星期二\14點3)有限拍控制

有限拍控制的性能指標是調(diào)節(jié)時間最短，要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動系統(tǒng)中應用。4)復雜規(guī)律的控制

生產(chǎn)實踐中控制系統(tǒng)大量的隨機擾動,對于存在隨機擾動、純滯后對象以及多變量耦合的系統(tǒng)，僅用PID控制是難以達到滿意的性能指標的，因此，針對生產(chǎn)過程的實際情況可以引進各種復雜規(guī)律的控制，例如，串級控制，前饋控制，純滯后補償控制，多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應、自學習控制等。當前第61頁\共有67頁\編于星期二\14點