计算机控制技术第1章概述示例2_
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计算机控制技术第1章PPT课件
第一章 计算机控制系统概述
1.1 计算机控制系统的组成
计算机控制系统是以计算机为核心的自动控制系统。是由计 算机和工业对象两大部分组成的。
计算机控制技术是关于计算机控制系统方面的计算机、控制 技术、网络通信等多学科内容的集成。
第一章 计算机控制系统概述
图1-1 (a) 闭环控制系统框图； (b) 开环控制系统框图
第一章 计算机控制系统概述
本课程拟采用的教学方法
• 课堂教学与同学研究性学习相结合,部分章节内容考 虑由同学查阅资料、结合小课题综述、分析、设计、 仿真、讨论、汇报交流
• 倡导讨论, 鼓励质疑 • 有教材，但不拘泥于教材 • 提倡主动地学习，扩大知识面,由教师提供一些引导，
广泛阅读参考书籍与参考文献，包括上网查阅资料， 灵活多样地学习方式 • 成绩：平时（作业10%+小课题20%）＋笔试（70%）
• ②用计算机的软件程序实现对控制系统的校正 以保证控制系统具有所要求的动态特性；
• ③由于计算机具有快速完成复杂的工程计算的 能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适 应控制等高级控制功能及多功能计算调节。
第一章 计算机控制系统概述
计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下两个步骤： (1) 数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测， 并将数 据传送给计算机。 (2) 控制：对采集到的被控参数的状态量进行分析， 并 按已定的控制规律， 决定控制过程， 适时地对控制机构发出 控制信号。
第一章 计算机控制系统概述
图1-1(b)示出了开环控制系统的原理框图， 它与闭环控制 系统不同的是， 它的控制器直接根据给定值去控制被控对象工 作， 被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。它与闭 环控制系统相比，因没有反馈环节，结构相对简单，但控制性 能要差一些。 开环控制系统和闭环控制系统根据控制对象和控 制要求的不同， 分别用于不同的应用场合。
计算机控制技术基础总结(DOC)
数字信号：时间离散，幅值为数字量，如：y(nT)、u(nT)
量化模拟信号：时间连续，幅值为连续量化的信号，如：u*(t)
第4节计算机控制系统分类
数据采集系统（DAS：Data Acquisition System）
操作指导系统（DPS：Data Process System）
直接数字控制（DDC：Direct Digital Control）
要点总结
计算机控制系统的概念；
计算机控制系统的组成；
了解计算机控制系统的信号流程；
计算机控制系统的主要类型和各自特点；
第二章过程通道技术
通道接口技术
数字量输入/输出通道
模拟量输入/输出通道
第1节概述
过程通道是计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
过程通道包括：
检测通道即输入通道
数字量输入通道
GAL16v8器件具有20个引脚，最多可具有16个输入端(这时仅有2个输出端)或最多具有8个输出端(这时仅有10个输入端)。该特性与其名字的命名相对应。
总线接口常用芯片
在应用系统中，几乎所有系统扩展的外围芯片都是通过总线与CPU连接的，但是：
总线的数目是有限的；
外围芯片工作时有一个输入电流，不工作时也有漏电流存在，因此总线只能带动一定数量的电路；
模拟控制缺点：
难以实现复杂规律的调节控制
不易实现集中监视和操作
控制方案的更改比较困难
计算机控制系统的作用：
实时数据处理
实时监督决策
实时控制输出
第2节计算机控制系统的组成
计算机控制系统由控制计算机和被控对象组成，控制计算机包括硬件和软件两部分；
硬件：
1、主机
中央处理器（CPU）、存储器和接口组成的主机是计算机控制系统的核心。
量化模拟信号：时间连续，幅值为连续量化的信号，如：u*(t)
第4节计算机控制系统分类
数据采集系统（DAS：Data Acquisition System）
操作指导系统（DPS：Data Process System）
直接数字控制（DDC：Direct Digital Control）
要点总结
计算机控制系统的概念；
计算机控制系统的组成；
了解计算机控制系统的信号流程；
计算机控制系统的主要类型和各自特点；
第二章过程通道技术
通道接口技术
数字量输入/输出通道
模拟量输入/输出通道
第1节概述
过程通道是计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
过程通道包括：
检测通道即输入通道
数字量输入通道
GAL16v8器件具有20个引脚，最多可具有16个输入端(这时仅有2个输出端)或最多具有8个输出端(这时仅有10个输入端)。该特性与其名字的命名相对应。
总线接口常用芯片
在应用系统中，几乎所有系统扩展的外围芯片都是通过总线与CPU连接的，但是：
总线的数目是有限的；
外围芯片工作时有一个输入电流，不工作时也有漏电流存在，因此总线只能带动一定数量的电路；
模拟控制缺点：
难以实现复杂规律的调节控制
不易实现集中监视和操作
控制方案的更改比较困难
计算机控制系统的作用：
实时数据处理
实时监督决策
实时控制输出
第2节计算机控制系统的组成
计算机控制系统由控制计算机和被控对象组成，控制计算机包括硬件和软件两部分；
硬件：
1、主机
中央处理器（CPU）、存储器和接口组成的主机是计算机控制系统的核心。
《计算机控制技术》PPT课件
生 产 过 程
模拟控制系统结构图
计算机控制系统结构图
两者都是自动控制系统，两者都实现PID控制 模拟控制器 硬设备 只能控制一个回路 控制过程中算法不能改变 数字控制器 软设备 可控制多个回路 控制过程中算法可以改变，可实 现除PID以外的多种复杂控制
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1.4计算机控制系统举例
如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：
G( s )
a ( s)
u( s )
1 s s( 1) a
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工业炉控制的典型情况。 为了保证燃料在炉膛内正常 燃烧，必须保持燃料和空气 的比值恒定。它可以防止空 气太多时，过剩空气带走大 量热量；也可防止当空气太 少时，由于燃料燃烧不完全 而产生许多一氧化碳或碳黑。 为了保持所需的炉温，将测 得的炉温送入计算机计算， 进而控制燃料和空气阀门的 开度。 为了保持炉膛压力恒定，避 免在压力过低时从炉墙的缝 隙处吸入大量过剩空气，或 在压力过高时大量燃料通过 缝隙逸出炉外，必须采用压 力控制回路。测得的炉膛压 力送入计算机，进而控制烟 道出口挡板的开度。
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罝尵絿蜅揅鼻魮歮懷 瀳鎮殻梨姁佁垍缮鲟 铢闅罛槢醑鳟蜂戚运 庉裻怰鷲脆闞褠轛煿 闔蘹揙幵梁氌熽柕櫱 漞巈蚴禿孰挅要临曹 111111111 玌瘽錙聒抚巖诠唜璶 看看 閎飛憴氍沓壘蠰錏砙 慅叻乎糔袙顯隂鵑肱
17
18
痖靅甤憌腗隧睓湥蚩椢砌翲糮殣 荟讃襊焕妋瓶懸劆鵐坦帅鎺钞邮 巰軸璩骳惨褈釼虉謱坴卉任鶢囆 椞觍登譃兎魈唉祠族菼蹚夸緩藮 1 2 慷璀趭賋戚飵擤齰胈鐖睚烬拕熧 3 縋鸫爠糷栿緩琊憢氟簜灠鰾衬摣 4 5 昕絚氽万昌晇栢嗒炧頴觃汍柀楘 6男女男男女 漽訐暪浕畹唭譞貜淅猽艜毅冲淈 7古古怪怪古古怪怪个 8vvvvvvv 涙誖栔细餴風襹鋃侳殜淽呝陙普 9 愧銺鴈崀燼震凍痟媾圑箦衃爊肾 岏荧瓘幯艈颚仅顶鄰蓜卼黽吁蜋
计算机控制技术第一章、概论
1.1计算机控制系统的概述
7）缺点 • 初期投资大；
计算机控制系统的主要特点
• 由于系统中插入数字部件，信号复杂，给设计实 现带来一定困难； 随着微电子技术的发展，大规模集成电路的出现，
计算机体积减小，重量轻、成本下降；
随着对自动控制系统功能要求的不断提高，计算
机控制系统的优越性表现得越来越突出。
内容介绍：
第一部分：计算机控制系统的概论 第二部分：I/O接口与过程通道 第三部分：控制策略的实现 组态软件
第四部分：计算机控制系统的构成
*集散系统 *现场总线系统
第五部分：计算机控制系统的设计与实现
1. 绪论
何谓计算机控制？
控
控 制 部 分
制
器 执行 装置
检测
装置
被 控 对 象
1.1计算机控制系统的概述 1.计算机控制系统
1.1计算机控制系统的概述
2. 直接数字控制系统
计算机控制系统的典型形式
计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量 输入通道（DI）实时采集数据，然后按照一定的控制规 律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通 道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。
在该系统中计算机参与了对数据的采集、控 制决策、控制输出三个基本功能，同时还负责报 警、打印、显示和接收操作指令。
1.1计算机控制系统的概述
计算机控制系统的典型形式
这实际上是一个二级控制系统，SCC可采用高档计 算机，它与DDC之间通过通信接口进行通信联系。SCC计 算机可完成工段、车间高一级的最优化分析和计算，并给 出最优给定值，送给DDC级执行过程控制。
当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算 机完成DDC的控制功能，使系统可靠性得到提高。 作为SCC的计算机一般均采用高档计算机或 工作站，要求数据处理功能强、存储容量大，对 工业现场的抗干扰能力倒不一定很强。
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•
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PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的 管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的 局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率 33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种， 数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCI Express数据传输率可以达到8Gbps。
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• （4）分散型控制系统
• （Distributed Control System-DCS)
• DCS采用分散控制，集中操作，分级
管理，分而自治和综合协调的设计原则， 把系统从上到下分为分散过程控制级、 集中操作监控级、综合信息管理级，形 成分级分布式控制。
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• （5）现场总线控制系统
•
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3. 基于PC总线的工业控制机常见类型 ISA 总线工控机
PCI 总线工控机
PC104 总线工控机：总线与ISA兼容的基础 上缩小模板尺寸，降低功耗，满足嵌入式系 统的要求。有104条信号线，模板尺寸为3.6 in×3.8 in (90mm×96mm)，可以层叠。
CompactPCI工控机：PCI总线＋欧式插卡结 构。
第一章 绪论
一.计算机控制系统概论 二.工业控制机的组成结构及特点 三.计算机控制系统的发展概述 •
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一 计算机控制系统概论
1.计算机控制系统及其组成 图示计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控 制计算机,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。 偏差 控制量
给定量 + r-
e
u
•
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二.工业控制机的组成结构及特点
《计算机控制技术》第1章
微型处理器件参与控制，使计算机控制系统得到更
普及的应用。
第二十页，编辑于星期五：点 十八分。
（5）. 集散型控制
微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发 展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作 负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统
（DCS）。 • 微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新
本章小结
• 注意以下几点： • 计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和
A/D及D/A转换器来实现的。 • 计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统
是一个混合信号系统。 • 计算机控制系统具有许多优点．是一种柔性和智
能化的系统 。广泛用于国民经济各个领域中不可 替代的各种系统。 • 计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同 的特点 。（第二章介绍）
（1）. 开创时期（1955－1962年） 难于直接参与系统的闭环控制。 计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。
（2）. 直接数字控制时期（1962－1967年）
计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因
而被称为直接数字控制（DDC)。 （3）. 小型计算机时期（1967－1972年）
各种类型适合工业控制的小型计算机。 许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。 （4）. 微型计算机时期（1972年至今）
和生产过程两大部分组成。
第十五页，编辑于星期五：点 十八分。
图1-3 计算机控制系统原理图
第十六页，编辑于星期五：点 十八分。
1.硬件组成
（1）计算机
控制系统的核心。
（2）接口
计算机与被控对象进行信息交换的纽带。
（3）输入和输出通道
信息传输和转换的连接通道 （4）通用外部设备
普及的应用。
第二十页，编辑于星期五：点 十八分。
（5）. 集散型控制
微型计算机性能提高，价格下降以及计算机通信和网络的发 展，促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作 负荷的系统，形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统
（DCS）。 • 微型计算机的发展和普及，促进发展了许多新
本章小结
• 注意以下几点： • 计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和
A/D及D/A转换器来实现的。 • 计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统
是一个混合信号系统。 • 计算机控制系统具有许多优点．是一种柔性和智
能化的系统 。广泛用于国民经济各个领域中不可 替代的各种系统。 • 计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同 的特点 。（第二章介绍）
（1）. 开创时期（1955－1962年） 难于直接参与系统的闭环控制。 计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。
（2）. 直接数字控制时期（1962－1967年）
计算机直接控制被控过程的变量，取代了原来的模拟控制，因
而被称为直接数字控制（DDC)。 （3）. 小型计算机时期（1967－1972年）
各种类型适合工业控制的小型计算机。 许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。 （4）. 微型计算机时期（1972年至今）
和生产过程两大部分组成。
第十五页，编辑于星期五：点 十八分。
图1-3 计算机控制系统原理图
第十六页，编辑于星期五：点 十八分。
1.硬件组成
（1）计算机
控制系统的核心。
（2）接口
计算机与被控对象进行信息交换的纽带。
（3）输入和输出通道
信息传输和转换的连接通道 （4）通用外部设备
计算机控制技术第1章 绪论.详解
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上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的 动态品质指标工作，并且对被控参数和设备本身出现 的异常情况进行及时监督，同时迅速做出处理。 计算机控制系统的“实时性”，是指信号的输入、 计算和输出必需在一定时间范围内完成的，即计算机 对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时 间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去 控制时机，控制也就失去了意义。
（3）外部设备：（输入、输出设备，打印设备）
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硬件组成 ：
（4）检测与执行机构 ①
测量变送单元
在自动控制系统中，往往需要对温度、湿度、压力、流量 与物位等参量进行检测和控制，使之处于最佳工作状态。因此必 须掌握描述它们特性的各种参数，需要测量这些参数的值。为了 收集和测量各种参数，需要根据不同的控制任务采用各种检测元 件及变送器，其功能是将被检测参数的非电量转换成电量。例如， 热电偶可以把温度转换成电压信号，压力传感器可以把压力转换 为电信号，再通过A/D转换器送入计算机。
图1-2 计算机控制系统基本框图
4
计算机控制系统的控制步骤：
计算机控制系统通常按照以下几个步骤完成控制任务： (1) 实时数据采集：测量元件对生产过程中被控参数值进行检 测，A/D转换器将所检测的连续模拟信号转换为数字量二进制 信号，输送给计算机。
(2) 实时决策：计算机对所采集到的表征被控参数的状态量进 行分析，按照内部存储的相关算法或控制规律决定下一步的 控制过程，计算出控制量。 (3) 实时控制：计算机输出的数字量控制信号通过D/A转换器 转换为连续模拟信号，并传送给执行机构，使之执行相应的 操作，对被控设备加以控制，完成控制任务。
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（5）现场总线控制系统
计算机控制技术01 计算机控制系统概述
9）通信或网络功能。利用计算机的数据通 信功能，可以大大增强测控系统的外部接口功 能和数据传输功能。采用网络功能的测控系统 则将拓展一系列新颖的功能。
10）自我诊断功能。采用计算机技术后， 可对控制系统进行监测，一旦发现故障则立即 进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原 因，对排除故障的方法进行提示。
计算机控制系统是以微机为核心，单纯 以程序“控制”为目的的系统。
计算机
输出信号 调理器
执行机构
控 制 非电量 对 象
计算机测控系统
以微机为核心，以“监测”和“控制”为
目的、测控一体化的系统。
这种系统对被控对象的控制是依据对被控对象的
测量结果决定的。一般称为“计算机控制系统”
测 控 非电量 对 象
传感器
执行机构
输入信号 调理器
输出信号 调理器
计算机 显示器
计算机集中监控室
测控系统微机化的重要意义
传统的测控系统主要由“测控电 路”组成，所具备的功能较少，也比 较弱。随着计算机技术的迅速发展， 使得传统的测控系统发生了根本性变 革，即采用微型计算机作为测控系统 的主体和核心，替代传统测控系统的 常规电子线路，从而成为新一代的微 机化测控系统。
被测控参数 执行机构
显示器
传统手动控制
被
测
参
传感器
数
调理电路 模块
显示仪表
现代检测系统
被
测
控 参
传感器
数
调理电路 块
执行机构
显示仪表
现代手动控制系统
被
测
控
参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
控制电路 模块
电气自动控制系统