计算机控制技术第一章 概述
第一章 计算机控制技术
r
D/A
执行机构
被控对象
被控量 y
几个概念
• 控制器：计算机 控制器： • 被控对象：物理对象（模拟对象） 被控对象：物理对象（模拟对象） • •
对象的状态变化是时间的连续函数 执行机构：接受DA输出的控制量 输出的控制量， 执行机构：接受DA输出的控制量，并作用于被 控对象 测量变送：将被控量y转化成AD转换器能接受的 测量变送：将被控量y转化成AD转换器能接受的 信号 制系统中的计算机 被控对象之间的信息传递必 制系统中的计算机和被控对象之间的信息传递必 计算机和 须经由AD转换器和 转换器完成 转换器和DA转换器完成。 须经由AD转换器和DA转换器完成。
• 2. 是。不在线肯定不能满足实时性。 不在线肯定不能满足实时性。
二、计算机控制系统的组成
• 简单讲，计算机控制系统是由控制计算机 简单讲，计算机控制系统是由控制计算机
和生产过程两大部分组成的。 生产过程两大部分组成的。 两大部分组成的 • 控制计算机是核心装置，是系统中信号处 控制计算机是核心装置 是核心装置， 理和决策的机构，相当于神经中枢。 理和决策的机构，相当于神经中枢。 • 生产过程包含了被控对象、执行机构、测 生产过程包含了被控对象 执行机构、 包含了被控对象、 量变送等装置。 量变送等装置。 计算机控制系统和一般计算机一样，是由硬 计算机控制系统和一般计算机一样，是由硬 件和软件两部分组成的 两部分组成的。 件和软件两部分组成的。
注：计算机本身只能接受数字量，所以计算机控 计算机本身只能接受数字量，
• 2 计算机控制系统的工作过程 • （1）实时数据采集 对来自测量变送装 实时数据采集：对来自测量变送装 实时数据采集
第一章 计算机控制系统绪论new
计算机控制系统
教材及参考书 《计算机工业控制》杨劲松 《现场总线控制》周明 《计算机控制系统》吴坚
中国电力出版社 中国电力出版社 武汉理工大学出版社
制造与自动化技术，能源技术，资源与环境技术 介入：课题申请指南，探索性强专题，以增强集成
创新能力和形成战略产品原型或技术系统为目标的 项目
2、学科地位与现实意义
(2)本课程在专业培养中的地位
“计算机控制系统”(计算机测控技术)是 自动化专业的一门主要专业课,课程涉及 面很广,知识集成度高,可以说其浓缩了自 动化专业的知识精华,在专业课程体系中 具有承上启下的作用，在专业课程体系 中起到中流砥柱的核心地位。
学好本课程的意义（2）
(2)知识体系：“计算机控制系统息[Information]
＋
控制[Control]；
＋
系统[System]！
（计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段 和工具）；
学好本课程的意义（3）
(3) 在专业培养中的地位：如前所述， “计算机控制系统”是自动化专业的一 门主要专业课,课程涉及面很广,知识集成 度高,可以说其浓缩了自动化专业的知识 精华,在专业课程体系中具有承上启下的 作用，在专业课程体系中起到中流砥柱 的核心地位。
计算机控制系统
(计算机测控技术)
1、课程体系结构与技术要点
前言
（1）计算机控制系统的理论、方法。
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
第一章 计算机控制系统概述
第一章计算机控制系统概述§1．1概述随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。
近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。
本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。
1．1．1计算机控制技术研究的内容及特点1、研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。
2、主要的特点：1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等4）理论与实践相结合5）实用性强6）应用广泛等1．1．2计算机控制技术这门课所应用到的技术：计算机技术、自动控制技术、微电子技术、信息处理技术、检测与传感技术、通信与网络技术、CRT显示技术等等1．1．3计算机控制技术的现状与发展趋势计算机控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分1．1．4目前，计算机控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
一、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流二、PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展三、面向测控管一体化设计的DCS系统四、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展六、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展七、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展八、工业控制软件正向先进控制方向发展► 1.2. 计算机控制系统的组成► 1.3 计算机控制系统分类► 1.4 计算机控制系统中的计算机► 1.5 微型计算机控制系统的发展趋势§1.2 计算机控制系统的组成★自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
第一章 计算机控制系统概述
3.按照控制方式分类
按照控制方式的不同，计算机控制系统 可分为开环控制系统和闭环控制系统。
第三节 计算机控制系统中的计算机
（1）一台SCC计算机可监督多台DDC或模拟调节器， 而一台DDC可控制多个回路和参数，使多台DDC或模拟调节 器能协调工作。
（2）当系统中模拟调节器或DDC控制器出了故障，可 用SCC系统代替调节器进行调节，提高了系统的可靠性。
四、集散控制系统
集散控制系统（Total Distributed Control—TDC） 也称为分布式控制系统或分散式控制系统（Distributed Control System—DCS），采用了分散控制、集中操作、 分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，形成具有层 次化体系结构的分级分布式控制。
③实时控制输出：根据控制决策，适时地 对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
计算机 控制系统
硬件：计算机、接口电路、外围 设备和生产对象等组成。
软件：系统程序和应用程序
一、计算机控制系统的硬件组成
主机
过程通道
硬件
I/O接口 常用外部设备
操作控制台
计算机控制系统的硬件组成
1 .主机
主机，即我们说的计算机，是整个系统的核心部分， 它的功能、性能直接影响到系统的优劣。 单片机 PLC 工业PC
PROFIBUS (process field bus 过程现场总线)
HATR总线（可寻址远程传感器数据网络）
FF总线（基金会现场总线）
2.按照控制规律分类
（1）数字程序和顺序控制 （2）比例积分微分控制（PID控制） （3）最小拍控制 （4）复杂规律的控制 （5）智能控制 ……
（1）程序和顺序控制
PID控制是现在应用最广、最为广大工程 技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参 数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数 字调节器，多数使用PID调节规律。
《计算机控制技术》课程教学大纲
计算机控制技术课程教学大纲Techno1ogyofMicrocomputercontro1学时数：40其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业或其它相关专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化类各专业的“主干专业课程”，属工程技术类课程。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识，以及基本的应用技术。
并具备独立设计计算机控制系统的能力，为今后从事工业自动化方面的工作打下一个基础。
二、课程教学的基本要求（一）熟练掌握计算机控制系统的组成与接口技术；（二）掌握和理解计算机控制系统的常用控制算法；（H）熟练掌握计算机控制系统的设计方法和实现过程；（四）了解计算机控制技术的发展趋势及前沿课题。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章微型计算机控制系统概述（4学时）基本内容：计算机控制系统的概念、组成，计算机控制系统的分类以及发展。
基本要求：1、熟悉微机控制系统的组成（硬件结构和软件组成）。
2、了解微机控制技术的发展趋势。
重点：计算机控制系统的发展概况。
难点：计算机控制系统的分类。
第二章计算机控制系统的过程通道接口技术（6学时）基本内容：数字量输入、输出通道的设计，模拟量输入通道的设计，模拟量输出通道的设计。
基本要求：1、掌握模拟量输入、输出通道的设计。
2、掌握数字量输入、输出通道的设计。
3、了解过程通道的结构形式。
能够根据控制系统要求选择输入输出通道中所用到的各种器件，掌握工作原理和使用方法。
能正确地绘制出系统的硬件电路原理图。
重点：采样/保持器、D/A转换器、A/D转换器接口设计难点：采样定理与数据采集第三章人机交互接口技术（4学时）基本内容：人机交互输入接口技术，人机交互输出接口技术。
基本要求：1、掌握常用键盘和常用1ED显示器的工作原理及接口设计方法。
2、能够根据控制系统要求正确的设计出键盘和显示器的接口电路，以及接口程序设计。
《计算机控制技术》教学大纲
《计算机控制技术》课程标准（执笔人：韦庆审阅学院：机电工程与自动化学院）课程编号：0811305英文名称：Computer Control Techniques预修课程：计算机硬件技术基础B、自动控制原理B、现代控制理论学时安排：36学时，其中讲授32学时，实践4学时。
学分：2一、课程概述（一）课程性质地位本课程作为《自动控制理论》的后续课程，是控制科学与工程、机械工程及其自动化和仿真工程专业本科学员理解和掌握计算机控制系统设计的技术基础课。
（二）课程基本理念本课程作为一门理论与工程实践结合紧密的技术基础课，结合自动控制原理技术、微机接口技术，以学员掌握现代化武器装备为目的。
本课程既注重理论教学，也注重教学过程中的案例实践教学环节，使学员在掌握基本理论的基础上，通过了解相关实际系统组成，综合培养解决工程实际问题的能力。
（三）课程设计思路本课程主要包括计算机控制原理和计算机控制系统设计两大部分。
在学员理解掌握自动控制原理的基础上，计算机控制原理部分主要介绍了离散系统的数学分析基础、离散系统的稳定性分析、离散系统控制器的分析设计方法等内容；计算机控制系统设计部分结合实际的项目案例，重点介绍了计算机控制系统的组成、设计方法和步骤、计算机控制原理技术的应用等内容。
二、课程目标（一）知识与技能通过本课程的学习，学员应该了解计算机控制系统的组成，理解计算机控制系统所涉及的采样理论，掌握离散控制系统稳定性分析判断方法，掌握离散控制系统模拟化、数字化设计的理论及方法，掌握一定的解决工程实际问题的能力。
（二）过程与方法通过本课程的学习和实际系统的演示教学，学员应了解工程实际问题的解决方法、步骤和过程，增强积极参与我军高技术武器装备建设的信心。
（三）情感态度与价值观通过本课程的学习，学员应能够提高对计算机控制技术在高技术武器装备中应用的认同感，激发对自动化武器装备技术的求知欲，关注高技术武器装备技术的新发展，增强提高我军高技术武器水平的使命感和责任感。
计算机控制技术基础知识复习
计算机控制技术基础知识复习第一章绪论自动控制系统：在没有人参与的状况下，经过控制器使消费进程自动地依照预定规律运转的系统。
开环控制系统：指无被控量反应的控制系统，即需求控制的是被控对象的某一量，而测量的只是给定信号，被控量关于控制造用没有任何影响的系统。
闭环控制系统：指有被被控量反应的控制系统，即系统的输入信号沿反应通道又回到系统的输入端，构成闭合通道的系统。
典型工业消费进程：延续进程〔流体〕、团圆进程〔固体〕、批量进程〔延续进程和团圆进程交替停止〕。
计算机控制系统：应用计算机〔通常称为工业控制计算机，简称工业控制机〕来完成消费进程自动控制的系统。
计算机控制系统的组成：计算机〔工业控制机〕和消费进程。
工业控制机是指按消费进程控制的特点和要求而设计的计算机，包括硬件和软件。
硬件包括主机板、外部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通讯接口、输入输入通道。
软件包括系统软件和运用软件，系统软件包括实时多义务操作系统、引导顺序、调度执行顺序，运用软件是系统设计人员针对某个消费进程而编制的控制和管理顺序，包括进程输入顺序、进程控制顺序、进程输入顺序、人机接口顺序、打印显示顺序和公共子顺序等。
消费进程包括被控对象和测质变送、执行机构、电气开关等装置。
计算机控制系统的任务原理：①实时数据采集：对来自测质变送装置的被控量的瞬时值停止检测和输入。
②实时控制决策：对采集到的被控量停止剖析和处置，并按已定的控制规律，决议将要采取的控制行为。
③实时控制输入：依据控制决策，适时地对执行机构收回控制信号，完成控制义务。
计算机控制系统的任务进程：测量、计算、控制、管理。
在线方式：消费进程和计算机直接衔接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；离线方式：消费进程和睦计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人停止联络并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。
实时：指信号的输入、计算和输入都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度停止控制，超出了这个时间，就失掉了控制的机遇，控制也就失掉了意义。
微型计算机控制技术_第1章 [兼容模式]
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《计算机控制技术》
1.2 计算机控制系统的典型形式
1.2.1 操作指导控制系统
优点是结构简单，控制灵活和安全。 缺点是要由人工操作，开环结构，控制的实时性差，不能 控制多个对象。
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《计算机控制技术》
1.2.2 直接数字控制（DDC）系统
闭环结构，控制的实时性好，可以控制多个回路或对象。
《计算机控制技术》
1.1.2 计算机控制系统的组成
计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分 组成。
1.工业控制机 （1）硬件组成： （2）软件组成: 系统软件；应用软件。 2.生产过程
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《计算机控制技术》
1.1.3 常用的计算机控制系统主机 1. 2. 3. 4. 5. 可编程序控制器（PLC） 工控机（IPC） 单片机 DSP 智能调节器
《计算机控制技术》
RS-232C信号状态 状态 逻辑状态 信号条件 功能 -15V＜V1＜-5V 1 传号（MARK） OFF +5V＜V1＜+15V 0 空号（SPACE） ON
RS-232C电平转换及接口电路
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《计算机控制技术》
2）USB串行通信总线
（1）具有热插拔功能 （2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备 （3）适用于低速外设连接
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《计算机控制技术》
3）PCI总线信号定义
主控设备49条，目标设备 47条，可选引脚 51条（主要 用于64位扩展、中断请求、高 速缓存支持等），总引脚数 120条（包含电源、地、保留 引脚等）。
4）Compact PCI总线
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《计算机控制技术》
2 外部总线
1）RS-232串行通信总线
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第二节 计算机控制理论的产生
一、控制系统的分类 • 连续控制系统 • 离散控制系统 • 采样控制系统 • 数字控制系统
二、计算机控制系统的特点
计算机控制系统的主要特点： 计算机控制系统的主要特点： • 结构上
模拟和数字部件的混合系统
• 信号形式上
连续模拟信号 离散模拟信号 离散数字信号
• 工作方式上的特点
分散控制分散控制-集中管理
计算机控制系统的工程实现
A/D、 1、信号的转换 A/D、D/A 2、采样周期的选择 如何选择， 如何选择，选择不当的后果 3、计算机字长的选择－精度 计算机字长的选择－ 4、比例因子与工程量的处理 5、计算机控制系统的抗干扰问题 6、控制算法与执行机构匹配问题
主要教学内容
• 计算机控制系统中的信号分析 • 计算机控制系统的数学描述 • 计算机控制系统的分析 稳定性分析，稳态误差分析，时域响应特性分析 稳定性分析，稳态误差分析， • 计算机控制系统的设计方法 经典设计方法，状态空间设计方法， 经典设计方法，状态空间设计方法，智能化设计 • 计算机控制系统的工程实现
计算机控制技术
于微波
2010年7月 年 月
主要参考书
• 《计算机控制系统》 高金源 清华大学出版 计算机控制系统》 社 2007年 年 • 《计算机控制基础》（第2版）李嗣福 中国 计算机控制基础》 版 科学技术大学出版社 2006年 年 • 《计算机控制理论及应用》（第2版） 孙增 计算机控制理论及应用》 版 圻 清华大学出版社 2008年 年
计算机控制系统涉及的知识
• 自动控制理论（分析、设计） 分析、设计） 控制论、 控制论、控制律
• 连续系统控制论（时间域，s域，频率域） 连续系统控制论（时间域， 域 频率域） • 离散系统控制论（时间域， s域，z域，频率域） 离散系统控制论（时间域， 域 域 频率域）
• 数字计算机（工程实现） 工程实现） 控制器、接口、 控制器、接口、通讯
第一章 计算机控制导论
第一节 计算机在控制领域中的应用
• 计算机辅助控制系统设计（CACSD） 计算机辅助控制系统设计（CACSD） 利用计算机帮助工程设计人员对控 制系统进行分析，设计， 制系统进行分析，设计，仿真及建 模等工作。 模等工作。 • 计算机控制系统 理利用计算机代替常规的模拟控制 器，使它成为控制系统的一个组成 部分。 部分。
一台微机可实现多个控制器
第三节 计算机控制系统的优点
火炮模拟控制系统
指令 滤波器 误差 e 控制 控制器 u 执行放大 机构 被控对象 模拟输出 测量装置
火炮数字控制系统
控制器 指令 A/D转换器 转换器 误差 e D/A 控制 执行放大 u 机构 转换器 A/D转换器 转换器 测量装置 被控对象
光电二极管
A/D
计算机
D/A
马达
太阳能 收集器
太阳能收集器伺服系统
二、飞行控制中的应用
数字式飞行控制系统
三、过程控制中的应用
控制用 计算机系统 数据采 集装置 显示 运行记录 运行指示 报警 设定值 测量装置 及比较器 控制器 被控对象 操 作 员
输入
输出
1、数据处理与系统监视
2、直接数字控制系统 DDC
计算机控制系统的优点与问题
• 优点： 优点：
*计算机功能强 计算机功能强——编程实现复杂的控制律， 编程实现复杂的控制律， 计算机功能强 编程实现复杂的控制律 便于修改 *精度高—— 数字部件位数高，精度可达10－70， 数字部件位数高， 精度高 模拟部件仅有10 模拟部件仅有10－2 记忆力强——可存储大量信息 *记忆力强 可存储大量信息 灵活、适应性强——自学习功能，推理 自学习功能， *灵活、适应性强 自学习功能
模拟 输出
模拟系统与计算机控制系统的比较
模拟控制系统
被控对象—— 被控对象 结 构 控 —— —— — A/D D/A
பைடு நூலகம்
计算机控制系统
计算机控制系统与连续系统比较
连续控制系统 计算机控制系统
结构： 模拟部件 模拟部件、数字部件 模拟部件、 多种信号形式 有计算延时 综合控制管理 分时、分层次 信号形式： 连续模拟信号 传递速度： 瞬时传递 工作方式： 各回路独立 单一任务
DDC：Direct Digital Control ：
CRT 打印机 报警 操作台
计 算 机
输入通道 (AI,DI)
输出通道 (AO,DO)
生 产 过 程
3、模铸与连铸工艺流程
模铸 钢水 连铸 连铸机 钢锭 加热炉 开坯轧机 钢坯
连铸机计算机控制系统示意图
4、分布式计算机控制与管理
5、现场总线控制系统
• 问题： 问题：
*误差：量化误差（二进制数） 误差：量化误差（二进制数） 误差 计算延迟：串行运算、 *计算延迟：串行运算、实现复杂的控制律延 迟大
第四节 计算机控制的应用举例
一、伺服系统中的应用
——太阳能收集器控制系统
太阳能 太阳能 收集器 加热器 汽轮机 发电机 电能
能量转换系统框图
R1 R2