计算机控制原理与技术课件：第1章 计算机控制系统概述
计算机控制系统1PPT课件
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实验装置 -3
• 加热反应器
– 开环不稳 定的对象
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
11
实验 装置 -4
• 非线性 液位对 象
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
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实验 装置 机房
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
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1-1-1 概述（1）
生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的 方式称为在线方式或联机方式；
生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。
②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的 速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的信号形式
y(t)
y*(t)
y(kT)
u(kT) u*(kT)
u(t)
采样器
A/D
计算机
D/A
保持器
• 连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 y(t)、u(t) • 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t) • 连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内
27.09.2020
第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
第一节 Unit 1 计算机控制系统的一般概念 Introduction of Computer Control System
27.09.2020
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本节主要内容
• 计算机控制系统的概述 • 计算机控制系统的信号特点 • 计算机控制系统的组成 • 计算机控制系统的经济效益
计算机控制理论基础课件
线性系统的性质
线性系统具有齐次性和可 加性，即系统的输出与输 入的倍数关系保持不变。
线性系统的建模
通过数学模型描述线性系 统的动态行为，常用的数 学模型有微分方程、传递 函数等。
状态空间分析法
状态空间的概念
状态空间是用来描述动态系统内部状态变化的一种方法，通过状态 变量和输入、输出变量来描述系统的动态行为。
状态方程的建立
根据系统的数学模型，可以建立状态方程和输出方程，描述系统的 动态行为。
状态空间分析法的应用
通过状态空间分析法，可以对系统进行稳定性分析、最优控制等。
稳定性分析
稳定性的定义
01
如果一个系统受到扰动后能够回到原来的平衡状态，则称该系
统是稳定的。
稳定性分析的方法
02
常用的稳定性分析方法有劳斯判据、赫尔维茨判据等。
控制理论基本概念
控制系统的定义
控制系统的目的是通过调节输入信号，使被控对 象达到期望的状态。
控制系统的组成
控制系统通常由控制器、被控对象和反馈回路组 成。
控制系统的分类
根据不同的分类标准，可以将控制系统分为开环 和闭环、连续和离散等类型。
线性系统理论
01
02
03
线性系统的定义
线性系统是指系统的输出 与输入成正比，即满足叠 加性和均匀性的系统。
微型化
随着微电子技术的进步，计算机控制系统正朝着微型化方 向发展，能够实现设备的紧凑和轻便，满足各种应用场景 的需求。
技术挑战
实时性
计算机控制系统需要具备实时性，能够快 速响应外部变化，保证系统的稳定性和安
全性。
安全性
计算机控制系统需要具备安全性，能够防 止外部攻击和数据泄露，保护系统的机密
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。
计算机控制原理与技术课件：第1章 计算机控制系统概述
可用此系统摸清系统的数学模型，控制规律， 为构成计算机闭环控制奠定基础。
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1.3 计算机控制系统的典型形式
直接数字控制系统（Direct Digital Control, DDC）
显示
过程输入
计
（A/D，DI）
打印机 算
报警
机
过程输出 （D/A，DO）
6
1.1 计算机控制系统的概念
自动控制
是指在没有人直接干预的情况下，通过控制装 置使机械、设备或生产过程（被控对象）的某 个或某些物理量（被控量）按预定的规律（给 定量）运行
能够实现这种自动控制的装置称为控制器
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1.1 计算机控制系统的概念
自动控制系统
由控制器、执行机构、被控对象等部件为了一 定的目的有机的联结成的一个进行自动控制的 总体，称为自动控制系统
10
1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统
将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型 的计算机控制系统。
下图是一个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。
给定值
控制器 D/A
计算机 A/D
执行机构
被控量 被控对象
检测装置
11
1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统的特点
3
教学内容
计算机控制系统概述 自动控制系统的基本理论知识 MCS-51单片机 过程通道和数据采集系统 数字程序控制技术 数字PID控制算法
4
第一章 计算机控制系统概述
5
内容简介
1.1 计算机控制系统的概念 1.2 计算机控制系统的组成 1.3 计算机控制系统的典型形式 1.4 计算机控制系统的典型控制方式 1.5 计算机控制系统的发展趋势
第1章 计算机控制系统概述 《计算机控制系统》课件
能观性
用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得
系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系
统被称为是不能观的。
2020/10/29
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3. 控制系统的动态指标
动态指标能够比 较直观地反映控 制系统的过渡过 程特性，动态指 标包括超调量， 调节时间，峰值 时间，衰减比和 振荡次数。
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r
+e
控制器 u
D/A
给定量 -
A/D
控制计算机
执行机构
被控对象
测量变送 生产过程
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图1 计算机控制系统基本结构
y
被控量
3
计算机控制系统的特点
在计算机控制系统中，被控制量通常是模 拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。 因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混 合式的结构。
优点：结构简单，控制灵活和安全。 2020缺/10/点29 :要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。8
2. 直接数字控制系统
CRT
输入通道
（ AI ，DI）
生
打印机
计
产
算
过
报警
机
程
输出通道
操作台
（ AO，DO）
图5 直接数字控制系统框图
计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现
多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的
0 12 34 0 1 2 3 4 0 12 34
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 t/T
数字信号ห้องสมุดไป่ตู้
离散模拟信号
第1章计算机控制系统概述
目录第1章计算机控制系统概述 (1)1.1 引言 (1)1.2 计算机控制系统的基本概念 (2)1.2.1 计算机控制系统的组成 (2)1.2.2 计算机控制系统的应用要求 (3)1.2.3 计算机控制系统的性能指标 (4)1.3 计算机控制系统的通道和接口技术 (5)1.3.1 过程通道 (6)1.3.2 总线接口技术 (8)1.4 模拟与数字信号之间的相互转换 (10)1.4.1 D/A转换及其误差 (10)1.4.2 A/D转换及其误差 (12)1.5 计算机控制系统的理论问题 (14)1.5.1 信号变换问题 (14)1.5.2 对象建模与性能分析 (14)1.5.3 控制算法设计 (14)1.5.4 控制系统实现技术 (15)1.6 计算机控制系统的基本类型 (15)本章小结 (20)习题与思考题 (21)第1章计算机控制系统概述1.1 引言计算机控制是以控制理论与计算机技术为基础的一门新的工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事等领域。
随着控制理论和计算机技术的发展，以及工程技术人员对计算机应用技术的不断总结和创新，使得计算机控制系统的分析设计理论和方法不断得以完善和发展，成为从事自动化技术工作的科技人员必须掌握的一门专业知识。
世界第一台数字计算机诞生于1946年，从此在科学技术上引起了一场深刻的革命。
20世纪50年代初产生了将数字计算机用于控制的思想，1955年美国TRW航空公司与美国一个炼油厂合作，开始进行计算机控制的研究，这一开创性工作为计算机控制奠定了基础；1962年英国的帝国化学工业公司应用计算机直接控制（DDC）被控过程的变量；1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了崭新的发展阶段，并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统。
20世纪80年代以后，微型处理器件的迅速发展对计算机控制产生了深远的影响，相互关联的微计算机组合、共同负担工作负荷的系统应运而生，计算机控制得到更为普及的应用，并快速向集散型、网络化的方向发展。
计算机控制系统 ppt课件
ppt课件
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二、计算机控制系统的分类
1 直接数字控制系统
DDC: Direct Digital Control
计算机取代常规模拟控制器直接进行控制
ppt课件
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二、计算机控制系统的分类
2 计算机监督控制系统
SCC: Supervise Control by Computer 计算机计算最佳值,送给DDC进行控制
计算机系统
– A/D
– D/A
– 数字计算机
ppt课件
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§1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统工作过程
实时数据采集
对被控量的瞬时值进行检测与输入 周
实时控制决策
而
根据输入量按照控制算法计算输出 复
实时控制输出
始
对执行机构发出控制信号
ppt课件
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§1.1 计算机控制系统的概念
三、计算机控制系统的特点和优点
特点:
–系统结构
模拟和数字混合
–工作方式：
计算机可控制多个回路 控制方式采用软件实现
ppt课件
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§1.1 计算机控制系统的概念
三、计算机控制系统的特点和优点
优点
–易于实现复杂的控制规律 现代适的应控性制强系,灵统活大度多高数采用计算机控制 –性价比高 –控制与管理结合
有利于实现更高层次的自动化
计算机控制系统
ppt课件
1
前言
课程
学位必修课 教材：刘建昌等，计算机控制系统，科学
相关课程
先修课：自动控制原理 相关课：计算机原理、单片机原理 后续课：课程设计、毕业设计
ppt课件
2
前言
特点
信息量大，涉及面广 实践性强
01第一章计算机控制系统概述共14页word资料
第一章计算机控制系统概述一、授课时间：年月日第1次二、教学目的：掌握计算机控制技术的应用和该课程对专业的帮助掌握计算机控制系统的组成掌握工业控制机的特点三、教学的重点和难点：重点：计算机控制系统的组成。
难点：工业控制机的特点。
四、教学的内容和过程：1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统是由计算机和工业对象两大部分组成的。
在工业领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。
图1-1(a)示出了按偏差进行控制的闭环控制系统图1-1 控制信号的一般形式(a) 闭环控制系统框图； (b) 开环控制系统框图图1-1(a)是闭环控制系统的原理框图，在闭环控制系统中，测量元件对被控对象的被控参数(如温度、压力、流量、转速、位移等)进行测量；变换发送单元将被测参数变成电压(或电流)信号，反馈给控制器；控制器将反馈回来的信号与给定值进行比较，控制器就根据偏差产生控制信号来驱动执行机构工作，使被控参数的值达到预定的要求。
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由图1-1可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。
这些功能是由测量元件、变换发送单元、控制器和执行机构来完成的。
控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。
如果把图1-1中的控制器用计算机来代替，这样就可以构成计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。
如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机控制系统。
在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。
微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。
器。
图1-2 计算机控制系统基本框图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。
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1.2 计算机控制系统的组成
应用软件：面向用户本身的程序
1. 过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检 查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程 序、判断程序、过程分析程序等
2. 过程控制计算程序：指控制算法程序、事故处理程序和信息 管理程序
3. 公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转 换程序、格式编码程序
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1.2 计算机控制系统的组成
计算机控制系统
硬件：计算机本身及其外围设备 软件：管理计算机的程序及过程控制应用的程序 网络结构：计算机之间信息交互的渠道
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1.2 计算机控制系统的组成
接口
显示终端
微
型
接口
计
磁盘驱动器
算 机
接口
打印机
接口
实时 时钟
操作 台
通用外部设备 主机及操作台 接口
控制规律灵活多样，改动方便 控制精度高，抑制扰动能力强 能够实现数据统计和工况显示，控制效率高 控制与管理一体化，进一步提高自动化程度
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1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统的控制过程
1. 实时数据采集 2. 实时计算 3. 实时控制 4、信息管理
控制周期：完成实时数据采集、实时计算，实时控制所用的时间。
自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成 闭环控制系统与开环控制系统两种结构形式
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1.1 计算机控制系统的概念
给定量
偏差
（输入量）+ -
控制器
反馈值
执行机构
反馈装置
闭环控制系统
被控量
被控对象
（输出量）
系统的被控量经反馈装置反馈给控制器，并根据给定量与反馈
量之间的偏差，产生控制作用，并力图减小偏差，使被控量趋 于给定量的系统
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1.1 计算机控制系统的概念
自动控制
是指在没有人直接干预的情况下，通过控制装 置使机械、设备或生产过程（被控对象）的某 个或某些物理量（被控量）按预定的规律（给 定量）运行
能够实现这种自动控制的装置称为控制器
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1.1 计算机控制系统的概念
自动控制系统
由控制器、执行机构、被控对象等部件为了一 定的目的有机的联结成的一个进行自动控制的 总体，称为自动控制系统
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1.2 计算机控制系统的组成
网络结构
对等式网络结构（Peer-to-Peer, P2P） 客户机/服务器结构（Client/Server, C/S）
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1.2 计算机控制系统的组成
控制用计算机的特点
环境适应性好、可靠性高
实时性好
有完善的I/O通道（设备）
较强的中断处理能力
对字长、速度、和内存容量要求不高
输入量和反馈量之差称为偏差信号
闭环控制系统是按偏差进行控制的控制系统，它是自动控制系
统的基本形式，是大多数控制系统具备的结构
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1.1 计算机控制系统的概念
给定量
控制器
执行机构
被控量
被控对象
开环控制系统
系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对 系统的控制作用不发生影响的系统，这类系统称为 开环控制系统，或前馈控制系统
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1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统
将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型 的计算机控制系统。
下图是一个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。
给定值
控制器 D/A
计算机 A/D
执行机构
被控量 被控对象
检测装置
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1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统的特点
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教学内容
计算机控制系统概述 自动控制系统的基本理论知识 MCS-51单片机 过程通道和数据采集系统 数字程序控制技术 数字PID控制算法
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第一章 计算机控制系统概述
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内容简介
1.1 计算机控制系统的概念 1.2 计算机控制系统的组成 1.3 计算机控制系统的典型形式 1.4 计算机控制系统的典型控制方式 1.5 计算机控制系统的发展趋势
A／D
多路开关
变送器传感器
D／A
反多路开关
执行机构
生
产
对
开关量输入
象
开关量输出
外部通道
检测及变送 控制对象
计算机控制系统硬件组成框图
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1.2 计算机控制系统的组成
硬件组成
◆ 主机：CPU、 RAM / ROM ◆ 通用外部设备：打印机、显示终端、磁盘驱动器等 ◆ 接口与输入输出通道：AI、AO、DI、DO ◆ 检测元件及仪表：将被测（被控）参数由非电量变为电量，并 将这些电量变为A/D转换器所能转换的统一电压。 ◆ 执行机构：电动、气动、及液动等控制形式 ◆ 运行操作台 ：显示屏、功能键、数字键
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课程的意义
计算机控制是自动控制理论和计算机技术相结合的产物, 计算机控制系统就是利用计算机实现自动控制的系统
本门课程主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应 用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统
目的在于使学生掌握控制系统的分析、设计方法；常用 控制算法；计算机控制系统的硬件、软件基础知识和基 本应用技术
有完善的软件系统
控制规律灵活多样，改动方便
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1.3 计算机控制系统的典型形式
操作指导控制系统工计 算Fra bibliotekA/D
转 换 器
采 样 器
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1.1 计算机控制系统的概念
几个常用术语
实时（Real time）：计算机输入、计算和输出都在规定时 间内完成
在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连 离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开
在线与实时的关系 —一个实时系统必定是在线系统 —一个在线系统不一定是实时系统
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1.2 计算机控制系统的组成
软件组成：系统软件和应用软件
系统软件：提供计算机运行和管理的基本环境
1. 操作系统：管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； 2. 诊断系统：调试程序及故障诊断程序； 3. 开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程
序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模 拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等； 4. 信息处理：文字翻译、企业管理等。
计算机控制原理与技术
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参考教材
❖ 《计算机控制技术》蒋心怡等 清华大学出版社 2007年 ❖ 《计算机控制原理与应用》陈炳和 北航出版社 2008年 ❖ 《微型计算机控制技术》(第2版)潘新民 电子工业出版社
2011年 ❖ 《微型计算机控制技术》（第3版）谢剑英等 国防工业出版
社 2001年 ❖ 《微机工业控制》 陈汝全 西安电子科技大学 2000年