计算机控制技术计算机控制系统模拟化设计PPT课件
计算机控制技术
§8.2微机控制系统的设计与实现过程
二、确定控制算法 对任何一个具体控制系统进行分析、综合和设计， 首先是建立该系统的数学模型。 数学模型是系统动态特性的表达式，它反映了系 统输入、内部状态和输出之间的逻辑和数量关系。其 为计算机进行处理提供了依据，即由数学模型推出控 制算法。 计算机控制就是计算机按照规定的算法进行控制。 控制算法正确与否直接影响系统的控制品质，甚至影 响整个系统的成败。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
二、微机控制系统的设计步骤 2.设计阶段： 主要包括：组建项目研制组、系统总体方案的设 计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件 和软件的调试、系统的组装。 3.仿真调试阶段： 在实验室环境下，模拟现场条件进行调试。
4.现场运行完善阶段：
将系统与生产过程连接，进行现场调试运行及验收。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
一、微机控制系统的设计原则
3.操作性好
具体表现为：使用方便，易于维护。 可充分利用计算机屏幕和制作工艺流程控制台。 方便手动及联机调试。
4.实时性好
表现在对内部及外部事件能及时作出响应和相应 的处理，特别是对故障性事件的紧急处理。
§8.1微机控制系统的工程设一、确定系统整体控制方案 设计的第一步是了解控制对象，构思控制系统的 整体方案。不同的系统考虑的问题可能差别较大。 首先要从系统构成上考虑，是开环还是闭环控制。 当采用闭环时应考虑用何种检测元件和检测精度。 其次考虑执行机构采用的方案。如电液驱动等。 第三考虑是否有特殊的控制要求。如精度快速等。 第四考虑微机在系统中的作用及承担的任务。 第五初步估算成本，比较性能/价格比适合否。 最后绘制系统粗框图，附议必要的说明。
作业 作业：P178页 9-1,9-2
《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。
计算机控制技术及应用课件教学PPT作者王平谢昊飞蒋建春等
课程总目录绪论计算机控制系统的数学描述常规数字控制器的设计方法高级数字控制器的分析与设计数据输入输出通道的接口技术计算机控制网络技术概论计算机控制系统设计与实现课程总目标学完本课程后，你应具有以下能力：熟悉计算机控制系统的组成原则了解计算机控制系统结构掌握计算机控制系统设计的方法把握计算机控制系统的发展方向灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题课程安排共48个学时48个学时理论教学40学时理论教学40学时实验8实验8学时教学书目教材:计算机控制技术及应用王平等编著机械工业出版社2010年教学参考书:1. 《先进控制理论与方法导论》，章卫国主编，西北工业大学出版社，00年2.《数字和模拟集成电路电子学》，〔美〕理查得J.希金斯著，机械工业出版社，87年3. 《智能控制技术》易继锴等编著，北京工业大学出版社，99年4.期刊－－“工业控制计算机”、“测控技术”、“计算机自动测量与第一章计算机控制系统概述计算机控制系统是自动控制理论、自动化技术与计算机技术紧密结合的产物。
计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。
同时，计算机控制系统应用于工业控制领域提出来系列理论与工程上的问题又进步推动了出来一系列理论与工程上的问题，又进一步推动了控制理论和计算机技术的发展。
计算机技术在控制领域中的应用，还有力地推动了自动控制技术的发展，大大扩展了控制技术在工业生产中的应用范围，特别是使复杂的、大规模的自动化系统与过程发展到了一个崭新的阶段。
1．1 自动化技术与信息技术的关系信息链当前，科技界较普遍认为，信息技术由四大部分组成，即信息获取、信息传输、信息处理与信息应用或信息利用。
这四部分实际上组成了个完整的信息链如图所示这四部分实际上组成了一个完整的信息链，如图1-1所示。
信息获取信息传输信息处理信息应用图1-1 信息技术的四个组成部分及其信息链我们知道，一个基本的自动化系统至少包含信息获取、处理与应用三部分（如图1-2所示），而一个应用计算机网络或通信网络的自动化系统包含信息获取、传输、处理与应用的全部。
计算机控制技术(3)精品PPT课件
3.5 电动机控制接口技术
►3.5.1 小功率直流电动机调速原理及控制接口
▪ 1．小功率直流电动机的调速原理
►对于励磁式直流电动机，其转速n可以近似地表示为：
►式中，Ua为电枢两端的电压，Φ为励磁磁通，Ce为电动
机综合参数。
►小功率直流电动机的调速可以通过改变电枢电压Ua来实
现。在对直流电动机电枢的控制和驱动中，有线性驱动 方式和开关驱动方式两种。
3.5 电动机控制接口技术
▪ 2．步进电机的控制方法(以三相步进电机为例)
图3-26 计算机控制步进电机典型原理框图
▪ 1）单三拍工作方式
▪ 为了使步进电机正向旋转， 对于右图来说，就是顺时 针步进，各相磁极的通电 顺序如下：
3.5 电动机控制接口技术
►按顺时针步进方式工作时，各相磁极齿与转子 之间的差角参见表3-3。
图3-22 输入电压信号与电动机电枢电流、转速的对应关系
3.5 电动机控制接口技术
▪ 3．脉宽调速PWM系统的设计
►当开关S1、S4闭合时，电动机全速正转； ►当开关S2、S3闭合时，电动机全速反转； ►当S2、S4（或者S1、S3）闭合时，电动机绕组被短
路，电动机处于刹车状态； ►如果4个开关全部断开，电动机将自由滑行。
图3-23 可逆PWM调速系统原理图
3.5 电动机控制接口技术
图3-24 双向电动机控制接口电路图
3.5.2 步进电机控制技术
北京斯达特微步控制技术有限公司
步进电机应用实例
1)、自动回单机 2)、二维工作台(a) 3)、二维工作台(b) 3)、高速自动端子机
二维工作平台(a)
二维工作平台(a)控制系统接线图
第3章 输出通道接口技术
计算机控制技术课件：第2章 模拟量输出通道2
接
多
采样保持器
V/I
通道1
PC
口
路
总
电
D/A
开
线
路
关
采样保持器
V/I
通道n
图 2-1 （b）共享D/A结构
特点：1、多路输出通道共用一个D/A转换器
2、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3、D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4、采样保持器实现模拟信号保持功能 5、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用
由与门、非与门组成的输入控制电路来控制3个寄存器 的选通或锁存状态。其中引脚（片选信号、低电平有 效）、（写信号、低电平有效）和BYTE1/（字节控制 信号）的组合， 用来控制 8 位输入寄存器和 4 位输入 寄存器。
(MSB) DI11 DI10 DI9 DI8 DI7 DI6 DI5 DI4
DI3 DI2 DI1 DI0 (LSB)
XFER(Transfer Control Signal):传送控制信号，输入 线， 低电平有效。
IOUT1：DAC电流输出端1，一般作为运算放大器差动输 入信号之一。
IOUT2：DAC电流输出端2，一般作为运算放大器另一个 差动输入信号。
Rfb：固化在芯片内的反馈电阻连接端，用于连接运算放 大器的输出端。
(MSB) DI7 DI6 DI5 DI4 DI3 DI2 DI1 DI0 (LSB)
ILE
CS WR1
XFER WR2
D
Q
8位 输入 寄存器
D
Q
LE1
D
Q
8位
DAC 寄存器
8位 DAC 转换器
D
Q
LE2 当LE=1时,输出数 据随输入变化。
1 计算机控制系统概述课件
School of Automation Engineering
第一节 绪论
20世纪50年代初，美国首先用计算机来完成对生产 过程进行巡检数据采集和数据处理。 1959年美国TRW航空公司和Texaco公司合作成功 地在得克萨斯州的一家炼油厂将一台计算机投入在线控 制。该控制系统以综合指标出发确定了热水循环系统的 最佳参数，同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。 在20世纪60年代计算机控制系统已成功的应用于化 工、钢铁和电力等不同的领域，但这些系统还都是以数 据的采集和处理为主。1962年英国帝国化工公司制造出 一套可以直接取代常规仪表对生产过程直接进行控制的 计算机控制系统，开创了直接数字控制的新时期。
School of Automation Engineering
第一节 绪论
计 算 机
数 据 采 集
生 产 过 程
人 控 制 器
输 出 设 备
图1.5 计算机操作指导控制系统
School of Automation Engineering
第一节 绪论
直接数字控制系统（DDC）
由控制计算机取代常规的模拟调节仪表 而直接对生产过程进行控制,由于计算机 发出的信号为数字量，故得名DDC控制。 直接数字系统是计算机控制系统的最基 本形式，也是应用最多的一类计算机控 制系统。
School of Automation Engineering
第一节 绪论
二、 计算机控制系统产生的原因
随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的 提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的 控制越来越复杂，出现了多输入—多输出的多变 量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制 系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和手 段实现是十分困难的，因此，电子计算机尤其是 微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自 动控制水平产生了巨大的飞跃。
第8章典型计算机控制系统简介-PPT精选
• ③开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部 功能，可直接运行PC机的各种应用软件。
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计算机控制技术
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第8章 典型计算机控制系统简介
第8章 典型计算机控制系统简介
第8章 典型计算机控制系统简介
• 基于PC总线的板卡与工控机组成的计算 机控制系统；
• 基于数字调节器的计算机控制系统； • 基于PLC的计算机控制系统； • 基于嵌入式系统的计算机控制系统； • 分散控制系统； • 现场总线控制系统; • 计算机集成制造系统。
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2. 工业PC的特点(2)
• ④采用和PC/AT总线兼容的无源底板。它使用带有 电源层和地的4层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能 力。无源底板带有4，6，8，12，14或20槽。
• ⑤机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用 150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地 负载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并 装有滤尘网用以防尘。软盘、硬盘驱动器安装采用橡皮 缓冲防震，并有防尘门。
工控机示意图
西门子工控机
研华工控机
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计算机控制技术
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第8章 典型计算机控制系统简介
1. 工业PC的结构
• 工业控制机的典型结构如图8.1所示，主要 有以下几部分组成。
• ①全钢机箱 • ②无源底板 • ③工业电源 • ④CPU卡 • ⑤其他配件
图8.1 工控机典型结构图
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• 我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研 华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等厂家，其中，研 华是世界三大工控厂商之一，在中国大陆及台湾市场均 有较高的市场占有率。
计算机控制系统
实现“管理集中、控制分散”
6、现场总线控制系统（FCS） 上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系 统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新 型的控制系统。 定义：是指将现场智能设备（如数字传感器、变送 器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现 场操作站等互连而成的计算机网络（局域网）。 作用：主要用于现场的智能化仪表、控制器、执行 机构、I/O模块等现场设备间的信息传递。 特点： ◆具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点， 是工业控制网络向现场级发展的产物。
3、模拟控制系统与计算机控制系统的比较 （1）模拟控制系统 ◆控制原理：检测偏差，按偏差进行控制，减少或 消除偏差。
设定值r e u 模拟调节器 执行器 被控对象 被控参数 y
ym
测量变送器 图a 单回路常规模拟控制系统方框图
（2）计算机控制系统 ◆控制原理：检测偏差，按偏差进行控制，减少或 消除偏差。
二、计算机控制系统的分类 1、数据采集和数据处理系统（DAS）
DAS(Data Acquisition System) 结构如下图：
CRT 打印机 报警
数字计算机
过程输入通道
测量变送
……
人
执行机构
……
测量变送
被 控 生 产 过 程
DAS作用：数据采集系统的工作是对大量的 过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录、 数据处理(计算、统计、整理)、进行实时数据 分析以及数据越限报警等功能。
计算机控制系统与模拟控制系统不同之处： ◆在计算机控制系统中，计算机代替了模拟 控制器；对控制对象的参数、状态信息的检 测和控制结果的输出在时间上是断续（离散） 的；对检测信号的分析计算是数字化的，而 在模拟控制系统中则是连续的。 ◆在常规控制系统中，系统的控制规律是用 硬件电路实现的，改变控制规律就要改变硬 件；而在微型计算机控制系统中，控制规律 是用程序实现的，改变控制规律只需改变程 序。
潘新民-微型计算机控制技术(第二版)课件-第2章.
微机控制技术
2．1．1 多路开关
3.半导体多路开关 （1）采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排
（2）直接与 TTL（或 CMOS）电平相兼容；
（3）内部带有通道选择译码器，使用方便；
（4）可采用正或负双极性输入； （5）转换速度快，
·结构
由双极型绝缘栅场效应管组成
（低偏差电压和宽频带）
使用一个单独的端子实现输人偏置电压的调整，
·特点
采样速度快，保持下降速度慢，精度高等特点。
允许带宽 1MHz，输入电阻为 1010Ω。
作为单一的放大器时，其电流增益精度为 0.002％，
采样时间小于 6μs时，
精度可达 0.01％。
微机控制技术
3．常用采样／保持器
② 二进制 3：8译码器
对选择输入端 C、B、A的状态进行译码，
以控制所选电路 TG 的开/关，使某一路开关接通，
将输入和输出通道接口。
③ 电子开关 TG
用来接通或断开输入/输出通道。
微机控制技术
1. CD4051
（2）控制原理
INH 接高电平 所有通道全部断开
① 禁止输入端 INH
② 3个通道选择输入端 C、B、A
第二章 模拟量输入/输出通道的接口技术
• 前言 • 2.1 多路开关及采样-保持器 • 2.2 模拟量输出通道的接口技术 • 2.3 模拟量输入通道接口技术
第二章 模拟量输入/输出通道的接口技术
• 在微型机控制系统与智能化仪器中 被测物理量多为模拟量， 而计算机只能接收数字量。
• 在检测/控制系统中 必须先把传感器输出的模拟量转换成数字量， 才能送到计算机进行数据处理，实现控制或显示。
计算机控制技术
计算机控制技术本课程学习指导资料根据该课程教学大纲的要求，参照现行采用教材《微型计算机控制技术》（于海生等主编，清华大学出版社，1999年3月第一版）以及课程学习光盘，并结合远程网络业余教育的特点和教学规律进行编写，适用于电气工程及其自动化专业专升本学生。
计算机控制技术是为了适应计算机的工业控制领域的需要而发展起来的一门专业技术，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。
随着我国电力工业的发展，计算机及自动化控制技术在电力系统中的应用越来越广泛，本课程将帮助学生理解现有的自动控制设备的原理，提高对此类产品的认识，更好的利用这些设备或设计出相应的满足电力系统要求的控制设备。
学习本课程需首先具备一定的计算机软（汇编和C语言程序设计）、硬件（计算机构成、原理）知识，模拟、数字电子技术知识，以及自动控制理论的相关知识。
学完本课程后，应当结合实际设备进行深入的理解。
通过对本门课程的学习，学生应了解：计算机控制系统的发展及现状；计算机控制系统的在过程控制中的作用，及在本专业应用；主要模板的性能与应用范围；计算机控制系统中的复杂控制技术。
通过本门课程的学习，学生应熟悉：数字程序控制系统技术；计算机控制系统的初步分析、设计方法；能完成简单计算机控制系统构成、实时软件编制；计算机控制系统调试维护的基本知识。
通过本门课程的学习，学生应掌握：模拟自动控制系统与计算机控制系统的区别；计算机控制系统的分类及其特点；计算机控制系统的输入/输出通道的构成，及主要参数的选择；计算机控制系统中的常规控制技术（如PID控制器的设计）；分散型控制系统（DCS）与现场总线（Fieldbus）技术。
11、本章学习要求本章应熟悉的内容有计算机技术、计算机控制理论的发展过程和计算机控制系统的发展趋势；应掌握的内容有：计算机控制系统的典型形式、工业控制机的特点和工业控制机的总线结构；应熟悉掌握的内容有：工业控制机的硬件组成及软件组成、计算机控制系统的工作原理。