1、 第一章 緒 論 1.1 計算機控制系統概述 1.2 計算機控制系統的類型 1.3 計算機控制理論 1.4 計算機控制系統應用實例 1.5 計算機控制系統的發展 1 1.1 計算機控制系統概述 1.計算機控制系統的一般概念 2.計算機控制系統的組成 3.計算機控制系統的特點21.計算機控制系統的一般概念 在連續控制系統框圖1.1中，給定值與反饋值經過比較器比較產生偏差，控制器對偏差進行控制運算，產生控制信號驅動執行機構。系統內信號通常是模擬信號。 將連續控制系統中的比較器和控制器的功能用計算機來實現，就組成了一個典型的計算機控制系統（見圖1.2）。計算機控制系統通常是模擬信號和數字信號的混合系

2、統。因此，在系統內部，需要進行模擬信號和數字信號之間的相互轉換（A/D 和D/A 轉換）。 計算機控制系統的控制過程為數據采集及處理和實時控制。 圖1.1 連續控制系統的典型結構圖1.2 計算機控制系統基本框圖3 2.計算機控制系統的組成 圖1.3 計算機控制系統的組成框圖4 3.計算機控制系統的特點 模擬、數字混合系統 便于修改控制規律 可實現復雜的控制規律 離散控制 可分時控制多個回路 便于實現控制與管理一體化5 1.2 計算機控制系統的類型 根據計算機在控制系統中的控制功能和控制目的，可將計算機控制系統分為以下幾種類型。 操作指導控制系統 直接數字控制系統 監督計算機控制系統 分級計算機

3、控制系統6 操作指導控制系統 所謂操作指導是指計算機的輸出不直接用來控制被控對象，只是每隔一定時間，計算機進行一次數據采集，將系統的一些參數經A/D轉換后送入計算機進行計算及處理，然后進行報警、打印和顯示。操作人員根據這些結果去改變調節器的給定值或直接操作執行機構。 圖1.4 操作指導系統結構圖7 操作指導控制系統半自動洗衣機8 直接數字控制系統 直接數字控制（DDC）系統是計算機用于工業過程控制最普遍的一種方式。計算機通過檢測元件對一個或多個系統參數進行巡回檢測，并經過輸入通道送入計算機。計算機根據規定的控制規律進行運算，然后發出控制信號直接去控制執行機構，使系統的被控參數達到預定值。圖1.

4、5 直接數字控制系統9 直接數字控制系統全自動洗衣機10 監督計算機控制系統 監督計算機控制（SCC）系統結構如圖1.6所示。在SCC系統中，由計算機按照描述生產過程的數學模型，計算出最佳控制輸出送給模擬調節器或者DDC計算機，最后由模擬調節器或者DDC計算機控制生產過程，從而使生產過程始終處于最佳工作狀態。 圖1.6 監督計算機控制系統11 監督計算機控制系統變頻洗衣機12 分級計算機控制系統裝置控制級（DDC級） 工廠集中控制級 車間監督級（SCC級） 企業管理級圖1.7分級計算機控制系統13 分級計算機控制系統14 1.3 計算機控制理論 對計算機控制系統的分析和設計，不只是簡單地推廣連

5、續系統的理論，同時也需要一些專門理論來對它進行研究。計算機控制系統理論主要包括離散系統理論、采樣系統理論及數字系統理論。 離散系統理論 采樣系統理論 15離散系統理論 差分方程及z變換理論 常規設計方法 極點配置設計法 最優設計方法 系統辨識及自適應控制 16采樣系統理論 采樣系統理論除了包括離散系統的理論外，還包括以下一些內容： 采樣理論 連續模型及性能指標的離散化 采樣控制系統的仿真 采樣周期的選擇 數字信號整量化效應的研究，如量化誤差、非線性特性的影響等171.4 計算機控制系統應用實例 衛星模型 直流伺服電機模型 工業機器人模型18衛星模型 衛星模型常應用于衛星姿態控制系統中。衛星常要

6、求進行姿態控制，以使它的天線和傳感器相對于地球具有適當的方位。為此，需要利用推進器對三個軸進行姿態控制，分別控制衛星的偏離角、傾斜角和轉動角。圖1.9 衛星結構圖19 “通過三次成功的近月制動，嫦娥一號已經進入了正常的設計軌道。但是，嫦娥一號衛星現在只是實現了軌道的環月，它的姿態還是采取面向太陽的一種巡航的方式，這還需要一段時間進行調整。”2007-11-07 來源：中國新聞網 衛星模型實例1實例220太空探索實例221直流伺服電機模型 直流伺服電機最常用的控制方式是電樞控制，即勵磁繞組加恒定勵磁電壓，電樞繞組加控制電壓，當負載轉矩恒定時，電樞的控制電壓升高，電動機的轉速就升高；反之，減小電樞

7、控制電壓，電動機的轉速就降低；改變控制電壓的極性，電機就反轉；控制電壓為零，電機就停轉，故可實現對被控對象的機械運動的快速控制。圖1.10 直流伺服電機結構圖22工業機器人模型 工業機器人被廣泛應用于工業過程控制，成為制造業生產自動化中非常重要的機電一體化設備。圖1.11工業機器人結構示意圖23工業機器人模型 工業機器人可以理解為：擬人手臂、手腕和手功能的機械電子裝置；它可把任一物件或工具按空間位姿的時變要求進行移動，從而完成某一工業生產的作業要求。圖1.12 機械臂關節結構示意圖圖1.13 機械臂關節模型2425262728 1.5 計算機控制系統的發展 計算機控制系統的發展過程 計算機控制

8、系統的發展趨勢29計算機控制系統的發展過程 1946年，世界上第一臺電子計算機 20世紀50年代末，計算機控制系統投入實際應用 20世紀60年代末，小型計算機 1972年，微型計算機，以單片機為代表 分級計算機控制、集散控制系統、集成制造系統（CIMS） 基于網絡的控制技術（簡稱網絡控制）30計算機控制系統的發展趨勢 可編程控制器 嵌入式系統 集散控制系統 現場總線控制系統 計算機集成制造系統 網絡控制系統31可編程控制器 在制造業的自動化生產線上，各道工序都是按規定的時間和條件順序執行的，對這種自動化生產線進行控制的裝置稱為順序控制器。隨著大規模集成電路和微處理器在順序控制器中的應用，順序控

9、制器開始采用類似微型計算機的通用結構，把程序存儲在存儲器中，用軟件實現開關量的邏輯運算、延時等過去用繼電器完成的功能，形成了可編程邏輯控制器PLC。32嵌入式系統 嵌入式系統（Embedded System）以計算機技術為基礎，是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數據傳輸技術，甚至傳感器等先進技術和Internet網絡技術與具體應用對象相結合的產物。嵌入式系統嵌入的本質是將一個微型計算機嵌入到一個具體應用對象體系中去。 33集散控制系統 目前，在過程控制領域，集散控制系統技術已日趨完善而逐漸成為被廣泛使用的主流系統。集散控制系統發展初期是以實現分散控制為主，而進入20世紀8

10、0年代以后，集散控制系統的技術重點轉向全系統信息的綜合管理，因其具有分散控制和綜合管理兩方面特征，故稱為分散型綜合控制系統，簡稱為集散控制系統。 34現場總線控制系統 現場總線控制是工業設備自動化控制的一種計算機局域網絡。它是依靠具有檢測、控制、通信能力的微處理芯片，數字化儀表（設備）在現場實現徹底分散控制，并以這些現場分散的測量、控制設備單個點作為網絡節點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現場總線控制系統。 35計算機集成制造系統 計算機集成制造系統CIMS是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將工廠中的全部生產環節，包括產品設計、生產規劃、生產控制、生產設備、生產過程等所需使用的各種分散的自動化系統有機地集成起來，消除“自動化孤島”，實現多品種、中小批量生產的總體