計算機控制技術

教材:戴永.微型計算機控制技術.湖南:湘潭大學出版社,2009參考資料:孔峰.微型計算機控制新技術.重慶:重慶大學出版社,2012于海生,計算機控制技術.北京:機械工業出版社,2013劉國榮,計算機控制技術與應用(第2版).北京:機械工業出版社,2013成績評定實驗+考勤：30%閉卷考試：70%課程教學說明一.課程特性1）地位電氣類、自動化類專業課2）關系專業硬件基礎課專業理論基礎課計算機控制技術3）目的使同學們了解、掌握微機控制技術的基礎知識、微機控制系統原理及相應的設計方法,達到電氣類、自動化類學科本科層次知識結構的基本完整。二.學習要求（1)計算機控制的基本理論與方法；（2)計算機控制的硬件結構；（3)學生利用基本理論與方法可設計簡單的計算機控制系統，分析較復雜的計算機控制系統；（4)對計算機控制技術的現狀與發展方向有一定程度的了解。三、本課程的重點、難點1)理論基礎：計算機控制技術的基本概念與思考方法;計算機控制技術的控制方法;2)硬件：接口原理與設計、通道配置原理及方法、通道電路原理與設計等；數據采集原理及處理方法；3)控制方法間接、直接數字控制器設計理論與實現方法；順序與數字程序控制概念、原理和方法；4）總線技術及系統設計第1章緒論本章學習提要（1）計算機控制技術及經歷的發展階段；（2）控制系統基本概念：

1.常用概念術語，2．常見系統術語。（3）控制系統5種典型工作狀態特性。（4）微機控制系統體系結構。控制器和比較環節由微型計算機取代，這是劃時代的進步。（5）與模擬控制系統比較，微型機控制系統5個特征。（6）微型計算機控制系統有4種經典結構和4種新型結構計算機控制技術及經歷的發展階段是計算機應用理論與技術和自動控制理論與技術交叉而成的新興學科，相關學科包含電子、通信、機電工程、自動檢測、網絡工程等。發展階段：1）局限決策型2）單向參與型3）緊密連通型4）智能算法型5）網絡互聯型1.1控制系統基礎1.1.1控制系統基本概念1.常用概念術語對象:為完成特定動作,由機械、電氣、電子等零部件有機組成的裝置或設備。過程：被控制的運行狀態.兩種不同的描述如下(1)自然過程指一種自然的逐漸進行地運轉或發展，其特征是在運轉和發展狀態中以相對固定的方法相繼發生一系列的漸進變化,并最后導致一個特定的結果或狀態。(2)人為過程是按人的意愿連續進行的運行狀態，這種運行狀態由一系列被控制的動作和一直進行到某一特定結果或狀態的有規則的運動構成。過程特征表現為以相對固定的方式導致一個特定結果或狀態。系統：為完成相應任務，一些元件、部件等按一定規則的組合。系統是動態現象的抽象，不同的領域有不同的組合內容。擾動：對系統輸出量產生相反作用的信號。擾動分為內擾和外擾兩大類，內擾產生在系統內部，外擾來自系統外部，和輸入量疊加在一起而進入系統。干擾與噪聲一系統受另一系統影響而產生誤差被測信號加入隨機振動，來自測量系統內部控制過程：通過消除擾動因素的影響，從而保持被控制量按預期要求變化的過程。自動控制：不需要人直接參與，而使被控量自動地按預定的規律變化的控制過程。控制量：被控系統的輸入量或給定量，用r(t)表示。被控量：被控系統的輸出量，用y(t)表示，如被控電機的轉速，溫控系統的溫度等。反饋量：與被控制量成比例的反饋信號，用yCF(t)表示。偏差量：控制量與反饋量之間的差值,用e(t)表示,e(t)=r(t)-yCF(t)。2．常見系統術語開環控制系統被控制量只能受控于控制量，而對控制量不能反施任何影響的系統。閉環控制系統利用負反饋，將被控制量影響控制量作用的系統，又叫反饋控制系統。隨動系統是一種反饋系統，隨著r(t)的變化，被控制量在前一r(t)對應的位置進行變化，其特性如圖1-1所示。隨動系統多出現于機械位移、速度、加速度等對象的控制，所以常稱之為位置控制系統。r2(t)y2(t)y（t）r1(t)y1(t)t圖1-1隨動系統特性示意圖穩定系統（恒值系統）又稱自動調整系統，是一種反饋系統，當r(∞)為常量時，也要求被控量保持在常量上，如圖1-2所示。

常見的穩定系統有恒溫、電壓、電流、頻率、壓力等控制系統。y（t）r（∞）t圖1-2穩定系統特性示意圖過程控制系統以變化過程作為控制對象的控制系統，在控制過程中，給定量按照預先制定的規律，在程序運行中變化，所以又叫程序控制。這類系統多見于溫度、壓力、流量等控制系統。1.1.2控制系統工作特性

1.控制系統的一般結構及其工作特性y（t）校正環節反饋環節r（t）比較環節e（t）擾動信號yCF（t）+-圖1-3閉環控制系統抽象結構圖執行環節被控對象u（t）實際控制系統除存在內外擾動外，還有系統自身存在的邏輯死區、響應慣性等影響系統的控制效果。因此，當輸入信號作用到系統之后，在系統的輸出端并不能馬上得到響應，而只有當偏差信號大到一定程度時，系統才有輸出。輸出結果根據各環節的品質狀況及系統所處環境有多種多樣。系統工作狀態過渡過程的測試是通過系統響應特定輸入信號（或叫試驗信號）來進行的。

r(t)1(t)圖1-4單位階躍輸入信號階躍信號作為常用的測試信號，如圖1-4所示。

系統進入穩態的過渡過程及其工作特性如圖1-5所示。δPy(t)y(∞)trtstP△△圖1-52.幾種典型控制系統過渡過程曲線1）單調逐漸逼近

(見圖1-6特性曲線①)y(∞)過度過程曲線單調逼近y(∞)：δP＝0，N=0，y(t)=y(∞)2）等幅振蕩(見圖1-6特性曲線②

)y(∞)等幅振蕩，N—>∞（自激振蕩）。

3.振蕩發散(見圖1-6特性曲線③)振蕩發散，N—>∞；振幅系統無平衡狀態ΔΔy(∞)4.單調發散

(見圖1-6特性曲線④,⑤)y(∞)“過”單調發散，這類系統無穩定狀態，不能使用：δP—>∞；N=0；y(t)？

④⑤5.欠阻尼振蕩阻尼振蕩：一般可工作系統均為此曲線。y(∞)與預期r(∞)之差，稱為穩態誤差，表征系統控制精度的參數之一。阻尼系統的過渡過程分為三種工作狀態,即欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼。過阻尼工作狀態相似于單調逐漸逼近或一階系統工作狀態，啟動速度變慢。y(∞)△△1.2微型計算機控制系統體系結構與特征1．2．1微機控制系統體系結構1.微型計算機控制系統一般結構擾動執行機構A/DR(k)y(t)＋－圖1-7微機閉環控制系統體系結構抽象圖控制器

微型計算機D/A被控對象檢測裝置E(k)YCF

(k)U(k)與模擬閉環控制系統抽象結構(圖1-3)比較,微機閉環控制系統體系結構信號傳輸的路徑結構沒有發生變化，控制裝置即大虛線框外以右的內容相同。不同的地方是控制裝置的四個環節均有重大變化，即（1）控制器和比較環節由微型計算機取代，這是劃時代的進步；（2）執行環節在模擬控制系統中只有執行機構，而在微機控制系統中于執行機構前增加D/A轉換；（3）反饋環節在模擬控制系統中只有檢測裝置，而在微機控制系統中于檢測裝置后設置A/D轉換。由于微型計算機處理的是離散信息，因此微型機控制系統中控制裝置內的時間變量均采用人們公認的離散時間變量符號K。2.微型計算機控制系統硬件組成工業生產過程D/A多路轉換開關量輸入微型計算機系統主機采樣裝置A/D變送保持開關量輸出操作控制臺過程通道保持變送人機交互通道接口微機I/O設備微機外設接口圖1-8微型計算機控制系統硬件典型結構圖面向過程通道的接口人機交互通道（1）工業生產過程

工業生產過程是指在生產現場把原材料變成成品或半成品，或通過原材料獲得某些所需參數的工序實現。參與工序實現的內容包括工藝規則、技術范疇、參與設備、人員數量與作用、結果指標、質量檢驗、安全保證等。（2）過程通道主機與工業生產過程之間需要傳遞三類信息，即互傳數據，主機向工業生產過程發布控制信息，主機從工業生產過程接受狀態信息。互傳數據有模擬、開關量兩種數據形式，而控制、狀態信息均為開關量。過程通道包括模擬過程輸入、輸出通道、開關量過程輸入、輸出通道。過程通道處于工業生產過程與主機接口之間，擔負著生產過程與主機交換信息的任務。（3）接口在微型計算機控制系統中一般存在三類不同功能的接口，一類介于主機與過程通道之間，用于主機與過程通道交換數字信息；二類介于主機與交互通道之間，用于主機與交互通道交換數字信息；三類介于主機與微機I/O設備之間，用于主機與微機I/O設備交換數字信息，在多微機互聯的微型計算機控制系統中，多微機可互按I/O設備管理。

（4）主機核心內容——控制程序，其反映輸入輸出之間的數學關系。在工業生產過程中，處于在線的主機又稱為工業控制計算機，簡稱工業控制機或工控機，其特點表現在可靠性高、可維修性好、環境適用性強、控制實時性好、輸入輸出通道完善及軟件豐富等。（5）人機交互通道與操作控制臺人機交互通道與操作控制臺是相互依存的，操作控制臺因人機交互通道而設置，人機交互通道通過操作控制臺使得人機交互更方便。

就一般而言操作控制臺應具有以下功能①操作鍵盤，鼠標，按鍵等.②顯示CRT或LED，LCD，打印機，記錄儀,指示燈，喇叭等：狀態指示，聲光報警等.③數據保存外存，磁存儲器，光存儲器，半導體存儲器,IC卡等.④遠程信息交換3.微型計算機控制系統軟件系統軟件windowsBIOS監測軟件外設管理程序人－機對話程序控制算法程序自控程序等應用軟件注意：程序的運行時間以不影響系統實時性為前提1.2.2微型計算機控制系統特征1.結構特征微機控制系統：將控制器用微機來代替，便構成了微機控制系統。開環系統：控制器被控對象執行器被控參數R(t)用微機取代閉環系統：

執行機構A/Dr(t)y(t)＋－

微型計算機閉環控制系統抽象結構圖控制器微型機D/A被控對象檢測裝置2.信號特征模擬控制系統中所有環節的工作信號全為模擬信號，而微型計算機控制系統中主機的工作信號全為數字信號，前、后向模擬過程通道模擬、數字信號兼有，前、后向開關量過程通道是全數字信號，但無全模擬信號。3.功能特征（1）以軟件代替硬件。（2）數據保存。（3）顯示設備、方法與內容。（4）多系統互聯。4.時限特征“實時”，是指在規定的時間內完成規定的任務。（1）實時數據采集。（2）實時決策運算。（3）實時控制輸出。數據采樣、運算決策、輸出控制三個階段占用時間之和滿足實時性要求，則該系統具有實時性。5.控制器工作方式特征控制器在控制系統中的工作方式有在線、離線兩種。微型計算機在線工作方式：又稱“聯機”工作方式。微型計算機在控制系統中直接參與控制或交換信息，而不通過其它中間記錄介質，如磁盤、U盤、光盤、磁帶等。微型計算機離線工作方式：又稱“脫機”工作方式。微型計算機不直接參與對被控對象的控制，或不直接與被控對象交換信息，而僅是將有關控制信息記錄或打印出來，再由人來聯系，按照微機提供的信息完成相應的控制操作。離線工作方式無實時性可談。要使系統具有實時性，微型計算機必須按在線方式工作。1.3微型計算機控制系統分類1.3.1經典微型計算機控制系統1.數據采集與處理系統現場輸入通道顯示設備主機接口圖1-9數據采集與處理系統基本結構2.操作指導控制系統

生產過程輸入通道顯示設備主機通道接口圖1-10操作指導控制系統基本結構操作人員3.直接式數字控制系統4.監督式計算機控制系統生產過程接口控制操作臺主機執行機構接口輸出通道輸入通道檢測圖1-11DDC系統基本結構工業生產過程DDC計算機SCC計算機模擬輸入通道模擬輸出通道給定值控制操作臺圖1-12SCC系統基本結構1.3.2新型微型計算機控制系統

1.基于智能控制算法的微機控制系統智能控制是自動控制和人工智能相結合的學科,即具有摸仿人的學習、推理等功能；能適用不斷變化的環境；能處理多種信息以減少不確定性；能以安全和可靠的方式進行規劃，產生和執行的動作，獲取系統總體上最優或次優的性能指標。智能控制技術有三大基本內容：模糊控制技術，神經網絡控制技術，遺傳控制技術。在硬件上智能控制系統與傳統的微機控制系統結構無重大區別；在軟件上，智能控制系統的驅動量由智能控制算法產生。微機智能控制系統的命名一般借用智能控制算法的名稱。模糊化模糊決策反模糊化圖1-13一般模糊控制系統基本結構控制量YUkXk被控對象圖1-13為模糊控制系統的一般結構圖。2.集散式微型計算機控制系統集散式微型計算機控制系統(DistributedControlSystem，DCS)是基于微型計算機總線通信技術的多系統分層分散控制、集中管理微型計算機控制系統，已成為大工業現場普遍使用的生產過程控制、子系統管理的方案。DCS也稱為分級分布式控制系統，簡稱集散系統，它是計算機、自動化、通信、網絡和顯示等多種技術相結合的產物。設計原則：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、綜合協調。過程控制系統1網間聯絡站任務管理站過程管理站網間聯絡站過程控制系統nLAN總線通信圖1-14DCS結構圖其他LAN國外有：西屋公司、艾默生、ABB、西門子、霍尼韋爾、橫河、羅克韋爾等。國內有：上海新華，浙大中控，和利時，自儀股份、魯能控制，國電智深，上海華文，上海樂華，浙江中自等。核電DCS：美國西屋、美國英維斯（施耐德收購）、法國阿?，m、日本三菱，北京廣利核3.現場總線微型計算機控制系統現場總線微型計算機控制系統（FieldbusControlSistem，FCS）是DCS的換代產品，與傳統的DCS相比，具有數字化的信息傳播、分散的系統結構、方便的互操作性、開放的互聯網絡及多種傳輸媒介、拓撲結構等特點。FCS的核心是現場總線，具體表現于適用工業控制領域的網絡通信與管理協議。由于競爭激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統市場，很多重要企業都力圖開發接口技術，使自己的總線能和其他總線相連，在國際標準中