微型計算機控制技術

1、計算機控制技術,1.教材：機械工業(yè)出版社，于海生 等編著，本教材為國家“十一五”規(guī)劃教材。2.本課程為2004年山東省精品課程。3.授課教師:丁軍航 13370867376,微型計算機控制技術,本書以PC總線工業(yè)控制機為控制工具，系統(tǒng)地闡述數(shù)字計算機控制系統(tǒng)的設計和工程實現(xiàn)方法。,知識儲備,主要內(nèi)容,①自動控制理論（經(jīng)典/現(xiàn)代）②過程控制工程,指定參考書和參考期刊,孫增圻，《計算機控制理論及應用》清華大學出版社謝劍英，《微型計

2、算機控制技術》，國防工業(yè)出版社王樹青，《工業(yè)過程控制工程》，化學工業(yè)出版社期刊：工業(yè)控制機（技術性比較強）、測控技術、電氣自動化、自動化儀表、工業(yè)儀表與自動化裝置，化工自動化及儀表等等。,第一章是緒論，介紹了計算機控制系統(tǒng)及其組成、計算機控制系統(tǒng)的典型形式、工業(yè)控制機的組成結構及特點、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢；第二章討論了輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件設計；第三章討論了數(shù)字程序控制技術，重點介紹了逐點比較法插補原理和步

3、進電機控制技術（工作原理以及工作方式）；第四章主要講解數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術、數(shù)字控制器的離散化設計技術以及相關的各類控制算法，介紹一下常規(guī)及復雜控制技術；,主要內(nèi)容,第五章討論了現(xiàn)代控制技術，主要介紹了采用狀態(tài)空間的輸出反饋設計法、極點配置設計法、最優(yōu)化設計法；第六章討論了先進控制技術；第七章討論了計算機控制系統(tǒng)的應用程序設計與實現(xiàn)技術，重點放在數(shù)據(jù)處理、數(shù)字控制器的工程實現(xiàn)以及軟件抗干擾技術；第八章討論了分散型測控網(wǎng)絡技

4、術，給大家闡述通信網(wǎng)絡技術、DCS控制技術，介紹一下現(xiàn)場總線技術；第九章討論了計算機控制系統(tǒng)的設計原則、步驟和工程實現(xiàn)，并給出了設計實例。,第1章 緒 論,1.1 計算機控制系統(tǒng)概述1.2 計算機控制系統(tǒng)的典型型式1.3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢,1.1 計算機控制系統(tǒng)概述,1.1.1 自動控制系統(tǒng) 所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預定的規(guī)律運行。,1.1 計算機控制系

5、統(tǒng)概述,1.1.2 計算機控制系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機)來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。,1.計算機控制系統(tǒng)的工作原理 2.在線方式和離線方式3.實時的含義 ,（1）計算機控制系統(tǒng)的工作原理,從本質(zhì)上看，計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟： ①實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。 ②實時控制決策：對采集到的被控量進行分

6、析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。   ③實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。,（2）幾個概念,①在線方式和離線方式：on-line/off-line 生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式； 生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。②實時：指信號的輸入、

7、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。 ！而且這個時間范圍的大小跟被空對象聯(lián)系非常的緊密！不同的被控對象，對時間范圍的要求不同：發(fā)酵過程和導彈防御系統(tǒng)的對比！,思考兩個問題,一.在線系統(tǒng)是否一定是實時系統(tǒng)？二.實時系統(tǒng)是否一定是在線系統(tǒng)？,一.不一定。在線采集的數(shù)據(jù)不一定在當時就進行處理，只要把數(shù)據(jù)采集來就可以！二.是。不

8、在線肯定不能滿足實時性。,1.1 計算機控制系統(tǒng)概述,1.1.3 計算機控制系統(tǒng)的組成 計算機控制系統(tǒng)由計算機(工業(yè)控制機)和生產(chǎn)過程兩大部分組成。,1.工業(yè)控制機 （1）硬件組成 （2）軟件組成2.生產(chǎn)過程,1.1.4 常用的計算機控制系統(tǒng)主機,1.可編程序控制器（PC/PLC） 2.工控機（IPC） 3.單片機 4.DSP 5.智能調(diào)節(jié)器,1.2 計算機控制系統(tǒng)的典型型式,1.2.1

9、操作指導控制系統(tǒng),操作指導控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。,1.2.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng),1.2.3 監(jiān)督控制系統(tǒng) a） SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng) b） SCC+DDC的分級控制系統(tǒng),1.2.4 集散控制系統(tǒng),,1.2.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),1.2.6 綜合自動化系統(tǒng) 由企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP（Enterprise Resource

10、s Planning）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）構成的三層結構，已成為綜合自動化系統(tǒng)的整體解決方案。,綜合自動化系統(tǒng)主要包括制造業(yè)的計算機集成制造系統(tǒng)和流程工業(yè)的計算機集成過程系統(tǒng)。 計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS-Computer Integrated Manufacture System)

11、 計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS-Computer Integrated Process System）,2.按照控制規(guī)律分類,（1）程序和順序控制（2）比例積分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）復雜規(guī)律的控制（5）智能控制,（1）程序和順序控制,定義：程序控制是被控制量按照一定的、預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間函數(shù)的變化。

12、 順序控制是程序控制的擴展，在各個時期所給出設定值可以是不同的物理量，而且每次設定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結果的邏輯判斷。,（2）比例積分微分控制（PID控制）,定義：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。 PID控制是現(xiàn)在應用最廣、最為廣大工程技術人員熟悉的技術。PID控制結構簡單、參數(shù)容易調(diào)整，因此，無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)使用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。這同樣是我們學習的一個重點內(nèi)容。

13、,（3）最小拍控制,最小拍控制的性能指標是要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間內(nèi)完成調(diào)節(jié)過程。 最小拍控制通常用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設計中。 最小拍控制是我們本書內(nèi)容的重點和難點，是直接離散控制系統(tǒng)設計！,（4）復雜規(guī)律的控制,在PID控制的基礎上，引進了各種復雜規(guī)律的控制，比如串級控制、前饋控制、純滯后補償、解偶控制、最優(yōu)控制、自適應控制等，組成復雜控制系統(tǒng)。 目的：是為了解決隨機擾動問題，使系統(tǒng)控制達到滿意的性能指標。

14、,（5）智能控制,智能控制把先進的方法學理論與解決當前技術問題所需要的系統(tǒng)理論結合起來的學科?？梢钥闯扇齻€主要理論領域的交叉或會合，即：人工智能運籌學控制理論,,1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 1.計算機技術的發(fā)展過程 （1）開創(chuàng)時期（1955～1962年） （2）直接數(shù)字控制時期（1962～1967年） （3）小型計算機時期（1967～1972

15、年） （4）微型計算機時期（1972年至今）,1.3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢,1.3.1 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 2.計算機控制理論的發(fā)展過程 （1）采樣定理 （2）差分方程 （3）Z變換法 （4）狀態(tài)空間理論 （5）最優(yōu)控制與隨機控制 （6）代數(shù)系統(tǒng)理論 （7）系統(tǒng)辨識與

16、自適應控制 （8）先進控制技術,1.3.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1.推廣應用成熟的先進技術 （1）普及應用可編程序控制器（PLC） （2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器 （3）采用新型的DCS和FCS 2.大力研究和發(fā)展先進控制技術,1.3.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 3.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 （1）控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化

17、 （2）控制系統(tǒng)的扁平化 （3）控制系統(tǒng)的智能化 （4）控制系統(tǒng)的綜合化,1.4計算機控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容和對系統(tǒng)的基本要求,一.研究內(nèi)容 1.系統(tǒng)建模：自動控制系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容是對控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型，簡稱系統(tǒng)建模。數(shù)學模型是描述系統(tǒng)變量之間關系的數(shù)學表達式，對連續(xù)系統(tǒng)為微分方程，對離散系統(tǒng)為差分方程，在現(xiàn)代控制理論中，要建立狀態(tài)方程。 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型的方法有分析方法和

18、實驗方法。 分析法是根據(jù)物理和化學定律，建立系統(tǒng)的動態(tài)方程。 實驗法是用系統(tǒng)辨識方法，即對系統(tǒng)加入已知信號，記錄系統(tǒng)的輸出，然后用數(shù)學模型近似，從而得到系統(tǒng)的數(shù)學模型（著名的“黑箱”建模方法）。,2.系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析是在系統(tǒng)給定的情況下，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能指標和穩(wěn)態(tài)誤差的問題，并且討論系統(tǒng)的性能指標與結構參數(shù)之間的關系。一般采用時域分析和頻域分析兩種方法。3.系統(tǒng)設計：建立一個能夠完成設定的控制任務，滿足一定

19、的控制要求的系統(tǒng)。系統(tǒng)控制器的設計稱為校正?？刂破饕卜Q為校正裝置。所謂校正指在系統(tǒng)中加入一些可調(diào)的裝置（機構），使系統(tǒng)的性能指標發(fā)生變化，滿足設計的要求。通常講的控制系統(tǒng)設計，是指控制器（校正裝置）設計。,二.對計算機控制系統(tǒng)的基本要求,1.系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，是當被控變量偏離期望時，其偏差隨時間的增長逐漸減小或趨于零。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作必須的條件。2.動態(tài)過程必須滿足動態(tài)性能指標的要求