第一章 计算机控制技术

给定量 + A/D 工控机 生产过程 测量变送 e 控制器 u
r
D/A
执行机构
被控对象
被控量 y
几个概念
• 控制器：计算机 控制器： • 被控对象：物理对象（模拟对象） 被控对象：物理对象（模拟对象） • •
对象的状态变化是时间的连续函数 执行机构：接受DA输出的控制量 输出的控制量， 执行机构：接受DA输出的控制量，并作用于被 控对象 测量变送：将被控量y转化成AD转换器能接受的 测量变送：将被控量y转化成AD转换器能接受的 信号 制系统中的计算机 被控对象之间的信息传递必 制系统中的计算机和被控对象之间的信息传递必 计算机和 须经由AD转换器和 转换器完成 转换器和DA转换器完成。 须经由AD转换器和DA转换器完成。
• 2. 是。不在线肯定不能满足实时性。 不在线肯定不能满足实时性。
二、计算机控制系统的组成
• 简单讲，计算机控制系统是由控制计算机 简单讲，计算机控制系统是由控制计算机
和生产过程两大部分组成的。 生产过程两大部分组成的。 两大部分组成的 • 控制计算机是核心装置，是系统中信号处 控制计算机是核心装置 是核心装置， 理和决策的机构，相当于神经中枢。 理和决策的机构，相当于神经中枢。 • 生产过程包含了被控对象、执行机构、测 生产过程包含了被控对象 执行机构、 包含了被控对象、 量变送等装置。 量变送等装置。 计算机控制系统和一般计算机一样，是由硬 计算机控制系统和一般计算机一样，是由硬 件和软件两部分组成的 两部分组成的。 件和软件两部分组成的。
注：计算机本身只能接受数字量，所以计算机控 计算机本身只能接受数字量，
• 2 计算机控制系统的工作过程 • （1）实时数据采集 对来自测量变送装 实时数据采集：对来自测量变送装 实时数据采集
置的被控量y的瞬时值进行检测和输入； 置的被控量 的瞬时值进行检测和输入； 的瞬时值进行检测和输入
• （2）实时控制计算 对采集到的被控量 实时控制计算：对采集到的被控量 实时控制计算
1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现 了自动化，极大地提高了劳动生产率 提高了劳动生产率， 了自动化，极大地提高了劳动生产率，而 减轻了人的劳动强度。 且减轻了人的劳动强度。 2.自动控制使工作具有高度的准确性，大大 自动控制使工作具有高度的准确性 自动控制使工作具有高度的准确性， 地提高了武器的命中率和战斗力， 地提高了武器的命中率和战斗力，例如火 炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能 打下高速高空飞行的飞机。 打下高速高空飞行的飞机。 3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离 某些人们不能直接参与 某些人们不能直接参与工作的场合就更离 不开自动控制技术了，例如原子能的生产、 不开自动控制技术了，例如原子能的生产、 火炮或导弹的制导等等。 火炮或导弹的制导等等。
输出在工艺要求的时间范围内完成， 输出在工艺要求的时间范围内完成，亦即 及时” “及时”。也就是说计算机应有较快的运 算速度， 算速度，能在给定时间内完成一次对被控 对象的控制。 对象的控制。只要在给定的采样周期内完 成相应的控制任务， 成相应的控制任务，这些系统就是实时系 统。
在线方式与离线方式
2.外部设备（不一定都要具备） 2.外部设备（不一定都要具备） 外部设备
• 输入设备：键盘、鼠标等 输入设备：键盘、 • 输出设备：CRT显示器、LCD或LED显示 输出设备：CRT显示器 LCD或LED显示 显示器、
器、打印机等 • 外存储器：磁盘（包括硬盘和软盘） 外存储器：磁盘（包括硬盘和软盘） • 通信设备：连网通信 通信设备：
• 自动控制起初采用模拟技术，模拟控制器 自动控制起初采用模拟技术 模拟技术，
是纯硬件的，只能完成简单的控制规律。 是纯硬件的，只能完成简单的控制规律。
• 数字计算机以其信息处理能力强、逻辑判 数字计算机以其信息处理能力强 以其信息处理能力强、
断和快速数值计算功能渗透到各个领域， 断和快速数值计算功能渗透到各个领域， 以计算机为主体的自动控制系统——计算 以计算机为主体的自动控制系统——计算 机控制系统正逐步取代传统的模拟控制系 并应用于工业生产的自动化。 统，并应用于工业生产的自动化。
• 在计算控制系统中 ， 生产过程 和 计算机 直 在计算控制系统中， 生产过程和 计算机直
接相连， 接相连 ， 被控对象直接受计算机控制的方 在线方式或联机方式； 式称为在线方式或联机方式 式称为在线方式或联机方式； • 生产过程和计算机不直接相连 ， 而是靠其 生产过程和计算机不直接相连， 他中间介质， 如磁盘、 他中间介质 ， 如磁盘 、 磁带等与生产现场 发生联系，称为离线方式或脱机方式 离线方式或脱机方式。 发生联系，称为离线方式或脱机方式。
6.常见的国内自动化类杂志 6.常见的国内自动化类杂志 理论性较强的杂志：自动化学报、控制理 论与应用、系统工程理论与实践、仪器仪 表学报、模式识别与人工智能、电子学报 等。 介于理论与应用之间的杂志：信息与控制、 控制与决策、自动化仪表、工业自动化及 仪表等。 技术性或应用性文章较多一点的杂志：化 工自动化及仪表、冶金自动化、计算机测 量与控制、工业控制计算机等等。
进行分析和处理，并按预定的控制规律， 进行分析和处理，并按预定的控制规律， 决定将要采取的控制行为， 决定将要采取的控制行为，此步亦成为 控制决策； 控制决策；
• （3）实时控制输出 根据控制决策，适 实时控制输出：根据控制决策 实时控制输出 根据控制决策，
时地对执行机构发出控制信号， 时地对执行机构发出控制信号，完成控 制任务。 制任务。
当代计算机控制技术
• 计算机技术 • 自动控制技术 • 网络技术 • 通信技术
一 计算机控制系统的工作原理 1.计算机控制系统及其组成 计算机控制系统及其组成 图示计算机控制系统， 图示计算机控制系统，就是利用计算 通常称为工业控制计算机,简称工控机 机(通常称为工业控制计算机 简称工控机 通常称为工业控制计算机 简称工控机) 来实现生产过程自动控制的系统。 来实现生产过程自动控制的系统。
计算机基本系统 CPU 主机 系 RAM ROM 统 常规 外部 设备 输出设备 外存储器 通信设备 操作台 输入设备 接口 接口 接口 接口 接口 线 总 接口 接口 接口
过程输入输出通道 A / D转换 测量变送 工
D/A 转换
驱动执行
业
开关输入
对
接口
象 开关输出
1.主机 1.主机
• 由中央处理器（CPU）和内存储器（RAM和 中央处理器（CPU）和内存储器（RAM和
1或0，只要电流或电压不高于某上限值，都会被 只要电流或电压不高于某上限值， 认为代表0 只要电流或电压不低于某下限值， 认为代表0；只要电流或电压不低于某下限值， 都会被认为代表1 都会被认为代表1，当然同一电路中下限值一定 大幅度高于上限值， 大幅度高于上限值，电流或电压略高或略低并不 影响其含义， 影响其含义，因而具有比模拟电路好得多的抗干 扰性。 扰性。
第一章 计算机控制系统引论
第一节 第二节 第三节 • 计算机控制系统的原理与组成 计算机控制系统的分类与特点 计算机控制系统的发展概况及趋势
• 所谓自动控制，就是在没有人直接参与
的情况下，通过控制器使生产过程自动 自动地 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。 按照预定的规律运行。
• 课程介绍
1. 课程名称 计算机控制技术 夏扬 主编 2.老师介绍 2.老师介绍 姓名：李海霞 联系方式： e-mail：yimihuali@ mail： （上海海事大学）
3.课程定位: 课程定位: 自动化专业的一门专业课， 自动化专业的一门专业课 ， 重点在于 控制， 计算机只是一个工具 ， 控制 ， 计算机只是一个工具， 不具体涉及 计算机的内部操作。 计算机的内部操作。 4.本课程所涵盖的相关基础知识 4.本课程所涵盖的相关基础知识 计算机技术 – （包括硬件、软件、网络与通讯等） 自动控制理论 – （包括系统建模、控制理论、数字仿真 等） 检测技术及仪表
拟量输出通道AO，AI将模拟信号转换成数 拟量输出通道AO，AI将模拟信号转换成数 字量输入计算机；AO将数字控制信号转换 字量输入计算机；AO将数字控制信号转换 为模拟信号，输出到执行装置， 为模拟信号，输出到执行装置，控制被控 对象。 对象。 • 数字量通道：包括数字量输入通道DI和数 数字量通道：包括数字量输入通道 和 数字量输入通道DI 字量输出通道DO，DI用来接收和反映被控 字量输出通道DO，DI用来接收和反映被控 对象的开关量或数字信号，DO将计算机产 对象的开关量或数字信号，DO将计算机产 生的开关量控制命令输出， 生的开关量控制命令输出，并驱动相应电 器开关或信号灯。 器开关或信号灯。
5.课程内容 5.课程内容
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
计算机控制系统引论 过程输入输出通道 常用数字控制器设计 复杂数字控制器设计 控制计算机的组成 控制系统应用程序设计 计算机控制系统的可靠性 网络集成式分散控制系统
第九章 计算机控制系统设计与实现
ROM）通过系统总线连接而成，是整个控 ROM）通过系统总线连接而成，是整个控 制系统的核心。 制系统的核心。 • 作用：从过程输入通道获取反映被控对象 作用：从过程输入通道获取反映被控对象 运行工况的信息，并按程序中规定的算法， 运行工况的信息，并按程序中规定的算法， 或操作人员通过键盘输入的操作命令自动 进行运算和判断，及时通过过程输出通道 进行运算和判断，及时通过过程输出通道 向被控对象发出相应控制命令，实现对被 向被控对象发出相应控制命令，实现对被 控对象的控制。
控制计算过程
• 上述测量、控制、运算、管理的过 上述测量、控制、运算、
程不断重复，使整个系统能够按照 不断重复， 预定的品质指标要求进行工作， 品质指标要求进行工作 预定的品质指标要求进行工作，并 且对被控参数和控制设备本身出现 的异常状态及时监督并作出迅速处 理。