计算机控制系统授课教案.docx
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计算机控制系统授课教案
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第一章概述
第一节计算机控制系统概论
一、计算机控制系统的一般概念
1．自动控制系统的结构生产中的自动控制系统随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构不同而有很大的差别，但一般可归纳为两大类，即闭环控制系统和开环控制系统。
由于开环控制系统控制性能较闭环控制系统差，因此在控制要求较高时均采用闭环控制。
闭环控制系统的典型结构如图1.1所示。
图1.1闭环控制系统的典型结构图
2．计算机控制系统计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。
将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。
如果计算机是微型计算机，就是微型计算机控制系统。
典型的计算机控制系统结构如图1.2所示。
图1.2计算机控制系统结构图
3．计算机控制系统的工作步骤
计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：
（1）实时数据采集：
对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
（2）实时决策：
对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
（3）实时控制：
根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
4．几个术语
（1）实时所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
（2）“在线”方式在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
（3）“离线”方式
若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
二、计算机控制系统的发展概况
的。
1．自动控制原理的发展
（1）经典控制理论
（2）现代控制理论
（3）智能控制理论2．计算机技术的发展1946年第一台计算机问世至今，计算机技术迅速发展。
3．计算机控制技术的发展
（1）开创阶段（1955年—1965年）
1952年，开始把计算机用于生产过程，实现了自动测量和数据处理，为操作人员提供了对管理有用的信息。
1954年用计算机构成了开环控制系统，能够帮助操作人员对一部分被控参量进行正确调节。
1957年采用计算机构成闭环控制系统，最初应用于石油蒸馏过程的调
节；一年后，又在一个电站和一个炼油厂采用直接数字控制方式，实现了计算机闭环定值控制，这是计算机在线过程控制系统。
1960年，在合成氨和丙烯腈生产过程中完成了计算机监督控制，计算机开始侧重于最优控制，并逐步向分级控制和网络控制方向发展。
虽然每隔二、三年计算机应用于生产过程控制就有一些新发展，但在1965年以前基本上处于单项工程试验阶段。
（2）小型计算机时期（1965年—1972年）在试验阶段用于控制的计算机基本上还是模拟常规调节仪表所采用的调节规律，只在控制形式上由连续变为离散，因而调节效果得不到明显改善。
直到60年代后期出现了小型机，才使计算机控制得以普及。
由于小型机具有体积小、速度快、工作可靠、价格较便宜等特点，所以使得计算机控制系统不再只是大型企业的工程项目，对于较小的工程问题也能利用计算机来控制了。
这一时期主要是计算机集中控制，即用一台计算机控制尽可能多的调节回路。
在高度集中控制时，若计算机出现故障，将对整个生产产生严重影响。
提高可靠性的措施就是采用多机并用的方案，即增加小型机数目。
因此由于小型机的出现，过程控制计算机的台数迅速增长。
这一时期为实用及普及阶段。
（3）微型计算机时期（1972—现在）随着计算机技术的发展，出现了微型机，从而使计算机控制技术进入了崭新的阶段。
这一时期以微型机为主体。
在控制结构上，对于简单生产过程或装置，采用单台微型机独立控制，如以单片机、工业控制机、可编程控制器为核心的计算机控制系统；对复杂生产过程或装置则采用集散型控制系统，将计算机分散到生产装置中去，采用多级分布式结构，从下而上分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级，进行分散控制、集中操作、分级管理、统一协调的工作，既能使危险分散，又能实现整体的协调和优化，大大提高了系统的安全可靠性和通用灵活性。
所以这一时期也是大量推广和分级控制阶段。
三、计算机控制系统的发展趋势大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。
1.普及应用可编程序控制器可编程控制器（ProgrammableController），缩写为PC，也可称之为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是一种专为工业环境应用而设计的微机系统。
它用可编程序的存储器来存储用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能。
某些PLC还可进行I/O控制，多台PLC之间进行通讯与联网，因此PLC在工业控制中得到了广泛的应用。
近年来PLC几乎都采用微处理器作为主控制器，且采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，因而其可靠性、功能、价格、体积等都比
较成熟和完美。
特别是具有智能的I/O模块的开发成功，使PLC除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算及网络等功能，从而大大地扩大了PLC的应用范围。
目前从单机自动化到工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络
都可寻觅到PLC的踪影。
2.采用集散控制系统
集散控制系统是以微机为核心，把微机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合
起来的一种计算机控制系统，它为生产的综合自动化创造了条件。
目前出现了以位总线（Bitbus）、现场总线（Fieldbus）技术等先进的网络通信技术为基础的集散型控制结构。
若采用先进的控制策略，会使自动化系统向低成本、综合化、高可靠性的方向发展，实现计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufactureSystem）。
3.研究和发展智能控制系统经典控制理论主要研究的对象是单变量常系数线性系统，它只适用于单输入单输出控制系统。
系统的数学模型采用传递函数表示，系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹法和频率法。
现代控制理论主要采用最优控制（二次型最优控制、H∞控制等）、系统辨识和最优估计、自适应控制等分析和设计方法。
系统分析的对象为多输入多输出线性系统，系统分析的数学模型主要用状态空间描述。
随着要研究的对象和系统越来越复杂，依赖于数学模型的传统控制理论难以解决复杂系统的控制问题，尤其是在具有如下特点的一类现代控制工程中：
（1）不确定性的模型：
传统控制是基于模型的控制，模型包括控制对象和干扰模型。
传统控制通常认为模型是已知的或经过辨识可以得到的，对于不确定性的模型，传统控制难以满足要求。
（2）高度非线性：
在传统的控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性控制方法可供使用，但总的来说，目前非线性控制理论还很不成熟，有些方法又过于复杂，无法广泛应用。
（3）复杂的任务要求：
在传统的控制系统中，控制任务往往要求输出量为定值（调节系统）或者要求输出量跟随期望的运动轨迹（跟踪系
统），因此控制任务比较单一。
但过于复杂的控制任务诸如智能机器人系统、复杂工业过程控制系统、计算机集成制造系统、航天航空控制系统、社会经济管理系统、环保及能源系统等传统的控制理论都无能为力。
在上述情形下智能控制便应运而生了。
智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，是用机器模拟人类智能的一个重要领域。
智能控制包括学习控制系统、分级递阶智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。
应用智能控制技术和自动控制理论来实现的先进的计算机控制系统，将有力地推动科学技术进步，并提高工业生产系统的自动化水平。
第二节微型计算机控制系统的组成及特点
、微型计算机控制系统的硬件组成
图1.3给出了微机控制系统的组成框图。
微型机控制系统的硬件包括：
1.主机
这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算（如调节规律运算、最优化计算等）和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
2．输入输出通道这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
3．外部设备
这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器（磁盘）。
其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
4．检测与执行机构
（1）测量变送单元在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号（0～5V或
4～20mA）后，再送入微机。
（2）执行机构要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。
例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出word文档可自由复制编辑
相应的控制量，输出给执行机构（调节阀）来控制进入加热炉的煤气（或油）量以实现预期的温度值。
常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。
二、微型机控制系统的软件组成
软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。
整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。
1.系统软件它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。
系统软件包括：
（1）操作系统：
即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；
（2）诊断系统：
指的是调节程序及故障诊断程序；
（3）开发系统：
包括各种程序设计语言、语言处理程序（编译程序）、服务程序（装配程序和编辑程序）、模拟主系统（系统模拟、仿真、
移植软件）、数据管理系统等；
（4）信息处理：
指文字翻译、企业管理等。
2.应用软件它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。
应用软件包括：
（1）过程监视程序：
指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等；
（2）过程控制计算程序：
指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；
（3）公共服务程序：
包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。
三、微型机控制系统的特点
微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：
1.控制规律灵活多样，改动方便
2.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制
3.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高
4.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度
第三节微型机控制系统的分类
一、操作指导控制系统
在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。
计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用，其原理框图如图1.4所示。
图1.4操作指导控制系统原理框图
该系统的优点是结构简单，控制灵活和安全可靠。
缺点是要由人工进行操作，操作速度受到了人为的限制，并且不能同时控制多个回
路。
该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及试验新的数学模型，调试新的控制程序等。
、直接数字控制系统（DDC系统）
DDC（DirectDigitalControl）系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。
DDC系统是闭环系统，是微
机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式，其原理框图如图1.5所示。
DDC系统的优点是灵活性大。
在常规模拟调节器控制系统中，控制器一经选定，其控制方法也就确定了，要改变控制方法就必须改变硬件，这往往难度较大。
而在DDC系统中，由于微机代替了常规模拟调节器，因此要改变控制方法，只要改变程序就可以实现了，无须对硬件线路作任何改动。
另外，计算机计算能力强，可以有效地实现较复杂的控制，用来改善控制质量，提高经济效益。
当控制回路较多时，采用DDC系统比采用常规控制器控制系统要经济合算，因为一台微机可代替多个模拟调节器。
三、计算机监督控制系统（SCC系统）
SCC（SupervisoryComputerControl）系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进
行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等，它是
操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。
SCC系统的原理框图如图1.6所示。
图1.6SCC系统原理框图
从SCC系统的原理框图可以看出，就其结构来讲，SCC系统有两种形式：
一种是SCC+模拟调节器控制系统，另一种是SCC+DDC控制系
统。
四、分布式控制系统（DCS系统）
DCS（DistributedControlSystem）
是采用积木式结构，以一台主计算机和两台或多台从计算机为基础的一种结构体系，所以也叫主从结构或树形结构，从机绝大部分时间都是并行工作的，只是必要时才与主机通信。
其原理框图如图1.7所示
该系统代替了原来的中小型计算机集中控制系统，它具有如下特点：
1.可靠性高
分布式计算机控制系统能实现地理上和功能上分散的控制，使每台微机的任务相应减少，功能更明确，组成也更简单，因此可靠性提高了。
2.速度快分布式计算机控制系统各级并行工作，很多采集和控制功能都分散到各个子环节中，仅在必要时才通过高速数据通道与监督计算机进行信息交换，因此减少了数据集中串行处理的时间，也减少了信息传递的次数，所以速度提高了。
3.结构灵活，易于扩展
分布式计算机控制系统采用的是模块化结构，即把任务相同的部分做成一个模块，系统结构灵活，可大可小，便于操作、组装和调度，容易扩展。
4.
设计、开发、维护简便由于系统采用模块式结构，且具有自诊断和错误检测系统，所以设计、开发及维护都很方便，并能实现高级复杂规律控制。
第二章输入输出过程通道
按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。
第一节数字量过程通道
数字量过程通道需处理的信息包括开关量、脉冲量和数码。
其中开关量是指一位的状态信号：
如阀门的闭合与开启、电机的起与停、触点的接通与断开、指示灯的亮与关等；脉冲量是指许多数字式传感器将被测物理量值转换为脉冲信号，如转速、位移、流量的数字传感器产生的数字脉冲信号；数码是指成组的二进制码，如用于设定系统参数的拨码开关等。
它们的共同特征是幅值离散，可以用一位或多位二进制码表示。
一、数字量输入通道
1.数字量输入通道的结构典型的数字量输入通道结构如图2.1所示。
图2.1开关量输入通道的典型结构示意图
2.数字量输入通道的信号调理
数字量输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。
这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此容易引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。
为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，完成这些功能的电路称为信号调理电路。
（1）消除机械抖动影响操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号在变化瞬间在0和1之间多次振荡，对其如不进行适当处理就会导致计算机的误动作。
图2.2所示为消除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，并转换成TTL电平信号与计算机相连。
图2.5（a）所示为一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。
图2.2（b）所示为R-S触发器消除开关两次反跳抖动的方法。
图2.2机械消抖电路图
（2）隔离处理在工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入数字量电压本身不高，也可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障系统安全。
光电耦合器就是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价格低廉，可靠性好，被广泛地应用于现场输入设备与计算机系统之间的隔离保护。
光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.3所示。
此外，利用光电耦合器还可以起到电平转换的作用，
如图2.4所示。
、数字量输出通道
在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些控制算法（如PWM脉宽调制方法）还要求控制执行机构在一定时间
T内的全负荷工作时间t（0≤t≤T），这些控制均是通过计算机控制系统的数字量输出通道实现的。
1.数字量输出通道的结构一般数字量输出通道都带有输出锁存器，所以在需要的时候直接输出至相应的并行输出接口就可以了。
有时系统需要数字脉冲输出，如果脉冲定时精度要求不高，而且CPU时间允许，则可采用软件延时控制脉冲周期与占空比，再通过并行输出接口形成脉冲输出；反之，
就需要采用硬件定时器实现。
图2.5给出了典型的数字量输出通道的结构。
2.数字量输出的信号调理数字量输出的信号调理主要是进行功率放大，使控制信号具有足够的功率去驱动执行机构或其它负载。
（1）小功率直流驱动电路
对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运算放大器等方式输出，如图2.6给出的几种电路一般仅能够提供几十毫安级的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。
图2.6低压小功率开关量输出电路图
（2）继电器输出技术
继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即利用继电器作为计算机输出的第一级执行机构，通过继电器的触点控制
大功率接触器的通断，从而完成从直流低压到交流高压，从小功率到大功率的转换。
图2.7给出了两种继电器式开关量输出电路
图2.10模拟量输入通道的组成结构示意图
、模拟量输入通道的组成
模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成1．I/V变换
图2.11所示的无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。
图2.11无源I/V变换电路图
对于0～10mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，且R2为精密电阻，这样当输入的电流为0～10mA电流时，输出的电压为0～5V。
2．多路开关
理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。
常用的多路开关有CD4051（或MC14051），AD7501，LF13508等。
CD4501有较宽的数字和模拟信号电平，数字信号为3～15V，模拟信号峰峰值为15VP-P；当VDD-VEE=15，V输入幅值为15VP-P时，其导通电阻为
80Ω；当VDD-VEE=10V时，其断开时的漏电流为±10PA；静态功耗为1μW。
由此可见，这种集成多路开关不是理想的开关。
它在接通时的导通电阻并不是足够小，而且其阻值随所使用的电源电压不同而变化。
为了减小多路开关导通电阻对信号传输精度的影响，就要求后面的负载阻抗足够大。
3．采样保持器
A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。
在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。
如果输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化
很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。
采样保持器S/H（SampleandHold）的结构原理如图2.12所示。
采样保持器的输入输出特性如图2.13所示。
图2.12采样保持器的原理结构图
图2.13采样保持器的输入输出特性示意图
目前，大多数集成采样保持器都不包含保持电容CH，所以使用时常常是外接CH。
由上述原理可知，CH的质量关系到采样保持器的精
度。
这就要求选用低介质损耗、漏电小的电容器，如聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯电容，其容量大小与采样频率成反比，一般在几百pF到0.01μF之间。
常用的集成采样保持器有LF198/298/398，AD582等。
3、A/D转换器
模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器（Analog/DigitalConverter，简称
A/D转换器或ADC）。
常用的A/D转换的方法有逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短（几微秒～几百个微秒），但抗干扰能力较差；后
者转换时间长（几十个毫秒～几百个毫秒），抗干扰能力较强。
在信号变化缓慢、现场干扰严重的场合，宜采用后者。
A/D转换器的工作原理见微机接口课。
图2.14给出了ADC0809与PC总线工业控制机的接口电路。
下面过程是以图2.14的接口方法为例完成采集ADC0809的8路模拟量程序。
假定在主程序中已完成对8255A的初始化编程，并已装填了ES和DS，使它们有相同的段基值，
系统分配给8255A的端口地址为2C0H～2C3H。
图2.14ADC0809与PC总线工业控制机接口电路图
ADC0809PROCNEARMOVCX,8CLDMOVBL,00HLEADI,DATABUF
NE
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