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首页 第1章 计算机控制系统 绪论

第1章 计算机控制系统 绪论.ppt

第1章 计算机控制系统 绪论

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2018-11-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第1章 计算机控制系统 绪论ppt》,可适用于工程科技领域

课程性质与任务:性质:计算机控制技术是自动化专业一门专业课实践性和应用性都很强是计算机技术与工业生产过程相结合的产物其中心内容是计算机技术在工业生产过程中的应用即利用计算机实现工业生产的自动控制是信息技术基础课和专业基础的集成与应用。先修课:模电和数电、自控原理、微机原理、检测等。任务:掌握计算机控制系统的分析、设计和实现方法课程定位自动化系的一门专业课重点在于控制计算机只是一个工具不具体涉及计算机的内部操作。课程目的和要求熟悉了解自动控制原理中的基础知识和计算机控制的基本方法。教材及参考书 俞光昀编著计算机控制技术电子工业出版社年 何克忠、李伟编著计算机控制系统清华大学出版社年 李正军编著计算机控制系统机械工业出版社年苗秀敏等编著计算机控制系统及应用北京科学技术出版社年孙增圻编著计算机控制理论及应用清华大学出版社年于海生等编著微型计算机控制技术清华大学出版社年如何学好?、深刻理解基本理论知识、掌握好的学习方法、注重理论和工程实践的联系往届同学都反映是比较难学的原因有:此课涉及到计算机技术、自动控制技术、过程控制和接口技术、程序设计、检测技术及仪表和工程技术、通讯与网络技术、信号与系统等多方面知识。课程内容比较杂乱系统性较差有些内容很抽象限于实验条件同学们对实际系统感性认识差而课程实践性又很强不适应。课程总目标 学完本课程后应具有以下能力:了解计算机控制系统的组成及工作原理绘制计算机控制系统结构图熟练掌握计算机控制系统设计的方法熟悉控制系统应用程序设计方法灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题。学时安排 共个学时理论教学学时实验学时。评分标准 平时作业+实验+笔试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。 常见的国外自动化类杂志COMPUTINGCONTROLENGINEERINGJOURNALIEEETRANSACTIONSONAUTOMATICCONTROLIEEETRANSACTIONSONCONTROLSYSTEMSTECHNOLOGYCONTROLANDINSTRUMENTATIONCONTROLENGINEERINGCONTROLENGINEERINGPRACTICEAUTOMATICAIEEECONTROLSYSTEMSMAGAZINE计算机控制系统第章计算机控制导论本章主要内容计算机控制系统的工作原理和系统组成计算机控制系统结构、信号及控制方式的特点计算机控制系统的优点计算机控制系统发展、应用与分类状况计算机控制理论与设计中的一些问题计算机控制系统、采样系统及离散系统的概念本章小结计算机控制系统的工作原理和系统组成本节主要内容计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本组成计算机控制系统基本工作原理常规控制系统的工作原理按偏差e进行控制目的是减少或消除偏差。定义:计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现对控制对象(通常为生产过程)自动控制的系统。计算机控制系统基本工作原理实例典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统图雷达天线指向位置跟踪系统MG功率放大校正网络反馈电位计俯仰角控制通道MG功率放大校正网络反馈电位计方位控制通道天线定向位置指令生成装置计算机控制系统基本工作原理精确跟踪目标的运动必须保证天线准确的定向。天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立控制系统。系统除了采用速度反馈外控制器还采用了滞后超前等串联校正网络该校正网络利用常规的有源模拟运算放大器实现。为了使系统有优良的动态及静态特性系统的校正网络及工作状态的改变将非常复杂采用模拟式部件实现将是很困难的。计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装置的作用。图雷达天线指向位置跟踪系统原理结构图MGDAADDAAD控制计算机(包括硬件及相应软件)(内含天线定向位置指令)功率放大反馈电位计俯仰角控制通道MG功率放大反馈电位计方位控制通道计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统与连续模拟系统类似主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。计算机系统主要包括:.A/D转换器将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号送入计算机.D/A转换器将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件.数字计算机(包括硬件及相应软件)实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理按给定的算法程序产生相应的控制指令。计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统的控制过程可以归结为:.实时数据采集即AD变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入.实时决策即计算机按给定算法依采集的信息进行控制行为的决策生成控制指令.实时控制即DA变换器根据决策结果适时地向被控对象输出控制信号。“实时”是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成如超过一定的时间就失去了控制时机控制就失去了意义。所需时间将依具体系统特性确定。计算机控制系统基本工作原理在线方式与离线方式在计算控制系统中生产过程和计算机直接相连并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式生产过程不和计算机相连且不受计算机控制而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。实时控制 所谓实时是指信号的输入、计算和控制输出在工艺要求的时间范围内完成亦即“及时”。实时控制的性能受一次仪表的传输延迟、控制算法的复杂程度、微处理器或微控制器的运算速度和控制量的输出延迟等因素影响。实时控制的概念与工艺要求紧密相连如对快速变化的压力(或火炮)对象控制的实时控制时间要比缓慢变化的温度对象的实时控制时间快。计算机控制系统基本工作原理思考两个问题在线系统是否一定是实时系统?实时系统是否一定是在线系统?不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理只要把数据采集来就可以!是。不在线肯定不能满足实时性。计算机控制系统基本工作原理计算机控制系统基本组成计算机控制系统的典型原理结构计算机控制系统的硬件组成计算机主机:计算机控制系统的核心中央处理器(CPU)RAM、ROM等存储器、定时器接口适配器显示、打印、操纵台等图计算机控制系统的典型原理结构图被控对象执行机构DA数字计算机AD时钟反馈测量部件AD输入信号干扰输出信号计算机控制系统基本组成显示器打印机外部存储器操控台计算机系统总线CPURAM、ROM(PROM、EPROM或FLASH)存储器ADDA调理电路传感器执行机构被控对象模拟量模拟量定时器与其他计算机通讯接口模拟量输入通道模拟量输出通道数字传感器或电气开关数字式执行机械或电气开关数字量输入通道数字量输出通道数字量数字量中断信号输入放大驱动计算机控制系统基本组成过程通道:模/数(AD)转换器数/模(DA)转换器传感器信号调理电路功能:传感器将非电量的物理量变换成电量该电量并不一定适合AD直接采样转换常需通过放大、滤波等措施后才能送入AD转换器。数字量输入通道或数字量输出通道。计算机控制系统基本组成计算机控制系统的软件软件是计算机工作程序的总称实现信息采集、处理及输出功能的各种程序的集合。系统软件:计算机的通用软件。应用软件:系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。包括:控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理程序。通常应用软件由控制系统设计人员根据所选用的硬件及软件环境和系统要求开发编写。在构成系统硬件及软件时要充分保证系统运行的实时性及可靠性。软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库软件部分数据可靠性检查程序A/D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序常用的工业控制计算机可编程序控制器(PCPLC)工控机(IPC)单片机DSP智能调节器计算机控制系统基本组成CCS结构、信号及控制方式的特点计算机控制系统是混合信号系统具有多种信号形式:计算机是一个数字式离散处理器。被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的模拟与数字部件组成的混合系统。AD转换器通常包含下述三种形式的变换:模拟信号采样:按一定时间间隔对连续信号采样将其变成时间上是断续的离散信号信号幅值的整量化:将采样信号幅值按有限字长的最小量化单位分层取整变成幅值为离散的信号数字编码:将已整量化的分层信号变换为等值的二进制数码信号即数字信号。CCS结构、信号及控制方式的特点DA变换器通常包含有下述两种形式的变换:.数字解码把数字量转换为等值的模拟脉冲信号.信号恢复把解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化信号(有的DA先数字解码后保持有的先数字保持后解码)。在计算机内可分为时间连续数字信号(如在内存中保存的数字信号)时间断续的数字信号(如在处理器中的信号)。与连续模拟系统不同计算机控制系统中包含五种信号形式的变换如图所示具有六种信号形式,如表所示。CCS结构、信号及控制方式的特点表计算机控制系统中信号形式编码和解码仅是信号形式的改变看作无误差的等效变换分析时可略去。最重要的是采样、量化和保持变换过程。采样及保持涉及信号有、无问题影响系统的传递特性是本质问题分析和设计时必须考虑。量化使信号产生误差并影响系统的特性当字长较长时影响很小初步分析和设计时可不予考虑。图计算机控制系统中信号变换CCS结构、信号及控制方式的特点计算机控制系统可以实现分时串行或并行控制连续控制系统中控制器通常都是由不同电路构成的一台控制器仅为一个控制回路服务。计算机控制系统中一台计算机可同时控制多个被控对象或被控量即可为多个控制回路服务。同一台计算机利用依次巡回方法可以实现多路串行控制为了节省巡回时间也常采用分时并行控制每个控制回路的控制方式由软件来形成。如火炮位置计算机控制系统中高低角和方位角控制器均由同一台计算机硬件实现。如分散和集中相结合的多层次控制在分层控制中高层控制均采用一对多的分时控制方案。计算机控制系统优点易实现复杂控制规律计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储能力容易实现复杂的控制规律如各种智能控制等可以极大地提高系统性能。计算机控制系统的性价比高一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路因此它的功能价格比值较高。适应性强灵活性高控制算法是由软程序实现通过修改或执行不同的软件可使系统具有不同性能适应性强灵活性高。计算机是一种可编程的智能元件。一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制。计算机控制系统优点系统测量灵敏度高数字式传感器可以敏感微弱信号提高测量灵敏度。软件可以对传感器特性进行修正与补偿提高了精度。控制与管理容易结合实现更高层次的自动化利用网络结构构成计算机控制与管理系统实现生产过程与经营的管理控制一体化。系统可靠性和容错能力高计算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便提高了系统的可靠性和容错及维修能力。计算机控制系统一些缺点与不足抗干扰能力较低插入数字部件信号复杂设计实现有一定困难。CCS的发展、应用与分类本节主要内容计算机控制系统发展概况计算机控制系统应用概况计算机控制系统分类计算机控制系统发展概况开创时期(-年)难于直接参与系统的闭环控制。计算机的主要任务是寻求最佳运行条件。年世界上第一台电子计算机ENICA问世经历了十多年的研究年世界上第一台过程控制计算机在美国得克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行。直接数字控制时期(-年)计算机直接控制被控过程的变量取代了原来的模拟控制因而被称为直接数字控制(DDC)。小型计算机时期(-年)各种类型适合工业控制的小型计算机。许多小型工程项目、设备采用计算机控制系统。微型计算机时期(年至今)微型处理器件参与控制使计算机控制系统得到更普及的应用。计算机控制系统发展概况集散型控制微型计算机性能提高价格下降以及计算机通信和网络的发展促使发展一种许多相关联的微计算机组合共同负担工作负荷的系统形成了目前广泛应用的集成分散型控制系统。微型计算机的发展和普及促进发展了许多新型计算机的控制方式。如嵌入式计算机控制系统网络计算机控制专用控制器迅速的发展。依赖于计算机实时控制软件的进展。过去的几十年软件生产的进展不大。从本质上看以前的过程计算机控制是自动化孤岛模式一个工段、一个车间或一个过程采用计算机控制系统而现在的目标是建设整个工厂、整个企业的综合自动化系统。计算机控制系统发展概况性能完好的计算机控制系统要求计算机控制系统分析、设计理论的支持。采样系统的基本理论现代离散控制理论各种智能控制理论如模糊控制、神经网络。限于现代理论应用的前提和条件实际难以满足应用受到了限制。加强先进控制理论的可行性研究发展各种简便易行的先进控制策略提高系统控制水平。计算机控制系统应用概况广泛地用于各种不同的工业生产广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中各种用途的机器人系统计算机控制系统应用概况复杂飞行控制与飞行管理系统图飞机飞行高度计算机控制系统计算机控制系统应用概况各种空间飞行器的控制现代工厂自动化中广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统。计算机控制系统应用概况图分散控制集中管理系统结构图计算机控制系统分类直接数字控制(DirectDigitalControlDDC)系统计算机取代常规模拟式控制器而直接对生产过程或被控对象进行控制。要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。图直接数字控制系统计算机控制系统分类计算机监督控制(SuperviseControlbyComputerSCC)系统针对某一生产过程或被控对象依生产过程的各种状态按生产过程的数学模型和给定指标要求进行优化分析计算产生最佳设定值并将其自动地作为执行级DDC的设定控制目标值由DDC行使控制。图计算机监督控制系统计算机控制系统分类分散型计算机控制系统(DistributedControlSystemDCS)应用以多台计算机为基础的分散型控制系统。分散控制基础上的又形成了集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统(TotalDCS)。“控制要分散管理要集中”。图分散型计算机控制系统被控过程过程控制单元过程控制单元控制管理计算机控制管理计算机操作中心监控管理计算机高速数据通道高速数据通道生产管理级控制管理级过程控制级特点:功能强大、性能优越、技术成熟软件支持广泛。但系统复杂成本高一般适合于大型测控系统。计算机控制系统的理论与设计问题本节主要内容计算机控制系统的理论问题计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统的理论问题若被控对象是时不变线性系统通常所形成的连续控制系统也是时不变系统。但当将其改造成计算机控制系统后它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关。图采样系统的时变特性计算机控制系统的理论问题众所周知连续系统在正弦输入信号的激励下稳态输出为同频率的正弦信号但对计算机控制系统而言其稳态正弦响应则与输入信号频率和采样周期有关。图计算机控制系统的正弦激励响应计算机控制系统的理论问题一个稳定的连续时不变系统达到稳态的时间应是无限长的它的响应是多个指数函数之和。计算机控制系统通过设计却可以实现在有限的采样间隔内(即有限时间内)达到稳态值获得比连续系统更好的性能。图有限调节时间系统计算机控制系统的理论问题一个连续系统是可控可观的将其变成计算机控制系统时,若采样间隔时间选取的不合适则可能会变得不可控。如围绕地球运动的同步卫星其运动周期为天对其实现断续控制控制间隔时间为天则卫星是不可控的。系统的稳定性也是值得关注的问题。总之:在计算机控制系统中由于信号的采样所产生的一些现象无法用连续控制理论解释和说明必须采用与采样有关的理论进行说明和解释。在计算机控制系统中字长有限的问题。由于数字字长有限在某些情况下将会使计算机控制系统响应产生极限环振荡。计算机控制系统的理论问题图字长有限引起的极限环计算机控制系统的设计与实现计算机控制系统是一种混合信号系统。从AA´两点来看将计算机系统看作黑箱系统可以看成是连续系统。从BB´两点来看又可将其看成是纯离散信号系统。图计算机控制系统等效结构计算机控制系统的设计与实现在实际工程设计时有两种设计方法:连续域设计离散化方法将计算机控制系统看成是连续系统在连续域上设计得到连续控制器。采用不同方法将其数字化(离散化)。目前常用的近似设计方法。直接数字域(离散域)设计将系统看成是纯离散信号系统直接在离散域进行设计得到数字控制器。准确的设计方法日益受到重视。正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。软件编程值得注意。采样系统与离散系统概念计算机控制系统结构可在图的基础上简化为图所示结构。这种系统结构为采样系统。采样系统定义为动态子系统集合系统中某些信号在一点或多点是以时间离散序列出现的在另外一些点上信号是以时间连续信号形式出现的。图计算机控制系统简化结构图采样系统与离散系统概念整个系统输入输出均为采样信号系统可以看为时间离散系统。通常当系统中各环节之间的信号全为时间离散信号时称其为离散时间系统。若不关心采样点之间的特性系统的输入及输出信号均取为采样信号(也可认为是虚假的采样)。图计算机控制系统作为离散系统的结构图计算机控制的发展方向.推广应用成熟的先进技术►普及应用可编程序控制器(PLC)►广泛使用智能调节器►采用新型的DCS和FCS.大力研究和发展智能控制系统►分级递阶智能控制系统►模糊控制系统►专家控制系统►学习控制系统►神经控制系统计算机控制的发展前景()实现复杂的控制规律提高控制质量增加产品数量()能够有效地克服随机扰动()控制规律灵活、多样、改动方便()控制与管理结合自动化程度进一步提高()计算机控制投资少、见效快、收效大本章小结注意以下几点:计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和AD及DA转换器来实现的。计算机控制系统重要的特点注意计算机控制系统是一个混合信号系统。计算机控制系统具有许多优点.是一种柔性和智能化的系统。广泛用于国防、国民经济各个领域中不可替代的各种系统。计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同的特点。采样系统及离散系统称呼的概念。第章结束

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