东北大学计算机控制系统第1章计算机控制系统概述课件

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本章内容:
计算机控制系统的基本概念 过程通道与总线接口技术 模拟与数字信号之间的相互转换 计算机控制系统的理论问题 计算机控制系统的基本结构
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1.1 引 言
1、概述
计算机控制是以控制理论与计算机技术为基础的一门新 的工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事 等领域。
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1.3.1 过程通道
过程输入/输出通道分为模拟量输入通道、模拟量输 出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。
过程输入通道：把生产对象的被控参数变换成计算 机可以接收的数字代码 过程输出通道：把计算机输出的控制命令和数据， 变换成可以对工业对象进行控制的信号
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1、模拟量输入通道
（1）设计和控制灵活 （2）能实现集中监视和操作 （3）能实现综合控制 （4）可靠性高，抗干扰能力强
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2、计算机控制系统的应用要求
（1）可靠性高 （2）实时性好 （3）环境适应性强 （4）过程输入和输出配套较好 （5）系统扩充性好 （6）系统开放性 （7）控制软件包功能强
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图1.4 模拟量输入通道组成与结构图
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2、模拟量输出通道
图1.5 模拟量输出通道组成与结构图
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3、数字量输入通道
图1.6 数字量输入通道示意图
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4、数字量输出通道
图1.7 数字量输出通道示意图
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1.3.2 总线接口技术
为了简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的 接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的 连接线路被称为总线。总线是计算机各模块之间、 计算机与外部设备之间的公共通道。
计算机控制系统
第1章 计算机控制系统概述
信息学院·
二○○九年五月
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课程教学内容:
• 一、计算机控制系统概述 • 二、信号转换与z变换 • 三、计算机控制系统数学描述与性能分析 • 四、数字控制器的模拟化设计方法 • 五、数字控制器的直接设计方法 • 六、基于状态空间模型的极点配置设计方法 • 七、先进控制规律的设计方法 • 八、基于网络的控制技术 • 九、计算机控制系统设计与实现 • 十、计算机控制系统应用实例
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3、课程讲述的内容
本书将从信号变换、对象建模与性能分析、控制算法 设计、控制系统实现等4个方面系统讲述计算机控制 系统分析和设计的基本理论和方法，其中在信号变换 的工程化，控制算法的工程化，以及控制系统实现的 工程化部分进行了重点阐述。
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1.2计算机控制系统的基本概念
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3、计算机控制系统的性能指标
1、稳定性：闭环系统的极点
2、稳态指标：稳态误差
3、动态指标：过程过程时间，超调量等
4、综合指标 ：既要考虑到能对系统的性能做出正确 的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实 现。如积分型指标：
J t e2 (t)dt 0
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1.3 计算机控制系统的过程通道和 总线接口技术
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23Байду номын сангаас
微处理器
信号转 换驱动
存储器 模块
输入输 出模块
计算机系统总线
图1.10 系统总线及组成
图1.3 计算机控制系统硬件组成示意图
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计算机控制系统的硬件构成：
（1）过程装置：包括被控对象，执行机构和测量变 送装置
（2）输入输出通道：包括过程通道和总线接口 （3）计算机系统：包括计算机和外部设备。外部设 备包括人机联系设备（如鼠标、键盘等）和通用外部 设备（如显示器、打印机等）
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1、内部总线
指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一 级的互连。通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。
微
地址总线
处
理
数据总线
器
控制总线
存储器
输入接 口电路
输出接 口电路
输入设备
输出设备
图1.8 内部并行总线及组成
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图1.9 内部串行总线SPI的组成
计算机参与的控制系统，也称数字控制系统，产生了一 系列新的基本理论和分析、设计方法。
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2、发展历程
1946年世界第一台数字计算机诞生 20世纪50年代初产生了将数字计算机用于控制的思想，1955年美国 TRW航空公司与美国一个炼油厂合作，开始进行计算机控制的研究 1962年英国的帝国化学工业公司应用计算机直接控制（DDC）被控 过程的变量 1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了崭 新的发展阶段，并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统 20世纪80年代以后，微型处理器件的迅速发展对计算机控制产生了 深远的影响，计算机控制得到更为普及的应用，并快速向集散型、网 络化的方向发展
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2、系统总线
系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线（如Multibus 总线、STD总线、PC总线），用于插件板一级的互连，为计算机 系统所特有，是构成计算机系统的总线。
系统总线通常为50-100根信号线，分为5个主要类型： （1）数据线：决定数据宽度； （2）地址线：决定直接选址范围； （3）控制线：包括控制、时序和中断线，决定总线功能和适应性的 好坏； （4）电源线和地线：决定电源的种类及地线的分布和用法； （5）备用线：留给厂家或用户自己定义。
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计算机控制系统的软件构成：
（1）系统软件：指为提高计算机使用效率和扩大功能、为用 户使用和维护计算机提供方便的程序的总称，一般包括操作 系统、程序设计系统和公共程序与诊断系统 （2）应用软件：用户为解决实时控制问题、完成特定功能而 设计和编写的各种程序的总称，一般包括过程监控程序、过 程控制程序和信息管理程序 （3）数据库系统：用于支持数据管理、存取的软件，它包括 数据库和数据库管理系统等
1、计算机控制系统的组成
图1.1 炉温计算机控制系统
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将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统抽
象化，得到图1.2所示的计算机控制系统典型结构。
量化模拟信号
模拟信号
数字信号
离散模拟信号 图1.2 计算机控制系统典型结构
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计算机控制系统与常规的连续（模拟）控制系统相比， 通常具有如下优点：