计算机控制系统PPT1

设备 口电路 作台
口电路
多路开关 A/D
D/A
多路开关
数字量输入
数字量输出
I/O 通道
传感器及 变送器
工
执行机构
业
对
象
信号检测
及变送
被控对象
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计算机控制系统的组成框图
第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的
二.是。不在线肯定不能满足实时性。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-1 概述（3）
– 计算机控制系统的主要优点
组成方式灵活 能实现复杂的控制规律 获取更大的经济效益 为实现企业综合自动化打下了良好的基础
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第一章 绪 论
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1-1-2 信号特点（1）
—计算机控制系统—
计算机
u(kT)
D/A
保持器
u
被调参数 y
广义对象
ym A/D
计算机系统
采样器
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
操作台
I/O
打印机
接
口
计
算
机
主
I/O
机
显示
接
终端
口
I/O 接口 I/O 接口 I/O 接口 I/O 接口
通用外部 I/O接 主机及操 I/O 接
—计算机控制系统—
• 常规控制系统的工作原理
设定值r e
u 模拟调节器
执行机构
被调参数 y 被控对象
ym
测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。
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第一章 绪 论
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1-1-1 概述（2）
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的工作原理
e(kT) 设定值r
部存储和处理信号
• 离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（2）
• 计算机控制系统中的量化
将离散模拟信号用二进制代码逼近为数字信号的过程 （如采样值y*(t) 量化为y(kT) 的过程）
• 量化单位q
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-2-2 计算机控制系统的分类
计算机直接数字控制（DDC）系统
CRT 打印机 报 警 操作台
直接数字控制(DDC)计算机
过程输入通道 过程输出通道
测量变送 测量变送 执行机构 执行机构
………
………
被控生产过程
计算机闭环控制 系统。可完全取代模 拟调节器，实现多回 路的PID控制，而且 只要改变程序就可以 实现复杂的控制规律。
• 投资的回收周期：1~2年或几个月
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-4 经济效益（2）
• 不可计算效益部分
– 企业的知名度和操作人员的整体素质得到提高 – 操作人员的安全得到更有效的保障 – 生产和管理的有关信息能及时获得并加以利用 – 对工况改变的适应性增强 – 能及时地预报与较好地处理过程与设备的事故 – 减少对环境产生的污染
生产过程和计算机直接连接，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做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。
②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的 速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。
—计算机控制系统—
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
“一些自动化实验实验装置图片”
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实验 装置 -1
• 水处理 生产线 装置
—计算机控制系统—
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第一章 绪 论
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实验装置 -2
• 填料塔换热 装置
—计算机控制系统—
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
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1 开课目的和任务 (2/2)
—计算机控制系统—
• 本课程是自动化和测控专业的专业基础课和专 业主干课程之一。
哪几门？
• 自动控制理论，现代控制理论，微机原理及接 口技术，微机控制技术，运动控制系统，过程
控制系统。 该加系统工程理论?+管理?
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第一章 绪 论
瞬时值进行检测和输入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处
理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。
③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机 构发出控制信号，完成控制任务。
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第一章 绪 论
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（2）几个概念
—计算机控制系统—
①在线方式和离线方式：on-line/off-line
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（5）
设δ(t-kT) 是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则
y* (t) y(t) (t kT) k 0
因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关， 故采样信号可用下式表示：
y* (t) y(kT) (t kT) k 0
（常数、线性函数、抛物线）
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（7）
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y
采样信号y(kT)
原信号y(t)
恢复信号yh(t)
t
2T 4T
6T
百度文库
零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT)
0≤t＜T, k=0, ±1,
±2,…
由于它只是简单地 外推，故只有当T 足够小时，零阶保 持器才能较好地恢 复原信号。
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第一章 绪 论
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北京化工大学自动化研究所
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
计算机控制系统的分类 Classification of Computer Control System
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—计算机控制系统—
本节主要内容
• 计算机巡回检测和操作指导系统 • 计算机直接数字控制系统 • 计算机监督控制系统 • 计算机集散控制系统 • 现场总线控制系统 • 工业过程计算机集成制造系统（流程
1 开课目的和任务 (1/2)
—计算机控制系统—
• 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制 正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业 技术。
• 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于 工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
• 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控 制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
第一节 Unit 1 计算机控制系统的一般概念 Introduction of Computer Control System
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本节主要内容
• 计算机控制系统的概述 • 计算机控制系统的信号特点 • 计算机控制系统的组成 • 计算机控制系统的经济效益
过程信号采样过程示意图
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（4）
• 计算机控制系统的采样的合理性
– 采样器接通时间τ远小于采样周期T – 理想采样器（接通电阻R 0，开路电阻R） – 采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t) – A/D转换后， y*(t) y(kT), k=1，2，…… – 采样周期T须满足香农定理 采样频率大于2倍原始信号频率 当满足上述条件时， y*(t) 与y(kT)只相差量化误差
• 计算机控制系统的信号形式
y(t)
y*(t)
y(kT)
u(kT) u*(kT)
u(t)
采样器
A/D
计算机
D/A
保持器
• 连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 y(t)、u(t) • 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t) • 连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内
CIMS）
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-2-1 计算机控制系统的分类
计算机巡回检测和操作指导系统
CRT 打印机 报 警
数字计算机
过程输入通道
人
测量变送
……
测量变送
执行机构
……
被控生产过程
优点：结构简单，控制灵活和安全。
缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-3 计算机控制系统的组成及作用
计算机控制系统的组成示意图
计算机控制系统
硬件部分 软件部分
主机、外设、系统总线 控制计算机 生产过程输入输出通道
人—机联系设备、通信设备
现场仪表（测量传感器、执行机构等）
系统软件 应用软件
操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等
！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常
的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：
发酵过程和导弹防御系统的对比！
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第一章 绪 论
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思考两个问题
—计算机控制系统—
一.在线系统是否一定是实时系统？
二.实时系统是否一定是在线系统？
一.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！
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实验装置 -3
• 加热反应器
– 开环不稳 定的对象
—计算机控制系统—
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第一章 绪 论
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实验 装置 -4
• 非线性 液位对 象
—计算机控制系统—
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第一章 绪 论
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实验 装置 机房
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第一章 绪 论
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1-1-1 概述（1）
q=M/2n ，M为被转换的模拟量电信号满量程， n为A/D的转换位数
• 量化误差
e=±q/2
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（3）
• 计算机控制系统的采样过程
y(t) 原始过程信号
采样器
y(t)
y*(t)
t
信号通过采样器
y*(t) τ
t 2T 4T 采样后的信号
被控生产过程
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-2-4 计算机控制系统的分类
计算机集散控制系统（DCS）
管理 综合信息管理级 计算机
集中操作监控级
工程师 操作台
操作员 操作台
网间 联接器
监控 计算机
至其它局域网
局部网络 （LAN） 网间 联接器 通信联络
现场
分散过程控制级 控制站
PLC
智能 调节器
其它测 控装置
采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计 原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-2-5 计算机控制系统的分类
现场总线控制系统 工作站 — 现场智能仪表-变送器智能部件
FCS的核心是现场总线， 是一种数字通信协议，是 连接智能现场设备和自动 化系统的通信网络，是控 制技术、仪表工业技术和 计算机网络技术三者结合 。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-2-3 计算机控制系统的分类
计算机监督控制（SCC）系统
CRT 打印机 报警 操作台 监督控制计算机(SCC)
DDC计算机或调节器 输入通道 输出通道
输入通道
其作用是改变给 定值，又称设定值控 制 。它的任务着重在 控制规律的修正与实 现，如最优控制、自 适应控制等。
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2 主要的参考文献
—计算机控制系统—
作者 张德江等 刘士荣等 王慧等 于海生等 孙增圻等
书名 计算机控制系统 计算机控制系统 计算机控制系统 微型计算机控制技术 计算机控制理论及应用
出版社 机械工业出版社 机械工业出版社 化学工业出版社 机械工业出版社 清华大学出版社
年 2008 2009 2005 2008
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
第一章 绪论 Introduction
Automation Research Institute, BUCT
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本章主要内容
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的一般概念 • 计算机控制系统的分类 • 计算机控制系统的设计与实现 • 计算机控制系统的发展概况与趋势
过程输入/输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库
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第一章 绪 论
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1-1-4 经济效益（1）
—计算机控制系统—
• 可计算效益部分
– 增加产量或可处理量 – 改善产品的质量 – 降低能源消耗与原料消耗, 减少成本 – 提高设备的利用率, 维修要求降低 – 节省劳动力
采样周期T的选择相当重要。
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第一章 绪 论
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1-1-2 信号特点（6）
—计算机控制系统—
• 信号的保持
– 目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能 够感知的连续模拟信号
– 方法：采用保持器，由现在或过去时刻的采 样值, 用某种函数去逼近2个采样时刻间的原 信号
– 常用的保持器：零阶、一阶及高阶