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计算机控制技术第1章PPT课件
第一章 计算机控制系统概述
1.1 计算机控制系统的组成
计算机控制系统是以计算机为核心的自动控制系统。是由计 算机和工业对象两大部分组成的。
计算机控制技术是关于计算机控制系统方面的计算机、控制 技术、网络通信等多学科内容的集成。
第一章 计算机控制系统概述
图1-1 (a) 闭环控制系统框图； (b) 开环控制系统框图
第一章 计算机控制系统概述
本课程拟采用的教学方法
• 课堂教学与同学研究性学习相结合,部分章节内容考 虑由同学查阅资料、结合小课题综述、分析、设计、 仿真、讨论、汇报交流
• 倡导讨论, 鼓励质疑 • 有教材，但不拘泥于教材 • 提倡主动地学习，扩大知识面,由教师提供一些引导，
广泛阅读参考书籍与参考文献，包括上网查阅资料， 灵活多样地学习方式 • 成绩：平时（作业10%+小课题20%）＋笔试（70%）
• ②用计算机的软件程序实现对控制系统的校正 以保证控制系统具有所要求的动态特性；
• ③由于计算机具有快速完成复杂的工程计算的 能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适 应控制等高级控制功能及多功能计算调节。
第一章 计算机控制系统概述
计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下两个步骤： (1) 数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测， 并将数 据传送给计算机。 (2) 控制：对采集到的被控参数的状态量进行分析， 并 按已定的控制规律， 决定控制过程， 适时地对控制机构发出 控制信号。
第一章 计算机控制系统概述
图1-1(b)示出了开环控制系统的原理框图， 它与闭环控制 系统不同的是， 它的控制器直接根据给定值去控制被控对象工 作， 被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。它与闭 环控制系统相比，因没有反馈环节，结构相对简单，但控制性 能要差一些。 开环控制系统和闭环控制系统根据控制对象和控 制要求的不同， 分别用于不同的应用场合。
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一个现场控制站中的系统结构如图6-2所示,包含一个或 多个基本控制单元,基本控制单元是由一个完成控制或数据处 理任务的处理器模件以及与其相连的若干个输入／输出模件所 构成的(有点类似于IPC).
基本控制单元之间,通过控制网络Cnet连接在一起,Cnet 网络上的上传信息通过通信模件,送到监控网络Snet,同理Snet 的下传信息,也通过通信模件和Cnet传到各个基本控制单元.在 每一个基本控制单元中,处理器模件与I/O模件之间的信息交换 由内部总线完成.
内部总线可能是并行总线,也可能是串行总线.近年来, 多采用串行总线.
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图6-2 现场控制站的系统结构
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(2)现场控制站的软件功能 现场控制站的主要功能有6种,即数据采集功能、DDC控
制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数 据通信功能.
数据采集功能:对过程参数,主要是各类传感变送器的模 拟信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线 显示、事故报警等.
6.2 DCS功能特点 6.2.1 DCS的软件 6.2.2 DCS的特点
6.3 DCS产品简介 6.3.1 TDC-3000 6.3.2 I/AS 6.3.3 SUPCON JX－300
6.4 FCS体系结构 6.5 FCS功能特点
6.5.1 FCS的特点 6.5.2 FCS的组态 6.6 FCS产品简介 6.6.1 CAN 6.6.2 LonWorks 6.6.3 PROFIBUS 6.6.4 WorldFIP 6.6.5 HART 6.6.6 FF
DDC控制功能:包括接受现场的测量信号,进而求出设定 值与测量值的偏差,并对偏差进行PID控制运算,最后求出新 的控制量,并将此控制量转换成相应的电流送至执行器驱动 被控对象.
一个现场控制站中的系统结构如图6-2所示,包含一个或 多个基本控制单元,基本控制单元是由一个完成控制或数据处 理任务的处理器模件以及与其相连的若干个输入／输出模件所 构成的(有点类似于IPC).
基本控制单元之间,通过控制网络Cnet连接在一起,Cnet 网络上的上传信息通过通信模件,送到监控网络Snet,同理Snet 的下传信息,也通过通信模件和Cnet传到各个基本控制单元.在 每一个基本控制单元中,处理器模件与I/O模件之间的信息交换 由内部总线完成.
内部总线可能是并行总线,也可能是串行总线.近年来, 多采用串行总线.
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图6-2 现场控制站的系统结构
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(2)现场控制站的软件功能 现场控制站的主要功能有6种,即数据采集功能、DDC控
制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数 据通信功能.
数据采集功能:对过程参数,主要是各类传感变送器的模 拟信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线 显示、事故报警等.
6.2 DCS功能特点 6.2.1 DCS的软件 6.2.2 DCS的特点
6.3 DCS产品简介 6.3.1 TDC-3000 6.3.2 I/AS 6.3.3 SUPCON JX－300
6.4 FCS体系结构 6.5 FCS功能特点
6.5.1 FCS的特点 6.5.2 FCS的组态 6.6 FCS产品简介 6.6.1 CAN 6.6.2 LonWorks 6.6.3 PROFIBUS 6.6.4 WorldFIP 6.6.5 HART 6.6.6 FF
DDC控制功能:包括接受现场的测量信号,进而求出设定 值与测量值的偏差,并对偏差进行PID控制运算,最后求出新 的控制量,并将此控制量转换成相应的电流送至执行器驱动 被控对象.
计算机控制技术(3)精品PPT课件
3.5 电动机控制接口技术
►3.5.1 小功率直流电动机调速原理及控制接口
▪ 1．小功率直流电动机的调速原理
►对于励磁式直流电动机，其转速n可以近似地表示为：
►式中，Ua为电枢两端的电压，Φ为励磁磁通，Ce为电动
机综合参数。
►小功率直流电动机的调速可以通过改变电枢电压Ua来实
现。在对直流电动机电枢的控制和驱动中，有线性驱动 方式和开关驱动方式两种。
3.5 电动机控制接口技术
▪ 2．步进电机的控制方法(以三相步进电机为例)
图3-26 计算机控制步进电机典型原理框图
▪ 1）单三拍工作方式
▪ 为了使步进电机正向旋转， 对于右图来说，就是顺时 针步进，各相磁极的通电 顺序如下：
3.5 电动机控制接口技术
►按顺时针步进方式工作时，各相磁极齿与转子 之间的差角参见表3-3。
图3-22 输入电压信号与电动机电枢电流、转速的对应关系
3.5 电动机控制接口技术
▪ 3．脉宽调速PWM系统的设计
►当开关S1、S4闭合时，电动机全速正转； ►当开关S2、S3闭合时，电动机全速反转； ►当S2、S4（或者S1、S3）闭合时，电动机绕组被短
路，电动机处于刹车状态； ►如果4个开关全部断开，电动机将自由滑行。
图3-23 可逆PWM调速系统原理图
3.5 电动机控制接口技术
图3-24 双向电动机控制接口电路图
3.5.2 步进电机控制技术
北京斯达特微步控制技术有限公司
步进电机应用实例
1)、自动回单机 2)、二维工作台(a) 3)、二维工作台(b) 3)、高速自动端子机
二维工作平台(a)
二维工作平台(a)控制系统接线图
第3章 输出通道接口技术
《计算机控制技术》PPT课件
生 产 过 程
模拟控制系统结构图
计算机控制系统结构图
两者都是自动控制系统，两者都实现PID控制 模拟控制器 硬设备 只能控制一个回路 控制过程中算法不能改变 数字控制器 软设备 可控制多个回路 控制过程中算法可以改变，可实 现除PID以外的多种复杂控制
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1.4计算机控制系统举例
如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：
G( s )
a ( s)
u( s )
1 s s( 1) a
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工业炉控制的典型情况。 为了保证燃料在炉膛内正常 燃烧，必须保持燃料和空气 的比值恒定。它可以防止空 气太多时，过剩空气带走大 量热量；也可防止当空气太 少时，由于燃料燃烧不完全 而产生许多一氧化碳或碳黑。 为了保持所需的炉温，将测 得的炉温送入计算机计算， 进而控制燃料和空气阀门的 开度。 为了保持炉膛压力恒定，避 免在压力过低时从炉墙的缝 隙处吸入大量过剩空气，或 在压力过高时大量燃料通过 缝隙逸出炉外，必须采用压 力控制回路。测得的炉膛压 力送入计算机，进而控制烟 道出口挡板的开度。
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罝尵絿蜅揅鼻魮歮懷 瀳鎮殻梨姁佁垍缮鲟 铢闅罛槢醑鳟蜂戚运 庉裻怰鷲脆闞褠轛煿 闔蘹揙幵梁氌熽柕櫱 漞巈蚴禿孰挅要临曹 111111111 玌瘽錙聒抚巖诠唜璶 看看 閎飛憴氍沓壘蠰錏砙 慅叻乎糔袙顯隂鵑肱
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《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》课件计算机控制技术是一门研究计算机在控制系统中应用的学科，其研究内容主要包括计算机控制系统的设计、优化和应用等方面。
随着计算机技术的不断发展和应用，计算机控制技术已成为现代工业控制领域中不可或缺的关键技术之一。
一、计算机控制技术的发展概述随着计算机技术的飞速发展，计算机控制技术也得以快速发展。
从早期的计算机控制系统，如总线控制技术、时分多路复用控制技术，到现代智能化控制系统，如模糊控制技术、神经网络控制技术、遗传算法控制技术等，计算机控制技术在工业控制领域中起到了举足轻重的作用。
二、计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成包括三个部分：计算机控制器、执行机构和控制对象。
其中，计算机控制器主要由计算机、I/O设备和接口电路组成；执行机构包括驱动器、电机、气动元件等；控制对象则是需要进行控制的物理过程或系统，如机械、化工、电力等。
三、计算机控制系统中常用的控制算法1. 比例积分微分控制算法（PID）PID控制算法是计算机控制系统中最常用的控制算法之一，其根据当前误差、误差变化率和误差积分值计算控制量，以达到控制系统的稳定性和响应速度等要求。
2. 模糊控制算法模糊控制算法是一种智能化控制算法，其根据模糊推理技术将模糊的输入变量转化为精确的输出变量，以实现对控制对象的精准控制。
3. 神经网络控制算法神经网络控制算法是一种基于神经网络技术的控制算法，其利用神经网络模拟人类大脑的工作方式，以实现对控制对象的自适应控制和非线性控制。
四、计算机控制技术在工业领域中的应用案例1. 汽车制造在汽车制造领域，计算机控制技术主要应用于机器人控制、汽车零部件生产线控制和汽车整车生产过程控制等方面。
通过计算机控制系统的精准控制，汽车制造企业可以提高生产效率，降低生产成本，提高产品质量和稳定性。
2. 机床制造在机床制造领域，计算机控制技术主要应用于数控机床和智能化机床控制方面。
通过计算机控制系统的精准控制，机床制造企业可以实现对机床加工过程的自动化和智能化控制，提高加工精度和生产效率。
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监控 计算机
网间 连接器
分散过程控制级
现场 控制站
PLC
智能 调节器
其他测控 装置
DCS结构示意图
分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系 统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成 分级分布式控制。
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计算机控制技术
5．现场总线控制系统 现场总线控制系统(Fieldbus Control System简称FCS)。
(b)SCC+DDC系统
监督控制系统的两种结构形式框图
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计算机控制技术
4．集散控制系统 集散控制系统(Distributed Contro1 System简称DCS)
综合信息管理级
管理 计算机
局部网络 （LAN）
网间 连接器
第1章 绪论
至其它局域网
集中操作监控级 工程师 操作站
操作员 操作站
控制网
要采取的控制策略。 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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计算机控制技术
第1章 绪论
(2)在线方式和离线方式
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，反之称为离线方式。
(3)实时的含义
实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外 来事件做出反应的特性。
计算机 控制网 现场总线I/O
网Байду номын сангаас H2
H1 点到点型
H1 带接点总线型
H1 H1
H1
接线盒
H1
菊花链型
FCS 结构示意图
第1章 绪论
树型
FCS的结构模式为：“工作站—现场总线智能仪表”二层结构 。
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1.2 计算机控制系统的典型型式
1.2.1 操作指导控制系统
操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。
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1.2.2 直接数字控制系统
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1.2.3 监督控制系统
a） SCC+模拟调节器的控制系统 b） SCC+DDC的分级控制系统
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！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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思考两个问题
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！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。
通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
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1.1 计算机控制系统概述
1.1.2 计算机控制系统 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，
简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。
1.计算机控制系统的工作原理 2.在线方式和离线方式 3.实时的含义
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1.2.4 集散控制系统
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1.2.5 现场总线控制系统
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1.2.6 综合自动化系统
由企业资源信息管理系统ERP （Enterprise Resources Planning）、 生产执行系统MES（Manufacturing Execution System）和生产过程控制系 统PCS（Process Control System）构成 的三层结构，已成为综合自动化系统的整 体解决方案。
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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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（2）在线方式和离线方式 ★ 在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机
控制的方式。 ★ 离线方式或脱机方式：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。 （3）实时的含义 ★ 实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完
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课程总目录
• 绪论 • 输入输出接口与过程通道 • 数字控制技术 • 计算机控制系统数学基础 • 常规及复杂控制技术 • 现代控制技术 • 应用程序设计与实现技术
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课程总目标
学完本课程后，你应具有以下能力： • 熟悉计算机控制系统的组成原则 • 了解计算机控制系统结构 • 掌握计算机控制系统设计的方法 • 把握计算机控制系统的发展方向 • 灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题
系统中，控制规律由计算机通过程序实现，具有很大的灵活 性和适应性。 3）计算机控制系统具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功 能，能实现复杂控制规律。
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4）连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行 的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。计算机控制 系统不是连续控制的，而是离散控制的。
5）连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路。 计算机控制系统中，一个控制器分时控制多个回路。
6）采用计算机控制系统，如分级计算机控制系统、集散 控制系统、计算机网络控制系统等，便于实现控制与管 理的一体化，是工业企业的自动化程度进一步提高。
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1.2 计算机控制系统的典型形式
1．操作指导控制系统
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1.1 计算机控制系统概述
• 自动控制
控制器
在没有人直接参与的情况下，利用外加的
设备或装置，使机器、设备或生产过程的某
个工作状态或参数自动地按照预定的规律运
行。
被控量
被控对象
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自动控制系统的结构
给定量 + -
控制器
执行机构
检测装置
被控对象
被控量
自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工、比 较和控制。这些功能是由检测装置、控制器和执行机构来完 成的。其中控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系 统的控制性能和应用范围。
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课程安排
• 理论教学26学时 • 实验单独设课，6学时，共3个实验
考核办法
平时成绩：20% 期末考试成绩：80%
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参考书目
1. 《计算机控制系统 》，李元春等编著，高等教育出版社 2. 《计算机控制技术 》，姜学军编著，清华大学出版社 3.《微型计算机控制技术 》，潘新民等编著，电子工业出版社 4.《计算机控制技术》，冯培悌编著，浙江大学出版社 5. 期刊－－工业控制机（技术性比较强）、测控技术、电气自 动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪 表等等。
诊断系统
调试程序 子程序库
控制程序
数据可靠性检查程序
数据采集及处理程序
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
巡回检测程序
越限报警程序 事故预告程序
画面显示程序
数据管理程序
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1.1.3. 常用的计算机控制系统主机
1)可编程控制器 2)工控机 3)嵌入式系统
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1.1.1 计算机控制系统及其组成
1. 计算机控制系统 （1）计算机控制系统的工作原理
给定量 + -
e 控制器 u
D/A
A/D
执行机构
被控对象
测量变送
被控量
y
工控机
被控对象
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工作原理
实时数据采集： 对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。
实时控制决策： 对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决 定将要采取的控制行为。
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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2．直接数字控制系统 （Direct Digital Control—DDC）
CRT
输入通道
计
(AI.DI）
生
打Hale Waihona Puke 机算产机过
报警
程
操作台
输出通道 (AO.DO)
★ 要求：实时性好、可靠性高和适应性强 ★ 一台计算机通常要控制几个或几十个回路
成。而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密！ ★ 实时控制系统必定是在线系统。
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1.1.2. 计算机控制系统的组成
硬件部分：主机、接口电路、过程输入/输出通道、外 部设备、 操作台
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★ 主机
中央处理器（CPU）
内存储器(RAM和ROM)
★接口电路: 主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁
★过程输入/输出通道
★外部设备
输入设备
输出设备
外存储器
模拟量输入通道 模拟量输出通道 开关量输入通道 开关量输出通道
★ 操作台
（CRT）显示器或(LED)数码显示器
键盘（功能键和数字键）
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软件部分：
系统软件 软件 应用软件
操作系统 语言加工系统
编辑程序 编译程序 连接、装配程序
(1) 嵌入式微处理器 ARM (2) 嵌入式微控制器 单片机 (3) 嵌入式DSP处理器 (4) 嵌入式片上系统 SoC
4)智能调节器
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1.1.4. 计算机控制系统的特点
计算机控制系统同连续控制系统相比，具有以下特点： 1）连续控制系统中，各处信号是模拟信号；计算机控制系统
是含有模拟信号和数字信号的混合系统。 2）连续控制系统中，控制规律由模拟电路实现。计算机控制
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第1章 绪论
内容提要
• 计算机控制系统概述 • 计算机控制系统的典型形式 • 工业控制机的组成结构及特点 • 计算机控制系统的发展概况及趋势
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本章要求、重难点
• 基本要求：了解计算机控制系统及其基本组成。 • 教学重点：计算机控制系统的典型形式。 • 教学难点：计算机控制系统的工作原理。
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3．监督控制系统（Supervisory Computer Control —SCC ）
SSC
生 调节 产 过 测量 程
模拟
设定值
调节器
计
算
机
(a)
工艺数据
记录 显示 打印
调节 生 产 测量 过 程
DDC 计算机
(b)
设定值
计 算 机