大学课件——计算机控制技术概论
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计算机控制技术PPT 第5章
e(t) e(k)
t
k
e( )d Te(i)
0
i0
de(t)
e(k )
e(k
1)
dt
T
位置型PID控制算法
u (k )
K
P
e(k )
T TI
k e(i) TD
i0
T
e(k) e(k 1)
k
K Pe(k) K I e(i) K D e(k) e(k 1) i0
增量型PID控制算式
r(k) e(k) e0 e0
e(k ) 标准PID
u(k ) 被控对象
y(k )
u (k )
K
P
e(k )
T TI
k i0
e(i)
TD T
e(k )
e(k
1)
e(k
)
e(k
)
0
4.可变增益PID控制算法
e(k) e0 e(k) e0
在实际的实时控制中，严格的讲被控对象都具有非线性，为了补偿受控过程的这一非 线性，PID的增益可以随控制过程的变化而变化，即：
5.1.3 数字PID控制器的改进
数字PID控制器的控制效果有时不如模拟PID控制器。其原因在于数字控制器在一个 采样周期内，控制量保持不变，在这段时间内，系统相当于开环运行。另外由于计算机 的有限字长和AD、DA的转换精度的限制也给控制量带来了误差。但是若能发挥计算机运 算速度快，逻辑判断功能强，编程灵活的特点，对数字PID进行各种改进，就能获得模 拟PID不能达到的控制果。
若u(k) 0,则取u(k) 0
如果调节阀开度是双向的
若u(k) V开 ,取u(k) V开 若u(k) V开 ,则取u(k) V开
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。
《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》ppt课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
计算机控制课件ppt
控制算法
线性控制算法
线性控制算法是指对线性系统进行控制的算法，如PID控制算 法等。线性控制算法具有简单、稳定、易于实现等优点，但 只能对线性系统进行控制。
非线性控制算法
非线性控制算法是指对非线性系统进行控制的算法，如模糊 控制算法、神经网络控制算法等。非线性控制算法能够处理 非线性系统的复杂性和不确定性，但实现难度较大。
网络化与远程控制技术的发展
总结词
随着互联网和通信技术的进步，网络化与远程控制技术为计算机控制带来了新的发展机遇和挑战，使 得控制系统的范围和灵活性得到了极大的扩展。
详细描述
通过网络化技术，计算机控制系统可以实现远程监控和控制，使得管理人员可以在任何时间、任何地 点对设备进行管理和调度。同时，通过网络传输数据，可以实现大量数据的快速处理和实时反馈，提 高了控制系统的响应速度和准确性。
输入设备
将外部信号转换成计算 机可以识别的信息，如 传感器、键盘、鼠标等
。
输出设备
将计算机处理后的信息 转换成外部信号，如显 示器、打印机、音响等
。
存储器
用于存储程序和数据， 分为内存和外存。
软件组成
系统软件
操作系统、编译器、数据 库管理系统等，用于管理 和控制计算机硬件和软件 资源。
应用软件
针对特定领域或特定任务 开发的软件，如办公软件 、图像处理软件等。
05
计算机控制技术的发展趋势与挑 战
人工智能与机器学习在计算机控制中的应用
总结词
随着人工智能和机器学习技术的快速发展，它们在计算机控制领域的应用越来越广泛，为控制系统带来了更高的 智能化水平和自适应性。
详细描述
人工智能和机器学习技术可以帮助计算机控制系统进行数据分析和模式识别，实现更加精准和智能的控制。通过 训练和学习，系统能够根据历史数据和实时反馈，自主调整控制参数和策略，以适应不同的环境和工况变化。
计算机控制技术PPT 第3章
3. 综合指标
在现代控制理论中，如最优控制系统的没计时，经常使用综
合性能指标来衡量一个控制系统。选择性能指标时．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，以及工程上便于实现。因此，选择性能指标时，通常需要
做一定的试探和比较。综合性能指标通常有3种类型。
1）积分型指标：
（1）误差平方的积分：
3.5 线性离散时间系统的能控性与能观测性
线性定常离散时间系统的能控性定义及判据 线性定常离散时间系统的能观测性定义及判据
3.6 应用MATLAB进行离散系统分析
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统(Computer Control System)是应用计算机 参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得 一定控制目的而构成的系统。
为n，Qc为由系数矩阵A和B按一定规则组成的分块矩阵，
表达式是：
n为系统的维数。 判别线性定常系统能控性的判据还有 其他的形式。对于线性时变系统，判别能控性的条件要复 杂一些，而且系统是否能控，常常还依赖于初始时刻的选 取。对于完全能控的线性定常系统，通过特别选定的坐标 变换，可以将其状态方程化成标准的形式，称为能控规范 形。
3.3 控制系统的性能指标描述
对于一个控制系统来说，人们总是要求它能根据实际 的被控对象，在给定信号的作用下达到稳定、快速和准确 的性能指标。对于计算机控制系统，计算机相当于人的大 脑，因此有更多的功能可以实现，系统就能实现最佳的性 能指标。本章描述了控制系统的基本性能指标，以及这些 性能指标与系统的固有参数和设计参数的关系，从而为分 析和设计控制系统提供了依据。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6
《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
9
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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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计算机控制技术课件
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计算机控制技术课件
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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
17
18
痖靅甤憌腗隧睓湥蚩椢砌翲糮殣 荟讃襊焕妋瓶懸劆鵐坦帅鎺钞邮 巰軸璩骳惨褈釼虉謱坴卉任鶢囆 椞觍登譃兎魈唉祠族菼蹚夸緩藮 1 2 慷璀趭賋戚飵擤齰胈鐖睚烬拕熧 3 縋鸫爠糷栿緩琊憢氟簜灠鰾衬摣 4 5 昕絚氽万昌晇栢嗒炧頴觃汍柀楘 6男女男男女 漽訐暪浕畹唭譞貜淅猽艜毅冲淈 7古古怪怪古古怪怪个 8vvvvvvv 涙誖栔细餴風襹鋃侳殜淽呝陙普 9 愧銺鴈崀燼震凍痟媾圑箦衃爊肾 岏荧瓘幯艈颚仅顶鄰蓜卼黽吁蜋
计算机控制技术PPT 第4章
4.4 传感器和传感系统
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的 高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微 处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。 随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元 ，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和 机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成， 其重要性变得越来越明显。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6
主要教学内容和学时分配
第1章 概论：计算机控制技术和企业自动化
4
第2章 工业通信基础和计算机接口总线
8
第3章 计算机控制系统
8
第4章 控制系统的接口：输入输出通道
6
第5章 控制器设计技术
12
第6章 计算机控制系统的抗干扰技术
6
第7章 主要的工业控制器
进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号 和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成 具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作 是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某 些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的 。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器 。
控制总线
4.3 模拟量输出通道
将计算机输出的数字控制量转换成执行机构可用的模拟 量，就是模拟量输出通道应解决的问题。模拟量输出通道 一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换电路等组成。
模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持结构 的组成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号来 到之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保 持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道 的两种基本结构形式。 一个通路设置一个数／模转换器 多个通路共用一个数／模转换器
计算机控制技术-PPT课件
器设备及其传动组件
▪ 电气部分：系统的动力源，包括各种驱动和执
行设备。
自动控制系统的工作目标：机电系统
机电系统的物理结构图
U（t） U（nT）
线性驱动器 脉冲驱动器
线性执行器 脉冲执行器
t : 时间 T : 控制周期 n : 整数 U（t） 、 Y（t） : 连续信号 U（nT） 、 Y（nT） : 离散信号
4、状态空间理论： 将控制信号、系统输出及输入信号等时域信号以向量形式描述， 并分析他们之间的相互关系。
5、最优控制： 以最快速度、最高产量、最佳效益等为目标来设计控制系统 （大林算法、振铃现象及消除、最少拍控制）
6、系统辩识与自适应控制： 具有自动识别系统模型、自动适应环境变化的控制系统
（2）开环控制系统
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
1.3.1 控制计算机的工作任务
实时采集：收集系统的各种运行参数、状态 实时决策：对采集信息进行处理，得出控制值 实时控制：输出控制值，对系统进行控制 实时：在一定时间限度内完成
1.3.2 控制计算机的构成 1.3.2.1 硬件
▪ 电气部分：系统的动力源，包括各种驱动和执
行设备。
自动控制系统的工作目标：机电系统
机电系统的物理结构图
U（t） U（nT）
线性驱动器 脉冲驱动器
线性执行器 脉冲执行器
t : 时间 T : 控制周期 n : 整数 U（t） 、 Y（t） : 连续信号 U（nT） 、 Y（nT） : 离散信号
4、状态空间理论： 将控制信号、系统输出及输入信号等时域信号以向量形式描述， 并分析他们之间的相互关系。
5、最优控制： 以最快速度、最高产量、最佳效益等为目标来设计控制系统 （大林算法、振铃现象及消除、最少拍控制）
6、系统辩识与自适应控制： 具有自动识别系统模型、自动适应环境变化的控制系统
（2）开环控制系统
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
1.3.1 控制计算机的工作任务
实时采集：收集系统的各种运行参数、状态 实时决策：对采集信息进行处理，得出控制值 实时控制：输出控制值，对系统进行控制 实时：在一定时间限度内完成
1.3.2 控制计算机的构成 1.3.2.1 硬件
《计算机控制技术》PPT课件
•
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PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的 管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的 局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率 33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种， 数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCI Express数据传输率可以达到8Gbps。
ppt课件
7
• （4）分散型控制系统
• （Distributed Control System-DCS)
• DCS采用分散控制，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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8
• （5）现场总线控制系统
•
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3. 基于PC总线的工业控制机常见类型 ISA 总线工控机
PCI 总线工控机
PC104 总线工控机：总线与ISA兼容的基础 上缩小模板尺寸，降低功耗，满足嵌入式系 统的要求。有104条信号线，模板尺寸为3.6 in×3.8 in (90mm×96mm)，可以层叠。
CompactPCI工控机：PCI总线＋欧式插卡结 构。
第一章 绪论
一.计算机控制系统概论 二.工业控制机的组成结构及特点 三.计算机控制系统的发展概述 •
ppt课件
1
一 计算机控制系统概论
1.计算机控制系统及其组成 图示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,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。 偏差 控制量
给定量 + r-
e
u
•
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9
二.工业控制机的组成结构及特点
计算机控制概论PPT课件
监督控 制与协 调优化
现场直 接控制
生产管理
WEB服务
统计与优化 …... 设备维护
工程师站
操作员站 …... 操作员站
服务器/功能站
分布式处理单元
…...
分布式处理单元
I/O ... I/O 第32页/共59页
现场变送器、执行器
I/O ... I/O
• 其标准体系结构按功能分为三层功能结构：
• 管理层主要功能为生产调度管理及厂级 优化；
（Direct Digital Control ，DDC） • DDC由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产过程的控制装置，通过模拟量输 入通道(AI)和开关量输入通道(DI)实时采集数据，按控制规律进行数值计算，经模拟量输出通道(AO)和开 关量输出通道(DO)直接控制生产过程。
第38页/共59页
PLC特点
• PLC可靠性高，抗干扰能力强，使用简单方便 • PLC系统接线简单，设计容易，不需要用户进行电路板的设计，因此开发周期短 • PLC系统具有标准的图形方式和文本方式的组态软件，编程简单直观，程序易于调试和修改 • 利用PLC网络和通信技术易于实现复杂的分散控制任务
由于DDC是计算机应用于过程控制的典型系统，现常用来泛指计算机控制系统
第24页/共59页
1．2．3 计算机监督控制系统
• 通常采用两级控制形式，由起监督作用的上位机和面向生产过程的下位机组成。
（Supervisory Computer Control，SCC）
显示器 打印机
报警 操作台
DDC计算机
址、控制总线）及各种输入／输出（I/O）接口等。 • 类型：可编程序控制器（PLC）、工控机（IPC）、单片机、数字信号处理器
现场直 接控制
生产管理
WEB服务
统计与优化 …... 设备维护
工程师站
操作员站 …... 操作员站
服务器/功能站
分布式处理单元
…...
分布式处理单元
I/O ... I/O 第32页/共59页
现场变送器、执行器
I/O ... I/O
• 其标准体系结构按功能分为三层功能结构：
• 管理层主要功能为生产调度管理及厂级 优化；
（Direct Digital Control ，DDC） • DDC由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产过程的控制装置，通过模拟量输 入通道(AI)和开关量输入通道(DI)实时采集数据，按控制规律进行数值计算，经模拟量输出通道(AO)和开 关量输出通道(DO)直接控制生产过程。
第38页/共59页
PLC特点
• PLC可靠性高，抗干扰能力强，使用简单方便 • PLC系统接线简单，设计容易，不需要用户进行电路板的设计，因此开发周期短 • PLC系统具有标准的图形方式和文本方式的组态软件，编程简单直观，程序易于调试和修改 • 利用PLC网络和通信技术易于实现复杂的分散控制任务
由于DDC是计算机应用于过程控制的典型系统，现常用来泛指计算机控制系统
第24页/共59页
1．2．3 计算机监督控制系统
• 通常采用两级控制形式，由起监督作用的上位机和面向生产过程的下位机组成。
（Supervisory Computer Control，SCC）
显示器 打印机
报警 操作台
DDC计算机
址、控制总线）及各种输入／输出（I/O）接口等。 • 类型：可编程序控制器（PLC）、工控机（IPC）、单片机、数字信号处理器
计算机控制技术ppt课件
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。
9
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
8
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。
3
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 。
计算机控制技术课件第1讲绪论
3
可靠性
数字控制系统具有较高的可靠性和稳定性。
监督计算机控制系统
监督功能
对被控对象和控制器进行监督，确保系统正常运 行。
故障诊断
能够检测和诊断系统故障，提高系统可维护性。
优化控制
根据系统性能指标进行优化控制，提高系统性能。
分级计算机控制系统
分级结构
采用多级计算机控制，实现不同级别的控制功能。
分布式控制
软硬件协同设计方法的应用，提 高了控制系统的整体性能和效率。
面临的挑战与机遇
安全性挑战
实时性挑战
随着计算机控制技术的广泛应用，安全性 问题日益突出，如何保障控制系统的安全 性成为重要挑战。
对于许多应用场景，控制系统的实时性至 关重要，如何提高控制系统的实时性能是 另一重要挑战。
人才短缺挑战
创新发展机遇
控制算法的种类
计算机控制系统中常用的控制算法包括PID控制算法、模糊控 制算法、神经网络控制算法等，每种算法都有其适用的场景 和优缺点。
控制算法的实现步骤
实现控制算法需要首先确定被控对象的数学模型，然后选择 合适的控制算法并确定算法参数，最后编写控制程序并加载 到控制器中执行。在实现过程中需要注意算法的实时性、稳 定性和精度等方面的要求。
02
随着数字计算机的出现，控制技术开始应用于工业领域，如过
程控制和运动控制等。
计算机控制技术的飞速发展
03
随着微处理器、传感器和执行器等技术的飞速发展，计算机控
制技术不断取得新的突破，应用领域也不断扩展。
计算机控制技术的定义与特点
定义
计算机控制技术是一种利用计算机对 生产过程或运动过程进行自动检测、 数据处理和自动控制的技术。
计算机控制技术PPT 第9章
系统的组装：硬件软件分别细化设计和调试后，可组装为样机；
整机的离线仿真和调试：在实验室利用仿真板或模拟对象进行仿 真和运行调试，并进行长时间的考机，以发现设计过程中存在 的问题。
2）在线调试和试运行：系统联调： 把已调好的各程序功能块按 照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要 进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后， 即可投入正式运行。
➢ 对显示、打印有无要求；是否需要配备LED，CRT，打印机等。 输入输出通道包括数字量I/O（即DI/DO），模拟量I/O（即AI/AO）。 • 数字量I/O（即DI/DO）: 和工控机共地的接口可采用TTL电平，其它
装置与工控机之间则采用光电隔离；
• 模拟量I/O（即AI/AO）:包括A/D和D/A板和信号调理电路。AI模板 输入可能是0～5V，0～±5V，0～10mA，4～20mA以及热电偶，热 电阻和各种变送器的信号。
➢ 系统的主要功能，技术指标，原理性框图和相关的文字说 明；
➢ 控制策略和控制算法。比如PID、达林算法、斯密斯预估算 法、最少拍控制、串级控制和前馈控制等；
➢ 系统的硬件结构和框架，主要软件的功能、结构和框图； ➢ 方案比较和选择； ➢ 保证性能指标要求的技术措施； ➢ 抗干扰和可靠性设计； ➢ 机柜或机箱的结构设计； ➢ 经费要求和进度安排等。
2) 利用单片机芯片自行设计：选用一种单片机芯片， 针对具体控制任务，自行设计一个单片机系统。其 优点是针对性强，灵活方便，所用元器件最少、投 资少等。缺点是硬件和软件都由用户从头设计，工 作量大，且周期长。通常在智能仪器、仪表及小型 控制系统中采用这种方案。
专用系统的设计 ：
➢ 选择确定应用目标
在计算机控制系统中，将0～10mA或4~20mA电信号经电器 转换装置转换成标准的0.02~0.1Mp气压信号后，即可以 与气动执行机构配套使用。电动执行机构直接接受来自 工业控制机的输出信号0～10mA或4~20mA。
整机的离线仿真和调试：在实验室利用仿真板或模拟对象进行仿 真和运行调试，并进行长时间的考机，以发现设计过程中存在 的问题。
2）在线调试和试运行：系统联调： 把已调好的各程序功能块按 照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要 进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后， 即可投入正式运行。
➢ 对显示、打印有无要求；是否需要配备LED，CRT，打印机等。 输入输出通道包括数字量I/O（即DI/DO），模拟量I/O（即AI/AO）。 • 数字量I/O（即DI/DO）: 和工控机共地的接口可采用TTL电平，其它
装置与工控机之间则采用光电隔离；
• 模拟量I/O（即AI/AO）:包括A/D和D/A板和信号调理电路。AI模板 输入可能是0～5V，0～±5V，0～10mA，4～20mA以及热电偶，热 电阻和各种变送器的信号。
➢ 系统的主要功能，技术指标，原理性框图和相关的文字说 明；
➢ 控制策略和控制算法。比如PID、达林算法、斯密斯预估算 法、最少拍控制、串级控制和前馈控制等；
➢ 系统的硬件结构和框架，主要软件的功能、结构和框图； ➢ 方案比较和选择； ➢ 保证性能指标要求的技术措施； ➢ 抗干扰和可靠性设计； ➢ 机柜或机箱的结构设计； ➢ 经费要求和进度安排等。
2) 利用单片机芯片自行设计：选用一种单片机芯片， 针对具体控制任务，自行设计一个单片机系统。其 优点是针对性强，灵活方便，所用元器件最少、投 资少等。缺点是硬件和软件都由用户从头设计，工 作量大，且周期长。通常在智能仪器、仪表及小型 控制系统中采用这种方案。
专用系统的设计 ：
➢ 选择确定应用目标
在计算机控制系统中，将0～10mA或4~20mA电信号经电器 转换装置转换成标准的0.02~0.1Mp气压信号后，即可以 与气动执行机构配套使用。电动执行机构直接接受来自 工业控制机的输出信号0～10mA或4~20mA。
计算机控制技术课件
智能控制算法
CHAPTER
05
计算机控制系统的应用实例
总结词
工业自动化控制系统是计算机控制技术的重要应用领域，通过自动化控制实现生产过程的优化和效率提升。
详细描述
工业自动化控制系统利用计算机技术实现对生产过程的实时监控、数据采集、数据处理和自动控制，提高了生产效率、降低了能耗和减少了人工干预，广泛应用于制造业、化工、电力等工业领域。
数学模型建立
根据系统需求，建立被控对象的数学模型，包括传递函数、状态方程等。
仿真与验证
通过仿真实验验证数学模型的正确性和有效性，为控制算法设计提供基础。
如PID控制、根轨迹法等，用于分析和设计线性控制系统。
经典控制算法
如状态反馈控制、最优控制等，用于处理多变量、非线性系统。
现代控制算法
如模糊控制、神经网络控制等，用于解决复杂、不确定系统的控制问题。
总结词
智能家居控制系统通过计算机控制技术实现家居设备的智能化管理和控制，提高居住的舒适性和便捷性。
详细描述
智能家居控制系统能够实现对灯光、空调、门窗、安防等家居设备的远程控制和自动化管理，提供个性化、智能化的居住环境，提升居住体验和生活品质。
交通信号控制系统利用计算机控制技术实现交通信号的智能化管理和优化，提高道路通行效率和交通安全。
总结词
交通信号控制系统能够实时监测交通流量、车速、事故等信息，自动调整信号灯的时长和配时方案，减少交通拥堵和事故风险，提高道路通行效率和交通安全水平。
详细描述
CHAPTER
06
计算机控制技术的发展趋势与展望
a Madкор提议一步一步 h. 加之 & older H.h. other words.
开环控制系统的典型应用包括电机调速系统、步进电机控制系统等。
CHAPTER
05
计算机控制系统的应用实例
总结词
工业自动化控制系统是计算机控制技术的重要应用领域，通过自动化控制实现生产过程的优化和效率提升。
详细描述
工业自动化控制系统利用计算机技术实现对生产过程的实时监控、数据采集、数据处理和自动控制，提高了生产效率、降低了能耗和减少了人工干预，广泛应用于制造业、化工、电力等工业领域。
数学模型建立
根据系统需求，建立被控对象的数学模型，包括传递函数、状态方程等。
仿真与验证
通过仿真实验验证数学模型的正确性和有效性，为控制算法设计提供基础。
如PID控制、根轨迹法等，用于分析和设计线性控制系统。
经典控制算法
如状态反馈控制、最优控制等，用于处理多变量、非线性系统。
现代控制算法
如模糊控制、神经网络控制等，用于解决复杂、不确定系统的控制问题。
总结词
智能家居控制系统通过计算机控制技术实现家居设备的智能化管理和控制，提高居住的舒适性和便捷性。
详细描述
智能家居控制系统能够实现对灯光、空调、门窗、安防等家居设备的远程控制和自动化管理，提供个性化、智能化的居住环境，提升居住体验和生活品质。
交通信号控制系统利用计算机控制技术实现交通信号的智能化管理和优化，提高道路通行效率和交通安全。
总结词
交通信号控制系统能够实时监测交通流量、车速、事故等信息，自动调整信号灯的时长和配时方案，减少交通拥堵和事故风险，提高道路通行效率和交通安全水平。
详细描述
CHAPTER
06
计算机控制技术的发展趋势与展望
a Madкор提议一步一步 h. 加之 & older H.h. other words.
开环控制系统的典型应用包括电机调速系统、步进电机控制系统等。
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07:20
18
§1.1 概述
计算机控制系统的典型形式
所以，通常这种系统也称为“数据采集系统DAS” (Data Acquisition System) 。
或称为“计算机辅助测试系统CAT” (Computer Assistant Testing)
这种系统特点是原系统不需作大的改造，只需在原系 统上独立地加一套测试系统即可。
采取的控制策略。
③ 实时控制输出： 根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对 被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。
07:20
10
§1.1 概述
计算机控制系统的组成
二、计算机控制系统的组成
给定值
A/D通道
计算机
输出控制值
3
§1.1 概述
1. 最简单的计算机控制系统
计算机控制系统的概念
1 采集控制装置、 2 温度传感器、 3 计算机、 4 搅拌机构、5 出气 口、 6 加热器、 7 加热水箱、 8 放水口。
07:20
4
§1.1 概述
1）固体继电器和调压模块实物
计算机控制系统的概念
07:20
5
§1.1概述
2）计算机温度PID控制软件演示
加热阀
气体流量
变频调 速器
M
冷却阀
空气流量
图9-13 基于IPC的计算机测控系统示意图 9
§1.1 概述
计算机控制系统的概念
3. 计算机控制系统的工作原理
可归纳为以下三个步骤：
① 实时数据采集： 对来自测量变送装置的被控量的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，并按预定的控制规律，决定将要
计算机控制系统的概念
07:20
6
§§11.1.1概概述述
2. 一般的计算机控制系统
计算机控计制算机系控统制的系概统念的概念
07:20
图9-11 发酵过程控制点示意图 7
表9-2 监控点情况一览表
描述 发酵罐内的温度 发酵罐内的PH值 发酵罐内的溶氧 发酵罐的空气流量
电机转速 空气流量控制阀 排出气体流量控制阀
计算机控制技术
主讲人：王剑
Email: jianw6@ Tel: 0571-86919133
杭州电子科技大学 自动化学院
2009.2
07:20
§第一章 绪论
内容提要
内容提要
一、计算机控制系统的概念 二、计算机控制系统的组成 三、计算机控制系统的典型形式 四、计算机控制系统性能及其指标 五、计算机控制技术的发展概况 六、计算机控制的所涉及到的相关技术学科
在该系统中计算机参与了对数据的采集、控制决策、 控制输出三个基本功能，同时还负责报警、打印、显示 和接收操作指令。
07:20
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§1.1 概述
计算机控制系统的典型形式
它主要是侧重数据采集、处理，并为操作人员提供反映 生产过程工况的各种数据以及操作指导信息。
它主要作用是：
集中监视 操作指导
这种系统主要是完成“数据采集与处理”，不需要完 成“控制”功能。所以，严格地讲：这种形式的系统不能 算是“计算机控制系统”。
因此，结构简单、实施方便、效益显著。
07:20
19
§1.1 概述
计算机控制系统的典型形式
2. 直接数字控制系统 直接数字控制系统DDC(Direct Digital Control) 的构成
如图1-4所示。
07:20
20
§1.1 概述
计算机控制系统的典型形式
计算机首先通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入 通道(DI)实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行 计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道(AO) 和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。
0～1KPa DO输出电磁阀
DO输出电磁阀 DO输出空气开关
AO输出电动阀
07:20
8
ADAM- 5013
07:20
空气开关 其他传感器及变送器
微差压变送器 容氧传感器 pH 值传感器 热电阻温度传感器
ADAM- 5000
研华IPC- 610
ADAM- 5017
ADAM-5060
ADAM-5024
范围说明
Pt100 0～1500C 4～20mA 0～14 4～20mA 0～150% 0～10KPa/0～
120m3/min 4～20mA AO输出电动阀 AO输出电动阀
描述
回水温度 进水温度 发酵罐内压力 冷水控制阀
蒸汽控制阀 氨流量控制阀
变频调速器
范围说明
Pt100 0～1500C Pt100 0～1500C
• 传统典型DCS系统 • 现场总线控制系统 • PLC——上位机系统 • 工业以太网控制系统 • 其它形式的DCS系统
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§1.1 概述
计算机控制系统的典型形式
1. 操作指导控制系统
操作指导控制系统OIS(Operational lnformation System) 的构成如图1.3所示。
D/A通道
• A/D通道 • D/A通道 • 计算机
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A/D通道
反馈值
构成了计算机控制系统的三大基本要素。
11
§1.1 概述
1. 计算机控制系统的组成框架
计算机控制系统的组成
07:20
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§1.1 概述
2. 计算机控制系统的软件
(1) 系统软件 (2) 应用软件
计算机控制系统的组成
07:20
07:20
2
§1.1 概述
计算机控制系统的概念
一、计算机控制系统的概念
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）进行自动控制的 系统。
换句话说：计算机控制系统就是利用计算机来代替原来 的常规自控部件或电路，实现对控A通道的形式不同以及计算机在系统 中的地位、作用不同，计算机控制系统的形式也是多种多样。
07:20
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§1.1 概述
计算机控制系统的典型形式
计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式：
• 操作指导控制系统 • 直接数字控制系统 • 监督控制系统 • 集散控制系统型（分散型） • 集成制造系统
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§1.1 概述
软件功能
实时数据采集 控制输出 逻辑控制 报警监视 画面显示和报表输出 可靠性功能 管理功能 通信功能 流程画面制作功能
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计算机控制系统的组成
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§1.1 概述
计算机控制系统的典型形式
三、计算机控制系统的典型形式
计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复 杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的 控制方案。