第一章--计算机控制系统概述.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 计算机控制系统概述,内容与要求,重点掌握,：开环控制与闭环控制、模拟控制与数字控制、计算机控制的硬件结构与软件组成。,一般掌握,：数据采集系统、直接数字控制系统、监督控制系统、分布式控制系统的结构与特点。,了解内容,：计算机控制系统的特点与典型应用。,1,第一章 计算机控制系统概述,1.0,计算机控制系统的应用,简单地说，计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类控制系统。,计算机控制在众多领域有着广泛的应用，如机械工程、电气工程、汽车工程、过程控制、航空航天、通讯工程等。,2,计算机控制技术的应用,机械工程,3,计算机控制技术的应用 机械工程,4,计算机控制技术的应用,电气工程,发电机计算机控制,5,计算机控制技术的应用,汽车工程,ECU,、,ABS,、,EBD,、,TCS,、,BSC,、,ASR,6,计算机控制技术的应用 过程控制,7,计算机控制技术的应用,航天工程,8,计算机控制技术的应用航空工程,9,计算机控制技术的应用航海工程,10,计算机控制技术的应用通讯工程,11,1.1,计算机控制的基本概念,1.,开环与闭环控制,开环控制,被控制量（输出）不影响系统控制的控制方式,。,控制性能较差（稳定性、稳态、动态、鲁棒性）；,结构简单，适于对控制质量要求不高的场合。,12,1.1,计算机控制的基本概念,闭环控制（半闭环）,被控量参与系统控制的控制方式。,控制器（调节器、校正网络、补偿网络）、执行机构（执行环节）、检测装置（反馈环节）、被控对象、被控参数,13,1.1,计算机控制的基本概念,2.,模拟控制与数字控制,（计算机控制）,数字控制器的基本组成：,数字计算机（微处理器、微控制器）,ADC,（,VFC,）,DAC,（,PWM,）,14,1.1,计算机控制的基本概念,3.,控制系统的基本要求,稳定性,快速性,精确性,15,1.1,计算机控制的基本概念,4.,在控制中计算机三个方面的主要作用：,信息处理,，对于复杂的控制系统，输入信号和根据控制规律的要求实现的输出偏差信号的计算工作量很大，采用模拟解算装置不能满足精度要求，因而需要采用计算机进行处理；,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；,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。,16,1.1,计算机控制的基本概念,5.,计算机控制过程归结为三个主要步骤：,实时数据采集,对被控参数的瞬时值进行检测并输入。,实时决策,对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。,实时控制,根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。,17,1.2,计算机控制系统的结构与组成,计算机控制系统通常包括：,硬件,设备,、,控制,软件,及,通信网络,。,1,系统硬件,CPU,、,RAM/ROM,、,I/O,、,A/D,、,D/A,、,人机接口、通信接口及电源,各部分间通过系统总线（,DB,、,AB,、,CB,）,构成一个完整的系统,Data Bus:Bidirectional,Address Bus:Unidirectional,Control Bus:Unidirectional or Bidirectional,18,1.2,计算机控制系统的结构与组成,19,1.2,计算机控制系统的结构与组成,CPU,通常包括：,1,）,通用单片机,(,Micro-controller)4,32bit,优点：成本低、体积小。,缺点：运算与扩展能力较弱。,编程：汇编、,C,语言。,2,）,PC,及其兼容机,(,Micro-processor),缺点：成本高、体积大（,PC104,）。,优点：运算与扩展能力强，软件资源丰富。,编程：汇编及多种高级语言。,20,1.2,计算机控制系统的结构与组成,3,）,DSP,（,Digital Signal Processor,）,运算能力相当强（,RISC,结构）。,其它同（,1,）。,4,）,专用微处理器,主要用于一些批量生产的产品。如家用电器的智能控制、工业控制,（,电机控制）。,其中：,1,）、,2,）应用最广泛。,21,1.2,计算机控制系统的结构与组成,过程通道,（微机原理、传感检测、电工学）,模拟量输入通道（,A/D,、,V/F,）：,含多路开关（,2,、,4,、,8,、,16,选一），,S/H,模拟量输出通道,（,D/A,、,F/V,、,PWM,）,开关（数字）量输入通道：光电隔离,开关（数字）量输出通道：光电隔离、驱动能力,通常将模拟量输入,/,输出通道分别称作前向,/,后向通道。,22,1.2,计算机控制系统的结构与组成,2,系统软件与,应用软件,应用软件包括：,初始化程序,定时器中断,数据采样（,A/D,）,控制算法,控制作用输出,(,D/A,),监控程序,23,1.2,计算机控制系统的结构与组成,控制理论（控制算法）：,1,）,经典控制理论,（课程重点）,适于,SISO,线性系统。采用传递函数来描述。,分析与设计方法：频域、根轨迹。,校正网络：滞后、超前、滞后超前（,PID,）,。,2,）,现代控制理论,适于,MIMO,线性系统。采用状态空间表达式描述。,分析方法：主要是时域。,设计方法：极点配置、最优控制。,24,1.2,计算机控制系统的结构与组成,3,）,其它控制方法,自适应控制、鲁棒控制、非线性控制等。,设计原则,：在满足控制系统要求的性能指标下，尽可能选择简单的控制方法。,3,通信网络,串行通信、局域网、现场总线。,25,1.3,计算机控制系统的分类,1.,计算机监控与操作指导系统,图,1-5,计算机监督与操作指导系统,26,1.3,计算机控制系统的分类,作用,：计算机只承担数据的采集与处理工作，而不直接参与控制。,控制,：操作人员计算机处理结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。,优缺点,：优点是系统结构简单，控制灵活；缺点是要人工操作，速度受到限制。,27,1.3,计算机控制系统的分类,2.,直接数字控制系统,DDC,（,Direct Digital Control,）,计算机直接数字控制系统是利用计算机代替模拟控制器，直接对被控对象进行控制的系统。,计算机进行巡回检测，采样、,A/D,转换等把模拟量转化为数字量，根据控制规律进行运算，发出控制信号直接控制执行机构。,DDC,计算机直接参与闭环控制，能实现各种复杂的和先进的控制。,本课程以,DDC,系统为研究对象，介绍计算机控制系统的分析、设计与实现。,28,1.3,计算机控制系统的分类,29,3.,计算机监督控制系统,（,Supervisory Computer Control,）,简称,SCC,系统。,在,DDC,中，被控参数的给定值是预先给定并存入计算机内存中，不能根据生产信息的变化而及时修正,A/D,转换,检测装置,模拟控制器,执行机构,SCC,计,算,机,被,控,对,象,D/A,转换,保持器,1.3,计算机控制系统的分类,30,1.3,计算机控制系统的分类,A/D,转换,检测装置,DDC,计算机,执行机构,SCC,计,算,机,被,控,对,象,D/A,转换,保持器,SCC+DDC,控制系统,SCC,计算机根据被控对象运行工况的数据和预先给定的数学模型及性能目标函数，按照某种优化控制算法和逻辑判断，为,DDC,系统提供最优设定值，或修正系统控制算法中的参数、约束条件等，使得系统整体性能指标最优。,31,1.3,计算机控制系统的分类,4.,计算机分级控制系统,生产过程中既存在控制问题，也存在大量管理问题，这需要更高一级的控制系统，如计算机分级控制系统。,如下图所示为计算机分级控制系统是一个四级系统，装置控制级（,DDC,级），车间监督级（,SCC,级），工厂集中控制级（,MIC,），企业管理级（,MIS,）,32,1.3,计算机控制系统的分类,33,1.3,计算机控制系统的分类,分布式控制系统如图,1-8,所示为三层结构。,（,Distributed Control System,）,分布式控制系统可以是二层结构模式、三层结构模式或四层结构模式。,特点：分散控制、集中管理、综合协调，通过网络将分布在不同区域的各级联系。整个网络具有开放性、可靠性等特点。,过程控制级由若干现场控制计算机对生产装置直接进行控制；控制管理级对现场控制计算机的工作进行监督、协调和优化；生产经营管理级是对全厂生产管理部门监督、协调和综合管理。,5.,分布式控制系统,DCS,（集散控制系统）,34,1.3,计算机控制系统的分类,图,1,8 DCS,35,1.4,计算机控制的特点,与模拟（,R,、,C,、,L,、,OPA,）,控制系统相比，计算机（数字）控制系统,的优越性表现在以下几个方面：,1,）,在开发阶段，采用数字控制易于进行各种控制策略的试验，根据存储的系统状态参数便于对控制性能进行评价和改进，且易于,实现复杂的控制策略,。,2,）,数字控制器除了使被控装置稳定工作外，还可以承担大量的,额外任务,。如设定值给定,、数字滤波、非线性校正等，通过软件实现原来需要用硬件实现的功能，从而在一定程度上简化了硬件电路,。,36,1.4,计算机控制的特点,3,）,采用数字控制，使得传感器,、偏置和其它参数的,标定更为容易,，这些步骤可以逐步地做成自治的，甚至可包括自校正控制器在内。,4,）,可以,在线监测控制系统,的,运行工况，可以实现显示、记录及远距离传输。出现意外和紧急情况可以及时作出反映，并可根据记录的系统状态参数分析故障原因。,5,）,系统的改进一般只涉及软件更改，因而,便于控制器的更新和升级,。,37,1.4,计算机控制的特点,6,）实现的控制策略基本不受温度,、时间等外界环境因素的影响，长时间工作的,稳定性、一致性好,。,7,）借助于网络易于实现,复杂的控制系统结构,，如集散式、分布式控制系统。,38,1.4,计算机控制的特点,此外，,不是所有的控制系统都适宜采用计算机控制：,1,）采用模拟控制器可以满足要求的控制系统；,2,）某些对系统成本要求极其苛刻的系统；,3,）对采样速率要求极高的系统。,39,本章练习,P16-17:1,、,5,、,7,、,8,、,15.,40,