微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù),1.教材：機(jī)械工業(yè)出版社，于海生 等編著，本教材為國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材。2.本課程為2004年山東省精品課程。3.授課教師:丁軍航 13370867376,微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù),本書(shū)以PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)為控制工具，系統(tǒng)地闡述數(shù)字計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)方法。,知識(shí)儲(chǔ)備,主要內(nèi)容,①自動(dòng)控制理論（經(jīng)典/現(xiàn)代）②過(guò)程控制工程,指定參考書(shū)和參考期刊,孫增圻，《計(jì)算機(jī)控制理論及應(yīng)用》清華大學(xué)出版社謝劍英，《微型計(jì)

2、算機(jī)控制技術(shù)》，國(guó)防工業(yè)出版社王樹(shù)青，《工業(yè)過(guò)程控制工程》，化學(xué)工業(yè)出版社期刊：工業(yè)控制機(jī)（技術(shù)性比較強(qiáng)）、測(cè)控技術(shù)、電氣自動(dòng)化、自動(dòng)化儀表、工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，化工自動(dòng)化及儀表等等。,第一章是緒論，介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)；第二章討論了輸入輸出接口與過(guò)程通道的硬件和軟件設(shè)計(jì)；第三章討論了數(shù)字程序控制技術(shù)，重點(diǎn)介紹了逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理和步

3、進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)（工作原理以及工作方式）；第四章主要講解數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)以及相關(guān)的各類(lèi)控制算法，介紹一下常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)；,主要內(nèi)容,第五章討論了現(xiàn)代控制技術(shù)，主要介紹了采用狀態(tài)空間的輸出反饋設(shè)計(jì)法、極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)法、最優(yōu)化設(shè)計(jì)法；第六章討論了先進(jìn)控制技術(shù)；第七章討論了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)處理、數(shù)字控制器的工程實(shí)現(xiàn)以及軟件抗干擾技術(shù)；第八章討論了分散型測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技

4、術(shù)，給大家闡述通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、DCS控制技術(shù)，介紹一下現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)；第九章討論了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、步驟和工程實(shí)現(xiàn)，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。,第1章 緒 論,1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型型式1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì),1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述,1.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng) 所謂自動(dòng)控制，就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。,1.1 計(jì)算機(jī)控制系

5、統(tǒng)概述,1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱(chēng)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)工業(yè)控制機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。,1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理 2.在線(xiàn)方式和離線(xiàn)方式3.實(shí)時(shí)的含義 ,（1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理,從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)步驟： ①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。 ②實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分

6、析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。   ③實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。,（2）幾個(gè)概念,①在線(xiàn)方式和離線(xiàn)方式：on-line/off-line 生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱(chēng)為在線(xiàn)方式或聯(lián)機(jī)方式； 生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式稱(chēng)為離線(xiàn)方式或脫機(jī)方式。②實(shí)時(shí)：指信號(hào)的輸入、

7、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。 ！而且這個(gè)時(shí)間范圍的大小跟被空對(duì)象聯(lián)系非常的緊密！不同的被控對(duì)象，對(duì)時(shí)間范圍的要求不同：發(fā)酵過(guò)程和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的對(duì)比！,思考兩個(gè)問(wèn)題,一.在線(xiàn)系統(tǒng)是否一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng)？二.實(shí)時(shí)系統(tǒng)是否一定是在線(xiàn)系統(tǒng)？,一.不一定。在線(xiàn)采集的數(shù)據(jù)不一定在當(dāng)時(shí)就進(jìn)行處理，只要把數(shù)據(jù)采集來(lái)就可以！二.是。不

8、在線(xiàn)肯定不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性。,1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述,1.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(工業(yè)控制機(jī))和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。,1.工業(yè)控制機(jī) （1）硬件組成 （2）軟件組成2.生產(chǎn)過(guò)程,1.1.4 常用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī),1.可編程序控制器（PC/PLC） 2.工控機(jī)（IPC） 3.單片機(jī) 4.DSP 5.智能調(diào)節(jié)器,1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型型式,1.2.1

9、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng),操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。,1.2.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng),1.2.3 監(jiān)督控制系統(tǒng) a） SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng) b） SCC+DDC的分級(jí)控制系統(tǒng),1.2.4 集散控制系統(tǒng),,1.2.5 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng),1.2.6 綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 由企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP（Enterprise Resource

10、s Planning）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）和生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，已成為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的整體解決方案。,綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括制造業(yè)的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和流程工業(yè)的計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS-Computer Integrated Manufacture System)

11、 計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)（CIPS-Computer Integrated Process System）,2.按照控制規(guī)律分類(lèi),（1）程序和順序控制（2）比例積分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）復(fù)雜規(guī)律的控制（5）智能控制,（1）程序和順序控制,定義：程序控制是被控制量按照一定的、預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)間函數(shù)的變化。

12、 順序控制是程序控制的擴(kuò)展，在各個(gè)時(shí)期所給出設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。,（2）比例積分微分控制（PID控制）,定義：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。 PID控制是現(xiàn)在應(yīng)用最廣、最為廣大工程技術(shù)人員熟悉的技術(shù)。PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)容易調(diào)整，因此，無(wú)論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)使用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。這同樣是我們學(xué)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。

13、,（3）最小拍控制,最小拍控制的性能指標(biāo)是要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成調(diào)節(jié)過(guò)程。 最小拍控制通常用在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。 最小拍控制是我們本書(shū)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是直接離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)！,（4）復(fù)雜規(guī)律的控制,在PID控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了各種復(fù)雜規(guī)律的控制，比如串級(jí)控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)償、解偶控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。 目的：是為了解決隨機(jī)擾動(dòng)問(wèn)題，使系統(tǒng)控制達(dá)到滿(mǎn)意的性能指標(biāo)。

14、,（5）智能控制,智能控制把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問(wèn)題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來(lái)的學(xué)科?？梢钥闯扇齻€(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或會(huì)合，即：人工智能運(yùn)籌學(xué)控制理論,,1.3.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 1.計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 （1）開(kāi)創(chuàng)時(shí)期（1955～1962年） （2）直接數(shù)字控制時(shí)期（1962～1967年） （3）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967～1972

15、年） （4）微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972年至今）,1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì),1.3.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 2.計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過(guò)程 （1）采樣定理 （2）差分方程 （3）Z變換法 （4）狀態(tài)空間理論 （5）最優(yōu)控制與隨機(jī)控制 （6）代數(shù)系統(tǒng)理論 （7）系統(tǒng)辨識(shí)與

16、自適應(yīng)控制 （8）先進(jìn)控制技術(shù),1.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1.推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù) （1）普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC） （2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器 （3）采用新型的DCS和FCS 2.大力研究和發(fā)展先進(jìn)控制技術(shù),1.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) （1）控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化

17、 （2）控制系統(tǒng)的扁平化 （3）控制系統(tǒng)的智能化 （4）控制系統(tǒng)的綜合化,1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容和對(duì)系統(tǒng)的基本要求,一.研究?jī)?nèi)容 1.系統(tǒng)建模：自動(dòng)控制系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容是對(duì)控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)建模。數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)連續(xù)系統(tǒng)為微分方程，對(duì)離散系統(tǒng)為差分方程，在現(xiàn)代控制理論中，要建立狀態(tài)方程。 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的方法有分析方法和

18、實(shí)驗(yàn)方法。 分析法是根據(jù)物理和化學(xué)定律，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程。 實(shí)驗(yàn)法是用系統(tǒng)辨識(shí)方法，即對(duì)系統(tǒng)加入已知信號(hào)，記錄系統(tǒng)的輸出，然后用數(shù)學(xué)模型近似，從而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（著名的“黑箱”建模方法）。,2.系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析是在系統(tǒng)給定的情況下，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)誤差的問(wèn)題，并且討論系統(tǒng)的性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。一般采用時(shí)域分析和頻域分析兩種方法。3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)：建立一個(gè)能夠完成設(shè)定的控制任務(wù)，滿(mǎn)足一定

19、的控制要求的系統(tǒng)。系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)稱(chēng)為校正?？刂破饕卜Q(chēng)為校正裝置。所謂校正指在系統(tǒng)中加入一些可調(diào)的裝置（機(jī)構(gòu)），使系統(tǒng)的性能指標(biāo)發(fā)生變化，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。通常講的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是指控制器（校正裝置）設(shè)計(jì)。,二.對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求,1.系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，是當(dāng)被控變量偏離期望時(shí)，其偏差隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作必須的條件。2.動(dòng)態(tài)過(guò)程必須滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求