计算机闭环控制系统原理.ppt

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1、第一章第一章 计算机控制概述计算机控制概述本章要点 1.了解计算机控制系统的构成原理2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。3.初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类 本章主要内容 引言引言 1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 1.2 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 1.3 计算机控制装置种类计算机控制装置种类 本章小结本章小结 思考题思考题 引言 计算机控制技术及工程应用计算机控制技术及工程应用-是把计算机技术与自动化控制系是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和

2、运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。又是一个主要的实现手段。本书立足于工业自动化的领域，讨论这本书立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用工程应用。下图为下图为一个制药车间的自动化生产流程。一个制药车间的自动化生产流程。链接动画链接动画1.1 计算机控制系统的组成主要知识

3、点主要知识点:n1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念n1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成n1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念计算机控制系统计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而是由常规仪表控制系统演变而来的来的;常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成要求，一般分成闭环控制闭环控制(图图1-1a1-1a所示所示)与与开环开环控制控制(图图1-1b1-1b所示所示)两种结构形式两种结构形式;计算机控制系统原理组成计算机控制系统原理组成用控制计算机代替用控制计算机代替图图

4、1-11-1的控制器，如图的控制器，如图1-21-2所示；所示；（1）闭环控制系统 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，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

5、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。合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。euqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送器测量变送器偏差偏差给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 测量值测量值r+_zf干扰干扰图图1-1(a)闭环控制系统闭环控制系统（2）开环控制系统 开环控制系统开环控制系统-不同于闭环系统，它不需要被不同于闭环系统，它不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动控对象的测量反馈信

6、号，控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统。的偏差，其控制性能不如闭环系统。uqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 r(b)(b)开环控制系统开环控制系统（3）计算机闭环控制系统原理组成 计算机闭环控制系统的原理组成计算机闭环控制系统的原理组成-是把图是把图1-11-1中的控制中的控制器用控制计算机即微型计算机及器用控制计算机即微型计

7、算机及A/DA/D（模（模/数）转换接口与数）转换接口与D/AD/A（数（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/DA/D转换器将模转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/AD/A转换器将数字量转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。转换为模拟量作为其输出信号。+re偏偏差差计计算算机机D/A执执行行器器被被控控对对象象uqyA/D测测量量变变送送器器z测测量量值值给给定定值值控控制制计计算算机机生生

8、产产过过程程控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量图图1 1-3 3 计计算算机机控控制制系系统统原原理理框框图图-图图1-2 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图（4）计算机控制系统的监控过程步骤a.a.实时数据采集实时数据采集-对来自测量变送器的被控量的对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入瞬时值进行采集和输入 ；b.b.实时数据处理实时数据处理-对采集到的被控量进行分析、对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；律运算，进行控制决策；c.c.实时输出控制实时输出控制-根据控制决策，适时地对执行根据控制决策，适时地

9、对执行器发出控制信号，完成监控任器发出控制信号，完成监控任务；务；1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成计算机控制系统硬件一般包括：计算机控制系统硬件一般包括：主机主机-CPU CPU RAMRAMROMROM系统总线系统总线 常规外部设备常规外部设备-输入输入/输出设备、外存储器等输出设备、外存储器等过程输入输出通道过程输入输出通道AIAI、AOAO、DIDI、DODO操作台操作台CRTCRT、LEDLED、LCDLCD 等等通信设备通信设备交换机、交换机、modemmodem、集线器等、集线器等图图 1-31-3所示硬件组成框图所示硬件组成框图CPURAMROM输输入入设设备备输输出出设

10、设备备外外存存储储器器通通信信设设备备操操作作台台接接口口接接口口接接口口接接口口接接口口系系统统总总线线工工业业对对象象接接口口接接口口接接口口接接口口换换转转换换转转开开关关输输出出开开关关输输入入测测量量变变送送驱驱动动执执行行过过程程输输入入输输出出通通道道计计算算机机基基本本系系统统主主机机常常规规外外部部设设备备图1-4 计算机控制系统硬件组成框图D/AA/D 图图1-3 1-3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图 链接动画链接动画1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运

11、行解决各种问题，必须为它编制软件。运行解决各种问题，必须为它编制软件。所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的。在软件程序指挥下协调工作的。软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程

12、序。制的各种应用程序。1.2 控制系统分类 主要知识点主要知识点n1.2.1 1.2.1 数据采集系统（数据采集系统（DASDAS）n1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统 (OGC)(OGC)n1.2.3 1.2.3 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）n1.2.4 1.2.4 监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（SCCSCC）n1.2.5 1.2.5 分散控制系统（分散控制系统（DCSDCS）n1.2.6 1.2.6 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）1.2.11.2.1 数据采集系统数据采集系统（DASDAS）计计 算算 机机工工业业对

13、对象象器器换换转转D/A采采样样器器测测量量元元件件统统系系集集采采据据数数1 1图图5 5-显显 示示 终终 端端打打 印印 机机 数据采集系统数据采集系统(Data Acquisition System)-(Data Acquisition System)-是计算机应用于生产过程控制最早、是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图也是最基本的一种类型，如图1-51-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和仪表发送和A/DA/D通道或通道或DIDI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析通道巡回采集后送入

14、计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。链接动画链接动画1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统(OGC)(OGC)操作指导控制系统操作指导控制系统-是基于数据采集系统的是基于数据采集系统的一种开环结构，如图一种开环结构，如图1-61-6所示。计算机根据采集所示。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改

15、变各个而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。它相当于模拟仪表的作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半控制系统的手动与半自动工作状态。自动工作状态。OGCOGC系统的优点是结构简单，控系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。限制，不能同时控制多个回路。计计 算算 机机工工业业对对象象器器换换转转D/A采采样样器器测测量量元元件件显显示示终终端端打打印印机机控控制制仪仪表表 图图1 1-6 6 操操作作指指

16、导导控控制制系系统统链接动画链接动画1.2.31.2.3 直接数字控制系统直接数字控制系统（DDCDDC）DDC DDC系统系统-是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了操作方便，操作方便，DDCDDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。的操作控制台。DDCDDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能过改变程序就能有效地有效地实现各种各样的复杂控制实现各种各样的复杂控制。计计算算机机生生产产过过程程显示显示打印机打印机报警报警操作台操作台）ID，D/A（入入输输程程过过）OD，A/D（出出输输程程过过图图1-7 1-7 直接数字