计算机控制基础（第二版）.DOC

第1章 计算机控制系统概述 众所周知，计算机具有信息存储记忆、逻辑判断推理和快速数值计算功能，是一种强大的信息处理工具，其应用已经渗透到人类活动的各个领域，强有力地推动着技术与科学的全面进步。随着计算机技术的迅猛发展，计算机在工程控制中的应用也越来越广泛。如今计算机控制已广泛应用于各行各业技术工程和各类工业生产制造过程的控制中。人们在计算机控制推广应用的技术实践中不断总结、创新，促进了计算机控制系统的分析设计理论和方法以及工程实现技术的不断发展和完善，已使计算机控制成为以控制理论和计算机技术为基础的一门新的工程科学技术，成了从事自动化技术工作的科技人员必须掌握的一门专业知识。本书将侧重系统讲述有关计算机控制系统分析及设计的基本理论和方法，以及一些较为实用的计算机先进控制算法，并简要概述计算机控制系统工程实现技术。 本章概述计算机控制系统的组成、类型、特点以及计算机控制的发展概况及趋势。 1.1 计算机控制系统的组成 1.1.1 计算机反馈控制系统 计算机控制系统简单地说，就是由计算机和自动化仪表装置与被控对象连接而成的具有各种自动化功能的技术工程系统。其中计算机反馈控制系统典型结构如图1.1所示。系统中 由被控对象、测量仪表和执行装置构成的广义被控对象绝大多数都是连续系统，其输入和输出信号均为连续的模拟信号，而计算机则是一个数字信号处理系统，进、出计算机的信号和计算机运算处理的信号均为数字信号，因此，广义被控对象和计算机之间，必须采用模/数转换器（A/D）和数/模转换器（D/A）来实现模拟信号与数字信号之间的相互转换，从而使得被控对象与计算机之间的信号传递形成闭合回路，构成反馈系统。系统中计算机的作用相当于传统模拟控制系统中的控制器，计算机按照时间很短的重复周期（即采样周期）不断地由A/D转换器获得被控量的数字测量信号和数字参考输入信号，并按照预定的反馈控制律（亦即控制算法）计算出数字控制信号，再通过D/A转换器转换成模拟控制信号驱动执行装置，从而实现对被控对象的反馈控制。 1.1.2 计算机控制系统的组成 由上可知，计算机是计算机控制系统中的核心装置，是系统中信号处理和决策的机构，相当于控制系统的神经中枢。虽然计算机控制系统中的被控对象和控制任务多种多样，但是就系统中的计算机而言，计算机控制系统其实也就是计算机系统，系统中的广义被控对象可以看作是计算机外部设备。因此，所有计算机控制系统都和一般计算机系统一样，是由硬件和软件两部分组成的。 1．硬件组成 计算机控制系统的硬件主要由主机、外部设备、过程输入输出设备和广义被控对象组成，如图1.2所示。现分述如下： （1）主机 由中央处理器（CPU）和内存储器（RAM和ROM）通过系统总线连接的主机是计算机的核心，也是整个控制系统的核心。它按照预先存放在内存中的程序、指令，不断通过过程输入设备获取反映被控对象运行工况的信息，并按程序中规定的控制算法，或操作人员通过键盘输入的操作命令自动地进行运算和判断，及时地产生并通过过程输出设备向被控对象发出相应控制命令，以实现对被控对象的自动控制目标。 （2）外部设备 常用的外部设备有四类：输入设备、输出设备、外存储器和通信设备。 输入设备：常用的是键盘，用来输入（或修改）程序、数据和操作命令。 输出设备：通常有打印机、CRT显示器等，它们以字符、曲线、表格、图形等形式来反映被控对象的运行工况和有关控制信息。 外存储器：通常是磁盘（包括硬盘、软盘和光盘）。它们兼有输入和输出两种功能，用来存放程序和数据，作为内存储器的后备存储器。 通信设备：用来与其它相关计算机控制系统或计算机管理系统进行联网通信，形成规模更大，功能更强的网络分布式计算机控制系统。 以上常规外部设备通过接口与主机连接便构成具有科学计算和信息处理功能的通用计算机，但是这样的计算机不能直接用于控制。如果用于控制，还需要配备过程输入输出设备构成控制计算机。 （3）过程输入输出设备 过程输入输出（简称PIO）设备是计算机与广义被控对象之间信息联系的桥梁和纽带，计算机与广义被控对象之间的信息传递都是通过PIO设备进行的。PIO设备分过程输入设备和过程输出设备。 过程输入设备：包括模拟输入通道（简称A/D通道）和开关量输入通道（简称DI通道），分别用来将测量仪表测得的被控对象各种参数的模拟信号和反映被控对象状态的开关量或数字信号输入计算机。 过程输出设备：包括模拟输出通道（简称D/A通道）和开关量输出通道（简称DO通道）。D/A通道将计算机产生的数字控制信号转换为模拟信号后输出驱动执行装置对被控对象实施控制；DO通道将计算机产生的开关量控制命令直接输出驱动相应的开关动作。 （4）广义被控对象 广义被控对象包括被控对象及其测量仪表和