计算机控制系统电子课件--李正军_第1章.ppt

第1章 绪 论 随着现代化工业生产过程复杂性与集成度的提高，计算机控制系统得到了迅速的发展。计算机控制系统是自动控制系统发展中的高级阶段，是自动控制系统中非常重要的一个分支。计算机控制系统利用计算机的软件和硬件代替自动控制系统中的控制器，它以自动控制理论和计算机技术为基础，综合了计算机、自动控制和生产过程等多方面的知识。由于计算机控制系统的应用，许多传统的控制结构和方法被代替，工厂的信息利用率大大提高，控制质量更趋稳定，对改善人们的劳动条件起着重要作用，因此，计算机控制技术受到越来越广泛的重视。当前，计算机控制系统已成为许多大型自动化生产线不可缺少的重要组成部分。生产过程自动化的程度以及计算机在自动化中的应用程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。 1.1 计算机控制系统的概念 1.1.1 常规控制系统 工业生产过程中的自动控制系统因被控对象、控制算法及采用的控制器结构的不同而有所区别。 从常规来看，控制系统为了获得控制信号，要将被控量y与给定值r相比较，得到偏差信号e=r-y。然后，利用e直接进行控制，使系统的偏差减小直到消除偏差，被控量接近或等于给定值。 对于这种控制，由于控制量是控制系统的输出，被控量的变化值又反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相减，所以称为闭环负反馈系统，其结构如图1-1所示。 控制系统的另一种结构如图1-2所示，该系统为开环控制系统。 1.1.2 计算机控制系统 计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网络结构）和被控对象两大部分组成。 从图1-1和图1-2所示控制系统可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、处理和比较。这些功能是由传感器的测量变送装置、控制器和执行机构来完成的。控制器是控制系统中最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。 若把图1-1和图1-2中的控制器用计算机系统来代替，这样就构成了计算机控制系统，其典型结构如图1-3所示。 计算机控制系统在结构上也可以分为开环控制系统和闭环控制系统两种。 在计算机控制系统中，计算机处理的输入和输出信号都是数字化量。因此，在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字控制信号转换为模拟输出信号的数/模（D/A）转换器。 计算机控制系统执行控制程序的过程如下。 实时数据采集：对被控参数在一定的采样间隔进行测量，并将采样结果输入计算机。 实时计算：对采集到的被控参数进行处理后，按一定的预先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定当前的控制量。 实时控制：根据实时计算结果，将控制信号送往控制的执行机构。 信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。 上述测量、控制、运算、管理的过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控参数或控制设备出现的异常状态及时监督并迅速作出处理。 1.2 计算机控制系统的组成 计算机控制系统由两大部分组成：一部分为计算机及其输入输出通道，另一部分为工业生产对象（包括被控对象与工业自动化仪表）。 1.2.1 计算机控制系统的硬件 计算机控制系统的硬件主要包括：微处理器或微控制器、存储器（ROM/RAM）、数字I/O接口通道、A/D与D/A转换器接口通道、人机接口设备（如显示器、键盘、鼠标等）、网络通信接口、实时时钟和电源等。它们通过微处理器或微控制器的地址总线、数据总线和控制总线（亦称系统总线）构成一个系统，其硬件框图如图1-4所示。 1．主机（计算机） 主机由CPU和存储器构成。它通过过程输入通道发送来的工业生产对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息的处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令。 2．常规外部设备 常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。 常用的输入设备有：键盘、鼠标等，主要用来输入程序和数据等。 常用的输出设备有：显示器、打印机等。输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情况。 存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主要有磁盘等。 3．输入输出通道 计算机的输入输出通道，又称过程通道。工业生产对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（又称一次仪表）变换为相应的电信号。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道，这就是过程输入输出通道。 过程通道一般可分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。 4．外部设备 过程通道是不能直接由主机控制的，必须由“接口”来传送相应的信息和命令。计算机控制系统的接口，根据应用不同，有各种不同