第1章计算机控制系统的基本概念

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1、第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 第第1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 1.2 计算机控制系统的一般构成计算机控制系统的一般构成 1.3 微机控制系统的分类微机控制系统的分类1.4 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展1.5 工业控制机的组成及特点工业控制机的组成及特点1.6 工业控制机的总线结构工业控制机的总线结构 第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 古典控制理论：- 20世纪40年代发展起来；-

2、 频率法（幅频特性和相频特性）和根轨迹法（稳定性分析）；- 适于单输入单输出的线性自动控制系统；现代控制理论：为数字计算机应用于自动控制领域创造了条件 - 20世纪60年代逐渐形成；- 以状态空间法为基础；- 适于多输入多输出的多变量系统、非线性系统、系统参数随时间变化的时变系统、分布参数控制系统以及最优控制系统等。 第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 ug12uaijn3 直流电动机转速控制系统 ugn功 率放 大 器直 流电 动 机工 作机 械直流电动机转速控制系统原理图 当电动机的负载转矩变化很小，系统元件特性比较稳定时，所示的控制系统可以满足预期的要求。否

3、则，电动机的实际转速与期望值相比将有较大的误差。为了克服或减小负载转矩变化对转速的影响，可以采用干扰补偿的办法，但是，采用干扰补偿的系统一般不能解决由于元件特性不稳定所产生的输出误差。第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 带偏差控制作用的速度控制系统 功 率放 大 器uguaijnub测 速 发 电 机 n干 扰 转 矩n功 率放 大 器直 流电 动 机工 作机 械加 法 器ug测 速发 电 机带偏差控制作用的速度控制系统原理图带偏差控制作用的速度控制系统则可以减小或消除由各种因素所引起的转速变化。第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 随

4、动控制系统示意图 uaijnuecuur12ri减速器输入轴输出轴rue电位器(比较器)放大器电动机减速器uac随动系统的原理图（例：轮船主机转速控制）第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 自动控制系统的基本组成 控 制 装 置干扰给定值(参考输入)偏差(误差)被控量(输出) 被控对象检测装置控制器放大元件执行机构反馈控制装 置第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 自动控制系统的类型： 恒值系统：给定值是恒定值（轮船主机定速控制）； 随动系统：给定值(控制指令)是事先未知的时间函数的系统称为随动系统（火炮控制）；程序控制系统：控制指令已预

5、先知道的系统（自动包装线）； 自动调节系统或镇定系统：如前面所示的带偏差控制作用的速度控制系统是根据偏差产生控制作用，对系统进行自动调节，使被控量保持恒定的（商店室温控制）。第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 自动控制的基本方式： 开环控制：被控量(输出)不影响系统控制的控制方式称为开环控制（打出去的炮弹）；给定值被控量控制器执行机构被控对象 当被控对象或控制装置受到干扰，或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时，系统不能进行自动补偿，被控制精度难以保证。但是由于结构比较简单，在控制精度要求不高或者元件工作特性比较稳定而干扰又很小的场合应用比较广泛。第第1

6、1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 闭环控制：被控量参与系统控制。干 扰给 定 值被 控 量控 制 器执 行机 构被 控对 象检 测装 置闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性，它对控制元件的要求比开环控制的低。但与开环控制系统相比，闭环控制系统设计比较麻烦，结构也比较复杂，因而成本较高。闭环控制是自动控制中广泛采用的一种控制方式。当控制精度要求较高，干扰影响较大时，一般都采用闭环控制。第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 对控制系统的基本要求：稳定性：系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力；快速性：被控量趋近希望值的快慢程度；

7、精确性：过渡过程结束后，被控量与希望值接近的程度。(a)(b)(c)(d)x(t)10ty(t)10ty(t)10ty(t)10t12第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 1.2 计算机控制系统的一般构成计算机控制系统的一般构成计算机给定值被控量数 字控制器模/数转换数/模转换执行机构被控对象检测装置计算机控制系统的结构与前面介绍的反馈控制系统十分相似，只是将控制器由数字控制器来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统（火焰切割机）第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 计算机控制系统的控制过程包括以下四个方面： (1)实时数据采集：对被控制

8、量的瞬时值进行检测，并且将采样结果输入到计算机； (2)实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后，按照预先规定的控制规律进行运算，称为(实时)决策； (3)实时控制：根据实时决策结果，适时地对执行装置发出控制信号；(4) 信息管理：结合网络技术和控制策略，实现信息共享和管理（例如：数据库技术）。测、算、控、管第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 实时满足实时性：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间(采样间隔)内完成。实时控制：计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出。在线 在线方式：生产过程与计算机直接相接并受控于计算机

9、，也称为联机方式；离线方式：生产过程不与计算机相接且不受控于计算机，而靠人联系并实施操作，也称为脱机方式；实时控制系统必定是在线系统第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 计算机控制的优点： (1)可以消除常规模拟调节器的许多难以克服的缺点，如不存在模拟调节器的漂移问题，参数整定范围宽，可以数字滤波等；(2)使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬件设备，甚至可以在线改变控制方案。因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步提高控制水平。(3)具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附加功能。 第第1

10、1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 计算机控制系统的组成计算机系统硬件：过程相关设备：传感器、执行器软件：控制软件及系统软件；*计算机通信网络：*其它设备：操作台、检测设备等；在各种计算机控制系统中，几乎都是以微处理器为核心器件，因此计算机控制系统一般就是指微机控制系统。第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 计算机系统硬件：各种工业控制计算机、可编程逻辑控制器(PLC)等 1)计算机主机： CPU+存储器；2)接口：并行接口、串行接口和管理接口(包括中断管理、直接存取DMA管理、计数/定时等)；3)输入/输出通道：计算机和生产过程之间信息传递和

11、交换的连接通道，这就是输入/输出通道，又称过程通道；一般包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道；过程通道不能直接由主机控制，必须由接口传送相应的信息和命令；4)通用外围设备：键盘、鼠标等常用输入设备，显示器、打印机、记录仪等常用输出设备，磁盘、光盘等存储设备；第第1 1章章 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 过程相关设备1) 传感器：工业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)变换为等效的电信号。在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，广泛采用了各种检测元件和仪表，它们的主要功能是把被检测的参数由非电量转换为电量。这些信号转换