計算機控制技術作者：羅文廣，廖鳳依

石玉秋，袁海英關于“計算機控制技術”計算機控制技術是把計算機技術與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學問，是以計算機為核心部件的過程控制工程和運動控制工程的綜合性技術。通常討論的是核心技術。

關于“技術”與“系統(tǒng)”技術是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎系統(tǒng)是目標

計算機控制的理論基礎計算機控制系統(tǒng)的硬件和軟件技術控制算法知識儲備主要內(nèi)容電路與電子技術自動控制理論單片機原理及接口技術MATLAB仿真技術計算機技術控制理論工程技術自動化儀表計算機控制系統(tǒng)計算機技術（包括硬件、軟件、網(wǎng)絡與通訊等）自動控制理論（包括系統(tǒng)建模、控制理論、數(shù)字仿真等）檢測技術及儀表工程技術（包括對象背景知識、工程設計與實施等）第1章計算機控制系統(tǒng)概述1.1計算機控制系統(tǒng)的概念

1.2計算機控制系統(tǒng)的分類1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.1計算機控制系統(tǒng)的概念1.1.1基本概念和組成圖1-3控制系統(tǒng)工作平臺結構圖1.引例：2.計算機控制系統(tǒng)的概念1）模擬控制系統(tǒng)的基本結構：

如果把圖1-5中的控制器和比較環(huán)節(jié)用計算機來代替，再加上A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等器件，就構成了計算機控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-6所示。2）計算機控制系統(tǒng)基本工作原理計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)模擬系統(tǒng)類似，主要的差別是用計算機系統(tǒng)取代了模擬控制器。計算機系統(tǒng)主要包括：．A／D轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換為斷續(xù)的數(shù)字二進制信號，送入計算機；．D／A轉(zhuǎn)換器，將計算機產(chǎn)生的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號并送給被控對象的放大部件（執(zhí)行機構）；．數(shù)字計算機(包括硬件及相應軟件)，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換處理以及工作狀態(tài)的邏輯管理，按給定的算法程序產(chǎn)生相應的控制指令。3.計算機控制系統(tǒng)基本組成(計算機系統(tǒng)+被控對象）（1）計算機：控制系統(tǒng)的核心。（2）接口：計算機與被控對象進行信息交換的紐帶。（3）輸入和輸出通道：信息傳輸和轉(zhuǎn)換的連接通道（4）通用外部設備：為了擴大計算機的功能而設置的（5）操作臺：是一個實時的人機對話的聯(lián)系紐帶（6）自動化儀表：主要包括測量元件、檢測儀表、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行機構等

硬件組成軟件計算機控制系統(tǒng)的軟件通常由系統(tǒng)軟件和應用軟件組成。

---系統(tǒng)軟件：計算機的通用軟件。

---應用軟件：系統(tǒng)軟件支持下實現(xiàn)各種應用功能的專用程序。包括：控制算法程序、輸入輸出接口程序、監(jiān)控程序及信息管理程序。4.計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況（1）開創(chuàng)時期（1955－1962年）難于直接參與系統(tǒng)的閉環(huán)控制。計算機的主要任務是尋求最佳運行條件。（2）直接數(shù)字控制時期（1962－1967年）計算機直接控制被控過程的變量，取代了原來的模擬控制，因而被稱為直接數(shù)字控制（DDC)。（3）小型計算機時期（1967－1972年）各種類型適合工業(yè)控制的小型計算機。許多小型工程項目、設備采用計算機控制系統(tǒng)。（4）微型計算機時期（1972年至今）微型處理器件參與控制，使計算機控制系統(tǒng)得到更普及的應用。

（5）集散型控制

微型計算機性能提高，價格下降以及計算機通信和網(wǎng)絡的發(fā)展，促使發(fā)展一種許多相關聯(lián)的微計算機組合共同負擔工作負荷的系統(tǒng)，形成了目前廣泛應用的集成分散型控制系統(tǒng)。

微型計算機的發(fā)展和普及，促進發(fā)展了許多新型計算機的控制方式。

如嵌入式計算機控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡計算機控制；專用控制器迅速的發(fā)展。依賴于計算機實時控制軟件的進展。

過去的幾十年軟件生產(chǎn)的進展不大。性能完好的計算機控制系統(tǒng)，要求計算機控制系統(tǒng)分析、設計理論的支持。

----采樣系統(tǒng)的基本理論；

----現(xiàn)代離散控制理論；

----各種智能控制理論，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡。限于現(xiàn)代理論應用的前提和條件，實際難以滿足，應用受到了限制。加強先進控制理論的可行性研究，發(fā)展各種簡便易行的先進控制策略，提高系統(tǒng)控制水平。理論要求：現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)；海陸空和航天等國防現(xiàn)代化的各種武器裝備中；迅速地滲透用于現(xiàn)代生活的各式各樣的產(chǎn)品中

---各種用途的機器人系統(tǒng)；

應用：---復雜飛行控制與飛行管理系統(tǒng)；

---各種空間飛行器的控制；

---現(xiàn)代化工廠中，廣泛使用分散控制和集中監(jiān)視系統(tǒng)。1.1.2計算機控制系統(tǒng)的功能與特點控制規(guī)律是由計算機通過程序?qū)崿F(xiàn)，有很大的靈活性和適應性。能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復雜控制規(guī)律?？梢圆捎梅謺r控制的方式，同時控制多個回路。采用計算機控制系統(tǒng)，便于實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進一步提高。（1）系統(tǒng)結構：核心部件是計算機（2）信號形式上：多種信號形式（3）信號傳遞時間上：系統(tǒng)的輸出與輸入不是在同一時刻的相應值。（4）系統(tǒng)工作方式上：多回路分時控制。（5）具有很大的靈活性和適應性：軟件代替硬件（6）具有較高的控制質(zhì)量：能實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律。計算機控制系統(tǒng)的特點：1.1.3計算機控制系統(tǒng)的工作過程與方式．實時數(shù)據(jù)采集，即A/D變換器對反饋信號及指令信號的瞬時值進行檢測和輸入；．實時決策，即計算機按給定算法，依采集的信息進行控制行為的決策，生成控制指令；．實時控制，即D/A變換器根據(jù)決策結果，適時地向被控對象輸出控制信號?！皩崟r”，是指信號的采集、處理及指令輸出整個運行過程必須在一定的時間內(nèi)完成，如超過一定的時間就失去了控制時機，控制就失去了意義。所需時間將依具體系統(tǒng)特性確定。1．操作指導控制系統(tǒng)計算機工業(yè)對象器換轉(zhuǎn)D/A采樣器測量元件顯示終端打印機控制儀圖1-8操作指導控制系統(tǒng)1.2計算機控制系統(tǒng)分類

2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）3．監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）計算機監(jiān)督系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl）簡稱SCC系統(tǒng)。（1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)該系統(tǒng)原理圖，如圖1-10a所示。（2）SCC+DDC控制系統(tǒng)

SCC+DDC控制系統(tǒng)原理圖，如圖1-10b所示。圖1-10監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)的兩種結構形式a)SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)b)SCC+DDC分級控制系統(tǒng)4．分布式控制系統(tǒng)分布式計算機控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)（分級式）---應用以多臺計算機為基礎的分散型控制系統(tǒng)。---分散控制基礎上的又形成了集散型計算機控制系統(tǒng)，又稱為分散型綜合控制系統(tǒng)（TotalDCS）。----“任務要分散，管理要集中”。圖1-11分布式計算機控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）

結構模式為“工作站—現(xiàn)場總線智能儀表”二級結構模式，徹底實現(xiàn)了系統(tǒng)的分散控制。其結構框圖如圖1-12所示。5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)圖1-12現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)相比，具有以下特點。1．數(shù)字化的信息傳輸2．分散的系統(tǒng)結構3．方便的互操作性4．開放的互聯(lián)網(wǎng)絡5．多種傳輸媒介和拓撲結構6.工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)圖1-13典型的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)結構

工業(yè)以太網(wǎng)實時性問題的解決方案：1）采用交換以太網(wǎng)2）改進以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方式3）采用基于以太網(wǎng)的上層通信協(xié)議圖1-14工業(yè)以太網(wǎng)控制器圖1-15工業(yè)以太網(wǎng)控制軟件系統(tǒng)結構原理圖1-16工業(yè)以太網(wǎng)在過程控制中的典型應用方式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的主要功能1）具備AI、AO、DI、DO等接口，可以與各種現(xiàn)場設備相連接2）控制器具備多種邏輯運算功能和基本的控制算法3）具備與其他控制器及上位機的網(wǎng)絡通信功能4）可實現(xiàn)基于以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控功能。1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.3.1推廣應用成熟的現(xiàn)今技術普及應用可編程序控制器廣泛使用智能調(diào)節(jié)器采用新型的DCS和FCS1.3.2大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)分級遞階智能控制系統(tǒng)；模糊控制系統(tǒng)；專家控制系統(tǒng)；學習控制系統(tǒng)；神經(jīng)控制系統(tǒng)1.3.3