1CH1 绪论绪论主要内容主要内容1.1 概述概述 计算机控制系统的定义、组成、典型结构计算机控制系统的定义、组成、典型结构计算机控制系统的定义、组成、典型结构计算机控制系统的定义、组成、典型结构 应用分类及特点应用分类及特点应用分类及特点应用分类及特点 发展概况发展概况发展概况发展概况1.2 课程内容介绍课程内容介绍Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.21.1 1.1 概述概述 实例实例 典型模拟式雷达天线指向位置跟踪系统图图1-1雷达天线指向位置跟踪系统雷达天线指向位置跟踪系统Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.31.1 1.1 概述概述精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定精确跟踪目标的运动，必须保证天线准确的定向。向。天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立天线指向控制系统可分为俯仰与方位两个独立控制系统。控制系统。 系统除了采用速度反馈外，系统除了采用速度反馈外，控制器还采用了滞控制器还采用了滞后后- -超前等串联校正网络，该校正网络利用常超前等串联校正网络，该校正网络利用常规的有源模拟运算放大器实现。规的有源模拟运算放大器实现。 为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的为了使系统有优良的动态及静态特性，系统的校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用校正网络及工作状态的改变将非常复杂，采用模拟式部件实现将是很困难的。模拟式部件实现将是很困难的。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.41.1 1.1 概述概述 计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装计算机实现了原控制系统中控制器及指令生成装置的作用。置的作用。 图1-2 雷达天线指向位置跟踪系统原理结构图Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.51.1 1.1 概述概述1.1.计算机控制系统的定义计算机控制系统的定义 计算机控制系统（计算机控制系统（Computer Control System,简称简称CCS）：）： 应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。以获得一定控制目的而构成的系统。 计算机计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。型的通用或专用计算机。 辅助部件辅助部件主要指输入输出接口、检测装置、执行装置等主要指输入输出接口、检测装置、执行装置等 所谓所谓“联系联系”，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波和光波等进行联系。线电波和光波等进行联系。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.6 计算机控制系统计算机控制系统（Computer Control System,简称简称CCS）：）： 应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。系，以获得一定控制目的而构成的系统。 被控对象被控对象，范围很广，包括各行各业的生产过程、机械，范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、仪器仪表和家用电器等。装置、交通工具、仪器仪表和家用电器等。 控制的目的控制的目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。种要求，也可以是达到某种最优化目标。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.7闭环控制系统典型结构闭环控制系统典型结构2.计算机控制系统的典型结构计算机控制系统的典型结构用数字计算机来用数字计算机来实现，即为计算实现，即为计算机控制系统机控制系统Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.8从本质来看，计算机控制系统的控制过程归结为：从本质来看，计算机控制系统的控制过程归结为：l实时数据采集实时数据采集，即，即A/DA/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；值进行检测和输入；l实时决策实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；行为的决策，生成控制指令；l实时控制实时控制，即，即D/AD/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。输出控制信号。p“实时实时”，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过，是指信号的采集、处理及指令输出整个运行过程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控程必须在一定的时间内完成，如超过一定的时间就失去了控制时机，控制就失去了意义。制时机，控制就失去了意义。p所需时间将依具体系统特性确定。所需时间将依具体系统特性确定。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.9 在线控制在线控制计算机对受控对象或受控生产过程，能够计算机对受控对象或受控生产过程，能够行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统线控制或称联机控制系统 实时控制实时控制指受控对象或受控过程，每当请求处理或指受控对象或受控过程，每当请求处理或请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统。请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统。 常用在生产过程是间断进行的场合，如炼钢，每炼一常用在生产过程是间断进行的场合，如炼钢，每炼一个炉钢是一个过程，每个过程都重复进行，只有进入过程个炉钢是一个过程，每个过程都重复进行，只有进入过程才要求计算机进行控制。计算机一旦进行控制，就要求对才要求计算机进行控制。计算机一旦进行控制，就要求对来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制。来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制。 综上，综上，一个在线系统并不一定是一个实时系统，一个一个在线系统并不一定是一个实时系统，一个实时系统必是一个在线系统。实时系统必是一个在线系统。补充术语：补充术语： 离线控制离线控制计算机没有直接参与控制对象，只是对其状计算机没有直接参与控制对象，只是对其状态检测，并处理检测数据，而后制定出控制方案，输出控制态检测，并处理检测数据，而后制定出控制方案，输出控制指示，操作人员参考控制指示，手动操作使控制部件进行控指示，操作人员参考控制指示，手动操作使控制部件进行控制制Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.103.3.计算机控制系统计算机控制系统(CCS)(CCS)组成组成 计算机控制系统由计算机控制系统由控制部分和被控对象控制部分和被控对象组成，其控制组成，其控制部分包括部分包括硬件部分和软件部分硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。的系统只由硬件组成。输入输出通道输入输出通道生产过程装置生产过程装置主机主机外部设备外部设备Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.11硬件部分：硬件部分： 被控对象；被控对象；测量装置；测量装置；执行机构；执行机构； 计算机系统（主机和输入输出通道）；计算机系统（主机和输入输出通道）； 外部设备。外部设备。3.3.计算机控制系统计算机控制系统(CCS)(CCS)组成组成Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.12系统软件：系统软件： 操作系统、诊断系统、开发系统等。操作系统、诊断系统、开发系统等。应用软件：应用软件： 过程监视程序：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、过程监视程序：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、过程分析等；过程分析等；过程控制程序过程控制程序: :控制算法、事故处理和信息管理（信息生成调度、文件管控制算法、事故处理和信息管理（信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示等）；理及输出、打印、显示等）；公共服务程序公共服务程序: :基本运算、函数运算、数码转换、格式编码等基本运算、函数运算、数码转换、格式编码等3.3.计算机控制系统计算机控制系统(CCS)(CCS)组成组成软件部分：软件部分：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.134.4.计算机控制系统应用分类计算机控制系统应用分类 根据应用特点及控制目的和系统构成的不同，计算机控根据应用特点及控制目的和系统构成的不同，计算机控制系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类：制系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类：操作指导控制系统（数据采集处理系统）操作指导控制系统（数据采集处理系统）优点：优点：结构简单，控制灵活和安全可靠。结构简单，控制灵活和安全可靠。缺点：缺点：要由人工进行操作，操作速度受到了人为的限制，并且不能同时控制要由人工进行操作，操作速度受到了人为的限制，并且不能同时控制多个回路。多个回路。 该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及试验新的数学模型，调试新的控制程序等。试验新的数学模型，调试新的控制程序等。生产过程集中监视生产过程集中监视操作指导操作指导Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.14直接数字控制系统直接数字控制系统DDC 这是一个闭环系统。这是一个闭环系统。 巡回检测一个或多个被控参数进行，与设定值进行比较，再进行巡回检测一个或多个被控参数进行，与设定值进行比较，再进行控制运算，输出到执行机构。控制运算，输出到执行机构。 这种系统中计算机直接参与生产过程的控制，所以要求实时性好、这种系统中计算机直接参与生产过程的控制，所以要求实时性好、可靠性高和环境适应性强，这是我们研究的主要对象。可靠性高和环境适应性强，这是我们研究的主要对象。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.15计算机监督控制系统（计算机监督控制系统（SCC） SCC系统是系统是2级计算机控制，它是操作指导控制系统和级计算机控制，它是操作指导控制系统和DDC系统系统的综合与发展。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制；监督计的综合与发展。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制；监督计算机则根据生产过程工况和已知的数学模型，进行优化分析，产生最算机则根据生产过程工况和已知的数学模型，进行优化分析，产生最优设定值，作为直接数字控制的指令信号。优设定值，作为直接数字控制的指令信号。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.16分散式计算机控制系统（分散式计算机控制系统（DCS）-原则：原则：“控制要分散，控制要分散， 管理要集中管理要集中”-特点：特点：可靠性高、速可靠性高、速度快、结构灵活，易于扩度快、结构灵活，易于扩展、设计、开发、维护简展、设计、开发、维护简便便Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.17Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.185.CCS5.CCS特点及优点特点及优点特点特点 1.系系统结构与信号特点：混合系构与信号特点：混合系统（部件、信号）；（部件、信号）； 2.系系统工作方式特点：多回路；工作方式特点：多回路；优点点 1.避免模避免模拟实现的困的困难，方便复，方便复杂计算，容易控制算，容易控制规律灵活律灵活多多样； 2.能够实现数据统计和工况显示，用户界面有效能够实现数据统计和工况显示，用户界面有效； 3.性能价格比高；性能价格比高； 4.适适应性性强，灵活性高。，灵活性高。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.19l起源起源n 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术结合的产物。计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术结合的产物。 1950 1950年前后：数字计算机作为控制系统的部件年前后：数字计算机作为控制系统的部件系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对5 5个反应器供料的最佳分个反应器供料的最佳分配，根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循配，根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循环环 在早期的航空应用中研制出了一些专用计算机在早期的航空应用中研制出了一些专用计算机n 20 20世纪世纪5050年代中期：在过程控制中采用数字计算机年代中期：在过程控制中采用数字计算机19561956年年3 3月，汤姆森月，汤姆森 拉莫拉莫伍尔里奇（伍尔里奇（TRWTRW）航空公司与得克萨柯）航空公司与得克萨柯（TexacoTexaco）公司联合提出了一个可行性研究报告）公司联合提出了一个可行性研究报告设计出采用设计出采用RW-300计算机的聚合装置计算机控制系统，计算机的聚合装置计算机控制系统，1959年年3月月12日在线运行。日在线运行。它控制它控制26个流量、个流量、72个温度、个温度、3个压力和个压力和3个成分。个成分。 6. CCS6. CCS起源与发展起源与发展Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.20l发展发展 开创期开创期约约19551955年年 直接数字控制期直接数字控制期约约19621962年年n 小型计算机时期小型计算机时期约约19671967年年n 微型计算机控制期微型计算机控制期约约19721972年年n 计算机控制的普遍应用期计算机控制的普遍应用期约约19801980年年n 集散型控制集散型控制期期约约19901990年年n进一步发展进一步发展全厂监督和控制全厂监督和控制Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.21 开创期开创期约约19551955年年计算机发展水平：计算机系统速度慢、价格贵，也不可靠计算机发展水平：计算机系统速度慢、价格贵，也不可靠 监督操作方式：操作指导式且设定值控制监督操作方式：操作指导式且设定值控制局限性：计算机的潜能没有得到充分发挥，需要常规的模拟局限性：计算机的潜能没有得到充分发挥，需要常规的模拟控制设备控制设备 计算机的作用：显示、报警计算机的作用：显示、报警19551955年，美国汤姆森年，美国汤姆森 拉莫拉莫伍尔里奇（伍尔里奇（TRWTRW）航空公司与得克萨）航空公司与得克萨柯（柯（TexacoTexaco）公司合作进行计算机过程控制研究。经过）公司合作进行计算机过程控制研究。经过3 3年，年，设计出设计出采用采用RW-300计算机的聚合装置计算机控制系统，它控制计算机的聚合装置计算机控制系统，它控制26个流量个流量系统、系统、72个温度系统、个温度系统、3个压力系统和个压力系统和3个成分。个成分。 系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对系统基本功能：使反应器的压力最小，确定对5 5个反应器供料的最佳分配个反应器供料的最佳分配, ,根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循环根据催化剂活性测量结果来控制热水的流入量，以及确定最佳循环 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.22 直接数字控制期（直接数字控制期（DDCDDC）约约19621962年年代表产品：代表产品：1962年，英国的帝国化学工业公司（年，英国的帝国化学工业公司（ICI）制造的装置，过）制造的装置，过程控制中的全部模拟仪表由一台计算机来代替。计算机直接测量程控制中的全部模拟仪表由一台计算机来代替。计算机直接测量224个个变量和控制变量和控制129个阀门个阀门直接数字控制：计算机直接控制生产过程直接数字控制：计算机直接控制生产过程优点（优点（1）新增控制成本低：多回路）新增控制成本低：多回路 （2）系统设备变更维护方便：板卡替换）系统设备变更维护方便：板卡替换 （3）程序更改灵活：修改程序）程序更改灵活：修改程序缺点：难于实现特殊的控制策略缺点：难于实现特殊的控制策略 意义：是计算机控制系统发展方向上的重大变革，这种系统着重关心的意义：是计算机控制系统发展方向上的重大变革，这种系统着重关心的是基本的控制功能。是基本的控制功能。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.23n 小型计算机时期小型计算机时期约约19671967年年出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。代表：代表：CDC1700CDC1700计算机计算机 n 微型计算机控制期微型计算机控制期约约19721972年年微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。应用领域：电力、过程控制、制造、运输以及娱乐行业的控制、应用领域：电力、过程控制、制造、运输以及娱乐行业的控制、生产和分配的全部领域生产和分配的全部领域 n 集散型控制（集散型控制（DCS）组成：过程站、操作站、辅助站点、通信网络组成：过程站、操作站、辅助站点、通信网络优点：易于并行运行多项任务来提高系统的性能优点：易于并行运行多项任务来提高系统的性能 代表：代表：TDC2000 网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机的控制方式。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.24 7. 7. 计算机控制系统应用概况计算机控制系统应用概况广泛地用于各种不同的工业生产；广泛地用于各种不同的工业生产；广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器广泛用于海陆空和航天等国防现代化的各种武器装备中；装备中；迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中迅速地渗透用于现代生活的各式各样的产品中 -各种用途的机器人系统；各种用途的机器人系统； Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.25应用应用:以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统以计算机为核心的复杂飞行控制与飞行管理系统 现代民用飞机座舱数字控制电子设备现代民用飞机座舱数字控制电子设备 飞机飞行高度计算机控制系统飞机飞行高度计算机控制系统 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.26 - -各种空间飞行器的控制；各种空间飞行器的控制； - -现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现现代工厂自动化中，广泛使用计算机实现分散控制和集中监视系统。分散控制和集中监视系统。 7. 7. 计算机控制系统应用概况计算机控制系统应用概况Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.271.1.设计设计方法方法方法方法 计算机控制系算机控制系统是一种混合信号系是一种混合信号系统1.2 1.2 课程内容课程内容课程内容课程内容被控对象被控对象D/AA/DCPUAAD/AA/D被控对象被控对象CPUBB图（a）图（b） 从图（从图（a）中）中AA来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以来看，将计算机系统看作黑箱，系统可以看成是连续系统；看成是连续系统； 从图（从图（b）中）中BB来看又可将其看成离散信号系统，因此在来看又可将其看成离散信号系统，因此在实际工程设计时亦有两种方法。实际工程设计时亦有两种方法。 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.28一一一一、连续连续连续连续域设计离散化域设计离散化域设计离散化域设计离散化方法方法方法方法近似实现方法近似实现方法 - - 将计算机控制系统看成是连续系统，在连续将计算机控制系统看成是连续系统，在连续 域上设计得到连续控制器。域上设计得到连续控制器。 - - 采用不同方法将其数字化（离散化采用不同方法将其数字化（离散化) ) 。 - - 目前常用的近似设计方法目前常用的近似设计方法 。二、直接二、直接二、直接二、直接数字域（离散域）数字域（离散域）数字域（离散域）数字域（离散域）设计设计设计设计精确设计方法精确设计方法 - - 将系统看成是纯离散信号系统，直接在离散将系统看成是纯离散信号系统，直接在离散 域行设计，得到数字控制器。域行设计，得到数字控制器。 - - 准确的设计方法，日益受到重视。准确的设计方法，日益受到重视。 p正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。正确选择采样间隔时间是需要特别重视的问题。p软件编程值得注意。软件编程值得注意。 实际工程设计时两种方法：实际工程设计时两种方法：Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.292.2.课程内容课程内容课程内容课程内容 -采样理论、模型、分析、设计（与经典控制类似） 微分方程微分方程差分方程；差分方程； S S传递函数传递函数Z Z传递函数；传递函数； 稳定性、控制特性分析；稳定性、控制特性分析； 控制器设计；控制器设计； 状态空间方程状态空间方程离散状态空间方程；离散状态空间方程； 可控可观性；可控可观性； CCSCCS系统实现问题。系统实现问题。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.30注意以下几点：注意以下几点：计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和A/D及D/A转换器来实现的。计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统是一个混合信号系统。计算机控制系统具有许多优点是一种柔性和智能化的系统 。广泛用于国防、国民经济各个领域中不可替代的各种系统。 计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同的特点 。本章小结本章小结Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0.Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.