計算機控制技術計算機控制的發(fā)展隨著自動控制理論、自動化技術和計算機技術的飛速發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)不僅在國防、航空航天等高精尖學科得到了廣泛的應用，而且在現(xiàn)代化的工農業(yè)生產以及醫(yī)療衛(wèi)生等領域也發(fā)揮著越來越重要的作用。所以在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)自動化中，計算機控制技術是核心，它是計算機技術和控制理論有機結合的產物。第一章計算機控制系統(tǒng)概述先修課程該課程先修課程較多，其中自控原理是自動化類專業(yè)學生必修課程。模擬電子技術數字電子技術微型計算機原理與接口技術單片機原理與接口技術自動控制原理

后續(xù)應用系統(tǒng)集成工程設計實際應用主要內容通過深入講解典型微機總線結構，闡明一般輸入輸出接口電路設計方法；介紹將生產現(xiàn)場各種物理量引入計算機中的方法，為實現(xiàn)計算機對生產現(xiàn)場的檢測、控制提供必要的硬件基礎；在經典控制理論的指導下，針對不同被控對象和系統(tǒng)性能指標要求，研究數字控制器的一般設計方法；結合控制理論發(fā)展的新動向，介紹新型控制策略的設計與實現(xiàn)方法；通過對于典型計算機控制系統(tǒng)設計實例的講解，培養(yǎng)學生的計算機控制系統(tǒng)設計能力。推薦書目賴壽宏.微型計算機控制技術.機械工業(yè)出版社謝劍英.微型計算機控制技術.電子科技大學出版社王平,肖瓊,陳敏娜.計算機控制系統(tǒng).高等教育出版社顧德英.計算機控制技術.北京郵電大學出版社教材第1章計算機控制系統(tǒng)概論計算機控制系統(tǒng)特征和組成計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及發(fā)展趨勢主要內容：1.1計算機控制系統(tǒng)特征與組成

控制器(模擬調節(jié)器)執(zhí)行機構被控對象檢測裝置模擬自動控制系統(tǒng)被控量反饋量設定量+—典型的計算機控制系統(tǒng)：將模擬自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)圖1.1計算機控制系統(tǒng)基本框圖計算機控制系統(tǒng)硬件部分軟件部分控制計算機外圍設備系統(tǒng)軟件應用軟件計算機控制系統(tǒng)的構成

A/D控制器D/A執(zhí)行機構被控對象檢測裝置給定值輸出值微型機或計算機+-計算機是如何實現(xiàn)自動控制的？計算機的特點：運算、邏輯判斷、記憶計算機是如何實現(xiàn)自動控制的？1.給定值和反饋值經過A/D轉換器轉換為數字量，輸入計算機2.計算機依照偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算（如PID運算）3.計算結果（數字信號）再經過D/A轉換器，將數字信號轉換為模擬控制信號輸出到執(zhí)行機構。⒈結構特征

執(zhí)行控制功能的核心部件是計算機，是模數混合系統(tǒng)控制規(guī)律利用軟件實現(xiàn)，便于實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律；可同時控制多個回路存在開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等不同類型的控制系統(tǒng)。1.1.1計算機控制系統(tǒng)的特征與工作原理

⒉信號特征

t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模擬信號e(nT)r(nT)y(t)u*(t)u(nt)y(nT)y*(t)Σ控制器D/AA/D執(zhí)行器被控對象傳感器y(t)采樣器計算機＋離散模擬信號數字信號數字信號量化模擬信號系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸出2.信號特征：計算機控制系統(tǒng)的信號有連續(xù)模擬、離散模擬、離散數字等多種信號形式按照計算機控制系統(tǒng)中信號的傳輸方向，系統(tǒng)的信息通道由三部分組成

⑴過程輸出通道，包含由D/A轉換器組成的模擬量輸出通道和開關量輸出通道。（如無輸入通道，計算機開環(huán)控制系統(tǒng)）⑵過程輸入通道，包含由A/D轉換器組成的模擬量輸入通道和開關量輸入通道。（如無輸出通道，計算機采集系統(tǒng)、開環(huán)系統(tǒng)）⑶人機交互通道，系統(tǒng)操作者通過人機交互通道向計算機控制系統(tǒng)發(fā)布相關命令，提供操作參數，修改設置內容等，計算機則可通過人機交互通道向系統(tǒng)操作者顯示相關參數、系統(tǒng)工作狀態(tài)、對像控制效果等。

⒊控制方法特征常用的設計方法有兩種：模擬調節(jié)規(guī)律離散化設計法是采用連續(xù)系統(tǒng)的分析和設計方法，先設計出連續(xù)的控制器，再將它離散化轉換成差分方程，最后編程實現(xiàn)。缺點是只有當采樣周期很短時，才能達到原設計的連續(xù)系統(tǒng)的性能指標。

直接設計法

是基于線性離散系統(tǒng)理論，直接設計數字控制器，它存在的問題是忽視了兩采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)過程，可能導致在各采樣點系統(tǒng)滿足性能指標要求，而實際系統(tǒng)的輸入/輸出特性很差。

國際流行的研究方法：

使用連續(xù)信號指標函數，考慮采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)特性，直接對具有混合結構的系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。這種方法最能反映系統(tǒng)的實際物理過程。

⒋功能特征

以軟件代替硬件

模擬硬件的成本幾乎和控制規(guī)律復雜程度成正比。控制規(guī)律是用軟件實現(xiàn)，有很大靈活性和適應性。具有一定通用性，不同的控制對象硬件改動小，軟件重新設計。數據存儲

多種介質：軟硬盤、U盤、光盤、紙質、E2ROM、RAM多種性質：海量、歷史、及時、緩沖、備份狀態(tài)、數據顯示

設備多：CRT類、打印繪圖類、模擬類模式多：字符、圖形、影像、虛擬內容多：數值、狀態(tài)、軌跡、圖表、波形方式多：靜態(tài)、動態(tài)、多維管理功能

聯(lián)網功能，實現(xiàn)網絡管理、資源共享、優(yōu)勢互補管控一體化，實現(xiàn)生產過程和生產規(guī)劃、組織、決策、管理的最優(yōu)化結合。5計算機控制系統(tǒng)的工作原理⑴實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測并輸入。⑵實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。⑶實時控制輸出：根據控制決策、適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。⑷信息管理：隨著網絡技術和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也是計算機控制系統(tǒng)必須完成的功能。上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質指標進行工作,并對控制量和設備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理.

計算機控制過程可歸結為如下四個步驟：⒍計算機控制系統(tǒng)的工作方式

(1)、在線方式和離線方式

(2)、實時

計算機控制系統(tǒng)的實時指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制。生產過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；生產過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。

1.1.2計算機控制系統(tǒng)的硬件組成

接口接口接口A/DD/A開關量輸入開關量輸出傳感器、變送器多路開關多路開關接口顯示終端打印機磁盤驅動器通信設備人機聯(lián)系接口接口接口微型計算機執(zhí)行機構生產過程軟件通用外部設備主機及操作臺I/O通道信號檢測與變送生產對象I/O接口I/O接口硬件組成主機核心部分，由CPU、RAM、ROM、時鐘、復位等構成。根據輸入通道送來的生產工況參數，按程序（控制規(guī)律）自動數據采集、處理、分析、計算，作出相應的控制決策或調節(jié)，通過輸出通道，及時發(fā)出控制指令。I/O接口I/O接口與I/O通道是主機與外部連接的橋梁I/O接口是主機與外圍器件或設備的連接接口，有并行、串行等。I/O通道是過程通道，通過模擬量Ｉ／Ｏ通道將生產過程參量傳送給計算機輸出模擬信號控制執(zhí)行機構通過數字量Ｉ／Ｏ通道將生產過程開關量傳送給計算機輸出開關信號控制執(zhí)行機構通用外部設備主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。它們用來顯示、儲存、打印、記錄各種數據。通用外圍設備按功能可分為輸入設備、輸出設備和外存儲器三類。檢測元件與執(zhí)行機構檢測元件：傳感器

將被檢測的非電學量參數轉變成電學量

變送器

將傳感的電信號轉成適于輸入通道的標準電信號執(zhí)行機構：為控制生產過程動作機構。如開關，閥，電機，步進電機等。操作臺人－機對話的聯(lián)系紐帶操作人員可通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數，發(fā)出各種操作命令；計算機可向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀況發(fā)出報警信號

1.1.3計算機控制系統(tǒng)軟件按功能分類，軟件軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大部分系統(tǒng)軟件一般是由計算機廠家提供的，用來管理計算機本身的資源、方便用戶使用計算機的軟件。它主要包括操作系統(tǒng)、各種編譯軟件、監(jiān)控管理軟件，這些軟件一般不需要用戶自己設計，它們只是作為開發(fā)應用軟件的工具。

應用軟件是面向生產過程的程序，如A/D、D/A轉換程序，數據采樣，數字濾波程序、標度變換程序、控制量計算程序等等。應用軟件大都由用戶自己根據實際需要進行開發(fā)。應用軟件的優(yōu)劣，將給控制系統(tǒng)的功能、精度和效率帶來很大的影響，它的設計是非常重要的。1.2計算機控制系統(tǒng)的分類

操作指導控制系統(tǒng)，直接數字控制系統(tǒng)，監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)，分布式計算機控制系統(tǒng)，計算機集成制造系統(tǒng)

按照控制方式分類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制

按照控制規(guī)律分類：程序和順序控制，比例積分微分控制（PID控制），有限拍控制，復雜規(guī)律控制，智能控制等

按照系統(tǒng)的功能、工作特點分類：1.2.1操作指導控制系統(tǒng)

操作指導控制系統(tǒng)（OperationalInformationSystem——OIS）指計算機不直接用來控制生產對象，只對系統(tǒng)過程參數進行收集、加工處理、然后輸出數據。操作人員根據這些數據進行必要的操作

顯示終端打印機微型機工業(yè)對象A/D轉換器采樣器測量元件調節(jié)器操作指導計算機

A/D多路開關檢測元件生產過程顯示打印操作者執(zhí)行機構操作指導控制系統(tǒng)原理圖優(yōu)點：機構簡單、控制靈活安全，特別適合用于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng)或用于實驗新的數學模型和調試新的控制程序等。缺點：由于最終需人工操作，故不適用于快速過程的控制。1.2.2直接數字控制系統(tǒng)顯示打印接口計算機執(zhí)行機構檢測輸入通道生產過程接口輸出通道設定值直接數字控制系統(tǒng)（DirectDigitalControlsystem—DDC）是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式。計算機通過輸入通道對一或多個物理量進行巡回檢測，并根據規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，發(fā)出控制信號，通過輸出通道直接控制調節(jié)閥等執(zhí)行機構。（如計算機溫度控制系統(tǒng)）計算機參加閉環(huán)控制過程，不僅完全取代模擬調節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID調節(jié)，而且不需改變硬件，只需通過改變程序就能實現(xiàn)多種叫復雜的控制規(guī)律。1.2.3監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControlsystem—SCC）

計算機根據工藝參數和過程參量檢測值，按照所設計的控制算法進行計算，計算出最佳設定值直接傳送給常規(guī)模擬調節(jié)器或者DDC計算機，最后由模擬調節(jié)器或DDC計算機控制生產過程。監(jiān)督控制方式的控制效果，主要取決于數學模型的優(yōu)劣。這個數學模型一般是針對某一目標函數設計的，如果這一數學模型能使某一目標函數達到最優(yōu)狀態(tài)，那么，這種控制方式就能實現(xiàn)最優(yōu)控制。當數學模型不理想時，控制效果也不會太理想。分兩類：1.SCC+模擬調節(jié)器

2.SCC+DDC控制系統(tǒng)1.2.3監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)SCC+模擬調節(jié)器SCC+DDC控制系統(tǒng)。

SCC計算機設定值測量值A/D多路開關傳感器模擬調節(jié)器生產過程SCC計算機設定值檢測值DDCD/A多路開關生產過程A/D多路開關傳感器SCC不參與頻繁的輸出控制，有時間進行具有復雜控制規(guī)律的計算，因此能進行最優(yōu)控制、自適應控制等，能完成某些管理工作?？煽啃暂^高，當SCC出現(xiàn)故障時，下級仍可繼續(xù)執(zhí)行控制任務。二級控制系統(tǒng)

1.2.4集散控制系統(tǒng)（DCS）集散控制系統(tǒng)（DistributedControlsystem—DCS）是企業(yè)經營管理和生產過程控制分別由幾級計算機進行控制，實現(xiàn)分散控制、集中管理的系統(tǒng)。企業(yè)（公司）管理級工廠管理級車間管理級車間管理級過程控制級過程控制級過程控制級過程控制級生產過程總的協(xié)調、安排總生產計劃、經營方向決策全廠各車間生產協(xié)調本車間各設備間協(xié)調最底層，對生產設備進行直接數字控制1.2.4集散控制系統(tǒng)（DCS）生產管理計算機操作員站工程師站過程控制站生產過程決策管理計算機計算機網關決策管理計算機決策管理計算機生產管理計算機生產管理計算機計算機網關監(jiān)控計算機站決策管理網絡生產管理網絡控制網絡計算機網關過程控制站過程控制站過程控制站決策管理層生產管理層操作監(jiān)控層直接控制層1.2.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設備與控制室之間的全數字式、開放的、雙向的通信網絡?，F(xiàn)在國際上流行的設備級的通信網絡,如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF等系統(tǒng)結構采用全分散化,現(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表，如傳感器、變送器、執(zhí)行器等。信號傳輸實現(xiàn)了全數字化,從最底層逐層向最高層均采用通信網絡互連;現(xiàn)場設備具有互操作性,改變了DCS控制層的封閉性和專用性,不同廠家的現(xiàn)場設備既可互連也可互換,并可以統(tǒng)一組態(tài);通信網絡為開放式互連網絡,可極其方便地實現(xiàn)數據共享;技術和標準實現(xiàn)了全開放,面向任何一個制造商和用戶?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldControlSystem—FCS）1.2.6計算機集成制造系統(tǒng)(ClMS)是計算機技術，網絡技術、自動化技術、信號處理技術、管理技術、系統(tǒng)工程技術等新技術發(fā)展的結果將企業(yè)的生產、經營、管理、計劃、產品設計、加工制造、銷售及服務等環(huán)節(jié)和人力、財力、設備等生產要素集成起來,進行統(tǒng)一控制,求得生產活動的最優(yōu)化。計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem)1.2.6計算機集成制造系統(tǒng)(ClMS)CIM的理念包括兩個基本出發(fā)點第一點是企業(yè)的各個生產環(huán)節(jié)不可分割的，需要統(tǒng)一考慮；第二點整個制造生產過程實質上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程。主要應包括工程設計自動化、產品加工自動化和生產管理信息化等三個方面。1.3計算機控制的發(fā)展概況及趨勢1.3.1計算機控制的發(fā)展過程

第一臺電子計算機于1946年在美國問世

50年代末，用于過程控制；1962年,英國帝國化學工業(yè)公司實現(xiàn)了一個DDC系統(tǒng)；60年代后期，集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了適合工業(yè)生產過程控制的小型計算機；1972年出現(xiàn)了微型計算機，分布式控制系統(tǒng)DCS；1.3.2計算機控制理論與新型控制策略

計算機控制系統(tǒng)理論主要包括離散系統(tǒng)理論采樣系統(tǒng)理論數字系統(tǒng)理論

⒈計算機控制理論

離散系統(tǒng)理論差分方程及z變換理論

差分方程是微分方程的離散化，根據采樣的各離散變量之間及時間上變化關系，如遞推關系，描述系統(tǒng)離散型模型，得到各變量運行規(guī)律。

z變換理論：分析線性時不變系統(tǒng)問題的重要工具，常用以求線性時不變差分方程的解，根據零、極點分布分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和因果性;定性分析系統(tǒng)的頻域特征。常規(guī)設計方法

以z傳遞函數（離散域傳遞函數）作為數學模型對離散系統(tǒng)進行常規(guī)設計的各種方法的研究。如：有限拍控制、根軌跡法設計、離散PID控制、參數尋優(yōu)設計及直接解析設計法等。按極點配置的設計法

在已知被控對象的狀態(tài)空間模型的前提下，可按極點配置來設計控制器，使閉環(huán)系統(tǒng)既有克服擾動的能力，又有跟蹤給定值的能力。系統(tǒng)辨識及自適應控制

根據系統(tǒng)的輸入輸出時間函數來確定描述系統(tǒng)行為的數學模型，系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關模型的信息，使模型逐步完善。采樣系統(tǒng)理論采樣理論主要包括香農采樣定理、采樣頻譜及混疊、采樣信號的恢復及采樣系統(tǒng)的結構圖分析等。連續(xù)模型及性能指標的離散化

連續(xù)系統(tǒng)的模型包括傳遞函數和狀態(tài)方程，性能指標是連續(xù)的，用離散系統(tǒng)分析設計，則需離散化。性能指標函數的計算用離散的控制系統(tǒng)計算連續(xù)的控制對象的性能指標函數。采樣控制系統(tǒng)的仿真采樣周期的選擇數字系統(tǒng)理論數字系統(tǒng)理論除了包括離散系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)的雙論外還包括數字信號整量化效應的研究，如量化誤差、非線性特性等現(xiàn)實中的一些問題：如計算延時、控制算法編程等。⒉新型控制策略魯棒控制

預測控制

模糊控制

神經控制

專家控制

遺傳算法

在常規(guī)計算機控制中，我們總是假設已經知道了受控對象的模型，但由于實際中存在種種不確定因素：參數變化；未建模動態(tài)特性；平衡點的變化；傳感器噪聲；不可預測的干擾輸入；

……所以我們所建立的對象模型只是實際物理系統(tǒng)的不精確的表示。魯棒系統(tǒng)設計的目標就是要在模型不精確和存在其他變化因素的條件下，使系統(tǒng)仍能保持預期的性能。如果模型的變化和模型的不精確不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其它動態(tài)性能，這樣的系統(tǒng)我們稱它為魯棒控制系統(tǒng)。魯棒性(Robu