计算机控制技术教案

计算机控制系统教案任课教师：王叙职业技术学校教案（理论教学用）第1次课2学时章节第1章绪论讲授主要内容1计算机控制系统概述2计算机控制系统的组成及分类3计算机控制研究的课题与发展方向重点难点1计算机控制系统的组成及分类要求掌握知识点和分析方法1.掌握计算机控制系统的基本概念2.掌握计算机控制系统的组成与分类3.了解计算机控制研究的课题与发展方向授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：讲授为主，对开环系统，闭环控制系统进行实例介绍，与现实生活中的控制系统紧密联系起来。水温控制，锅炉控制板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：上课开始指出本次课的学习要求和任务，然后讲授相关的知识点，让学生联想日常生活中常见的控制系统，下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习效果。师生互动：教师列举生活中的典型的计算机控制系统作业布置1.计算机控制系统的硬件。2.过程通道的含义及分类。主要参考资料1.见相关书籍或者报刊2.网络3.杂志和教学参考书备注本章教案1.1计算机控制系统概述计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。计算机控制系统产生的原因随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂，出现了多输入—多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和手段实现是十分困难的，因此，电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。1.开环控制系统如图1.1所示的系统为开环控制系统，所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。图1.1开环控制系统框图2闭环控制系统闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。被控参数控制器被控对象设定值图1.2闭环控制系统框图+-控制器被控对象被控参数设定值本章教案3计算机控制系统在上述的开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（D/A），如图1.3所示。控制器对象D/AA/D计算机图1.3计算机控制系统基本框图（闭环）+-本章教案计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：（1）信息的获取计算机可以通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息。（2）信息的处理计算机可根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理。（3）信息的输出计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况。计算机控制系统的组成在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分。硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础。软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。1.2.2计算机控制系统的硬件组成典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。1.主机主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。主机过程控制通道A/DD/AD/ID/O操作台（通讯）控制对象（系统）CPUMEM图1.4典型的计算机控制系统的硬件组成框图由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。2过程控制通道过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：（1）模拟量输入通道完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号。（2）模拟量输出通道目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并且保持。（3）数字量输入通道数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。（4）数字量输出通道数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备，应该强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外部设备，其功率和阻抗的匹配是应该特别注意的。3.操作控制台操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序，操作控制台一般应包括：（1）信息的显示（2）信息的记录（3）工作方式状态的选择（4）信息输入4.通讯设备随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。现代化工业生产过程的规模也越来越大。企业信息化的需求也要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。1.2.3计算机控制系统的软件组成对于计算机控制系统来讲，除了硬件之外，还必须有软件。控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低.所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。1系统软件系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。2应用软件应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。它们包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。用于应用软件开发的程序设计语言，一般有：汇编、C#、C++、VB、VC等。目前也有一些专门用于控制的引用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很强的应用前景。1.2.4计算机控制系统的分类在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式，按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态并参考以往的教材进行分类的。一般分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类1.操作指导系统（OperationGuideControl）操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统，如图1-6所示：计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。（1）操作指导系统（OperationGuideControl）计算机数据采集输出设备人控制器生产过程计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。2.直接数字控制系统（DirectDigitalControl）直接数字系统是计算机控制系统的最基本形式，也是应用最多的一类计算机控制系统。其一般结构如图1-7所示：操作台级处理设备计算机过程控制通道生产过程图1-7直接数字控制系统3.计算机监督控制系统（SupervisoryComputerControl）计算机监督控制系统是一种两级的计算机控制系统。如图1-8所示：该类系统类似计算机操作指导控制系统。它的区别是SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式。4.集散控制系统（DistributedControl）集散控制系统又称为分布控制系统。该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级，如：过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。过程控制级是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。5.现场总线控制系统（FieldBusControlSystem）现场总线控制系统是20世纪90年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，已广泛的应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统是利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络。在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之一。SCC计算机输入通道输出通道数字（或模拟）控制器生产过程图1-8计算机监督控制系统SCC计算机输入通道输出通道数字（或模拟）控制器生产过程6.计算机集成制造系统（CIMS）计算机集成制造的概念是在70年代美国的一名叫哈灵顿提出的，随着计算机和信息技术的发展最终得以实施。计算机集成制造原本是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式。随着现代市场的需求和企业模式的现代化计算机集成制造已经将制造集成转换为信息集成，并融入了企业的全面管理和市场营销。CIMS是一项宠大的系统工程，它需要有许多基础的应用平台的支持，它实现的是企业物流、资金流和信