计算机控制技术课程综述.docx
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计算机控制技术课程综述
HefeiUniversity
课程综述
课程题目：
计算机控制技术
姓名：
学号：
专业：
09自动化
（1）班
授课老师：
丁健
完成时间：
2012/6/10
目录
摘要：
1
关键词：
1
第1章绪论1
第2章计算机控制系统的硬件设计技术1
第3章数字控制技术3
第4章常规及复杂控制技术7
第6章先进控制技术9
第7章计算机控制系统软件设计9
第8章分布式测控网络技术10
第9章计算机控制系统设计10
总结与致谢11
计算机控制技术课程综述
摘要：
计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。
自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题。
计算机的应用促进了控制理论的发展，先进的控制理论和计算机技术相结合推动计算机控制技术不断前进。
关键词：
计算机控制计算机控制系统
第1章绪论
介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式及其发展和概况。
计算机控制系统（ComputerControlSystem，简称CCS）是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。
计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。
工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。
硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。
软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。
典型的系统有操作指导控制系统、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、综合自动化系统。
重点是掌握计算机控制系统的组成以及典型系统的特点和应用。
第2章计算机控制系统的硬件设计技术
数字量输入输出接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道，模拟量输出接口与过程通道基于串行总线的计算机控制系统硬件技术，硬件抗干扰技术。
总线的定义、层次结构及种类
所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。
以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。
片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C总线、SPI总线、SCI总线等；系统总线包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线等；外部总线包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。
另外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：
VME、STD、PC-104、CompactPCI等。
1.I/O端口及I/O操作
（1）数据端口
（2）状态端口
（3）命令端口
2.I/O端口编址方式
（1）统一编址
（2）独立编址
3.I/O端口地址分配
（1）系统板上的I/O接口
（2）扩展卡上的I/O接口
第3章数字控制技术
数字程序控制基础，数字程序控制方式，开环数字程序控制，逐点比较法插补原理，逐点比较法直线插补，逐点比较法圆弧插补，步进电机控制技术，步进电机的工作原理，步进电机的工作方式，步进电机控制接口及输出字表，步进电机控制程序及数字程序控制技术。
主要讲述了以下几个方面：
1.逐点比较法插补原理逐点比较法插补,就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较一次,决定下一步的进给方向,用阶梯折线逼近曲线，走一步-----比较一次-----决定下一步的走向逐点比较法的最大误差,一个脉冲当量（步长）。
2.逐点比较法直线插补
（1）插补步骤,
偏差判别->坐标进给->偏差计算->终点判断走一步->比较一次->决定下一步的走向。
（2）第一象限内的直线插补偏差计算式,若点M在OA直线段上,则有xm/ym=xe/ye即ymxe-xmye＝0取偏差计算式为Fm=ymxe-xmye
（3）偏差判别,
偏差判别式,Fm=YmXe-XmYe
若Fm=0,则点m在OA直线段上；
若Fm>0,则点m在OA直线段的上方；
若Fm<0,则点m在OA直线段的下方,
进给方向确定,
当Fm>=0时,沿+x轴方向走一步；
当Fm<0时,沿+y轴方向走一步；
当目前坐标与终点坐标相等,停止插补,
（4）偏差计算的简化,
⒈设加工点在m点,若Fm>=0,这时沿+x轴方向走一步至m＋1
点（xm+1,ym+1）=（xm+1,ym）
Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-（xm+1）ye=ymxe-xmye-ye=Fm–ye
2.设加工点在m点,若Fm<0,这时沿+y轴方向走一步至m＋1点,推理有Fm+1=Fm+xe
3.偏差计算简化为,若m为起点0,则Fm=F0=0；
否则,若Fm>=0,Fm+1=Fm–ye
若Fm<0,Fm+1=Fm+xe
（5）终点判断,
方法1:
设置x,y轴两个减法计数器Nx和Ny,加工前分别存入终点坐标xe和ye,x（y）轴每进给一步则Nx–1（Ny–1）,当Nx和Ny均为0,则认为达到终点,
方法2:
设置一个终点计数器Nxy,x或y轴每进给一步则Nxy–1,当Nxy为0,则认为达到终点。
（6）4象限内的直线插补
2象限,1象限以y轴镜象
3象限,1象限旋转180度
4象限,1象限以x轴镜象
（7）直线插补计算的程序实现内存单元数据,
XE:
终点X坐标
YE:
终点Y坐标
NXY,总步数,Nxy＝Nx+Ny
FM,加工点偏差,初值F0=0
XOY,象限值,1,2,3,4分别代表1,2,3,4象限
ZF:
进给方向,1,2,3,4代表在+x,–x,+y,-y方向进给。
3.逐点比较法圆弧插补
（1）第一象限内的圆弧插补偏差定义,M点偏差Fm=Rm2-R2=xm2+ym2-R2
偏差判断,
Fm=0,M点在圆弧上
Fm>0,M点在圆弧外
Fm<0,M点在圆弧内
（2）第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理,
从起点出发,
当Fm>=0,向-x方向进给一步,并计算新的偏差；
当Fm<0,向+y方向进给一步,并计算新的偏差,
按上述步骤循环到达终点后结束,
（3）偏差的简化计算,以第一象限逆圆弧为例,
当Fm>=0,向-x方向进给一步,
（xm+1,ym+1）=（xm-1,ym）
Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm–2xm+1
当Fm<0,向+y方向进给一步,
（xm+1,ym+1）=（xm,ym+1）
Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm+2ym+1
起点偏差Fm＝0
（4）终点判断采用总步数Nxy的计数方法,Nxy初始设值为x轴和y轴进给总步数之和,x或y轴每进给一步,则Nxy–1,当Nxy为
0,则认为达到终点,
（5）插补计算步骤偏差判别->坐标进给->偏差计算->坐标计算->终点判断直线插补,偏差计算使用终点坐标xe,ye
圆弧插补,偏差计算使用前一点坐标xm,ym
（6）四个象限的圆弧插补第一象限顺圆弧的插补计算当Fm>=0,向-y方向进给一步,Fm+1=Fm–2ym+1
当Fm<0,向+x方向进给一步,Fm+1=Fm+2xm+1
四个象限的圆弧插补
2象限,1象限以y轴镜象
4象限,1象限以x轴镜象
3象限,1象限旋转180度
圆弧插补计算工时和进给方向注意,表中坐标值为不带符号的数,如第四象限中的点
（-4,-3）应该用xm=4,ym=3查表计算。
3.步进电机的工作原理
三相反应式步进电机定子,三对磁极,六个齿转子,四个齿,分别为0,1,2,3齿
工作过程,
A相通电,A相磁极与0/2号齿对齐；
B相通电,由于磁力线作用,B相磁极与1/3号齿对齐；
C相通电,由于磁力线作用,C相磁极与0/2号齿对齐；
A相通电,由于磁力线作用,A相磁极与1/3号齿对齐；
结论,定子按A->B->C->A相轮流通电,则磁场沿A,B,C
方向转动360度角,转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置,
齿数为4,齿距角为90度,即1个齿距转动了90度,
步进电机的,相,和,拍,
相,,绕组的个数
拍,,绕组的通电状态,
如,三拍表示一个周期共有3种通电状态,
六拍表示一个周期有6种通电状态,
每个周期步进电机转动一个齿距,
步进电机的步距角的计算,
N:
步进电机的拍数
Z:
转子的齿数,齿距角θz=360/Z
步距角θ=360/（NZ）,步进电机每拍步进的角度,
4步进电机的工作方式
1.步进电机的通电方式单相通电方式,双相通电方式,单相双相交叉通电方式,
2.三相步进电机可工作于三相三拍（单三拍）、双相三拍（双三拍）、三相六拍工作方式,
三相三拍工作方式A->B->C->A…
双相三拍工作方式AB->BC->CA->AB->…
三相六拍工作方式A->AB->B->BC->C->CA->A->…
第4章常规及复杂控制技术
数字控制器的连续化设计方法重点，数字PID设计、整定。
数字控制器的离散化设计方法，纯滞后控制（smith预估控制、大林算法），串级控制、前馈反馈控制、解耦控制等算法。
比例控制的作用
1.对当前时刻的偏差信号e（t）进行放大或衰减后作为控制信号输出,
2.比例系数Kp越大,控制作用越强,系统的动态特性也越好,
动态性能主要表现为起动快,对阶跃设定跟随得快,
3.但对于有惯性的系统,Kp过大时会出现较大的超调,甚至引起系统振荡,影响系统稳定性,
4.比例控制虽然能减小偏差,却不能消除静态偏差,
积分控制的作用：
1.积分控制的作用是累积系统从零时刻（系统启动时刻）起到当前的偏差信号e（t）的历史过程,
2.积分控制的输出与偏差e（t）存在全部时段有关,
只要有足够的时间,积分控制将能够消除静态偏差,
3.积分控制不能及时地克服扰动的影响,
微分控制的作用：
1.微分控制的作用是由偏差信号e（t）的当前变化率de/dt预见随后的偏差将是增大还是减小、增减的幅度如何,
2.微分控制作用正比于偏差信号e（t）的当前变化率,微分控制作用的特点是只能对偏差e（t）变化的速度起反应,对于一个固定不变的偏差e（t）,不论其数值多大,根本不会有微分作用输出,
3.由于只能在偏差刚刚出现时产生很大的控制作用,微分控制可以加快系统响应速度,减少调整时间,从而改善系统快速性,
并且有助于减小超调,克服振荡,从而提高系统稳定性,但不能消除静态偏差。
前馈-反馈系统的控制算法,
前馈-反馈控制系统特点,吸收前馈与反馈控制的优点,即前馈控制作用及时的优点,反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处,
前馈控制系统与反馈控制比较干扰设定测量变送反馈控制器执行器被控变量对象
（1）前馈控制比反馈控制及时有效。
（2）前馈控制属于开环控制系统,反馈控制是闭环控制系统。
（3）前馈控制使用的是针对实施对象特性而定的专用控制器,反馈控制采用通用PID控制器。
（4）一种前馈作用之能克服一种干扰,反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰对象被控变量干扰前馈控制器测量变送执行器反馈控制前馈控制。
第6章先进控制技术
控制技术中的模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术。
先进控制技术主要解决传统的、经典的控制技术所难以解决的控制问题，代表着控制技术最新的发展方向，并且与多种智能控制算法是相互交融、相互促进发展的。
模糊控制的应用：
近年来，模糊控制得到了广泛的应用。
下面简单介绍一些模糊控制的应用领域：
1）航天航空：
模糊控制现在已应用于各种导航系统中。
2）工业过程控制：
工业过程控制的需要是控制性术发展的主要动力。
3）家用电器:
全自动洗衣机、电饭煲、空调等。
4）汽车和交通运输：
防抱死刹车系统，基于模糊控制的无级变速器，模糊发动机控制和自动驾驶控制系统等。
5）其控制场合：
电梯控制器、工业机器人、核反应控制、医疗仪器等。
除控制应用以外，还应用于图像识别、计算机图像处理、金融和其他专家系统中。
第7章计算机控制系统软件设计
软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合；程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材料。
一、人机接口（HML/SCADA）技术
HML广义的解释就是使用者与机器间的沟通、传达及接收信号的一个接口。
HML系统具有：
实时资料趋势显示、历史资料趋势显示、自动记录资料、警报的产生与记录、报表的产生与打印、图形接口控制等几项基本能力。
凡是具有系统监控和数据采集功能的软件都可称为SCADA。
与硬件设备的连接方式主要有三种：
标准通信协议、标准的资料交换接口、绑定驱动。
二、软件抗干扰技术
干扰：
是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。
干扰源：
产生干扰信号的原因干扰对象：
干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰系统的三个要素：
干扰源、传播途径及干扰对象。
抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。
软件陷阱：
软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导引导指令（看作一个陷阱），程序正常运行，不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序段进行出错处理和程序恢复。
第8章分布式测控网络技术
一、工业网络技术
介绍了工业网络的构建方法及测试技术，从信息网络和控制网络两个层次进行编写，主要内容包括计算机网络体系结构、局域网技术、工业以太网、CAN总线技术、DeviceNet现场总线、DeviceNet节点设计与组网、ControlNet现场总线、工业网络及其应用。
二、分布式控制系统（DCS）
DCS的集成性则体现在两个方面：
功能的集成和产品的集成。
如今的DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（采集发送器）、FCS、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。
第9章计算机控制系统设计
系统设计的原则
⒈安全可靠
⒉操作维护方便
⒊实时性强
⒋通用性好
⒌经济效益高
总体设计后将形成系统的总体方案。
总体方案确认后，要形成文件，建立总体方案文档。
系统总体文件的内容包括：
⑴系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明。
⑵控制策略和控制算法，例如PID控制、达林算法、Smith补偿控制、最级控制、前馈控制、解耦控制、模糊控制、最优控制等。
⑶系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。
⑷方案比较和选择。
⑸保证性能指标要求的技术措施。
⑹抗干扰和可靠性设计。
⑺机柜或机箱的结构设计。
⑻经费和进度计划的安排。
总结与致谢
微型计算机控制技术是一门跨学科以及应用性、技术性、综合性都很强的专业技术课程，要求具备较强的自动控制理论、微型计算机原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识。
通过学习，要求掌握计算机控制系统的控制原理和分析设计方法，具备基本的设计技能，能够设计出简单的计算机控制系统。
自己感觉这门课是一门实践性与理论性很强的技术课程，它要求有较强的编程、操作及理论、算法分析能力。
学习的重点是理解各种控制系统的工作原理，理解掌握不同控制系统的算法，要学会自己设计控制器。
通过这学期的学习，我对计算机控制技术的相关知识有了一定的了解和认识，当然，其中仍有很多不足。
对于存在的不足之处，我会在今后的学习中不断去完善自己。
最后，感谢给我们代课和传授我们知识的丁健老师！
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