計算機控制技術第1章 緒論課件

計算機控制技術

教材：《計算機控制技術》

主編：廖道爭，施保華

機械工業出版社12第1章緒論

1.1計算機控制系統的基本概念

1.2計算機控制系統的組成1.3計算機控制系統的分類1.4計算機控制系統的發展控制系統由調節器和被控對象兩大部分組成。圖1-1給出了按偏差進行控制的閉環控制系統框圖。圖1-1閉環控制系統框圖1.1計算機控制系統的基本概念3

如果把圖1-1中的控制器用計算機來代替，就可以構成計算機控制系統，其基本框圖如圖1-2所示。在計算機控制系統中，只要運用各種指令，就可以編出符合某種控制規律的程序。微處理器執行這些程序，就能實現對被控對象的自動控制。圖1-2計算機控制系統基本框圖4計算機控制系統的控制步驟：計算機控制系統通常按照以下幾個步驟完成控制任務：(1)實時數據采集：測量元件對生產過程中被控參數值進行檢測，A/D轉換器將所檢測的連續模擬信號轉換為數字量二進制信號，輸送給計算機。(2)實時決策：計算機對所采集到的表征被控參數的狀態量進行分析，按照內部存儲的相關算法或控制規律決定下一步的控制過程，計算出控制量。(3)實時控制：計算機輸出的數字量控制信號通過D/A轉換器轉換為連續模擬信號，并傳送給執行機構，使之執行相應的操作，對被控設備加以控制，完成控制任務。5

上述過程不斷重復，使整個系統能夠按照一定的動態品質指標工作，并且對被控參數和設備本身出現的異常情況進行及時監督，同時迅速做出處理。計算機控制系統的“實時性”，是指信號的輸入、計算和輸出必需在一定時間范圍內完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內作出反應并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。

6在計算機控制系統中，如果計算機對被控對象或被控生產過程，能夠直接進行控制，不需要人工干預，這種方式叫做“聯機”方式或“在線”方式。如果計算機不直接參與控制被控對象或受控生產過程，只完成被控對象或被控過程的狀態檢測及檢測數據的處理，制定出控制方案和輸出控制指示,然后操作人員參考控制指示，人工手動操作使控制部件對被控對象或受控過程進行控制，這種控制形式稱為計算機“離線”控制。71.2.1計算機控制系統硬件組成微型計算機控制系統的硬件一般是由微型計算機、外部設備、輸入輸出通道和操作臺等組成，如圖1-3所示。1.2計算機控制系統的組成8圖1-3微型計算機控制系統原理圖9硬件組成：（1）主機（2）輸入輸出通道計算機與生產過程之間的信息傳遞是通過輸入輸出通道進行的，它在兩者之間起到紐帶和橋梁作用。

（3）外部設備：（輸入、輸出設備，打印設備）

10硬件組成：（4）檢測與執行機構①測量變送單元在自動控制系統中，往往需要對溫度、濕度、壓力、流量與物位等參量進行檢測和控制，使之處于最佳工作狀態。因此必須掌握描述它們特性的各種參數，需要測量這些參數的值。為了收集和測量各種參數，需要根據不同的控制任務采用各種檢測元件及變送器，其功能是將被檢測參數的非電量轉換成電量。例如，熱電偶可以把溫度轉換成電壓信號，壓力傳感器可以把壓力轉換為電信號，再通過A/D轉換器送入計算機。11②執行機構執行機構是計算機控制系統中的重要部件，其功能是根據計算機輸出的控制信號，直接控制能量或物料等被測介質的輸送量。例如，在溫度控制系統中，計算機根據溫度誤差調用控制算法計算出相應的控制量，輸出給執行機構(調節閥)來控制進入加熱爐的煤氣(或油)量以實現預期的溫度值。常用的執行機構有電動、液動和氣動等控制形式，也有的采用馬達、步進電機及等進行控制。常用執行器的特點電動執行器氣動執行器液壓執行器構造復雜簡單簡單體積小中大配管配線簡單較復雜復雜推力小中大動作滯后小大小維護檢修復雜簡單簡單使用場所隔燭型適用于防火防爆適用防火防爆要注意火花價格高低高頻率響應寬窄窄溫度影響較大較小較大1.2.2計算機控制系統的軟件組成計算機控制系統的硬件是完成控制任務的設備基礎，而軟件關系到控制系統運行和控制效果的好壞以及硬件功能的發揮。整個計算機系統的動作，都是在軟件的指揮下協調進行的。計算機控制系統的軟件通常由系統軟件和應用軟件組成。1.2.3計算機控制系統的特點

1.系統結構特點計算機能夠處理的是數字信號。然而多數系統的被控對象及執行部件、測量部件是連續模擬式的，因此，計算機控制系統通常是模擬與數字部件的混合系統。在信號形式上，計算機是數字設備，只能接收和輸出數字信號。而被控對象(或生產過程)通常是模擬系統，被控參數(如溫度、壓力、流量、料位和成分等)通過傳感器或變送器輸出后是模擬信號，因此兩者間必須有信號轉換設備（AD、DA）。1.2.3計算機控制系統的特點

2.信號形式上的特點連續控制系統中各點信號均為連續模擬信號。而計算機是數字設備，只能接收和輸出數字信號。被控對象(或生產過程)通常是模擬系統，其參數信號(如溫度、壓力、流量、料位和成分等)是模擬信號，必須按一定的采樣間隔(稱為采樣周期)進行采樣，將其變成時間上是斷續的信號才能進入計算機。因此，計算機控制系統中除有模擬信號處，還有離散信號、數字信號，是一種混合信號形式系統。由于系統信號的復雜性，也給設計實現帶來一定的困難。3、系統工作方式上的特點

在連續控制系統中，控制器通常都是由不同的電路構成的，并且一臺控制器僅為一個控制回路服務。在計算機控制系統中，一臺計算機可同時控制多個被控量或被控對象，即可為多個控制回路服務。每個控制回路的控制方式由軟件設計。同一臺計算機可以采用串行或分時并行方式實現控制。由常規儀表組成的連續控制系統獲得了廣泛的應用，并具有可靠、易維護等優點，但隨著生產的發展、技術的進步，對自動化的要求越來越高，這種常規連續控制系統的應用受到了極大的限制。例如，難于實現多變量復雜系統的控制，難于實現自適應控制等。由于計算機具有強大的計算、邏輯判斷和信息存儲能力，因此計算機控制系統可以實現各種先進、復雜的控制策略，如自適應控制、預測控制、智能控制等，從而更好地滿足日益復雜化的工業過程的控制要求。計算機控制系統的優點：(1)計算機的運算速度快、精度高、具有極豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲能力，因此，能實現復雜的控制規律，如最優控制、自適應控制及自學習等，從而可達到較高的控制質量。(2)計算機控制系統的性能價格比值(性價比)高。盡管一臺計算機最初投資較大，但增加一個控制回路的費用卻很少。對于連續系統，模擬硬件的成本幾乎和控制規律的復雜程度、控制回路的多少成正比。(3)由于計算機控制系統的控制律是由軟件程序實現的，并且計算機具有強大的記憶和判斷能力，極易實現工作狀態的轉換，實現不同的控制功能，因此，它的適應性強，靈活性高。此外，計算機是一種可編程的智能元件，易于修改系統功能和特性，構成了一種柔性(彈性)系統。(4)隨著微電子技術的發展，大規模集成電路的出現，微處理器的體積減小、重量減輕、成本下降，這使計算機用于自動控制的優點更為突出。1.2.4計算機控制系統的可靠性要求可靠性主要是系統的無故障運行能力，常用的指標是“平均無故障間隔時間”。計算機控制系統的可靠性包括硬件可靠性和軟件可靠性兩個方面。提高計算機控制系統硬件可靠性，要求采用可靠性高的元部件及先進的工藝及設計，另外，采用多機并行運行的冗余結構也是一個重要措施。如對系統可靠性起關鍵作用的元件“二重化”，使得即使壞了一個元件，系統仍可運行。除了硬件可靠性外，軟件可靠性也十分重要。好的軟件可以減小出錯的可能性，保證系統正常運行。因此，要求計算機控制系統軟件具有較強的自診斷、自檢測以及容錯功能，即對運算過程中偶然出現的數據超界、運算溢出及未曾定義過的操作指令或其他事先不曾預料的運算錯誤能進行適當處理，改善和提高計算機控制系統的實用性。1.3微型計算機控制系統分類1.數據采集處理系統2.直接數字控制系統（DDC）3.計算機監督系統（SCC）4.集散控制系統5.現場總線控制系統

（1）

數據采集處理系統在這種應用方式下，計算機不直接參與控制，對生產過程不直接產生影響。圖1-4數據采集處理系統數據采集處理系統主要是利用計算機對整個生產過程進行集中監視和對大量輸入數據進行集中加工和處理，從而為操作人員提供操作指導信息，由操作人員依據給出的建議實現對生產過程的控制。數據采集處理系統的優點是結構簡單，控制靈活和安全可靠。缺點是要由人工進行操作，操作速度受到了人為的限制。該系統常用在計算機控制系統設計與調試階段，用于進行數據檢測、處理及試驗新的數學模型、調試新的控制程序等。21（2）直接數字控制系統在直接數字控制(DirectDigitalControl，簡稱DDC)系統中，計算機的運算和處理結果直接作用于生產過程。系統通過檢測元件對一個或多個被控參數進行巡回檢測，經輸入通道送給計算機，計算機將檢測結果與設定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執行機構，使系統的被控參數達到預定的要求。DDC系統是閉環系統，是計算機在工業生產過程中最普遍的一種應用形式，其原理框圖如圖1-5所示。圖1-5DDC控制系統原理圖（3）

計算機監督控制系統

計算機監督控制(SupervisoryComputerControl，簡稱SCC)系統中，計算機根據生產過程的工藝信息和狀態參數，按生產過程的數學模型或其它方法計算出生產設備運行時的最優給定值，并將最優給定值自動地或人工對DDC執行級的計算機或模擬調節儀表進行調整或設定目標值，由DDC或調節儀表對生產過程各個點(運行設備)行使控制。在DDC系統中計算機只是代替模擬調節器進行控制，而SCC系統不僅可以進行給定值控制，還可以進行順序控制、最優控制以及自適應控制等，它是數據采集處理系統和DDC系統的綜合與發展。24計算機監督控制系統框圖25SCC系統有兩種結構形式，其原理框圖如圖1-6所示。SCC+模擬調節器

該形式是由計算機對各物理量進行檢測，并按一定的數學模型對生產工況進行分析、計算得出生產過程中各參數最優給定值后送給模擬調節器，使工況保持在最優狀態。當SCC計算機出現故障時，可由模擬調節器獨立完成操作。SCC+DDC控制

這種形式實際上是一個二級控制系統，SCC可采用高檔微型機，SCC計算機與DDC之間通過通信接口進行通信。SCC計算機完成工段、車間等高一級的最優化分析與計算，并給出最優給定值送給DDC級進行過程控制。當DDC級計算機發生故障時，SCC級計算機可以完成DDC的控制功能，從而提高了系統可靠性。26（4）

集散控制系統集散控制系統(DCS)也叫分布式控制系統。DCS系統結構如圖1-6所示。采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協調的設計原則，把系統從上而下分為生產管理級、控制管理級和自動控制級等若干級，形成分級分布式控制。隨著計算機技術、控制技術、通信技術和屏幕顯示技術的發展而不斷更新和提高，集散控制系統已廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、輕工、制藥和智能建筑等的自動化控制。27（5）現場總線控制系統現場總線控制系統(FieldbusControlSystem，FCS)是一種以現場總線為基礎的分布式網絡自動化系統，它既是現場通信網絡系統，也是現場自動化系統?，F場總線控制系統不同于分布式控制系統的“操作站—控制站—現場儀表”的3層結構模式，它采用“工作站—現場總線智能儀表”二層結構，降低了系統總成本，提高了可靠性，國際標準統一后可實現真正的開放式互聯系統結構，是一種正在發展的真正的分布式控制系統。圖1-7給出了分布式控制系統和現場總線控制系統的結構對比。28圖1-7分布式控制系統與現場總線控制系統結構對比29

FCS的系統結構為全分散式，它廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現場設備或現場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現場儀表，從而構成虛擬控制站，實現徹底的分散控制，減輕了主計算機的負擔和風險，現場單元具有更高的智能特性，因此，簡化了系統結構，提高了可靠性。FCS的現場設備具有互操作性，不同廠商生產的設備，只要遵守的是同一協議標準，則可以相互操作，徹底改變傳統DCS控制層的封閉性和專用性，使不同廠商的現場設備既可互連也可互換，還可統一組態，用戶可以靈活選用各種功能塊，構成所需要的控制系統，進一步提高了系統的可靠性。30（6）計算機集成制造系統計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufacturingSystem，簡稱CIMS）是計算機技術、自動化技術、網絡技術、信息技術、管理技術、系統工程技術等新技術發展的結果，它將企業的生產、經營、管理、計劃、銷售等環節和企業人力、財力、設備等生產要素集成起來，進行統一控制，從而求得生產活動的最優化。311.4計算機控制系統的發展計算機控制技術是現代大型工業生產自動化和國防科學技術發展的產物，它緊密依賴于計算機技術、網絡通信技術和控制技術的最新發展。1965年以前是計算機控制技術的試驗階段，這時的計算機控制系統能夠完成自動檢測和數據處理，實現計算機監督控制和直接數字控制。1965年～1969年由于小型計算機的出現，使可靠性不斷提高，成本不斷地下降，計算機在生產過程的應用得到迅速地發展，但這個階段仍然主要是集中型的計算機控制系統。1975年，世界上幾個主要的計算機和儀表制造廠家已開始生產出集散控制系統（DCS），如美國Honeywell公司的TDC-2000，Foxboro公司的SPECTRUM，橫河公司的CENTUM，Taylor公司的MOD3等。20世紀90年代以來，隨著微處理器技術和其他高新技術的發展，計算機控制系統開始向網絡化、智能化方向發展。計算機控制系統的性能價格比的不斷提高更加速了計算機控制系統的普及和應用。321.4.2計算機控制系統的發展趨勢（1）以工業PC為基礎的低成本工業控制自動化將成為主流工業控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。傳統的自動化系統，基礎自動化部分基本被PLC和DCS所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由小型機組成。20世紀90年代以來，由于PC-based的工業計算機（工業PC）的發展，以工業PC、I/O裝置、監控裝置、控制網絡組成的PC-based的自動化系統得到了迅速普及，成為實現低成本工業自動化的重要途徑。（2）PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展長期以來，PLC處于工業控制自動化領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供非?？煽康目刂品桨?。同時，PLC也承受著來自其它技術產品的沖擊，尤其是工業PC所帶來的沖擊。微型化、網絡化、PC化和開放性是PLC未來發展的主要方向。隨著PLC控制組態軟件的進一步完善和發展，安裝有軟PLC組態軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長。33（3）面向測控管一體化設計的DCS系統小型化、多樣化、PC化和開放性是未來DCS發展的重要方向。PC-based控制將更加廣泛地應用于中小規模的過程控制，小型DCS系統將具有更大的應用市場。開放性的DCS系統同時向上和向下雙向延伸，使來自生產過程的現場數據在整個企業內部自由流動，實現信息技術與控制技術的無縫連接，向