计算机控制ppt1

第1章计算机控制系统概论主要内容：计算机控制的定义和工作原理计算机控制系统特征和组成计算机控制系统的分类计算机控制系统的发展概况及发展趋势1.1计算机控制系统特征与组成1.1.1自动控制自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应功能，实现预定目标自动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。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，使被控制对象或系统能按照约定来运动或变化。控制器被控对象被控参数设定值图1.1开环控制系统框图执行机构闭环控制系统：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。u(t)r(t)e(t)y(t)+图1.2闭环控制系统框图控制器被控对象执行机构测量环节变送器图1.3计算机闭环控制系统结构图设定值控制器D/A执行机构被控对象A/D计算机被控变量+测量变送1.1.2计算机控制系统的工作原理1计算机控制的定义（1）从结构图定义（2）从组成定义（3）从信息流定义（1）从结构图定义（2）从组成定义（3）从信息流定义计算机控制就是对被控对象的有关参数（如温度、压力、流量、转速、转角、电压、电流、相位、功率、状态等）进行采样并转换成统一的标准信号，通过输入通道把表示各种参数信息的开关量和模拟量转换成数字量并传送给计算机，计算机根据这些信息，按照预先规定的控制规律进行运算和处理，并通过输出通道把运算结果以开关量和模拟量的形式去控制被控对象，使被控制的参数达到预定的目标。计算机控制系统是以计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象的系统，由计算机和被控对象两大部分组成。计算机控制系统是硬件和软件两个基本部分组成。2计算机控制的工作原理（工作过程）（1）实时数据采集对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。（2）实时控制决策对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。（3）实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。上述过程依次不断循环进行，使被控变量稳定在设定值上(1)在线方式和离线方式生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式，反之称为离线方式。生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。3计算机控制系统工作的方式(2)实时方式实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制。2个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间（允许滞后）；其二：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应（计算机响应时间），一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。3计算机控制系统工作的方式1.2.3计算机控制系统的组成•计算机控制系统的组成包括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。软件部分计算机控制系统硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道人机联系设备、通信设备现场仪表（测量传感器、执行机构等）操作系统汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等系统软件应用软件过程输入/输出程序、过程控制程序人机接口程序、打印显示程序各种公共子程序历史数据库、实时数据库图1.4计算机控制系统组成图打印机显示终端磁盘驱动器软件微型计算机实时时钟操作台接口接口接口接口D\AA\D多路开关反多路开关开关量输入开关量输出执行机构生产对象通用外部设备主机及操作台外部通道接口检测及变送控制对象传感器变送器图1.5微型计算机控制系统硬件组成原理图1硬件组成⑴．主机•主机是指用于控制的计算机，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•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⑵.I/O接口CPU与外部设备的连接和数据交换都需要通过I/O接口设备来实现。I/O接口存在的原因：速度不匹配时序不匹配信息格式不匹配⑵.过程通道(输入输出通道)过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号方向和形式，过程控制通道可分为：①模拟量输入通道（AI）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数字信号。②模拟量输出通道（AO）目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机处理、决策后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保持。⑵.过程通道(输入输出通道)③数字量输入通道（DI）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（DO）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⑶.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信息输入一般由四部分组成:①显示器②作用开关③功能键④数字键图1.6计算机控制系统的操作控制台外观图⑸.检测元件与执行机构检测元件：传感器：将被测参数转变为电学量变送器：电变量转换为计算机接口使用的电信号执行机构：电动执行器气动执行器液动执行器2计算机控制系统软件组成软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。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。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。应用软件是面向生产过程的程序，如A/D、D/A转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。（1）结构特征执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；可同时控制多个回路存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。1.2.4计算机控制系统的特征两者都是自动控制系统，两者都能实现PID控制只能控制一个回路可控制多个回路硬设备软设备模拟控制器数字控制器控制过程中算法不能改变控制过程中算法可以改变，可实现除PID以外的多种复杂控制计算机生产过程电流电压液位…模拟控制系统结构图计算机控制系统结构图生产过程电流电压液位…PIPIDPID模拟控制系统与计算机控制系统的比较（2）信号特征t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模拟信号e(nT)r(nT)y(t)u*(t)u(nt)y(nT)y*(t)Σ控制器D/AA/D执行器被控对象传感器y(t)采样器计算机＋离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号图1.7计算机控制系统的信号流程模拟控制系统和计算机控制系统的信号差异：模拟控制系统：均为连续模拟信号；计算机控制系统：模拟信号、离散信号、数字信号。（3）控制方法特征常用的设计方法有两种：模拟调节规律离散化设计法——使用模拟自动控制系统理论设计，计算机控制器实现——间接设计方法——PID控制离散化设计方法——使用的数字控制理论，计算机控制器实现——直接设计法——最少拍控制（4）功能特征以软件代替硬件数据存储状态、数据显示管理功能1.2计算机控制系统的分类•按照控制方式分类：开环控制和闭环控制•按照控制规律分类：程序和顺序控制，比例积分微分控制（PID控制），有限拍控制，复杂规律控制，智能控制等•按照系统的功能、工作特点分类：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、分布式计算机控制系统、计算机集成制造系统1.操作指导控制系统操作指导控制系统（OperationalInformationSystem—OIS）指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作2直接数字控制系统（DDC）显示打印接口计算机执行机构检测输入通道生产过程接口输出通道设定值直接数字控制系统(DirectDigitalControlsystem-DDC)是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。3．监督计算机系统（SCC）•监督计算机控制（SupervisoryComputerControl—SCC）系统：计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。•SCC系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。SCC+DCC控制系统原理图A/D转换检测装置DDC计算机执行机构SCC计算机被控对象D/A转换保持器（2）SCC+DDC控制系统3．监督计算机系统（SCC）SCC+模拟调节器控制系统原理图A/D转换检测装置模拟控制器执行机构SCC计算机被控对象D/A转换保持器（1）SCC+模拟调节器控制系统4集散控制系统（DCS）集散控制系统（DCS：DistributedControlSystem）又称为分布控制系统。该系统采用分散控制、集中管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构,每一级都有自己的功能，基本上是独立的，但级与级之间或同级之间又有信息交互。直接控制层是集散控制的基础，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。4集散控制系统（DCS）生产管理计算机操作员站工程师站过程控制站生产过程决策管理计算机计算机网关决策管理计算机决策管理计算机生产管理计算机生产管理计算机计算机网关监控计算机站决策管理网络生产管理网络控制网络计算机网关过程控制站过程控制站过程控制站决策管理层生产管理层操作监控层直接控制层5现场总线控制系统(FCS)现场总线控制系统（FieldBusSystems—FCS）的核心是现场总线。现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。现在国际上流行的设备级的通信网络,如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF等现场总线的能源提供：总线供电5现场总线控制系统(FCS)信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连;系统结构采用全分散化,现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。现场设备具有互操作性,改变了DCS控制层的封闭性和专用性,不同厂家的现场设备既可互连也可互换,并可以统一组态;通信网络为开放式互连网络,可极其