计算机控制技术第三版第1章

自动化教研室第1章计算机控制系统概述1.3计算机控制的发展概况及发展趋势1.2计算机控制系统的分类1.1计算机控制系统特征与组成1.1计算机控制系统的特征与组成1.1.2计算机控制系统的硬件组成1.1.3计算机控制系统的软件1.1.1计算机控制系统的特征与工作原理1.1.1计算机控制系统的特征与工作原理从模拟控制系统发展到计算机控制系统，控制器结构、控制器中的信号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念均发生了重大变化。计算机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容；在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势。将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就可构成典型的计算机控制系统，系统框图如图1.1所示。图1.1计算机控制系统基本框图控制器D/A执行机构被控对象检测装置给定值－被控量A/D+计算机计算机控制系统由硬件和软件两个基本部分组成。硬件指计算机本身及其外部设备；软件指管理计算机的程序及生产过程应用程序。只有软件和硬件有机的结合，计算机控制系统才能正常运行。计算机控制系统硬件部分软件部分控制计算机外围设备系统软件应用软件⑴执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统；⑵控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；⑶可同时控制多个回路；⑷存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。⒈结构特征⒉信号特征⑴模拟控制系统中各处的信号均为模拟信号；⑵计算机控制系统中除仍有模拟信号外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。计算机控制系统的信号流程如图1.2所示。A/D控制器被控对象传感器执行器D/A∑y(t)y*(t)y(nT)e(nT)u(nT)u*(t)r(nT)y(t)y(t)y*(t)y(nT)u(nT)u*(t)ttttt0TTTT00002T2T2T2T101010111011101010111011采样器计算机+-模拟信号离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号图1.2计算机控制系统的信号流程在控制系统中引入计算机，利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。由于计算机只能处理数字信号，为了信号的匹配，在计算机的输入和输出必须配置A/D（模/数转换器）和D/A（数/模转换器）。反馈量经A/D转换为数字量以后，才能输入给计算机。然后计算机根据偏差，按某种控制规律（如PID控制）进行运算；计算结果（数字信号）再经D/A转换器，将数字信号转换为模拟信号输出到执行机构，完成对被控对象的控制。按照计算机控制系统中信号的传输方向，系统的信息通道由三部分组成⑴过程输出通道，包含由D/A转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道。⑵过程输入通道，包含由A/D转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道。⑶人机交互通道，系统操作者通过人机交互通道向计算机控制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等，计算机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对像控制效果等。计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信号，因而计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两种：⑴模拟调节规律离散化设计法⑵直接设计法。⑴以软件代替硬件⑵数据存储⑶状态、数据显示⑷管理功能⒊控制方法特征⒋功能特征1.1.2计算机控制系统的工作原理计算机控制过程可归结为如下四个步骤：⑴实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入。⑵实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。⑶实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理⒈计算机控制系统的工作原理⑴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。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。⑵实时的含义指信号的输入、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。⒉计算机控制系统的工作方式1.1.2计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统由计算机（工控机）和生产过程两大部分组成。其硬件组成框图如图1.3所示，人机接口主机板磁盘系统通信接口模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道测量变送执行机构信号变换电气开关被控对象内部总线外部总线工控机生产过程图1.3计算机控制系统硬件组成框图⒈工控机⑴主机板工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、监控定时器、电源掉电监测、保存重要数据的后备存储器、实时日历时钟等部件组成。主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程。⑵系统总线系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合。常用的内部总线有IBMPC、PCI、ISA和STD总线。外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线有RS-232C、RS485和IEEE-488通信总线。⑶输入/输出模板工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。主要包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关量）输出通道（DO）。输入通道的作用是将生产过程的信号变换成主机板能够接受和识别的代码。输出通道的作用是将主机板输出的控制命令和数据进行变换，作为执行机构或电气开关的控制信号。⑸通信接口通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的通道。常用IEEE-488、RS-232C和RS485接口。USB总线接口技术正日益受到重视。⑷人—机接口人—机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。通过人—机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。人—机接口既可以用于显示工业生产过程的状况，也可以用于修改运行参数。⑹磁盘系统可以用半导体虚拟磁盘，也可以配通用的硬磁盘或采用USB磁盘。生产过程包括被控对象、执行机构等装置，这些装置都有各种类型的标准产品，在设计计算机控制系统时，根据实际需求合理选型即可。⒉生产过程1.1.4计算机控制系统软件按功能分类，软件分为系统软件和应用软件两大部分。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。1.2计算机控制系统的分类1.2.1操作指导控制系统1.2.2直接数字控制系统1.2.3监督计算机控制系统1.2.4集散控制系统1.2.5现场总线控制系统1.2.6综合自动化系统1.2.1操作指导控制系统CRT工控机操作人员模拟量输入通道测量变送调节器信号变换被控对象数字量输入通道打印机操作指导控制系统（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。图1.4操作指导控制系统原理图1.2.2直接数字控制系统直接数字控制系统（DDC）是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。CRT工控机模拟量输入通道测量变送信号变换被控对象数字量输入通道打印机操作台模拟量输出通道执行机构电气开关数字量输出通道图1.5直接数字控制系统1.2.3监督计算机控制系统在监督计算机控制系统（SCC）中，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。1.SCC加上模拟调节器的控制系统工艺数据SCC计算机模拟调节器测量变送被控对象记录显示打印执行机构设定值图1.6监督计算机控制系统(a)SCC+模拟调节器2.SCC加上DDC的控制系统工艺数据SCC计算机DDC调节器测量变送被控对象记录显示打印执行机构设定值这是一种二级控制系统，SCC可采用较高档的计算机，它与DDC之间通过接口进行信息交换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给DDC计算机执行控制。图1.6监督计算机控制系统(b)SCC+DDC1.2.4集散控制系统集散控制系统（DCS）就是企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，实现分散控制、集中管理的系统。系统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的计算机之间又有一定的联系，相互之间实现通信1.2.5现场总线控制系统现场总线控制系统（FCS）是新一代分布式控制系统，它变革了DCS直接控制层的控制站和生产现场层的模拟仪表，保留了DCS的操作监控层、生产管理层和决策管理层。FCS从下至上依次分为现场控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层，如图1.8所示。其中现场控制层是FCS所特有的，另外三层和DCS相同。现场总线控制系统的核心是现场总线。决策管理计算机决策管理计算机决策管理计算机决策管理计算机网关CG3决策管理网络DENT生产管理计算机生产管理计算机生产管理计算机生产管理计算机网关CG2生产决策管理网络MENT操作员站操作员站工程师站监控计算机站网关CG1监控网络SENT现场总线接口FBT1现场总线接口FBT1现场总线接口FBT1FTTTPTLT流量变送器温度变送器压力变送器液位变送器调节阀调节阀管理决策层生产管理层操作监控层现场控制层1.2.6综合自动化系统生产执行系统企业资源系统过程控制系统ERPMESPCS综合自动化系统又称现代集成制造系统（CIMS）。其中“现代”的意思是信息化、智能化和计算机化。“集成”包含信息集成、功能集成等。综合自动化系统采用BPS/MES/PCS三层结构1.3计算机控制的发展概况及趋势1.3.1计算机控制系统的发展过程1.3.2计算机控制理论的发展概况1.3.3计算机控制系统的发展趋势1.3.1计算机控制系统的发展过程第一台电子计算机于1946年在美国问世。二十世纪50年代末，计算机用于过程控制；1962年,英国帝国化学工业公司实现了一个DDC系统；二十世纪60年代后期，出现了适合工业生产过程控制的小型计算机；1972年出现了微型计算机，使计算机控制由集中式的控制结构（用一台计算机完成许多控制回路的控制），转变成分散控制结构。分布式控制系统（DCS）开始普及应用；从二十世纪80年代后期到90年代，计算机技术又有了飞速的发展，微处理器已由16位发展到32位，并且进一步向64位过渡。工业控制计算机、现场控制器、单回路调节器和各种可编程控制器(PLC)之间具有较强的通信能力，使它们能很方便地构成一个综合自动化系统，实现综合自动化的目标。1.3.2计算机控制理论的发展概况⒈采样控制理论⑴离散系统理论⑵采样系统理论⑶数字系统理论(1)离散系统理论主要指对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。a.差分方程及z变换理论：利用差分方程、z变换及z传递因数等数学工具来分析离散系统的性能及稳定性b.常规设计方法：以z传递函数作为数学模型对离散系统进行常规设计的各种方法的研究，如有限拍控制、根轨迹法设计、离散PID控制、参数寻优设计及直接解析设计法等。c.按极点配置的设计法d.最优设计方法e.系统辨识及自适应控制(2)采样系统理论除了包括离散系统的理论外，还包括以下一些内容：采样理论:它主要包括香农(shannon)采样定理、采样频谱及混迭、采样信号的恢复以及采