計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(電本06OK)

1、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用主講人:趙 明 (教 授)課程內(nèi)容:第一章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及典型的應(yīng)用形式(6學(xué)時(shí))第二章 輸入輸出接口與過程通道 (8學(xué)時(shí))第三章 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)(22學(xué)時(shí))第四章 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(8學(xué)時(shí))第五章 DCS系統(tǒng)(6學(xué)時(shí))第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(2學(xué)時(shí))第一章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用形式一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)一 、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成 y控制器-被控對(duì)象e給定量執(zhí)行機(jī)構(gòu)+rD/A被控量測(cè)量變送uA/D生產(chǎn)過程工控機(jī)一 、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述2 .計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作

2、原理（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。 （2）實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。 （3）實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。一 、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的控制算法，依賴測(cè)量元件測(cè)得的信號(hào)數(shù)據(jù)，計(jì)算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的信息去改變調(diào)節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。CRT打印機(jī)操 作人 員調(diào)節(jié)器 生 產(chǎn)過程計(jì) 算機(jī)模擬量輸入（AI）通道數(shù)字量輸

3、入（DI）通道3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式（2）直接數(shù)字控制（Direct Digital Control）系統(tǒng) DDC系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)首先通過模擬量輸入通道（AI）和開關(guān)量輸入通道（DI）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)出控制信息，并通過模擬量輸出通道（AO）和開關(guān)量輸出通道（DO）直接控制生產(chǎn)過程。CRT打印機(jī)報(bào) 警操作臺(tái)計(jì)算機(jī) 輸入通道（AI，DI） 輸出通道（AO，DO）生產(chǎn)過程（3）監(jiān)督控制（Supervisory Computer Control)系統(tǒng) 監(jiān)督控制中，計(jì)算機(jī)根據(jù)原始工藝信息和其他的參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其他方法，自動(dòng)地

4、改變模擬調(diào)節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的微型機(jī)中的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況（如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本等等）。 從這個(gè)角度上說，它的作用是改變?cè)O(shè)定值，又稱為設(shè)定值控制SPC(Set Point Control).3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式記錄顯示打 印工藝數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程 S S C計(jì) 算 機(jī)模 擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)測(cè)量設(shè)定值記錄顯示打 印 S S C 計(jì) 算 機(jī) DDC計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)設(shè)定值測(cè)量工藝數(shù)據(jù)（a）(b)3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式（4）分散型控制系統(tǒng) （Distributed Control System-DCS) DCS采用分散控制，集中操作，分級(jí)管理，分而自治

5、和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，把系統(tǒng)從上到下分為分散過程控制級(jí)、集中操作監(jiān)控級(jí)、綜合信息管理級(jí)，形成分級(jí)分布式控制。通信聯(lián)絡(luò)管 理計(jì)算機(jī)網(wǎng) 間聯(lián)接器監(jiān) 控計(jì)算機(jī)網(wǎng) 間聯(lián)接器網(wǎng) 間聯(lián)接器網(wǎng) 間聯(lián)接器網(wǎng) 間聯(lián)接器至其它局域網(wǎng)局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)操作員操作站工程師操作站網(wǎng) 間聯(lián)接器集中操作管理級(jí)綜合信息管理級(jí)分散過程控制級(jí)（5）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) （Fieldbus Control System-FCS) FCS是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的DCS，其結(jié)構(gòu)模式為“操作站控制站現(xiàn)場(chǎng)儀表”三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本較高，而且各廠商的DCS又各自的標(biāo)準(zhǔn)，不能互連。FCS于DCS不同，它的結(jié)構(gòu)模式為“工作站

6、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表”二層結(jié)構(gòu)，完成了DCS三層結(jié)構(gòu)的功能，降低了成本，提高了可靠性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 常見總線: FF , CAN, DeviceNet，LonWorks等十幾種。 3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.工業(yè)控制機(jī)的硬件組成例（研華工控機(jī)）（1）機(jī)箱帶 ATX 主板選項(xiàng)的14 槽機(jī)架安裝機(jī)箱 IPC-610 二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（2）無(wú)源底版 槽數(shù)： 8個(gè)ISA, 4 PCI, 2個(gè) PICMG槽 尺寸： 315 x 260 mm (12.4 x 10.24) （3）CPU卡 研華NORCO-740GVE P4級(jí)全長(zhǎng)C

7、PU卡 支持P4 478架構(gòu)系列處理器主頻高達(dá)3.06GHz ，支持400/ 533MHz外頻 ，支持Intel超線程技術(shù)， 采用Intel 845GV+ ICH4 ，支持USB 2.0板載顯示控制器，動(dòng)態(tài)共享64MB內(nèi)存作為顯存，兩條184 pin內(nèi)存插槽，支持200/266/333MHz DDR內(nèi)存達(dá)2GB，支持內(nèi)存異步 適用于通訊、DVR、電信、交通、工業(yè)控制領(lǐng)域 二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（4）I/O板 24位數(shù)字量I/O線 仿真8255PPI模式0 提供比8255更高驅(qū)動(dòng)能力的緩沖電路 中斷處理 輸出狀態(tài)回讀 PCL-724 二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（5）AD與DA板 12

8、路獨(dú)立D/A輸出 12位分辨率雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器 多種輸出范圍：+/-5V，0+5V，0+10V和420mA電流環(huán)（匯） 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出 PCL-727 二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（6）內(nèi)部與外部總線1）內(nèi)部總線 IBM PC和STD2）外部總線 RS-232C IEEE-488二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（7）系統(tǒng)支持功能監(jiān)控定時(shí)器（Watchdog）電源掉電檢測(cè)保護(hù)重要數(shù)據(jù)的后備存儲(chǔ)器體實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘磁盤系統(tǒng)輸入輸出通道二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2 工業(yè)控制機(jī)的軟件組成系統(tǒng)軟件支持軟件應(yīng)用軟件二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3 工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)n可靠性高和可維修性

9、好n環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)n控制的實(shí)時(shí)性n完善的輸入輸出通道n豐富的軟件n適當(dāng)?shù)挠?jì)算精度和運(yùn)算速度二、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1.計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程 1956年3月美國(guó)德克薩斯的一個(gè)煉油廠與TRW公司合作研究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始，至今經(jīng)過四個(gè)階段：（1）開創(chuàng)期（1955-1962年）（2）直接數(shù)字控制時(shí)期（1962-1967）（3）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967-1972）（4）微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972-至今 ）2 計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過程（1）采樣定理（香農(nóng)Shannon ,1949)（2）差分方程（奧爾登伯格Oldenburg和薩托里厄斯Sartorius，1948）（3）Z

10、變換（扎德Zadeh，1952）（4）狀態(tài)空間理論（龐特里亞金Pontryagin等)（5）最優(yōu)控制（貝爾曼1957）與隨機(jī)控制（1960，LQG）（6）代數(shù)系統(tǒng)理論（7）系統(tǒng)辯識(shí)與自適應(yīng) 三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)3 計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)n成熟技術(shù)的應(yīng)用n智能控制系統(tǒng)（1）遞階控制（2）模糊控制（3）專家系統(tǒng)（4）學(xué)習(xí)系統(tǒng)（5）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)第二章 輸入輸出接口與過程通道一、數(shù)字量通道二、模擬量通道三、通道的抗干擾技術(shù)第二章 輸入輸出接口與過程通道n接口：計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息的橋梁，包括輸入和輸出接口。 n接口技術(shù)：研究計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息的技術(shù)。 n過程通道

11、：計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（AI、AO、DI、DO） 2.1數(shù)字量輸入輸出通道一 數(shù)字量輸入輸出接口(一) 輸入接口一 數(shù)字量輸入輸出接口(二) 數(shù)字量輸出接口二 數(shù)字量通道過程通道：計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（DI、DO）(一)數(shù)字量輸入通道(DI)1 數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)輸 入 調(diào) 理 電 路輸 入 緩 沖 器地址譯碼器P C 總 線生產(chǎn)過程(一) 數(shù)字量輸入通道(DI)2 輸入調(diào)理電路 把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成 計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)。 a)小功率輸入調(diào)理電路 開關(guān)去抖電路 KR1R2COAAOAO開關(guān)去抖電路b)大功

12、率輸入調(diào)理電路 采用光電隔離 (二) 數(shù)字量輸出通道(DO)1 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)輸 出 驅(qū) 動(dòng) 器輸 出 鎖 存 器地址譯碼器P C 總 線生產(chǎn)過程2 輸出驅(qū)動(dòng)電路 a)小功率直流驅(qū)動(dòng)電路 功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路 續(xù)流二極管在功率晶體管關(guān)閉時(shí)，為繼電器線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)提供旁路通道，保護(hù)晶體管。 達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路 MC1416，7路驅(qū)動(dòng)，帶保護(hù)二極管 b)大功率直流驅(qū)動(dòng)電路 固態(tài)繼電器。零交叉電路在交流電過零時(shí)產(chǎn)生 觸發(fā)信號(hào)，減少干擾。 2.2 A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 常用A/D轉(zhuǎn)換方式： 逐次逼近型：轉(zhuǎn)換時(shí)間短，抗擾性差（電壓比較） ADC0809（8位），AD574（1

13、2位） 雙斜積分型：轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，抗擾性好（積分） MC14433（11位），ICL7135（14位） #A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)： 轉(zhuǎn)換時(shí)間：積分型 毫秒級(jí)，逐次比較 微秒級(jí)。 分辨率：數(shù)字量位數(shù)n。 LSB（最低有效位）滿量程的1/2n. 線性誤差：量程范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差，通常為1/2LSB或1LSB量程：能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。 對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：電源精度。一 A/D轉(zhuǎn)換器 8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 帶8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換時(shí)間100us, 誤差1/2LSB轉(zhuǎn)換時(shí)序 一 A/D轉(zhuǎn)換器12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A 單通道12位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器

14、轉(zhuǎn)換時(shí)間25us, 誤差1/2LSB，單極性或雙極 性輸入，量程10V或20V。二 A/D轉(zhuǎn)換接口技術(shù) a) ADC0809與8255A接口 b) AD574與8255A接口 2.3 模擬量輸入通道 n模擬量輸入通道把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)中。 n模擬信號(hào)傳輸010mA或420mA電流傳輸。一 模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)變送器I/V變換過程參數(shù) 多路轉(zhuǎn)換器采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器接口邏輯電路模擬輸入通道PC總線二 I/V變換 電流輸出 儀表DDZ-：010mA 儀表DDZ-,DDZ-S：420mA 無(wú)源I/V變換（利用無(wú)源器件完成） 010mA:R1 100 R2 500 05V輸出

15、420mA:R1 100 R2 250 15V輸出有源I/V變換（利用有源器件完成）010mA:R1 200 R3 100k R4 150k 05V輸出420mA:R1 200 R3 100k R4 25k 15V輸出同相放大器倍數(shù) A=1+R4/R3 三 多路轉(zhuǎn)換器 多路開關(guān)理想工作狀態(tài)：開路電阻無(wú)窮大，導(dǎo)通電阻為0。要求切 換速度快。 舉例：CD40518通道開關(guān) INH 禁止輸入四 采樣、量化及常用的采樣保持器 信號(hào)的采樣 :采樣過程：以周期時(shí)間間隔T，把時(shí)間與幅值連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐贿B串脈沖輸出信號(hào)。 為采樣寬度，即K閉合的時(shí)間。香農(nóng)采樣定量：若信號(hào)的最高頻率為fmax，只要采樣頻率

16、f 2 fmax，采樣信號(hào)就能唯一復(fù)現(xiàn)原信號(hào)。 量化: 量化：用一組數(shù)碼逼近離散模擬信號(hào)的幅值。量化過程：模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)。 量化單位：A/D轉(zhuǎn)換器的最低有效位LSB對(duì)應(yīng)的模擬量。 q=(ymax-ymin)/(2n-1) 量化誤差： 1/2q編碼:#采樣保持器 孔徑時(shí)間tA/D：完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間。 孔徑誤差：采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。 孔徑誤差的消除：采用采樣保持器 孔徑時(shí)間內(nèi)，信號(hào)的變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差，A/D轉(zhuǎn)換器需要采樣保持器來提高輸入信號(hào)的頻率范圍。 采樣保持器：把t=KT時(shí)刻的采樣值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。采樣：K閉合，CH快速充電，VOUT跟隨VIN 保持：K斷開，VOUT保

17、持VC 緩慢變化的信號(hào)無(wú)需采樣保持器LF398 采樣保持控制引腳8：高電平，采樣 低電平，保持 CH外接高品質(zhì)電容，其減小可以提高采樣頻率。 獲取時(shí)間：CH為0.01uF時(shí), 時(shí)間為25us 五 模擬量輸入通道設(shè)計(jì) 器件：AD574A, LF398, CD4051,8255A 指標(biāo):8通道模擬量輸入 12位A/D轉(zhuǎn)換（25us)，量程010V 查詢應(yīng)答方式 電路邏輯： 通道選擇-PC0-PC2, 通道禁止-PC3 LF398采樣和保持-ADC574的STS+反相器 AD574A的R/C, CS, CE -PC4-PC6 轉(zhuǎn)換狀態(tài)檢測(cè)STS-PA7 數(shù)據(jù)輸入：高4位-PA0-PA3，低8位-B口

18、注意問題n采樣保持器與孔徑誤差nA/D轉(zhuǎn)換器及性能指標(biāo)n信號(hào)濾波2.4D/A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) 分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。 建立時(shí)間：輸入數(shù)字信號(hào)的變化是滿量程時(shí)，輸出信號(hào)達(dá)到離終值 1/2LSB的所需時(shí)間。 線性誤差：偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。常見D/A轉(zhuǎn)換器類型： 電流輸出型，通常要轉(zhuǎn)為電壓，速度因外接放大器有滯后。 電壓輸出形，速度快，僅用于高阻抗負(fù)載。 一 D/A轉(zhuǎn)換器 8位D/A轉(zhuǎn)換器ADC0832 8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器二 D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 2.5模擬量輸出通道一 模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式1 一個(gè)通路設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式2多個(gè)通路共用

19、一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的形式接口D/A多路開關(guān)采 樣保持器采 樣保持器V/I和自動(dòng)/手動(dòng)V/I和自動(dòng)/手動(dòng)接口D/AD/AV/I和自動(dòng)/手動(dòng)切換V/I和自動(dòng)/手動(dòng)切換PC總線PC總線通道1通道n通道1通道n二、V/I變換和自動(dòng)/手動(dòng)切換1 集成V/I變換器ZF2B20 輸入：0-10V，輸出：420mA和0-10mA2 集成V/I變換器AD694輸出范圍: 420mA， 020mA輸入范圍：或電源范圍：4.536V初始校準(zhǔn)420mAZF2B20010V010mAZF2B20010VV+V+5005000.010.0132.5K1K3 自動(dòng)/手動(dòng)切換I/(R9+W) ： 當(dāng)R9+W=500或250 ，

20、 可實(shí)現(xiàn)010mA或420mA)HIL計(jì)算機(jī)DID/AA/DK2K1K3A+VViVfHAR1R2R3R4R5AHR6R7+E-E增減R8R9WV2C+ECBG1RL+IL三 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)見P48 圖2.402.6 硬件抗干擾技術(shù)一 干擾的產(chǎn)生(干擾源)二 干擾傳播途徑三 干擾抑制原則 1 消滅干擾源 2 切斷干擾傳播途徑 3 遠(yuǎn)離干擾源四、干擾的分類1按噪聲產(chǎn)生的原因（1）放電噪聲：雷電、靜電、電動(dòng)機(jī)電刷跳動(dòng)、大功率觸點(diǎn)短開等（2）高頻震蕩噪聲：中頻電爐、感應(yīng)電爐、開關(guān)電源等（3）浪涌噪聲：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、電爐合閘電流、可控硅觸發(fā)電流2、按噪聲傳導(dǎo)模式分類（1）串模（常態(tài)）干擾：輸入信

21、號(hào)中的干擾（2）共模（共態(tài)）干擾：地線間存在的干擾3、按噪聲波形及性質(zhì)（1）持續(xù)正弦波（2）偶發(fā)脈沖電壓：雷擊波、靜電放電、接點(diǎn)分?jǐn)嚯妷贺?fù)載等（3）脈沖列：接點(diǎn)分?jǐn)嚯姼胸?fù)載、接點(diǎn)反復(fù)接通電壓等五、抗干擾措施1過程通道抗干擾技術(shù)（1）串模（常態(tài)）干擾的抑制方法1）串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高時(shí)：采用低通濾波器2）尖峰型串模干擾時(shí)：采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器3）串模干擾來至于電磁感應(yīng)時(shí)：對(duì)被測(cè)信號(hào)盡可能早地進(jìn)行前置放大或進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換4）從選擇邏輯器件入手：低速器件抑制高頻干擾等5）采用雙絞線作信號(hào)引線：抑制電磁干擾等n（2）共模（共態(tài)）干擾的抑制方法n1）隔離變壓器n2）光電隔離n3）浮地屏蔽n4

22、）儀表放大器：差動(dòng)輸入可以抑制共模干擾n2、CPU抗干擾技術(shù)n3、長(zhǎng)線傳輸抗干擾技術(shù)n4、電源系統(tǒng)抗干擾技術(shù)2.7實(shí)例器件 PCL-734 32路隔離數(shù)字量輸出卡 PCL-782B 24路光耦卡 數(shù)字量通道PCL-735 12路繼電器輸出卡本章作業(yè)：1 說明圖2.39、圖2.40電路工作原理；2 干擾的抑制原則是什么？3 P63頁(yè)2.9-2.14作業(yè):1 教材: (P62 )2.1, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9.2 說明圖2.25、圖2.39電路工作原理.3 常見A/D轉(zhuǎn)換器分為哪兩種類型? 應(yīng)用于什么場(chǎng)合?4 畫出模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)框圖. 第三章 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)數(shù)字

23、控制器的設(shè)計(jì)方法： n連續(xù)化設(shè)計(jì)：連續(xù)化設(shè)計(jì)：采樣周期短、控制算法簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。忽略零階保持器和采樣器，求出系統(tǒng)的連續(xù)控制器，以近似方式離散化為數(shù)字控制器。 n離散化設(shè)計(jì)：離散化設(shè)計(jì)：采樣周期長(zhǎng)的或控制復(fù)雜的系統(tǒng)。直接使用采樣控制理論設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。 一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)理論依據(jù):(略)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) (1) 忽略控制回路中的零階保持器和采樣器，在S域中設(shè)計(jì)連續(xù)控制器。條件是采樣周期足夠短。 (2)通過近似方法，把連續(xù)控制器離散化為數(shù)字控制器(例如:雙線性變換S=2/T*(Z-1)/(Z+1)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)(一)數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)假想的連續(xù)

24、控制器D(s) 選擇采樣周期T 將D(s)離散化為D(z) 設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法 校驗(yàn) (計(jì)算機(jī)仿真)一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)(二)數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì) PID比例P, 積分I, 微分D 數(shù)字PID控制器用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，即把模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化。1 模擬PID調(diào)節(jié)器D(s)G(s)r(t)e(t)u(t)y(t)P+_其中：Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。 比例作用：比例作用：迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定； 積分作用：積分作用：消除靜差，但容易引起超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩； 微分作用：微分作用：減小超調(diào)，克服振蕩，提高穩(wěn)定性，改善

25、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。)11 ()()()()()(1)()(0STSTKSESUSDdttdeTdtteTtektuDIPtDIp一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)2.數(shù)字PID 用數(shù)值逼近的方法實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律。 數(shù)值逼近的方法：用求和代替積分、用后向差分代替微分.(1)數(shù)字PID位置型控制算法 (2)數(shù)字PID增量型控制算法 ) 1()()()()(0TkekeTieTTtekkuDkiIp) 1()()(kukuku)2() 1(2)()()1()(kekekekkekkekekDIp稱為比例增益；1pK稱為積分系數(shù)；IPITTKK 稱為微分系數(shù)；TTKKDPD)2()

26、1()()(210keqkeqkeqkuTTKqTTKqTTTTKqDpDpDp2110)21 ()1 (為編程方便，可以整理得到：一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)增量型算法與位置型算法比較： （1）增量型算法不需做累加，計(jì)算誤差后產(chǎn)生的計(jì)算精度問題，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。位置型算法用到過去的誤差的累加，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。 （2）增量型算法得出的是控制的增量，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動(dòng)作影響大。一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)(三)數(shù)字PID控制器的改進(jìn)積分項(xiàng)的改進(jìn) （1)積分分離: 改

27、進(jìn)原因：當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，存在較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，在積分項(xiàng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。 改進(jìn)思路：當(dāng)被控量和給定值偏差大時(shí)，取消積分控制，以免超調(diào)量過大；當(dāng)被控量和給定值接近時(shí)，積分控制投入，消除靜差。 改進(jìn)方法： 當(dāng) |e(k)| 時(shí)，采用PD控制； 當(dāng) |e(k)| 時(shí)，采用PID控制。 積分分離閾值的確定： 過大，達(dá)不到積分分離的目的； 過小，則一旦控制量y(t)無(wú)法跳出各積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)（2）抗積分飽和 積分飽和：如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到極限位置，仍然不能消除偏差，由于積分的作用，盡管計(jì)算PID差

28、分方程式所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行結(jié)構(gòu)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作，控制信號(hào)則進(jìn)入深度飽和區(qū)。 影響：如果系統(tǒng)程序反向偏差， 則u(k)首先需要從飽和區(qū)退出，進(jìn)入的飽和區(qū)越深，退出時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致超調(diào)量增加。 改進(jìn)方法：對(duì)控制量u(k)限幅。 以8位D/A為例，u(k)FFH時(shí)，取u(k)=FFH。一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) （3）梯形積分改進(jìn)原因：減小殘差，提高積分項(xiàng)的運(yùn)算精度。 改進(jìn)方法：矩形積分改為梯形積分。 Tieieedttki002) 1()(一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) （4）消除積分不靈敏區(qū) 改進(jìn)原因：由于計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的限制，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果小于字長(zhǎng)所能表示的數(shù)的精度，計(jì)算機(jī)就作為“零”處理，

29、此時(shí)積分作用消失，這就稱為積分不靈敏區(qū)。 改進(jìn)措施： 增加A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，加長(zhǎng)運(yùn)算字長(zhǎng)，提高運(yùn)算精度。 當(dāng)積分項(xiàng)連續(xù)n次小于輸出精度的情況下，不要把它們作為“零”處理，而是把它們累加起來，直到累加值大于時(shí)才輸出，同時(shí)把累加單元清零。 )(1iuSniII一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)微分項(xiàng)的改進(jìn) （1）不完全微分PID控制 改進(jìn)原因：微分具有放大干擾信號(hào)的特點(diǎn)在PID控制中，對(duì)具有高頻擾動(dòng)的生產(chǎn)過程，微分作用響應(yīng)過于靈敏，容易引起控制過程振蕩。 改進(jìn)方法：串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，作為低通濾波器抑制高頻噪聲，組成不完全微分PID控制器。 兩種方式：直接串在微分項(xiàng)；串在PID調(diào)節(jié)器之后，如下圖。 )( tu

30、)(tu)(te)(sDfPID1s1)(ffTsD)( )()(tutudttduTf)()(1)()( 0dttdeTdtteTteKtutDIp)()(1)()()(0dttdeTdtteTteKtudttduTtDIpfTTTaTkekeTieTTkeKkukuataukuffDkiIP) 1()()()()( )( )1 () 1()(0一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)其拉氏反變換有：一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)因?yàn)镻ID調(diào)節(jié)器：離散化后有：式中：一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)由上式可以求得不完全微分PID控制的增量型控制算法。 不完全微分PID控制的效果： 抑制高頻噪聲。 克服純微分的不均勻性。

31、)2() 1(2)()()1()()( )( )1 () 1()(kekekeKkeKkekeKkukuakuakuDIP式中稱為微分系數(shù)稱為積分系數(shù)TTKKTTKKDPDIPI下圖，在 t=0時(shí)刻出現(xiàn)階躍信號(hào) tP ID U(k) tP ID U(k) (a)標(biāo)準(zhǔn)PID控制 (B)不完全微分PID控制一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) （2）微分先行PID控制算式 改進(jìn)原因：為避免給定值的升降給系統(tǒng)帶來沖擊，如超調(diào)過大，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作劇烈。 微分先行：把微分運(yùn)算放在前面，后面跟比例和積分運(yùn)算。 改進(jìn)方法：把微分提前，只對(duì)被控量y(t)微分，不對(duì)偏差e(t)微分。 r(t)u(t

32、)+_SrTSTDD11)11 (1STKPy(t)一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì) (3)時(shí)間最優(yōu)PID控制 最優(yōu)控制的含義：某個(gè)指標(biāo)最優(yōu)。 Bang-Bang控制，開關(guān)控制，對(duì)|u(t)|=1，采用一定的方法在1，1間切換，使時(shí)間最短。 時(shí)間最優(yōu)PID控制： Bang-Bang控制和PID控制 相結(jié)合。 控制，控制，PIDaBangBangakykrke)()()(一、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)(4)帶死區(qū)的PID控制算法 改進(jìn)原因：避免控制動(dòng)作過于頻繁 死區(qū)閾值 PID參數(shù)整定(略)H(s)r(t)p(k)y(t)+_e(k)執(zhí)行器u(t)y(t)對(duì)象二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) 數(shù)字控制器的離

33、散化設(shè)計(jì)技術(shù)采樣周期長(zhǎng)的或控制復(fù)雜的系統(tǒng)，直接使用采樣控制理論設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。其控制規(guī)律和算法更具有一般意義。 (一) 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟 Gc(s)：被控對(duì)象的傳遞函數(shù)， D(z)：數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)， H(s) 零階保持器的傳遞函數(shù)。D(z)H(s)r(t)e(t)u(k)y(t)+_e(k)Gc(s)u(t)TT二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)定義廣義對(duì)象(零階保持器與被控過程)的脈沖傳遞函數(shù)為:則上圖的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為： 于是有： 得:由此推得數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟。)(1)()(1)(zzzGzD)()(1)()()(zGzDzGzDz)(1)()()()()(sG

34、SeZsGsHZzAzBzGCTsC二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟: (1) 根據(jù)控制系統(tǒng)的 性能要求和其它約束條件，確定所需要的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) (z)。 (2) 求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。 (3) 確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。 (4) 根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計(jì)算公式。 二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)注意：注意： (z)可根據(jù)所需要的輸入及響應(yīng)性能確定。n D(z)的一般形式： n 數(shù)字控制的輸出U(z) n 進(jìn)行z反變換后，可得到計(jì)算機(jī)控制算法：)( ,1)()()(10mnzazbzEzUzDiniiimii)()()(00zUzazE

35、zbzUiniiimii)()()(00ikuaikebkuniimii二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) (二) 最少拍控制器的設(shè)計(jì) 最少拍控制：最少拍控制：就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到無(wú)靜差的穩(wěn)態(tài)，且其閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)是中N是可能情況下的最小正整數(shù)。 閉環(huán)脈沖 (z)，在N個(gè)周期后變?yōu)? NNzzzz2211)(二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)1、確定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) (z)(1)定義誤差脈沖傳遞函數(shù) 根據(jù)上圖有： 則有： 典型輸入： z變換為： )()()(zzRzEeqzzBzR)1 ()()(11)!1(1)(qtqtr)(1)()()()()()(zzRzYz

36、RzRzEze二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù)B(z)為不含1-z-1因子的z-1多項(xiàng)式。 q=1，輸入為單位階躍輸入函數(shù)， q=2，輸入為單位速度輸入函數(shù)， q=3，輸入為單位加速度輸入函數(shù)，（2)根據(jù)Z變換的終值定理，求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并使其為零（無(wú)靜差，即準(zhǔn)確性約束條件)。則有： 要使e( )=0，則必須： 則有： )()1 ()(1)(1zFzzzqe)()1 (1)(1)(1zFzzzqeppzfzfzfzF22111)()()()1 (lim)()1 (lim)(1111zzRzZEzeezz)()1 ()()1 (lim111zzzBzeqz二 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)技術(shù) （3)根

37、據(jù)最少拍控制，確定最少拍控值的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) (z) （快速性約束條件）根據(jù)上式可知， (z)中z -1的最高次冪為N=p+q，故系統(tǒng)在N拍可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 當(dāng)p=0時(shí)，系統(tǒng)可以在最少q拍達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 上述兩點(diǎn)可得最少拍控制器選 (z) 為： (4)最少拍控制器D(z)為： qzz)1 (1)(1qqzzGzzzzGzD)1)()1 (1)(1)()(1)(112 典型輸入下最少拍控制系統(tǒng)分析典型輸入下最少拍控制系統(tǒng)分析(1)單位階躍輸入（單位階躍輸入（q=1）輸入函數(shù)r(t)=1(t),其Z變換為：由上可知：因而有：所以有：#說明只需一拍輸出跟隨輸入說明只需一拍輸出跟隨輸入 111)(ZZR)

38、1 (1)(1ZZ21011e001)1 (11)(1)()(R(Z)E(Z)ZZZZZZZRZ3211111)()()(ZZZZZZZRZY（2 ）單位速度輸入（）單位速度輸入（q=2） 輸入函數(shù)r(t)=t的Z變換為：有：則：所以：#說明二拍輸出跟隨輸入。說明二拍輸出跟隨輸入。 211)1 ()(ZTZZR212112)1 (1)1 (1)(ZZZZZq121211)21 ()1 ()(1)()()()(TZZZZTZZZRZZRZEe431432)()()(TZTZTZZZRZY（3）單位加速度輸入（）單位加速度輸入（q=3）單位加速度輸入 r(t)=t2/2的Z變換為： 有：同理：可見

39、，只需三拍?？梢?，只需三拍。31112)1 (2)1 ()(ZZZTZR3213133)1 (1)(zZZZZ22122121)(ZTZTZE3最少拍控制器的局限性最少拍控制器的局限性（1）對(duì)典型輸入的適應(yīng)性差）對(duì)典型輸入的適應(yīng)性差52423222311122432212112113211211115 .1175 . 3)()1 (2)1 ()(21)(432)2()1 ()()1 ()()(212)()()(11)()( 1)(2)()(ZTZTZTZTZYZZZTZRttrTZTZTZZZZTZZYZTZZRttrZZZZZZZZRZYZZRttrZZzz等加速度輸入時(shí)：等速輸入時(shí)：階躍輸

40、入時(shí)：輸出如下：三種不同輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的：是按等速輸入設(shè)計(jì)時(shí)有例如：當(dāng)對(duì)于上述三種情況進(jìn)行Z反變換得輸出序列為：y y y1（2）最少拍控制器可實(shí)現(xiàn)問題）最少拍控制器可實(shí)現(xiàn)問題 設(shè)給定連續(xù)控制對(duì)象有d個(gè)采樣周期的純滯后，相當(dāng)于前面的廣義對(duì)象脈沖傳函為： 則所設(shè)計(jì)的閉環(huán)脈沖傳函（Z）中必須含有純滯后，且滯后時(shí)間至少要等于被控對(duì)象的滯后時(shí)間。否則系統(tǒng)的相應(yīng)超前被控對(duì)象的輸入，不可實(shí)現(xiàn)。0 1T 2T 3T 4T 5T t0 1T 2T 3T 4T 5T t0 1T 2T 3T 4T 5T tdZZAZBZG)()()(（3）穩(wěn)定性問題）穩(wěn)定性問題 前面討論沒有對(duì)G(Z)沒有提出約束，實(shí)踐上G(Z)必須

41、是穩(wěn)定的，且不含有純滯后環(huán)節(jié)時(shí)，下式才成立。如果G(Z)不穩(wěn)定則需對(duì)設(shè)計(jì)原則作相應(yīng)的限制。 D(Z)和G(Z)總是成對(duì)出現(xiàn)，但不用需零、極點(diǎn)相互對(duì)消。 )()(1)()()(ZGZDZGZDZ第四章 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) nGENIE組態(tài)軟件(研華專用)nMCGS(通用)應(yīng)用舉例: 預(yù)熔顆粒保護(hù)渣自動(dòng)稱量系統(tǒng)(一)工藝流程 研 磨 機(jī)變頻器電 機(jī)DJ111#儲(chǔ)料倉(cāng)J11 儲(chǔ)料倉(cāng)放料電磁閥J12上料位檢測(cè)下料位檢測(cè)螺旋給料機(jī)電子秤體壓力傳感器YL1 YL2DJ12DJ13電子秤放料電磁閥中間料倉(cāng)放料電磁閥中間料倉(cāng)(二)工控機(jī)系統(tǒng)硬件集成 D/AKBD-6307（鍵盤）FPM-38（顯示器）IPC-

42、610（機(jī)箱）PCA-6108-OB1（ 主 機(jī) ） PCA-6185EPSON-1600K （打印機(jī)） DI DI DO DOPCLD-885PCLD-8851#8# 儲(chǔ)料倉(cāng)上料位檢測(cè)1#8# 儲(chǔ)料倉(cāng)下料位檢測(cè)1#8# 變頻器鎖零控制1#8# 儲(chǔ)料倉(cāng)放料控制PCL-722（I/O板） A/D DI DOPCL-812PG（多功能板）MINI 11-100（壓力變送器）DRC（壓力傳感器）PCLD-885（繼電器輸出板）重量輸入研磨機(jī)位置檢測(cè)輸入電子秤放料控制中間料倉(cāng)放料控制研磨機(jī)給水控制1#8# 變頻器 V/F 端子PCL-727（D/A板）(三)程序流程圖YYNYNi =1（i表示被稱量物

43、料序號(hào)）i號(hào)物料低于儲(chǔ)料倉(cāng)下料位嗎？ i 號(hào)儲(chǔ)料倉(cāng)放料到上料位嗎？調(diào)用i號(hào)竅門程序進(jìn)行稱量i號(hào)物料配出量統(tǒng)計(jì) i = 8？i = i +1中間料倉(cāng)放料配出罐數(shù)統(tǒng)計(jì)給 水 控 制 開 始YN研磨機(jī)在中間料倉(cāng)下嗎？N 電子稱放料 第五章 集散控制系統(tǒng) 第一部分第一部分:系統(tǒng)總體概述系統(tǒng)總體概述 一 系統(tǒng)出現(xiàn)的背景 二 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 三 開放系統(tǒng) 四 集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 五 集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成要素 六 集散控制系統(tǒng)的優(yōu)越性 七 集散系統(tǒng)的發(fā)展與展望 第二部分第二部分: TDC-3000: TDC-3000集散系統(tǒng)集散系統(tǒng)第一部分:系統(tǒng)總體概述 一 系統(tǒng)出現(xiàn)的背景 集散控制系統(tǒng)（Total Distri

44、buted Microprocessor Control System）是七時(shí)年代中期發(fā)展起來的以微處理器為基礎(chǔ)的分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它是控制技術(shù)（Control）、計(jì)算機(jī)技術(shù)（computer）、通訊技術(shù)（Communication）和陰極射線管（CRT）圖形顯示技術(shù)想結(jié)合的產(chǎn)物，即是4C技術(shù)的結(jié)晶。當(dāng)今的集散系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)過程控制和管理，還具有綜合信息管理的能力。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)工藝日趨復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化提出了更高的要求： (1)人機(jī)聯(lián)系好，便于集中操作、監(jiān)視和管理大型現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)裝置。(2)在高度可靠的前提下，按預(yù)定的工藝指標(biāo)控制復(fù)雜的生

45、產(chǎn)過程。除了完成一般的單參數(shù)、單回路外，還應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)非線性、多變量相關(guān)控制等復(fù)雜的控制功能。(3)能與計(jì)算機(jī)和常規(guī)儀表相間容。(4)系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)方便靈活，不僅易于擴(kuò)展，而且模件化設(shè)備的數(shù)量最少，維修簡(jiǎn)單。(5)應(yīng)具有良好的性能價(jià)格比。 二 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 分散控制系統(tǒng)通常由過程控制單元、過程接口單元、CRT顯示操作站、管理計(jì)算機(jī)以及高速數(shù)據(jù)通路等五個(gè)主要部分組成。基本結(jié)構(gòu)如圖 n CRT操作站（操作者接口）管理計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)通路基本控制單元 1基本控制單元 n過程輸入/輸出接 口 過 程集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分為: 1.分散控制裝置分散控制裝置是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程間的界面。生產(chǎn)過程的各種過程變量

46、通過分散控制裝置轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而操作的各種信息也通過分散控制裝置送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。分散控制裝置內(nèi)，進(jìn)行A/D的相互轉(zhuǎn)換，完成控制算法的各種運(yùn)算，對(duì)輸入與輸出量進(jìn)行有關(guān)的軟件濾波及其它的一些運(yùn)算。2.操作管理裝置操作管理裝置 是操作人員與集散控制系統(tǒng)間的界面。操作人員通過操作管理裝置了解生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀況，并通過它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)在操作管理裝置上顯示，以便操作人員監(jiān)視和操作。3.通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 是分散過程控制裝置與操作管理裝置之間數(shù)據(jù)傳遞和交換的橋梁。 三 開放系統(tǒng) (一)可移植性（Portability）其它廠家的應(yīng)用軟件能很方便地在系統(tǒng)所提供的平臺(tái)上運(yùn)行，有時(shí)

47、可能有小的改動(dòng)，但從系統(tǒng)的應(yīng)用來看，各個(gè)制造廠集散控制系統(tǒng)的軟件有了可相互移植的可能。但軟件的可移植性也帶來了安全性的問題，為此必須有相應(yīng)的安全措施。(二)互操作性（Interoperability）網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，如，操作監(jiān)視站、集散過程控制站等，由于網(wǎng)絡(luò)的連接，使得在網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、資源和處理能力等被它所應(yīng)用（指不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通訊網(wǎng)相互連接起來；通過互連，能正確有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)的互通；并在此基礎(chǔ)上協(xié)同工作，共享資源，完成應(yīng)用的功能）。 (三)可適宜性可適宜性（Scalability）系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行要求變得更為寬松，在某些較低級(jí)別的系統(tǒng)中能運(yùn)行的應(yīng)用軟件也能在高級(jí)別的系統(tǒng)中運(yùn)行

48、，反之，系統(tǒng)軟件版本高的能適用于版本底的系統(tǒng)。(四)可得到性（Availability）系統(tǒng)的用戶可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行選擇，而不必考慮所購(gòu)買的產(chǎn)品能不能用在已購(gòu)的系統(tǒng)上（各制造廠的產(chǎn)品具有統(tǒng)一的通訊標(biāo)準(zhǔn)）。 四 集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) (一)分級(jí)遞階控制集散控制系統(tǒng)是分級(jí)遞階控制系統(tǒng)。它在垂直方向或水平方向都是分級(jí)的。最簡(jiǎn)單的集散控制系統(tǒng)至少垂直方向分為二級(jí)，即操作管理級(jí)和過程控制級(jí)。在水平方向上各個(gè)過程控制級(jí)之間相互協(xié)調(diào)的分級(jí)，它們把數(shù)據(jù)向上送達(dá)操作管理級(jí)，同時(shí)接受操作管理級(jí)的指令，各個(gè)水平級(jí)間也進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。集散控制系統(tǒng)的規(guī)模越大，系統(tǒng)的垂直和水平分級(jí)的范圍也越廣。 (二)分散控制 分散控制是集散控

49、制系統(tǒng)的另一特點(diǎn)，分散是針對(duì)集中而言的。國(guó)外對(duì)集散控制系統(tǒng)常稱為分散控制系統(tǒng)，即DCS。其原因是把分散控制放在十分重要的位置。(三)自治和協(xié)調(diào)性 集散控制系統(tǒng)的各組成部分是各自為政的自治系統(tǒng)，它們各自完成各自的功能，相互間又有聯(lián)系，數(shù)據(jù)信息相互交換，各種條件相互制約，在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下工作。n 分散的基礎(chǔ)是被分散的系統(tǒng)應(yīng)是自治的系統(tǒng)，遞階分級(jí)的基礎(chǔ)是被分級(jí)的系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。 五 集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成要素 集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征:1遞階控制結(jié)構(gòu) 對(duì)個(gè)子系統(tǒng)的控制按一定的優(yōu)先和從屬關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。它們形成金字塔式的結(jié)構(gòu)。同一級(jí)的各決策子系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)下級(jí)施加作用，同時(shí)又受上級(jí)的干預(yù)。子系統(tǒng)可以通過上級(jí)互

50、相交換信息。因此，稱集散控制系統(tǒng)具有遞階控制（Hierarchical control）結(jié)構(gòu)。 遞階控制的結(jié)構(gòu)形式有三種，它們是多層結(jié)構(gòu)、多級(jí)結(jié)構(gòu)和多重結(jié)構(gòu)。（1）多層結(jié)構(gòu)（Multiplayer Structure） 按系統(tǒng)中決策的復(fù)雜性分級(jí)。例如，對(duì)于一個(gè)存在不確定因素的復(fù)雜控制系統(tǒng)，控制功能的遞階分層可由四層實(shí)現(xiàn)。它們是： 直接控制層直接控制層：采用一般的簡(jiǎn)單控制。 優(yōu)化控制或監(jiān)視層優(yōu)化控制或監(jiān)視層：在一定的對(duì)象數(shù)學(xué)模型和參數(shù)已知的條件下，按優(yōu)化指標(biāo)確定直接控制層的控制器設(shè)定值。學(xué)習(xí)層或自適應(yīng)層：學(xué)習(xí)層或自適應(yīng)層：通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的觀測(cè)來辯識(shí)優(yōu)化層中所使用數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使模型和實(shí)際

51、過程盡量保持一致；自組織層：自組織層：按系統(tǒng)總控制目標(biāo)選擇下層所用模型結(jié)構(gòu)、控制策略等。當(dāng)目標(biāo)變化時(shí)，能自動(dòng)改變優(yōu)化層所用優(yōu)化性能指標(biāo)。當(dāng)辯識(shí)參數(shù)不滿意時(shí)，能自動(dòng)修改自適應(yīng)層的學(xué)習(xí)策略等。 按功能劃分的多層結(jié)構(gòu) 多級(jí)多目標(biāo)的結(jié)構(gòu)(2)多級(jí)結(jié)構(gòu)（Multilevel structure）為了減少同一級(jí)的各個(gè)子系統(tǒng)之間信息的交換和決策的沖突，在分散的各決策子系統(tǒng)上添加一級(jí)調(diào)節(jié)級(jí)，用于下級(jí)決策的協(xié)調(diào)和信息的交換。如上圖所示。()多重結(jié)構(gòu)（Stratified structure） 這是指用一組模型從不同角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述的多級(jí)結(jié)構(gòu)。集散控制系統(tǒng)需要處理復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，分散控制既有橫向的多級(jí)結(jié)構(gòu)又

52、有縱向的多層結(jié)構(gòu)，它的功能也決定了必須是遞階控制結(jié)構(gòu)。由于集散控制系統(tǒng)應(yīng)用于互相關(guān)聯(lián)的工業(yè)系統(tǒng)，它的決策不僅需要各個(gè)子系統(tǒng)的決策，還需要上級(jí)的協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)全局的優(yōu)化，這也說明集散控制系統(tǒng)必須采用遞階控制結(jié)構(gòu)。（）遞階控制結(jié)構(gòu)采用遞階控制結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活，容易改變，系統(tǒng)容量可以擴(kuò)大或縮小。 控制功能強(qiáng)，除了直接控制外，還有優(yōu)化控制、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自組織等功能。 降低了信息存儲(chǔ)量、計(jì)算量，減少了計(jì)算時(shí)間。 可設(shè)置備用子系統(tǒng)，降低了成本，提高可靠性。 各級(jí)的智能化進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。2分散控制結(jié)構(gòu) 分散控制結(jié)構(gòu)是針對(duì)集中控制可靠性差的缺點(diǎn)而提出的。與遞

53、階控制結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別是分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)自治（Autonomous）的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)可以是垂直型、水平型以及兩者混合的復(fù)合型。 集散控制系統(tǒng)的分散控制結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）組織人事的分散 集散控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要操作人員、管理人員。功能的分散與工廠的人員管理體制應(yīng)相適應(yīng)。為此，集散控制系統(tǒng)在組織人事的管理上采用了垂直分散的結(jié)構(gòu)。其上層以數(shù)據(jù)管理、調(diào)度為主，屬于全廠優(yōu)化和調(diào)度管理級(jí)和車間操作管理級(jí)。下層則進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和控制，屬于過程裝置控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。（2）地域分散 地域分散通常是水平型分散，當(dāng)被控對(duì)象分散在較大的區(qū)域，例如油灌區(qū)的控制，則集散控制系統(tǒng)就需要對(duì)控制系統(tǒng)在地域上進(jìn)

54、行分散設(shè)置。象各車間、工段因地理位置的因素，也有分散控制的需要。 （3）功能的分散 集散控制系統(tǒng)的分級(jí)是以功能的分散為依據(jù)的。按縱向分散，則可以分為直接控制、優(yōu)化控制、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)和自組織控制。按類型的分散，則可以分為常規(guī)控制、順序控制和批量控制?？紤]到分散功能之間盡量減少關(guān)聯(lián)，因此，通常采用的功能分散是：具有人機(jī)接口功能的集中操作站與具有過程接口功能的過程控制裝置的分散；過程控制裝置中控制功能的分散；按裝置或設(shè)備進(jìn)行的功能分配以及全局控制和個(gè)別控制之間的分散等。 （4）負(fù)荷的分散 集散控制系統(tǒng)中負(fù)荷的分散不是由于負(fù)荷能力不夠而進(jìn)行負(fù)荷分散。主要目的是危險(xiǎn)分散。 分散控制結(jié)構(gòu)是以良好的通信系

55、統(tǒng)為基礎(chǔ)的。過分的分散，使系統(tǒng)的通信量增大，響應(yīng)速度下降。同樣，過分的集中，因受微處理器處理速度限制而使信息得不到及時(shí)處理，造成響應(yīng)速度變慢。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性、響應(yīng)性、系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性等因素，集散控制系統(tǒng)縱向常分為34層。 3冗余化結(jié)構(gòu)（Redundant structure） 為了提高系統(tǒng)的可靠性，集散控制系統(tǒng)在重要設(shè)備、對(duì)全系統(tǒng)有影響的公共設(shè)備上常采用冗余結(jié)構(gòu)。常采用的冗余方式有： （1）同步運(yùn)行方式 （2）待機(jī)運(yùn)行方式 待機(jī)運(yùn)行方式的冗余結(jié)構(gòu)采用N臺(tái)同類設(shè)備，備用一臺(tái)后備設(shè)備，平時(shí)后備設(shè)備處于準(zhǔn)備狀態(tài)，為N 1備用系統(tǒng)。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備工作，一臺(tái)設(shè)備后備時(shí)，稱該系統(tǒng)為雙工系統(tǒng)，或1 1備用系

56、統(tǒng)。 集散控制系統(tǒng)中，根據(jù)裝置的重要性，采用了兩種待機(jī)方式。通信系統(tǒng)為了保證高的可靠性，通常采用1 1備用方式。當(dāng)發(fā)送站發(fā)出信息后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到接受站的響應(yīng)時(shí)，除了采用重發(fā)等差錯(cuò)控制外，也采用立即切入備用通信系統(tǒng)的方法。多路控制器常采用N 1備用方式，N的數(shù)量與制造廠產(chǎn)品特性有關(guān)。（3）后退運(yùn)轉(zhuǎn)方式 正常時(shí)，N臺(tái)設(shè)備各自分擔(dān)各自功能以進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)其中一臺(tái)設(shè)備損壞時(shí)，其余設(shè)備放棄部分不重要功能，以此來完成損壞設(shè)備的功能，這種方式稱為后退備用方式。這種方式的應(yīng)用例子是CRT和操作站。通常，采用2臺(tái)或3臺(tái)操作站。通過分工，可以讓第一臺(tái)用于監(jiān)視，第二臺(tái)用于操作，第三臺(tái)用于報(bào)警。當(dāng)任一臺(tái)故障時(shí)，監(jiān)視

57、和操作功能在正常操作臺(tái)上完成。而當(dāng)系統(tǒng)開、停車或緊急事故狀態(tài)，這三臺(tái)操作站都可用于監(jiān)視或操作。（4）多級(jí)操作方式 多級(jí)操作方式是一種縱向冗余的方法。正常操作是從最高一層進(jìn)行的。如該層故障則由下一層完成，這樣逐步向下形成對(duì)最終元件執(zhí)行器的控制。 六 集散控制系統(tǒng)的優(yōu)越性集散系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在： （1）控制功能完善：）控制功能完善：可以完成從簡(jiǎn)單的單回路控制到復(fù)雜的多變量模型優(yōu)化控制；可以執(zhí)行從常規(guī)PID運(yùn)算到Smith預(yù)估補(bǔ)償、矩陣運(yùn)算等各種運(yùn)算；可以進(jìn)行連續(xù)的反饋控制，也可以進(jìn)行間斷的批量控制、邏輯控制；可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、顯示、打印、報(bào)警和存儲(chǔ)等日常全部操作要求。 （2）完善的人）完善的人-機(jī)聯(lián)系

58、和集中監(jiān)控功能：機(jī)聯(lián)系和集中監(jiān)控功能：操作人員通過CRT和操作鍵盤，可以監(jiān)視整個(gè)的生產(chǎn)情況，按預(yù)定的控制策略組態(tài)不同的控制回路，實(shí)現(xiàn)真正的集中操作和監(jiān)控管理。 （3）系統(tǒng)擴(kuò)展靈活：）系統(tǒng)擴(kuò)展靈活：采用模塊式結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大、縮小方便。有利于分批投資、分批受益。 （4）可靠性高）可靠性高 危險(xiǎn)分散危險(xiǎn)分散：系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備雙重或多重冗余，還設(shè)有無(wú)中斷自動(dòng)控制系統(tǒng)（即自動(dòng)備用系統(tǒng)）和完善的自診斷功能。平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF達(dá)105天，系統(tǒng)的利用率A達(dá)99.9999%。 （5）安裝調(diào)試簡(jiǎn)單：）安裝調(diào)試簡(jiǎn)單： 安裝工作量?jī)H為常規(guī)儀表的1/22/3。系統(tǒng)采用專用軟件進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時(shí)間僅為常規(guī)儀表的1/2。 （

59、6）具有良好的性能價(jià)格比：）具有良好的性能價(jià)格比： 國(guó)外80個(gè)控制回路的生產(chǎn)過程采用集散系統(tǒng)的投資已與常規(guī)模擬儀表相當(dāng)。且規(guī)模越大，平均每個(gè)回路的投資費(fèi)用越省。 七 集散系統(tǒng)的發(fā)展與展望(一一)集散系統(tǒng)的發(fā)展集散系統(tǒng)的發(fā)展 集散控制系統(tǒng)是70年代發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)，由于它具有眾多的優(yōu)越性，目前已廣泛應(yīng)用于冶金、紡織、石油化工、電力、食品等工業(yè)部門，具有廣泛的發(fā)展前景。發(fā)展歷程大致分為三個(gè)時(shí)期：19751980年為初創(chuàng)期，19801985年為成熟期，1985以后為擴(kuò)展期。(二)集散系統(tǒng)的展望集散系統(tǒng)的展望 發(fā)展方向：發(fā)展方向：過程控制自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、辦公室自動(dòng)化和經(jīng)營(yíng)管理自動(dòng)化相結(jié)合的

60、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，即CIM系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing）。 從集散系統(tǒng)規(guī)?？矗簭募⑾到y(tǒng)規(guī)?？矗捍罅啃⌒陀?jì)算機(jī)和廉價(jià)的可編程控制器開始起著大型DCS的作用，因此，可靠、廉價(jià)的Micro DCS將具有強(qiáng)大的吸引力，但并不排斥某些工廠中大型DCS仍起著主導(dǎo)作用。 從銷售的角度看從銷售的角度看：DCS系統(tǒng)成套服務(wù)（System IntegrationSI）正異軍突起，由DCS硬件銷售為主的狀況轉(zhuǎn)入從工程項(xiàng)目出發(fā)的成套服務(wù)，包括軟件服務(wù)、傳感器、變送器安裝維護(hù)的全套服務(wù)。 ( (三三) )我國(guó)集散系統(tǒng)的發(fā)展概況（見下表）我國(guó)集散系統(tǒng)的發(fā)展概況（見下表） 本