數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)組成及類型

1、第二章計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)組成及類型2.1計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)圖2-1計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的測試、控制的系統(tǒng)。其組成框圖如圖2-1所示。操作人員主機(jī)是計(jì)算機(jī)的測控系統(tǒng)的中心。主機(jī)由的系統(tǒng)板上裝有微處理器、內(nèi)存貯器和一些支持元件組成。外部設(shè)備是計(jì)算機(jī)專用的輸入輸出設(shè)備。主要有：鍵盤、打印機(jī)、視頻顯示器、外存貯器（軟盤、硬盤、磁帶、可讀寫光盤等）。外部設(shè)備起人機(jī)聯(lián)系的作用，通過它人工才能了解和干預(yù)生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)是由主機(jī)和外部設(shè)備組成。外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中生產(chǎn)過程信號輸入輸出通道。輸入通道包括模擬量輸入、開關(guān)量輸入和脈沖量輸入通道。輸出通道包括模擬量輸出

2、、數(shù)字量輸出、脈沖量輸出、報(bào)警通道和時鐘通道。由計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備組成了工業(yè)控制機(jī)。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，如溫度、壓力、流量、位移、成分等，通過傳感器的測量輸給外圍設(shè)備的輸入通道。控制部件則通過接收外圍設(shè)備的輸出通道的信號來控制生產(chǎn)過程。用工業(yè)控制機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行測控就組成了計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)。主機(jī)、外部、外圍和測控儀器儀表，是計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的硬件部分。除硬件部分之外，還必須配備相應(yīng)的軟件。計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的軟件可分系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)本身的操作系統(tǒng)和監(jiān)控程序，它有一定的通用性，由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家提供。應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程測控的應(yīng)用程序，也稱用戶程序，它具有專用性，由用戶根據(jù)具體需要編制

3、。由常規(guī)測控儀器儀表構(gòu)成的模擬測控系統(tǒng)，雖具有可靠性高、成本低、易于維護(hù)操作的優(yōu)點(diǎn)，但是它難以實(shí)現(xiàn)多變量測控、復(fù)雜控制規(guī)律的控制，如最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制，時變控制；模擬控制屏越來越長，難以實(shí)現(xiàn)集中控制；各分子系統(tǒng)之間不便于進(jìn)行通訊聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)多級控制；控制方案的修改比較麻煩。計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)則能很好地解決上述問題。計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)不僅能完成模擬測控系統(tǒng)的所有功能，而且還具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)測控的速度和精度高；(2)由于計(jì)算機(jī)具有分時操作功能，所以一臺計(jì)算機(jī)可以代替多臺常規(guī)測控裝置；(3)由于計(jì)算機(jī)具有記憶和邏輯判斷功能，所以能夠綜合生產(chǎn)過程各方面的情況，在工藝參數(shù)變化時能及時地作出判斷，選擇最優(yōu)

4、控制。正因?yàn)橛?jì)算機(jī)測控系統(tǒng)具有上述特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛。2.2計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的基本類型計(jì)算機(jī)參與生產(chǎn)過程的控制有各種不同的控制方案，從應(yīng)用特點(diǎn)和控制目的出發(fā)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制方案有以下幾種：(1)巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖2-2所示。通過一次儀表檢測生產(chǎn)過程的參數(shù)，經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換，將生產(chǎn)過程的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，和生產(chǎn)過程的數(shù)字量一起送入計(jì)算機(jī)；然后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，如數(shù)字濾波、數(shù)字標(biāo)度變換，非線性補(bǔ)償、超限判斷等；計(jì)算機(jī)定時顯示和打印，或按操作者的要求隨時打印和顯示，并在出現(xiàn)異常情況時通過發(fā)聲發(fā)光進(jìn)行報(bào)警。由于計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)

5、算能力，所以能及時幫助操作者了解生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，并系統(tǒng)地提供生產(chǎn)過程的運(yùn)行資料。圖2-2巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(2)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)是在巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。其原理如圖2-3所示。圖2-3操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，檢測生產(chǎn)過程，并按控制要求計(jì)算出各控制量的設(shè)定調(diào)節(jié)值，以及開關(guān)的開閉，然后通過顯示器顯示或打印機(jī)打印輸出，操作者按照這些數(shù)據(jù)去改變各執(zhí)行器的設(shè)定值，或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及開關(guān)的開閉，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制。計(jì)算機(jī)的輸出不直接控制生產(chǎn)過程，只為操作者提供控制生產(chǎn)過程的參考，控制生產(chǎn)過程的各種命令

6、由操作者給出。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活、安全。計(jì)算機(jī)給出的操作指導(dǎo)，操作者如果認(rèn)為不合適可以不采納。因此，這種控制系統(tǒng)特別適合于控制規(guī)律尚不甚清楚的生產(chǎn)過程。其缺點(diǎn)是仍要人工操作，速度受到限止。(3)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)是在巡回檢測和數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其原理如圖2-4所示。設(shè)定值圖2-4直接數(shù)字控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程中各參數(shù)經(jīng)計(jì)算機(jī)測量和數(shù)據(jù)處理以后，以數(shù)字形式輸出控制值。直接調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，以控制生產(chǎn)過程，稱“直接數(shù)字控制”，簡稱“DDC。DDC系統(tǒng)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)控制的主要形式，它不僅能實(shí)現(xiàn)多個回路的反饋控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)前饋控制、串級控制、選擇性控制等新型的控制規(guī)律

7、。除實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID控制外，還可自動優(yōu)選PID參數(shù)，增加自動啟停、自動故障處理。順序控制和聯(lián)鎖控制等自動化操作功能。但是這種形式要求計(jì)算機(jī)可靠性能要高，否則會直接影響生產(chǎn)。(4)監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，雖然它和操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)一樣，計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程不進(jìn)行直接控制，但是它的計(jì)算機(jī)的輸出經(jīng)輸出通道對調(diào)節(jié)器或DDC系統(tǒng)的給定值一進(jìn)行調(diào)整；從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制，其原理如圖2-5所示。圖2-5監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)的主要功能：計(jì)算最佳設(shè)定值；在線修正數(shù)學(xué)模型，監(jiān)督控制。其工作過程為：根據(jù)“外圍”和“外部”送來的各種檢測參數(shù)、過程狀態(tài)及控制信息，按照其數(shù)學(xué)模型和最

8、佳設(shè)定計(jì)算程序，快速地計(jì)算出當(dāng)時工藝條件下的最佳設(shè)定值，并及時地送給模擬調(diào)節(jié)器或下一級直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以使后者對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。（5）多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是指企業(yè)經(jīng)營管理和生產(chǎn)過程控制分別由多級計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，各級之間既有分工又有密切的聯(lián)系。多級控制可使工業(yè)控制機(jī)小型化，系統(tǒng)成本降低，可靠性提高。圖2-6為多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡圖。這是一個三級系統(tǒng)，即經(jīng)營管理級（MIS）、監(jiān)督控制級（SCC和直接數(shù)字控制級（DDC。其中生產(chǎn)管理級視企業(yè)規(guī)模大小又可分為幾級，如公司、工廠、車間三個生產(chǎn)管理級。生產(chǎn)管理級主要任務(wù)為：制定生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度，指揮scca的工作。其中公司管理級主要

9、任務(wù)為：對產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測；制定長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃；根據(jù)定貨要求，原料供應(yīng)和企業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算；制定長期生產(chǎn)、銷售和產(chǎn)品外運(yùn)計(jì)劃；向工廠管理級布置生產(chǎn)任務(wù)，同時根據(jù)工廠管理級匯報(bào)情況定期修定已定計(jì)劃。工廠管理級主要任務(wù)為：根據(jù)公司管理級下達(dá)的任務(wù)和本廠實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算；制定本廠生產(chǎn)計(jì)劃和短期任務(wù)安排，下達(dá)到車間管理級。車間管理級主要任務(wù)為：根據(jù)工廠管理級下達(dá)的短期生產(chǎn)任務(wù)，并參考從SCC級收集上來的信息隨時進(jìn)行最優(yōu)調(diào)度，指揮SCC級的工作。監(jiān)督控制級主要任務(wù)為：收集數(shù)據(jù)；數(shù)學(xué)模型計(jì)算；調(diào)整DDCa設(shè)定值；DDCa控制效果也不斷反饋到SCCa。直接數(shù)字控制級是直接控制生產(chǎn)過程，計(jì)算機(jī)主要取代了模擬調(diào)節(jié)器和各種控制規(guī)律；組成閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。MIS級一般都用中型機(jī)，要求進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的能力強(qiáng)，內(nèi)存和外存容量大，通常都設(shè)置數(shù)據(jù)庫。SCO和DDO可以用微機(jī)或小型機(jī)，DDO一般用微機(jī)。多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通訊方式一般有三種：電纜數(shù)據(jù)并行傳輸：其傳輸速度高，但用電纜太長；電話線數(shù)據(jù)串行傳輸：其傳輸速度低；數(shù)據(jù)公路傳輸：用環(huán)形數(shù)據(jù)線，中間設(shè)立許多數(shù)據(jù)站，數(shù)據(jù)站再和外設(shè)、計(jì)算機(jī)相連接，形成數(shù)據(jù)公路。多級綜合性過程控制系統(tǒng)目前已作為一門系統(tǒng)工程學(xué)科進(jìn)行研究。由于多級控制系統(tǒng)在過程參數(shù)檢測、數(shù)學(xué)模型的建立，以及控制軟件的研制方面還存在一系列有待解決的問題，因此，目前多級控制的水平還不高，大