計算機控制教案

計算機控制系統(tǒng)概述一、總論計算機控制系統(tǒng)是自動控制理論、自動化技術與計算機技術緊密結合的產(chǎn)物?？刂评碚摰陌l(fā)展，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，與計算機技術息息相關。利用計算機快速強大的數(shù)值計算、邏輯判斷等信息加工能力，計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)比常規(guī)控制更復雜、更全面的控制方案。計算機為現(xiàn)代控制理論的應用提供了有力的工具。同時，計算機控制系統(tǒng)應用于工業(yè)控制領域提出來一系列理論與工程上的問題，又進一步推動了控制理論和計算機技術的發(fā)展。計算機技術在控制領域中的應用，還有力地推動了自動控制技術的發(fā)展，大大擴展了控制技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用范圍，特別是使復雜的、大規(guī)模的自動化系統(tǒng)與過程發(fā)展到了一個嶄新的階段。二、計算機控制系統(tǒng)及其組成計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機IPC)來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。1、計算機控制系統(tǒng)的工作原理圖1計算機控制系統(tǒng)原理圖計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為三個步驟：(1)、實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。(2)、實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按預定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。(3)、實時控制輸出：根據(jù)控制決策，實時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質指標進行工作，并對被控量和設備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理。在一般的模擬控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是山硬件電路產(chǎn)生的，要改變控制規(guī)律就要更改硬件電路。而在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件實現(xiàn)的，計算機執(zhí)行預定的控制程序，就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。因此，要改變控制規(guī)律，只要改變控制程序就可以了。這就使控制系統(tǒng)的設計更加靈活方便。特別是可以利用計算機強大的計算、邏輯判斷、記憶、信息傳遞能力，實現(xiàn)更為復雜的控制規(guī)律，如非線性控制、邏輯控制、自適應控制、自學習控制及智能控制等。2、在線方式和離線方式：在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式：生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。3、實時的含義：

實時性是指工業(yè)控制計算機系統(tǒng)應該具有的能夠在限定的時間內(nèi)對外來事件做出反應的特性。在具體地確定這里所說的限定時間時，主要考慮兩個要素：一是根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的事件能夠保持多長的時間；二是該事件要求計算機在多長的時間以內(nèi)必須做出反應，否則，將對生產(chǎn)過程造成影響甚至造成損害。可見，實時性是相對的。實時性一般都要求計算機具有多任務處理能力，以便將測控任務分解成若干并行執(zhí)行的多個任務，加速程序執(zhí)行速度?？梢园涯切┳兓⒉伙@著，即使不立即作出反應也不至于造成影響或損害的事件，作為順序執(zhí)行的任務，按照一定的巡檢周期有規(guī)律地執(zhí)行，而把那些保持時間很短且需要計算機立即作出反應的事件，作為中斷請求源或事件觸發(fā)信號，為其專門編寫程序，以便在該類事件一旦出現(xiàn)時計算機能夠立即響應。如果山于測控范圍龐大，變量繁多，這樣分配仍然不能保證所要求的實時性時,則表明計算機的資源已經(jīng)不夠使用，只得對結構進行重新設計，或者提高計算機的檔次。實時的概念不能脫離具體過程，一個在線的系統(tǒng)不一定是一個實時系統(tǒng)，但一個實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。4、計算機控制系統(tǒng)組成計算機控制系統(tǒng)山計算機和工業(yè)對象組成。計算機是計算機控制系統(tǒng)中的核心裝置，是系統(tǒng)中信號處理和決策的機構，它相當于控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。計算機控制系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。（1）、硬件組成計算機控制系統(tǒng)的硬件主要由主機、外部設備、過程輸入輸出設備和被控對象組成，如圖2所示。一外部設備一^主機卜過程輸入輸出設備司通信設備Uh*接口鍵盤一接口打印機一接口系統(tǒng)總線CPU就接口一開關輸入接口開關輸出被控對象圖2計算機控制系統(tǒng)的硬件組成框圖①、主機由中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲器（RAM和ROM）通過系統(tǒng)總線連接的主機是計算機的核心，也是整個控制系統(tǒng)的核心。它按照預先存放在內(nèi)存中的程序、指令，不斷通過過程輸入設備獲取反映被控對象運行工況的信息，并按程序中規(guī)定的控制算法，或操作人員通過鍵盤輸入的操作命令自動地進行運算和判斷，及時地產(chǎn)生并通過過程輸出設備向被控對象發(fā)出相應控制命令，以實現(xiàn)對被控對象的自動控制目標。②、外部設備常用的外部設備有4類：輸入設備、輸出設備、外存儲器和通信設備。

輸入設備：常用的是鍵盤，用來輸入（或修改）程序、數(shù)據(jù)和操作命令。輸出設備：通常有打印機、CRT顯示器等，它們以字符、曲線、表格、圖形等形式來反映被控對象的運行工況和有關控制信息。外存儲器：通常是磁盤（包括硬盤和軟盤）。它們兼有輸入和輸出兩種功能，用來存放程序和數(shù)據(jù)，作為內(nèi)存儲器的后備存儲器。通信設備：用來與其他相關計算機控制系統(tǒng)或計算機管理系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)通信，形成規(guī)模更大、功能更強的網(wǎng)絡分布式計算機控制系統(tǒng)。以上這些常規(guī)的外部設備通過接口與主機連接便構成具有科學計算和信息處理功能的通用計算機，但是這樣的計算機不能直接用于控制。如果用于控制，還需要配備過程輸入輸出設備構成計算機控制系統(tǒng)。③、過程輸入輸出設備過程輸入輸出（簡稱I/O）設備是計算機與被控對象之間信息聯(lián)系的橋梁和紐帶，計算機與被控對象之間的信息傳遞都是通過I/O設備進行的。I/O設備分為過程輸入設備和過程輸出設備。過程輸入設備：包括模擬輸入通道（簡稱A/D通道）和開關量輸入通道（簡稱DI通道），分別用來將測量儀表測得的被控對象各種參數(shù)的模擬信號和反映被控對象狀態(tài)的開關量或數(shù)字信號輸入計算機。過程輸出設備：包括模擬輸出通道（簡稱D/A通道）和開關量輸出通道（簡稱DO通道）。D/A通道將計算機產(chǎn)生的數(shù)字控制信號轉換為模擬信號，再經(jīng)保持器后輸出，驅動執(zhí)行裝置對被控對象實施控制；DO通道將計算機產(chǎn)生的開關量控制命令直接輸出驅動相應的開關動作。④、被控對象一般來說，被控對象是連續(xù)模擬環(huán)節(jié)，而計算機輸出數(shù)字信號，該信號經(jīng)D/A轉換、保持器后成為連續(xù)信號，加到被控對象上。在以后的分析中，我們將保持器、執(zhí)行機構以及被控對象看作一個整體，稱為廣義被控對象。（2）,軟件組成上述硬件構成的計算機控制系統(tǒng)只是一個硬件系統(tǒng)，還必須配備相應的軟件系統(tǒng)才能實現(xiàn)預期的各種自動化功能。軟件是計算機工作程序的統(tǒng)稱，軟件系統(tǒng)亦即程序系統(tǒng)，是實現(xiàn)預期信息處理功能的各種程序的集合。計算機控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的優(yōu)劣不僅關系到硬件功能的發(fā)揮，而且也關系到控制系統(tǒng)的控制品質和操作管理水平。計算機控制系統(tǒng)的軟件通常由系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大軟件組成。①、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件即計算機通用性軟件，主要包括數(shù)據(jù)結構、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和一些公共服務軟件（如各種計算機語言編譯、程序診斷以及網(wǎng)絡通信等軟件）。系統(tǒng)軟件通常由計算機廠家和軟件公司研制，可以從市場上購置。計算機控制系統(tǒng)設計人員一般沒有必要研制系統(tǒng)軟件，但是需要了解和學會使用系統(tǒng)軟件，以便更好地開發(fā)應用軟件。②、應用軟件應用軟件是計算機在系統(tǒng)軟件支持下實現(xiàn)各種應用功能的專用程序。計算機控制系統(tǒng)的應用軟件一般包括控制程序，過程輸入輸出接口程序，人機接口程序，顯示、打印、報警和故障聯(lián)鎖程序等。一般情況下，應用軟件由計算機控制系統(tǒng)設計人員根據(jù)所確定的硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境來開發(fā)編寫。應當指出，計算機控制系統(tǒng)中的控制計算機（簡稱控制機或工控機）跟通

常用作信息處理的通用計算機（如PC機），不僅在結構上而且在技術性能方面都有較大差別。由于控制機要對被控對象進行實時控制和監(jiān)視，需要不間斷長期可靠地工作，而且其工作環(huán)境一般都較惡劣，所以控制機不僅需要配置過程輸入輸出設備實現(xiàn)與被控對象之間的信息聯(lián)系，而且還必須具有實時響應能力和很強的抗干擾能力以及很高的可靠性。三、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展20世紀50年代初，計算機就開始用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制?？刂评碚撆c計算機的結合，產(chǎn)生了新型的計算機控制系統(tǒng)。為自動控制系統(tǒng)的應用與發(fā)展開辟了新途徑。1965年到1969年是計算機控制進入實用普及的階段。1970年以后控制進入了大量推廣分級控制階段。20世紀90年代后，計算機控制系統(tǒng)進一步完善、應用更加普及、價格不斷下降的同時，功能卻更加豐富，性能亦更加可靠?？梢灶A料的是，計算機控制技術將會隨著計算機技術與自動控制技術的發(fā)展而飛速發(fā)展，給國民經(jīng)濟帶來巨大的經(jīng)濟效益。作業(yè)：1、簡述計算機控制系統(tǒng)的工作原理。2、計算機控制系統(tǒng)是由哪兩部分組成?請分別說明。計算機控制系統(tǒng)的類型計算機控制系統(tǒng)按功能及結構大致可以分為以下幾種典型的形式。1、操作指導控制系統(tǒng)(OperationalInformationSystem,簡稱OIS)圖1操作指導控制系統(tǒng)該系統(tǒng)不僅具有數(shù)據(jù)采集和處理的功能，而且能夠為操作人員提供反映生產(chǎn)過程工況的各種數(shù)據(jù)，并相應地給出操作指導信息，供操作人員參考。該控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結構。計算機根據(jù)一定的控制算法(數(shù)學模型),依賴測量元件測得的信號數(shù)據(jù)，計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)計算機的輸出信息，如CRT顯示圖形或數(shù)據(jù)、打印機輸出等去改變調節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機構。操作指導控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單，控制靈活和安全。缺點是要山人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl,簡稱DDC)圖2直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖計算機首先通過模擬量輸入通道(AI)和開關量輸入通道(DI)實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過模擬量輸出通道(AO)和開關量輸出通道(DO)直接控制生產(chǎn)過程。DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用方式。山于DDC系統(tǒng)中的計算機直接承擔控制任務，所以要求實時性好、可靠性高和適應性強。為了充分發(fā)揮計算機的利用率，一臺計算機通常要控制幾個或幾十個回路，那就要合理地設計應用軟件，使之不失時機地完成所有功能。3、監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC(SupervisoryComputerControl)計算機根據(jù)原始工藝信息和其他參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其他方法，自動地改變模擬/數(shù)字調節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的計算機中的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(如保持高質量、高效率、低消耗、低成本等等)。從這個角度上說，它的作用是改變給定值，所以又稱設定值控制SPC(SetPointControl)o

監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種不同的結構形式。(1)SCC+模擬/數(shù)字調節(jié)器的控制系統(tǒng)圖3SCC+模擬/數(shù)字調節(jié)器系統(tǒng)該系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)對各物理量進行巡回檢測，并按一定的數(shù)學模型對生產(chǎn)工況進行分析、計算后得出控制對象各參數(shù)最優(yōu)給定值送給調節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當SCC計算機出現(xiàn)故障時，可由模擬/數(shù)字調節(jié)器獨立完成操作。(2)、SCC+DDC的分級控制系統(tǒng)圖4SCC+DDC系統(tǒng)這實際上是一個二級控制系統(tǒng)，SCC可采用高檔計算機，它與DDC之間通過通信接口進行通信聯(lián)系。SCC計算機可完成工段、車間高一級的最優(yōu)化分析和計算，并給出最優(yōu)給定值，送給DDC級執(zhí)行過程控制。當DDC級計算出現(xiàn)故障時，可由SCC計算機完成DDC的控制功能，使系統(tǒng)可靠性得到提高。4、集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,簡稱DCS)該系統(tǒng)是運用計算機通信技術，山多臺計算機通過通信網(wǎng)互相連接而成的控制系統(tǒng)，因而它具有網(wǎng)絡分布結構。DCS采用分散控制、集中管理、分而自治和綜合協(xié)調的設計思想，將工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過程控制、監(jiān)督、協(xié)調與各項生產(chǎn)經(jīng)營管理工作融為一體，由DCS中各子系統(tǒng)協(xié)調有序地進行，從而實現(xiàn)管理、控制一體化。系統(tǒng)功能自下而上分為過程控制級(或裝置級)、控制管理級(或車間級)、生產(chǎn)經(jīng)營管理級(或企業(yè)級)等，每級由一臺或數(shù)臺計算機構成，各級之間通過通信網(wǎng)連接。圖5DCS控制系統(tǒng)其中過程控制級由若干現(xiàn)場控制計算機(又稱現(xiàn)場控制單元/站)對各個生產(chǎn)裝置直接進行數(shù)據(jù)采集和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和DDC功能；控制管理級對各個現(xiàn)場控制計算機的工作進行監(jiān)督、協(xié)調和優(yōu)化；生產(chǎn)經(jīng)營管理級執(zhí)行對全廠各個生產(chǎn)管理部門監(jiān)督、協(xié)調和綜合優(yōu)化管理，主要包括生產(chǎn)調度、各種計劃管理、輔助決策以及生產(chǎn)經(jīng)營活動信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和綜合分析等。DCS具有整體安全性，可靠性高；系統(tǒng)功能豐富多樣；系統(tǒng)設計、安裝、維護、擴展方便靈活；生產(chǎn)經(jīng)營活動的信息數(shù)據(jù)獲取、傳遞和處理快捷及時；操作、監(jiān)視簡便等優(yōu)點，可以實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)管理、控制一體化，提高工業(yè)企業(yè)的綜合自動化水平，增強生產(chǎn)經(jīng)營的靈活性和綜合管理的動態(tài)優(yōu)化能力，從而可以使工業(yè)企業(yè)獲取更大的經(jīng)濟和社會效益。DCS自20世紀70年代中期出現(xiàn)以來，其技術和應用發(fā)展很快，如今已成為計算機工業(yè)控制系統(tǒng)的主流，也代表了今后工業(yè)企業(yè)綜合自動化的發(fā)展方向。5、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem,簡稱FCS)是新一代分布式控制結構。20世紀80年代發(fā)展起來的DCS,其結構模式為“操作站——控制站一現(xiàn)場儀表”三層結構，系統(tǒng)成本較高，且各廠商的DCS有各自的標準，不能互聯(lián)。FCS與DCS不同，它的結構模式為“工作站一現(xiàn)場總線智能儀表”二層結構，F(xiàn)CS用二層結構完成了DCS中的三層結構功能，降低了成本，提高了可靠性，國際標準統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正的開放式互聯(lián)系統(tǒng)結構。6、PLC+上位機系統(tǒng)可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,簡稱PLC)最初是用計算機的邏輯運算功能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接線邏輯(或稱繼電器邏輯)而設計的一種小型的計算機控制系統(tǒng)。但是嚴格來講，PLC并不能稱作是系統(tǒng)，因為它在運行時并不需要人工的干預，因此也沒有計算機系統(tǒng)通常都包括的人機界面設備，最多只有一些狀態(tài)指示燈，以表示設備運行狀態(tài)，供現(xiàn)場維修、診斷用。PLC所完成的是邏輯控制，它根據(jù)各種輸入狀態(tài)，經(jīng)過邏輯判斷和邏輯運算，得出控制輸出，并進行輸出實施控制。另外，PLC還可以通過預先編制控制程序實現(xiàn)順序控制，用PLC代替繼電器邏輯，大大提高了控制實現(xiàn)的靈活性和功能，并使控制的可靠性提高了，因為它用電子元件的運行代替了機械的動作，免除了機械的磨損和機械動作部分的材料疲勞。現(xiàn)在出現(xiàn)了用數(shù)據(jù)高速公路(DataHighway,DH)將眾多PLC互聯(lián)起來，而形成的較大控制系統(tǒng)。僅有邏輯的功能J不能滿足要求，而需要擴充數(shù)值控制的功能。為了滿足上述要求，各PLC廠家做了大量工作，分別推出自己的以PLC為主的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與單個的PLC相比有幾點重大的改變。①、在數(shù)據(jù)高速公路上掛接了在線的通用計算機，其作用一是可以實現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下載，二是可以在線地監(jiān)視被控過程的狀態(tài)，這樣一個具有現(xiàn)場控制層和協(xié)調控制層的DCS雛形就出現(xiàn)了。②、在PLC中增加了數(shù)值量的I/O接口和數(shù)值處理計算功能，這樣，PLC就不僅可以完成邏輯控制功能，也可以完成數(shù)值控制功能和混合控制功能。③、越來越多的PLC廠家把專用的數(shù)據(jù)高速公路改成為通用的網(wǎng)絡，并逐步將PLC之間的通信規(guī)約向通用的網(wǎng)絡通信規(guī)約靠攏，這樣就使PLC有條件和其他各種計算機系統(tǒng)和設備實現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)。在很多應用領域已經(jīng)達到可與傳統(tǒng)的DCS相競爭的水平。7、現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)是以經(jīng)濟指標為目標，以生產(chǎn)過程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理為核心技術，實現(xiàn)在線成本的預測、控制和反饋校正，以形成生產(chǎn)成本控制中心，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化運行；實施生產(chǎn)全過程的優(yōu)化調度、統(tǒng)一指揮，以形成生產(chǎn)指揮中心，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制；實現(xiàn)生產(chǎn)過程的質量跟蹤、安全監(jiān)控，以形成質量管理體系和設備保證體系，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。因此，現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)一般來說是一個多層次遞階的集成系統(tǒng)，通常分為如圖6所示的ERP/MES/PCS/三層模型結構，即劃分為考慮牛.產(chǎn)過程問題的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS(ProcessControlSystem)；考慮企業(yè)層面經(jīng)營管理問題的企業(yè)資源計劃ERP(EnterpriseResourcePlanning)系統(tǒng)以及同時考慮生產(chǎn)與管理結合問題的中間層生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES(ManufacturingExecutionSystem,又稱制造執(zhí)行系統(tǒng))三個層次。業(yè)資源計劃ERP(.(EnterpriseResourcePlanning).)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES(ManufacturingExecutionSystem)過程控制系統(tǒng)CPS

(ProcessControlSystem)圖6現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)分層模型(1)、ERP企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP企業(yè)資源計劃系統(tǒng)包括人力資源管理、財務管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、生

產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)作業(yè)計劃管理等企業(yè)經(jīng)營管理功能，對企業(yè)各種資源進行有效管理。（2）,MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)是處于計劃層與控制層之間的執(zhí)行層，起到對由生產(chǎn)過程產(chǎn)生的信息以及由經(jīng)營管理和生產(chǎn)管理活動中產(chǎn)生的信息進行轉換、加工、傳遞的作用，是生產(chǎn)活動與管理活動信息集成的重要橋梁和紐帶。ERP層ERPERP層生產(chǎn)管理資產(chǎn)動態(tài)管理中間庫中間產(chǎn)存管理品管理物流計劃生產(chǎn)成本計劃生產(chǎn)計劃物流控制與管理生產(chǎn)成本控制與管理數(shù)據(jù)統(tǒng)計/計劃調度生產(chǎn)過程管理實時

調度MESJS設備維護管理質量管理I生產(chǎn)流程模擬I生產(chǎn)過程模型化運行操作支持I安全控制與管理基于工藝目標與技術經(jīng)濟

指標過程優(yōu)化生產(chǎn)過程支持

知識|信息控制接口與信息界面|傳統(tǒng)APCFCS系統(tǒng)/ PCS層DCS系統(tǒng)工|lECS系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行機構、在線分析儀圖7現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)的典型體系結構1）、生產(chǎn)過程模型化這是現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)與該模塊相連的其它模塊所提供的信息與知識，構造這些模塊所代表的企業(yè)生產(chǎn)控制與管理活動所需要的各種類型的模型，主要包括物料流、資金流、信息流和工作流模型。2）、生產(chǎn)過程管理包括物流控制與管理、生產(chǎn)成本控制與管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計/生產(chǎn)調度等功能,是與企業(yè)資源管理層的生產(chǎn)計劃相對應的功能模塊。它實際上是現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)架構中承上啟下的關鍵模塊。該模塊一方面負責將經(jīng)營決策層的經(jīng)營目標（如：生產(chǎn)計劃、成本、勞動生產(chǎn)率等目標）通過合理的生產(chǎn)調度方案加以實現(xiàn)；另一方面，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，進行及時準確的生產(chǎn)過程績效分析和監(jiān)測,并與計劃的目標相比較，實現(xiàn)質量、成本的閉環(huán)控制和管理。3）、生產(chǎn)過程支持提供基于知識和基于信息的支持，將其它模塊送來的數(shù)據(jù)、信息和知識進行加工、處理，形成相應的方法、算法或軟件，為現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)各功能模塊提供支持。

4）、基于工藝目標與技術經(jīng)濟指標的過程優(yōu)化建立過程參數(shù)與工藝目標或技術經(jīng)濟指標之間的聯(lián)系。提供以保證工藝目標或技術經(jīng)濟指標為前提的過程參數(shù)優(yōu)化支持，并通過接口向先進控制層提供最佳的操作條件。5）、先進控制包括用于過程優(yōu)化控制的多變量先進控制（MAPC）、智能控制方法和算法等。先進控制是對那些不同于常規(guī)單.回路PID控制，并具有比常規(guī)PID控制更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計算機控制算法。這些控制策略的先進性在于其目前在工業(yè)生產(chǎn)過程中尚很少使用。先進控制的任務是明確的，即用來處理那些采用常規(guī)控制效果不好，甚至無法控制的復雜工業(yè)過程控制的問題。6）、控制接口與信息界面與過程控制層的各個軟硬件相連接，調用PLC、DCS、FCS、IECS或其它過程控制裝備中的過程信息，并發(fā)出MES層根據(jù)生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)過程的實際狀況做出的控制策略。目前實時數(shù)據(jù)庫監(jiān)控軟件平臺已成為MES層控制接口與信息界面事實上的標準配置，實時數(shù)據(jù)庫監(jiān)控軟件平臺可以實現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關量變位記錄與查看、報表數(shù)據(jù)存儲、歷史趨勢存儲與查看、生產(chǎn)過程報表生成、生產(chǎn)統(tǒng)計報表生成以及標準ODBC/SQL過程數(shù)據(jù)接口等功能，從而實現(xiàn)企業(yè)過程控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡集成和綜合管理。7）、實時調度包括基于模型、基于數(shù)據(jù)和基于知識的多種動態(tài)調度算法，利用流程模擬模型，針對供需變動、工藝切換、資源波動、設備故障變化等裝置狀況，實時地做出生產(chǎn)方案、工藝路線和資源分配，進行生產(chǎn)作業(yè)計劃的優(yōu)化調度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產(chǎn)品效益，確定各個生產(chǎn)裝置的負荷。實時調度其實是一類特殊的在線、多段、多目標、實時優(yōu)化問題，由于企業(yè)生產(chǎn)過程的復雜性，目前實時調度尚未有廣泛的應用。8）、質量管理管理生產(chǎn)過程中所有與質量有關的信息，包括從過程控制系統(tǒng)獲取的實時過程信息和質檢部門的化驗質檢信息：對生產(chǎn)過程的全程進行質量監(jiān)測、預報。9）、安全控制與管理提供基于數(shù)據(jù)、模型和知識的生產(chǎn)過程故障診斷和預報、過程故障狀態(tài)下運行模式的調整組態(tài)以及基于遠程網(wǎng)絡支持的安全事故處理等支持。10）、運行操作支持提供流程生產(chǎn)過程中頻繁發(fā)生的設備、過程啟停操作支持，包括在線操作指導電子手冊、關鍵操作語音提示、操作結構模擬預測、基于遠程網(wǎng)絡咨詢等支持。11）、設備維護管理提供重要設備的實時狀態(tài)監(jiān)控、設備故障預測、基于遠程網(wǎng)絡的設備技術咨詢和備品采購等支持，實現(xiàn)對生產(chǎn)設備備件的庫存管理.12）、生產(chǎn)流程模擬以生產(chǎn)過程各類模塊化模型為基礎，提供MES中各個功能模塊運行的可視化流程模擬支持。13）、資產(chǎn)動態(tài)管理

與企業(yè)資源管理中靜態(tài)的資產(chǎn)管理相連接，對生產(chǎn)過程的中間庫存和中間產(chǎn)品動態(tài)信息進行管理，提供動態(tài)成本和物流控制與管理的信息支持。（3）、過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)處理的對象是與生產(chǎn)過程有關的局部系統(tǒng)，包括生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)過程的控制和優(yōu)化、生產(chǎn)系統(tǒng)的調度等，其目標是在總體指標的約束下，使某局部生產(chǎn)過程處于最優(yōu)運行狀態(tài)。它包括集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)（IECS）、傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)（APC）以及傳感器、執(zhí)行機構、在線分析儀等現(xiàn)場設備。作業(yè)：計算機控制系統(tǒng)按功能及結構可分為幾種典型形式？請分別說明。

計算機控制系統(tǒng)的分類、特點及工業(yè)計算機簡介一、計算機控制系統(tǒng)按照控制規(guī)律分類：1、程序和順序控制在程序控制中，被控制量按照一定的、預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)。順序控制可以看作是程序控制的擴展，在各個時期所給出的設定值可以是不同的物理量，而且每次設定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結果的邏輯判斷。2、比例積分微分控制（簡稱PID控制）調節(jié)器的輸出是調節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制是當前應用最廣、最為廣大工程技術人員熟悉的技術。PID控制結構簡單，參數(shù)容易調整，因此，無論模擬調節(jié)器或者數(shù)字調節(jié)器，多數(shù)使用P1D控制規(guī)律。3、最少拍控制最少拍控制的性能指標是要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調節(jié)過程。最少拍控制通常用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設計中。4、復雜規(guī)律的控制生產(chǎn)實踐中控制系統(tǒng)除了給定值的輸入外，還存在大量的隨機擾動。另外，性能指標也不單是過渡過程的品質，而且包括能耗最小、產(chǎn)量最高、質量最好等綜合性指標。對于存在隨機擾動的系統(tǒng)，僅用PID控制時難以達到滿意的性能指標的，因此，針對生產(chǎn)過程的實際，可以引進各種復雜規(guī)律的控制。例如：串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應控制、自學習控制等。5、智能控制智能控制理論是一種把先進的方法學理論與解決當前技術問題所需要的系統(tǒng)理論結合起來的學科。智能控制理論可以看作是三個主要理論領域的交叉或匯合，這三個理論領域是人工智能、運籌學和控制理論。智能控制實質上是一個大系統(tǒng)，是綜合的自動化系統(tǒng)。二、計算機控制系統(tǒng)按照控制方式分類按照控制方式的不同，計算機控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，這種分類方法是和連續(xù)系統(tǒng)一樣的。三、計算機控制系統(tǒng)特點計算機控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比，主要有以下特點：1、數(shù)字模擬混合的系統(tǒng)在連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處的信號是連續(xù)模擬信號。而在計算機控制系統(tǒng)中，除仍有連續(xù)模擬信號外，還有離散信號、數(shù)字信號等多種信號。因此，計算機控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。2、靈活方便、適應性強一般的模擬控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由硬件電路實現(xiàn)的，控制規(guī)律越復雜，所需要的模擬電路往往越多，如果要改變控制規(guī)律，一般就必須更改硬件電路：而在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實現(xiàn)的，計算機執(zhí)行預定的控制程序，就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制，需要改變控制規(guī)律時，一般不對硬件電路做改動，只要改變控制程序就可以了。3、可實現(xiàn)復雜控制規(guī)律計算機具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能，能夠實現(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復雜控制規(guī)律。

4,離散控制在連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進行的，控制器對產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調節(jié)的。而在計算機控制系統(tǒng)中，計算機每隔一定時間間隔，向A/D轉換器發(fā)出啟動轉換信號，并對連續(xù)信號進行采樣獲得離散時間信號，經(jīng)過計算機處理后，產(chǎn)生的控制時間信號通過D/A轉換將離散信號轉換成連續(xù)時間信號輸出，作用于被控對象。因此，計算機控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。4、可以采用分時控制在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個控制器控制一個回路。而在計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的計算處理能力，一個數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r控制的方式，同時控制多個回路。5、易于實現(xiàn)管控一體化采用計算機控制系統(tǒng)可實現(xiàn)控制信息的全數(shù)字化，易于建立集成企業(yè)經(jīng)營管理、生產(chǎn)管理和過程控制于一體的管控一體化系統(tǒng)。即建立集成了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的綜合自動化系統(tǒng)。四、工業(yè)計算機簡介1、工業(yè)控制機特點工業(yè)控制機也稱工業(yè)計算機IPC（IndustrialPersonalComputer,以下簡稱工控機）。它主要用于工業(yè)過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。與通用的計算機相比有許多不同點，其主要特點如下：①、可靠性高：工控機通常用于控制不間斷的生產(chǎn)過程，在運行期間不允許停機檢修，一旦發(fā)生故障將會導致質量事故，甚至生產(chǎn)事故.因此要求工控機具有很高的可靠性，也就是說要有許多提高安全可靠性的措施，以確保平均無故障工作時間（MTBF）達到幾萬小時，同時盡量縮短故障修復時間（MTTR）,以達到很高的運行效率。②、實時性好：工控機對生產(chǎn)過程進行實時控制于監(jiān)測，因此要求它必須實時地響應控制對象各種參數(shù)的變化。當過程參數(shù)出現(xiàn)偏差或故障時，工控機能及時響應，并能實時地進行報警和處理。為此工控機需配有實時多任務操作系統(tǒng)（RTDOS）。③、環(huán)境適應性強：工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴重，供電系統(tǒng)也常受大負荷設備起停的干擾，其接“地”系統(tǒng)復雜，共模及串模干擾大。因此要求工控機具有很強的環(huán)境適應能力，如對溫度/濕度變化范圍要求高；要具有防塵、防腐蝕、防振動沖擊的能力；要具有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力以及高共模抑制的能力。④、過程輸入和輸出配套較好：工控機要具有豐富的多種功能的過程輸入和輸出配套模板，如模擬量、開關量、脈沖量、頻率量等輸入輸出模板。具有多種類型的信號調理功能，如隔離型和非隔離型信號調理；各類熱電偶，熱電阻信號輸入調理；電壓/電流信號輸入和輸出信號的調理等。⑤、系統(tǒng)擴充性好隨著工廠自動化水平的提高，控制規(guī)模也在不斷擴大，因此要求工控機具

有靈活的擴充性。⑥、系統(tǒng)開放性要求工控機具有開放性體系結構，也就是說在主機接口、網(wǎng)絡通信、軟件兼容及升級等方面遵守開放性原則，以便于系統(tǒng)擴充、異機種連接、軟件的可移植和互換。⑦、控制軟件包功能強工控軟件包要具備人機交互方便、畫面豐富、實時性好等性能；具有系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)生成功能；具有實時及歷史的趨勢記錄與顯示功能；具有實時報警及事故追憶等功能。此外尚需具有豐富的控制算法，除了常規(guī)PID（比例、積分、微分）控制算法外，還應具有一些高級控制算法，如模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡，優(yōu)化，自適應，自整定等算法，并具有在線自診斷功能。目前一個優(yōu)秀的控制軟件包往往將連續(xù)控制功能與斷續(xù)控制功能相結合。⑧、系統(tǒng)通信功能強具有串行通信、網(wǎng)絡通信功能。由于實時性要求高，因此要求工控機通信網(wǎng)絡速度高，并且符合國際標準通信協(xié)議；有了強有力的通信功能，工控機可構成更大的控制系統(tǒng)。⑨、后備措施齊全：包括供電后備、存儲器信息保護、手動/自動操作后備、緊急事故切換裝置等。⑩、具有冗余性在可靠性要求更高的場合，要求有雙機工作及冗余系統(tǒng)，包括雙控制站、雙操作站、雙網(wǎng)通信、雙供電系統(tǒng)、雙電源等，具有雙機切換功能、雙機監(jiān)視軟件等，以確保系統(tǒng)長期不間斷地運行。2、工業(yè)控制機的分類依賴于某種標準總線，按工業(yè)標準化設計，由主機板以及各種I/O模板等組成，用于工業(yè)控制等目的的微型計算機稱為總線式工控機?？偩€式工控機采用標準并行底板總線，其特點是能以簡單的硬件支持高速的數(shù)據(jù)傳送和處理，且使系統(tǒng)具有標準化、模塊化、組合化的開放式結構，能適應各種不同的控制對象，應用極為廣泛。按照所采用的總線標準類型可將工業(yè)控制機分成下列四類：①、PC總線工控機：有ISA總線、VESA局部總線（VL-BUS）、PC1總線、PC104總線等幾種類型工控機，主機CPU類型有80386、80486、Pentium笛"VJO②、STD總線工控機：它采用STD總線，主機CPU類型有80386、80486、Pentium等，另外與STD總線相類似的尚有STE總線工控機。③、VME總線工控機：它采用VME總線，主機CPU類型以Motorola公司的M68000、M68020,和M68030為主。④、多總線工控機：它采用MULTIbus總線，以INTEL工控機為代表，主機CPU類型有80386、80486和Pentium等。廣義而言，工控機的類型更廣些，主要有IPC工控機、PLC可編程控制器、專用控制機以及其他類型的工控機，如單回路或多回路智能控制器等。3、總線式工控機⑴、STD總線①、總線標準

STD總線最早由PRO—LOG公司在1978年推出，正式標準為IEEE961標準。②、支持的處理機系統(tǒng)發(fā)明STD總線的H的在于推廣一個面向工業(yè)控制的8位機總線系統(tǒng)。STD標準可以支持幾乎所有的8位處理機。在16位處理機大量生產(chǎn)之后，利用總線周期竊取和復用技術，改進型的STD總線可支持16位處理機。為了進一步提高STD總線系統(tǒng)的性能，新推出了STD32位處理機。③、總線的基本組成STD總線由56根線組成。56根線按功能分為4組。最早的STD總線定義為：8根雙向數(shù)據(jù)線、16根地址線、兩根控制線和10根電源和地線。支持16位處理機的STD總線利用了總線復用技術，使原來的8根數(shù)據(jù)總線D0~D7與高位的8根地址線復用，從而形成24根地址線，而把原來的高8位地址線A8-A15與高8位數(shù)據(jù)總線復用，形成D8~D15,從而行成16位的數(shù)據(jù)總線?？刂菩盘栍址譃?個部分：存儲器和I/O控制線、外圍設備定時、時鐘和復位、中斷和總線控制、串行優(yōu)先鏈和CPU狀態(tài)。④、總線的數(shù)據(jù)傳輸控制方式STD總線采用同步方式進行數(shù)據(jù)傳輸。⑤、支持中斷能力原始的STD總線只有兩條中斷控制線，對中斷的控制能力很差。但是后來改進的STD產(chǎn)品如系統(tǒng)n,是與PC/XT總線兼容的，增加了中斷能力。⑥、支持多主的能力原始的STD總線只有兩條總線控制信號線，因此，支持多主的能力是很差的。改進的STD總線支持多主的能力也不很強。⑦、總線STD的電源總線由±5V、±12V和地幾種信號線組成。⑧、模板尺寸11.4cmX16.5cm(4.5inX6.5in)⑨、連接器的形式原始的STD總線采用56線的雙面邊緣連接器。⑩、系統(tǒng)的技術特點和應用情況STD總線系統(tǒng)具有以下幾個特點：a.小板結構STD總線模板只有4.5inX6.5in,因此，它的機械強度大，抗振動、沖擊能力強。此外，小板結構成本低，易于被中小用戶接受。小板結構還有一個優(yōu)點是功耗小、散熱容易，而且機柜尺寸小。隨著芯片集成度的不斷提高，STD產(chǎn)品的性能也可以達到很高。b.嚴格的標準化、模塊化結構STD總線模板設計有嚴格的標準，總線定義中無剩余信號線，使得不同廠家的產(chǎn)品容易兼容。同時，這種標準化的開放系統(tǒng)結構促進了產(chǎn)品的模塊化。每塊STD模板一般功能較為單一，生產(chǎn)容易，組成系統(tǒng)也較規(guī)范化，只要根據(jù)目標系統(tǒng)的功能要求選購不同的模板就可以容易地集成一個系統(tǒng)。C.可靠性高STD一開始就是作為一種工業(yè)控制總線而推出的。因此，該總線從各方面考慮總線產(chǎn)品的可靠性問題。而且，采用工業(yè)機籠側面直接插拔模塊，維修性

也很好。(2)、PC總線①、PC總線工業(yè)控制機主要特點a.兼容性好、升級容易由于采用ISA標準總線，兼容性好，而且升級容易。b.性能價格比高PC總線工控機的性能比其他機種高，但其價格卻比其他機種便宜。C.豐富的軟件支持工控機軟件包括操作系統(tǒng)、應用軟件、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通信、工控軟件包等。這些軟件有許多公司的產(chǎn)品支持，并可應用商用PC機軟件。d.通信功能強工控機具有多種通信網(wǎng)卡和通信支持軟件，因而極易成分散型控制系統(tǒng)(DCS).e.可靠性高抗沖擊振動能力、抗塵埃性能、抗電涌沖擊能力、抗腐蝕性氣體能力以及適應寬的溫度能力等方面，工業(yè)PC均比普通PC提高2~3倍。(3)、MULTIbus總線①MULTIbus(多總線)最早是由Intel公司的微機系統(tǒng)組于1975年開發(fā)設計的。1982年完成標準化工作，MULTIbus為IEEE796標準。②支持的處理機多總線幾乎支持所有的8位到32位的處理機,它是一種非常靈活的總線。③總線的基本組成多總線底板上有兩排連接器：P1和P2。P1有86條線，P2有60條線。IEEE796標準定義了P1的86根線和P2的4根線。這90條信號線可以分成以下幾類：25條地址線、2條禁止線、16條數(shù)據(jù)線、9條控制線、9條中斷線、5條總線交換線、24條電源線。④總線的數(shù)據(jù)傳輸控制方式異步方式。⑤支持中斷能力多總線定義了8條中斷請求線和一條中斷應答信號線，它支持總線向量中斷和非總線向量中斷?？梢哉f多總線的中斷支持能力是很強的。⑥支持多主能力多總線上可以支持16個主設備，具有可靠的和方便的總線優(yōu)先級判別以及總線交換設施。⑦電源電壓多總線中提供了數(shù)目很大的電源線和地線，包括±5V、±12V的電壓，地線則定義了電源地和信號地兩種，所以，工業(yè)控制應用極為方便。⑧板子尺寸304.8cmx171.5cm(12inx6.75in)o⑨總線連接器的形式MULTIbus自推出以來，在工業(yè)控制計算機系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。MULTIbus具有以下特點：a.支持各種體系結構，包括單處理機和多處理機體系結構，使其應用配置靈活，功能很強。b.結構原理簡單。c.可迅速采用新型的VLSI技術，支持的處理機范圍很廣，從8位到32位。讓結構可靠且經(jīng)濟。e.標準的定義明確，文件齊全，便于管理。f.具有功能強且應用方便的實時多任務操作系統(tǒng)RMX86系列的支持。作業(yè)：1、計算機控制系統(tǒng)按照控制規(guī)律分幾類？請分別說明。2、計算機控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比，主要有哪些特點?3、工業(yè)計算機與通用計算機相比有哪些特點？4、PC總線工業(yè)控制機的主要特點是什么？5、MULTIbus的主要特點有哪些？數(shù)字控制器設計一、概述前面介紹了計算機控制系統(tǒng)的基本概念、組成分類和理論基礎。下面我們闡述計算機控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容——數(shù)字控制器設計。在計算機控制系統(tǒng)中，各種控制指標的實現(xiàn)一般都是通過計算機執(zhí)行相應的控制算法來達到的，計算機在系統(tǒng)中主要是充當數(shù)字控制器的作用。當被控對象也是用脈沖傳遞函數(shù)表達的數(shù)字環(huán)節(jié)時，整個系統(tǒng)就可以看成是一個“純粹”的數(shù)字系統(tǒng)。對于這種系統(tǒng)可以用離散系統(tǒng)(或采樣系統(tǒng))的理論進行分析和設計。但工程上多數(shù)情況下的被控對象是由模擬(或聯(lián)續(xù))環(huán)節(jié)組成的，而計算機是數(shù)字的，整個系統(tǒng)嚴格地說屬于數(shù)字模擬混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中不同形式的兩部分可通過模數(shù)(A/D)、數(shù)模(D/A)轉換器連接起來，其結構圖如圖1所示。圖1數(shù)字模擬混合系統(tǒng)示意圖對于這種混合系統(tǒng)通常采用兩種等效的設計方法：一種等效方法是把B'看成是控制器的輸入，B看作控制器輸出，從B'——B兩端來觀察系統(tǒng)的控制部分，則控制器輸入輸出均為模擬量，控制器就可視為是模擬控制器，這樣，一個計算機數(shù)字模擬混合系統(tǒng)就完全等效為一個模擬系統(tǒng)了。等效后的計算機控制系統(tǒng)模擬化結構圖示于圖2中。，(s)圖2計算機控制系統(tǒng)模擬化結構圖圖中D(z)為數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，Gh(s)為零階保持器傳遞函數(shù)，G￡s)為被控對象的傳遞函數(shù)。D(s)為等效后的控制器傳遞函數(shù)。對該系統(tǒng)可按模擬系統(tǒng)的校正方法(如時域法、頻域法或根軌跡法等)設計控制器D(s),然后再將D(s)經(jīng)離散化得到對應的脈沖傳遞函數(shù)D(z).這種間接得到數(shù)字控制器脈沖傳遞D(z)的方法稱之為數(shù)字控制器的間接設計法。另外一種等效設計方法是把圖1的A點當作被控對象的輸入，A'點當作被控對象的輸出，被控對象輸入輸出均為數(shù)字量，故被控對象可視為數(shù)字環(huán)節(jié)G(z),G(z)為被控對象的等效脈沖傳遞函數(shù)。等效后的計算機捽制系統(tǒng)可視為純數(shù)字控制系統(tǒng)，其結構如圖3所示。對該系統(tǒng)可利用采樣系統(tǒng)的分析方法和數(shù)字指標要求，直接設計出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。這種控制器的設計方法通常稱為數(shù)字控制器的直接解析設計法。下面將分別討論這兩種等效設計方法，并著重討論工業(yè)上應用較廣的PID控制器間接設計法。圖3計算機控制系統(tǒng)數(shù)字化結構圖二、數(shù)字控制器的間接設計法如前所述，數(shù)字控制器的間接設計法是將工程上的數(shù)字模擬混合系統(tǒng)等效成圖2所示的模擬結構以后，首先按模擬系統(tǒng)的設計準則設計出模擬控制器的傳遞函數(shù)D(s),然后再將D(s)離散化后間接得到數(shù)字控制器D(z)的一種方法。關于D(s)的設計在自動控制理論中已經(jīng)闡述，這里只介紹由D(s)求D(z)的幾種常用離散化近似方法。1、差分近似法模擬控制器若用微分方程的形式表示，其導數(shù)可用差分近似，常用的差分近似方法有兩種，即后向差分和前向差分。⑴、后向差分用增量近似代替微分，則一階導數(shù)采用近似式du(t)u(k)-u(k-l)TOC\o"1-5"\h\z = (1)dt T同理二階導數(shù)可采用近似式u(k)-u(k_l)u(k_l)_u(k-2)d2u(t)t Tdt2- T ……(2)u(k)-2u(k-l)+u(k-2)(2)、前向差分在前向差分中，一階導數(shù)可用下式近似表示：du(t)u(k+l)-u(k) ? ⑶同理二階導數(shù)近似為u(k+2)—u(k+l)u(k+l)-u(k)d2u(t) t Tdt2? T (4)u(k+2)-2u(k+l)+u(k)―前向差分和后向差分的幾何意義分別示于圖4中Uh0(k-l)TkT(k+l)T圖4前向差分與后向差分的幾何意義當模擬控制器為傳遞函數(shù)形式時，也可利用(1)式和(3)式的差分關系得到脈沖傳遞函數(shù)。因為后向差分式(1)中，等號左邊的拉氏變換為SU(s),等號右邊的Z變換為上N_U(z),因此只要將U(s)中的s換成上就可得到U(z)。按這一變換規(guī)則，當已知模擬控制器的傳遞函數(shù)D(s)時可直接得到D(z)，即D(z)=D(S)|s=l-Z-'。TZ—1同理，前向差分式(3)中，等號右邊的Z變換為一U(z),左邊的拉T7—1氏變換仍為SU(s),只要將U(s)中的s換成三產(chǎn)就可得到U(z),因此對模擬控制器D(s)進行差分變換時可進行如下變換：D(z)=D(s)[=5

T例題：已知模擬控制器D(s)=—士一，試分別利用前向和后向差分規(guī)則對其s+a離散化。解：按前向差分規(guī)則

D(z)=——s+a-ts- D(z)=——s+a-ts- Tz+(aT—1)1+(aT—l)z1]_z>1]_z>1+aT—z1D(z)=——s+a.①T2、雙線性變換雙線性變換又稱塔斯廷(Tustin)變換法，它是s與z關系的另一種近似式。由Z變換的定義和級數(shù)展開式可知T,TT22,T孑S 1+—S+^-S+.......1+s,3e- 2 22? 2(5)-s,TT22Te2 1 SH——S4"....1——s2 222nn 2z-1 (6)Tz+1利用⑹式，當已知D(s)時，可直接得到D(z)即 D(Z)=D(S)|.2z-iZ+1實際上雙線性變換法就是微分方程中的梯型積分法，前面討論的差分近似法是矩形積分法，前者的精度高于后者。例題用雙線性變換法求D(s)= 的脈沖傳遞函數(shù)D(z)及其s?+0.4s+0.68極點。設采樣周期T=1秒。解：由雙線性變換規(guī)則得D(z)=D(s)1_uTz+12(z-l)

(z2(z-l)

(z+1)+04誓+0.68(z-0.606-j0.584)(z-0.606+j0.584)極點z=0.606±j0.584下面比較前向差分、后向差分和雙線性變換三種離散近似法中s平面與z平面的映射關系。圖5(a)陰影部分為s平面的穩(wěn)定域。按前向差分規(guī)則離散化后，7—1由5=—［「知，Z=1+sT?可以看出，S平面內(nèi)的j&軸反映在Z平面內(nèi)將右移1,映射后的陰影部分示于圖5(b)中。由于陰影線標明的區(qū)域已超出了單位圓，故在s域內(nèi)穩(wěn)定的D(s)在z域內(nèi)有可能變成不穩(wěn)定的D(z)。在使用該

近似法時應特別注意這一點。近似法時應特別注意這一點。TOC\o"1-5"\h\z(a) (b) (c) (d)圖5 s平面的穩(wěn)定域在z平面的映射(a)s域穩(wěn)定區(qū)(b)前向差分規(guī)則(c)后向差分規(guī)則(d)雙線性變換規(guī)則1-Z-1 1按后向差分近似時，由s=>一知z= ,將其變形為T 1-Ts (8)1, 1 1 1,(1+ (8)21-Ts222(1-Ts)由(8)式-(1+Ts)=],映射到z平面上的圖形為圓心在點,

22(1-Ts) 2 <2由(8)式半徑為，的圓，陰影部分示于圖5(c)中。由于該圓在單位圓內(nèi),所以變換前D(s)2如果是穩(wěn)定的，那么經(jīng)過后向差分變換后D(z)也一定是穩(wěn)定的。當然變換后極點分布范圍變小了。2z-1雙線性變換由s=-*—知，Tz+11 =1,在z平面上圖形為單位圓，示于圖5(d)中?？?見雙線性變換在變換前后穩(wěn)定區(qū)域不變，且邊界條件均為單位圓。因此雙線性變換在工程上應用較多。3,階躍響應不變法與脈沖響應不變法階躍響應不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器階躍響應序列必須與模擬控制器的階躍響應在采樣時刻值是一樣的。即 —!-i-D(z)=Z-D(s)1-z s或 D(z)=(l-z-,)Z-D(s)_s_它相當于模擬控制器串接零階保持器后再離散的結果。同理，脈沖響應不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器脈沖響應序列必須與模擬控制器的脈沖采樣值?致。即 1?D(z)=Z[1?D(s)]或 D(z)=Z[D(s)]例題：用階躍響應不變法和脈沖響應不變法分別求D(s)=Kp[l 的離散近似式。解：由階躍響應不變法的規(guī)則，D(z)=(l-z-1)Z-D(s)sKp[r+(T-r)z-']同理，由脈沖響應不變法的規(guī)則，D(z)=Z[D(s)]=KpZ(l+- 1 ] K(1+r-rz-1)r(l-z-1)Jr(l-z-1)4、零極點匹配法在傳遞函數(shù)D(s)的離散近似中，若直接利用映射關系將D(s)的零極點全部對應映射到z平面中去，就可以直接得到D(z)。但如果用2=，叮關系(即s='lnz)直接代入，就會得到關于Inz的多項式之比形式，給以后的分析帶T來困難。另外D(s)的極點數(shù)目通常多于零點數(shù)目，這時應把所差的零點看作在無窮遠處，映射到z平面時相當于z=-l。零極點匹配法的轉換規(guī)則概括如下：(1)、通過因式分解將D(s)的零極點寫為n(S+ajfJ[(s+bj)2+Cj]形式。i=l j=l(2)、將零極點分別映射到z平面中去，轉換關系為

s+a；fz-e5(s+bjf+c：-?z2-2e-b,TzcoscjT+e_2b,T(3)、在z=l處加上足夠的零點，使極點數(shù)等于零點數(shù)。(4)、在其轉折頻率處，使兩種濾波器的增益匹配。通常取穩(wěn)態(tài)增益相等，即D(s)L=o=D(z)LiS4-1例題：已知某模擬控制器D(s)=- ，試用零極點匹配法求s2+0.2S+1D(z),(T=l秒)。解：對D(s)的零極點做等效變換零點s+1—>z-e-T=z-0.368極點s2+0.2s+l=(s+0.1)2+0.9952=z2-2e-0,x,zcos0.995x1+e-2x01xl=z2-0.985z+0.819補充零點z+1根據(jù)零極點變換規(guī)則得D(z)=詈_0368)(z+Dz2-0.985z+0.819k為待定的增益，由D(s)Lo=D(z)L,[ Kx0.632x2 “rT,知1= 解得K=0.6621-0.985+0.819代入上式得D(z)=°662(z-0?368)(z+Dz2-0.985z+0.8195、各種設計方法的比較：前面分別介紹了模擬調節(jié)器D⑸的幾種近似離散化方法，現(xiàn)對其特點作一-比較：(1)、從上述各方法的原理看，除了前向矩形規(guī)則外，只要原有的連續(xù)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則變換以后得到的離散系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。(2)、采樣頻率對設計結果有影響，當采樣頻率遠遠高于系統(tǒng)的截止頻率時(100倍以上)，用任何一種設計方法所構成的系統(tǒng)特性與連續(xù)系統(tǒng)相差不大。隨著采樣頻率的降低，各種方法就有差別。按設計結果的優(yōu)劣進行排序，以雙線性變換法為最好，即使在采樣頻率較低時，所得的結果還是穩(wěn)定的。其次是零極點匹配法和后向矩形規(guī)則。再次是階躍響應不變法和脈沖響應不變法。(3)、上述各種設計方法都有自己的特點，階躍響應不變法和脈沖響應不變法可以保證離散系統(tǒng)的響應與連續(xù)系統(tǒng)相同。零極點匹配法能保證變換前后直流增益相同。雙線性變換法可以保證變換前后特征頻率不變。以上各種設計方法在實際工程中都有應用，可根據(jù)需要進行選擇。

數(shù)字控制器的直接解析法設計前面所述的數(shù)字控制器間接設計法，實際上就是一開始把系統(tǒng)看成是純模擬系統(tǒng)，先按模擬系統(tǒng)的設計準則確定控制器的傳遞函數(shù)D(s),然后再按相應的離散規(guī)則求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)o前提是采樣周期相對于系統(tǒng)時間常數(shù)比較小，否則會帶來很大的誤差。針對這種情況，50年代發(fā)展起來一種新的設計方法，即一開始把系統(tǒng)看成是純離散系統(tǒng)(或數(shù)字系統(tǒng))，然后按一定的設計準則，以Z變換為工具，以脈沖傳遞函數(shù)為數(shù)學模型，直接設計滿足指標要求的數(shù)字控制器D(z),這就是所謂的直接解析法設計。一、解析法設計原理設系統(tǒng)如圖1所示，X(z)H 0(z) **! rG(z) :玄(EE)x(t)+?TD(z)U(z)|JX—TseGrf(s)k—T(z)1 >111-Tsr(t)圖11-e-Ts圖中GKs)為被控對象，Gh(s)= 為零階保持器，G(z)是Gh(s)S和G￡s)相乘后的等效脈沖傳遞函數(shù)，D(z)是需要設計的數(shù)字控制器。該系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)m、Y(z) D(z)G(z)①(z)= = (1)X(z)l+D(z)G(z)Oe(z)=E(z)=X(z)-Y(z)誤差脈沖傳遞函數(shù) X(z) X(z) ⑵=1-①(z)= l+DG^)G(z)解析法的設計目標就是根據(jù)預期的控制指標，直接設計滿足要求的數(shù)字控制器D(z)o預期的控制指標通常是由理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或誤差脈沖傳遞函數(shù)來體現(xiàn)。當設計要求一旦確定，相應的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或誤差脈沖傳遞函數(shù)等于已經(jīng)知道。當被控對象的零階保持器的脈沖傳遞函數(shù)也已給出時，由⑴式得 D(z)=——建一i ……(3)

或由(2)式得 D(z)=1—3=_①⑵ ……(4)G(z)①e(z)G(z)①/z)以上兩式說明，只要選擇好①(z)或①c(z),就可直接求得數(shù)字控制器D(z)。二、最少拍系統(tǒng)的解析法設計所謂最少拍系統(tǒng)就是指該系統(tǒng)在典型輸入信號作用下，經(jīng)過最少個采樣周期實現(xiàn)無靜差跟蹤。因此最少拍系統(tǒng)實際包含最少拍和無靜差兩層意思。1、最少拍系統(tǒng)D(z)的設計為了設計最少拍系統(tǒng)的數(shù)字控制器D(z),先要研究如何根據(jù)上述性能要求，構造一個理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或誤差傳遞函數(shù)。由誤差表達式E(z)=O\(z)?X(z)=eo+e|Z"+e2Z-2+……可知，要實現(xiàn)無靜差、最少拍，E(z)應在最短時間內(nèi)趨近于零。因此，在輸入X(z)一定的情況下，必須對①c(Z)提出要求。典型的輸入信號有以下幾種：單位階躍輸入：x(t)=l(t),X(z)=—……(5)1-Z單位速度輸入：x(t)=t,X(z)=Tz：: ……(6)(1-ZI T27-1n□_7-i)單位加速度輸入：x(t)=-t2,X(z)= ./ ……(7)2 2(1-z-1)3輸入信號的一般表達式為：X(z)=A(Z,)N ……(8)(1-z)將(8)式代入誤差表達式得E(z)=①e(z)X(z)=①?),(? …(9)(1-Z)要使(9)式中E(z)為有限項多項式，①e(Z)應能被(1一Z-l)N整除，即中e(z)應取(l-zT)NF(z)形式。要實現(xiàn)最少拍、E(z)應盡可能簡單，故取F(z)=l。這樣在不同輸入下的誤差傳遞函數(shù)①e(Z)應?。簡挝浑A躍輸入：N=l,①e(Z)=(l-zT) ……(10)單位速度輸入：N=2,①c(z)=(l—zT)2 ……(11)

單位加速度輸入：N=3,①e(z)=(l-Z-|)3 ……(12)將以上三式分別代入(4)式中,就得到了不同輸入下的數(shù)字控制器D(z)的表達式：Z-1單位階躍輸入：D(z)= -G(z)(l-z-')單位速度輸入：D(z)=%'(2-z：)G(z)(l-z-')2單位加速度輸入：Wz)=z(3-3z:z)G(z)(l-z-')3這時，對應的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)可由(10)、(11),(12)三式代入①(Z)=l-①e(Z)直接求得：單位階躍輸入：①(Z)=ZT單位速度輸入：①(z)=2z-|-z-2單位加速度輸入：①(z)=3z-1-3z<+z-32、最少拍系統(tǒng)的調整時間通過分析最少拍系統(tǒng)的調整時間，更能說明最少拍系統(tǒng)設計的物理意義。將(10)、(11)、(12)三式分別代入E(z)=0\(z)X(z)中，就可分別求出在不同輸入下E(z)的表達式：單位階躍輸入：E(z)=①0(z)X(z)=(1-zT)?—i-r=1—zt7-1單位速度輸入：E(z)=①e(z)X(z)=(1-z-1)2? -=1(l-z)單位加速度輸入：E⑵f(z)X(z)="zT)3?在崢工ZT+--2e 2(1-z-1)3 2 2由此可見，系統(tǒng)在三種不同輸入的作用下，分別經(jīng)過一拍(T)兩拍(2T)和三拍(3T)的調整時間后，系統(tǒng)偏差就可消失，且過渡時間最短。上述討論可匯總于表1如下表1最少拍系統(tǒng)在不同輸入下的各種表達式x(t)①e⑵①(z)D(z)ts(過渡時間)l(t)1-z-'z-1z-1G(z)(l-z-')Tt(1-z-')22z_,-z-2zT(2-zT)G(z)(l-z-')22TIt22(1-Z廳3z-1-3z-2+z-3zT(3-3zT+z-)G(z)(l-z-')33T例題：在圖2所示系統(tǒng)中，設被控對象的傳遞函數(shù)Gd(s)=—^―,采樣周s(s+1)期T=1秒，試對單位斜坡輸入下設計一個最少拍數(shù)字控制器D(z)o解：被控對象與零階保持器的等效傳遞函數(shù)G(s)=I：；；：；,，對應的脈沖傳遞函數(shù)G(z)=Z[G(s)]=ZG(z)=Z[G(s)]=Z10(1-s2(s+l)=10(1-2*')Z-4--+

ss=10(l-z')(1—=10(l-z')(1—ZT)2\ -i -i1-z 1-ez3.68zT(1+0.718zT)(l-z-1)(l-0,368z-,)根據(jù)最少拍系統(tǒng)的要求，對于單位斜坡輸入應選①e(Z)=(l-ZT)2,代入(4)式得D(z)=心⑵=_l-(l-z-)2 G⑵①e(z) 3.68zT(1+0.718zT).lx2 .~,(1-z)(1-Z-,)(l-0.368z-')0.543(1-0.5zT)(1-0.368zT)(1-z-1)(1+0.718z-1)此時輸出Y(z)=①(z)?X(z)=[1—①e(z)]x(z)7T=(2z-i-z-2) -=2z-2+3z、+4z-4+......(1.)2誤差E(z)=①.(z)X(z)=(l-z-')2--~~—=z-'(1-z)輸出和誤差變化的波形如圖2所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)經(jīng)過了兩個采樣周期以后，輸出完全跟蹤了輸入，穩(wěn)態(tài)誤差為零。y(n)圖2單位斜坡輸入下輸出和誤差變化波形該系統(tǒng)是針對斜坡信號輸入下設計的最少拍系統(tǒng)，那么這個系統(tǒng)對其它輸入下是否還能成為最少拍呢？下面就單位階躍和拋物線函數(shù)作用卜進行討論。在單位階躍函數(shù)輸入時，輸出量的Z變換為Y(z)=①(z)X(z)=(2z-1-z-2)?―J—=2z-1+z-2+z-3+z-4+……1-z-1輸出數(shù)值序列為y(0)=0,y(l)=2,y(2)=y(3)=...=1輸出響應如圖3所示，從圖中可以看出，該系統(tǒng)在單位階躍輸入下，經(jīng)過兩個采樣周期T就穩(wěn)定在設定值上。但在第一個采樣點上有100%的超調量。單位加速度函數(shù)輸入時，輸出量的Z變換為T27Th+丫⑵=①(z)?X(z)=(2z-'-z-2)?―/\J2(f)=z=+3.5Z-3+7z-4+11.5Z-5+......輸出序列y(0)=0,y(l)=0,y(2)=l,y(3)=3.5,y(4)=7,y(5)=11.5

此時輸入拋物線函數(shù)Lt?的采樣函數(shù)x(kT)=-(kT)2,輸入序列2 2x(0)=0,x(l)=0.5,x(2)=2,x(3)=4.5,x(4)=8,x(5)=12.5.......。從第二拍開始，輸出與輸入的誤差為1,跟蹤波形如圖4所示?？梢缘贸鼋Y論:按照某種典型輸入函數(shù)設計出來的最少拍系統(tǒng)，對其它輸入函數(shù)的響應并不是最少拍系統(tǒng)，可見最少拍系統(tǒng)對輸入函數(shù)的適應性很差。另外，前面討論的最少拍系統(tǒng)設計過程中，沒有考慮到被控對象在單位圓外有零極點情況及純滯后的影響和D(z)在物理上的可實現(xiàn)性問題。圖3圖3單位階躍輸入下輸出響應圖4單位拋物線輸入卜輸出響應三、數(shù)字控制器D(z)的限制條件在用解析法設計D(z)時，要考慮到數(shù)字控制器D(z)在物理上的可實現(xiàn)性和穩(wěn)定性問題。.物理上的可實現(xiàn)性數(shù)字控制器D(z)的輸出信號u(n),是系統(tǒng)在運行中山計算機經(jīng)過在線計算得到的。因此u(n)只能與當前時刻的偏差信號e(n)、e(n-l)、…e(n-k)和以前的輸出控制信號u(n-l)、u(n-2)、…u(n-l)有關。而與將來的偏差信號和控制信號無關.這就要求對D(z)的形式有所限制。D(z)的一般表達式為U(z)bozk+b/k/+??,+bkD(z)= = ； □ E(z)a0z+a[z+,,,+3[在該式中要求12k,這是因為如l<k,則上式會出現(xiàn)正次靠。如k=l+l,則boz4-b1Z°4-b2z''+??+bl+1kz-1.1 -2a0+ajZ+aboz4-b1Z°4-b2z''+??+bl+1kz-1.1 -2a0+ajZ+a2z+…+a]E(z)aoz+a〕z+???+a〕

〃/、 1%^z)+仇E(z)+Az-'E(z)+…+々+也”⑵交叉相乘：(/(z)=— , , ,%「OozTU⑵_A2z~2U(z) %z〃U(z)1bne(n+1)+"e(〃)+b7e(n-1)+…兩邊取Z反變換得“〃)=」?° c ,a。I—〃]〃(〃-1)-a2u(n—2) atu(n—/)這里u(n)的計算與e(n+l)有關，即u(n)要由未來的輸入偏差計算，這顯然是不可能實現(xiàn)的，因此12k就是對D(z)得一個限制條件。.穩(wěn)定性分析由式D(z)=由式D(z)=①(z)

G(z)[l-①(z)]可知，最少拍系統(tǒng)得數(shù)字控制器D⑵= ①⑵ =①⑵z)—G(z)[l-①(z)]-G(z)①,(z)即①(z)=O(z)?G(z)?①，(z)為了保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)①⑵的極點應全部位于單位圓內(nèi)。如果被控對象G(z)中有不穩(wěn)定的極點，它就應該被數(shù)字控制器的D(z)或誤差傳遞函數(shù)①e(z)的相同零點所抵消。用D(z)得零點取抵消G(z)得不穩(wěn)定極點是不妥當?shù)模驗镈(z)一旦選擇后，計算機在執(zhí)行中各參數(shù)是不變的，而被控對象由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的變化或影響，參數(shù)會隨時變化，這樣兩者有時就不可能全部抵消，從而不穩(wěn)定的極點就會反