計(jì)算機(jī)控制技術(shù)總結(jié)課件

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)總結(jié)第1章緒論

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī))來實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象（通常為生產(chǎn)過程）自動(dòng)控制的系統(tǒng)。

換句話說：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來代替原來的常規(guī)自控部件或電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象自動(dòng)控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來自測量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入?？蓺w納為以下三個(gè)步驟：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，并按預(yù)定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。③實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，實(shí)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)。上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對(duì)被控量和設(shè)備本身的異常現(xiàn)象及時(shí)作出處理。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)D/A通道A/D通道A/D通道給定值反饋值輸出控制值?A/D通道?D/A通道?計(jì)算機(jī)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的三大基本要素。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):此外，由于多數(shù)系統(tǒng)的被控對(duì)象及執(zhí)行部件、測量部件是連續(xù)模擬式的，因此，還必須加入信號(hào)變換裝置(如A／D及D／A變換器)。

所以，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常是模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須包括有計(jì)算機(jī)，它是一個(gè)數(shù)字式離散處理器。2）信號(hào)形式上的特點(diǎn)控制對(duì)象中各點(diǎn)信號(hào)一般均為連續(xù)模擬信號(hào)，由于計(jì)算機(jī)是串行工作的，必須按一定的采樣間隔(稱為采樣周期)對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，將其變成時(shí)間上是斷續(xù)的信號(hào)才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)。所以，它除有連續(xù)模擬信號(hào)外，還有離散模擬、離散數(shù)字、連續(xù)數(shù)字等信號(hào)形式，是一種混合信號(hào)形式系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致可分為以下

幾種典型的形式：?操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)?直接數(shù)字控制系統(tǒng)?監(jiān)督控制系統(tǒng)?集散控制系統(tǒng)?現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)模擬量輸入接口概述

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸入接口是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，它的任務(wù)是工業(yè)生產(chǎn)控制現(xiàn)場送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字信號(hào)，完成現(xiàn)場信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換功能。模擬量輸入接口一般由接口電路、控制電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器和電流／電壓(I／V)變換器等構(gòu)成，其核心是模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D；通常也把模擬量輸入接口簡稱為A／D通道。第2章輸入輸出接口與過程通道技術(shù)傳感器的作用：主要是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。工業(yè)過程中主要的物理參數(shù)有：溫度壓力流量物位（液位）機(jī)械量成分

信號(hào)調(diào)理的作用：主要是將傳感器送來的非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，即變送器所做的工作。常見的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：0~10V

0~5V4~20mA1~5VA／D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)①轉(zhuǎn)換時(shí)間

②分辨率

③線性誤差

④量程

⑤對(duì)基準(zhǔn)電源的要求多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。利用多路開關(guān)可將各個(gè)輸入信號(hào)依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或A／D轉(zhuǎn)換器上。為了提高過程參數(shù)的測量精度，對(duì)多路開關(guān)提出了較高的要求。

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

由于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均支持多個(gè)模擬通道，但是因?yàn)槊總€(gè)模擬通道不一致，所以需要引入可編程放大器?？删幊谭糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)隨時(shí)可由一組數(shù)字序列控制，這樣，在MUX改變其通道序號(hào)時(shí)，放大電路也由相應(yīng)的一組數(shù)字序列控制改變放大倍數(shù)，即為每個(gè)模擬通道提供最合適的放大倍數(shù)。采樣／保持器的作用

①穩(wěn)定地保持模擬信號(hào)以便能夠完成A／D轉(zhuǎn)換。②在測量中同時(shí)對(duì)若干個(gè)模擬輸入量采樣(每個(gè)輸入需要一個(gè)采樣／保持電路)。

③消除A／D轉(zhuǎn)換器的輸出瞬變，如限制輸出電壓的尖峰。 模擬量輸出接口一般由接口電路、控制電路、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和電壓／電流(V／I)變換器等構(gòu)成，其核心是數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，簡稱D／A或DAC；通常也把模擬量輸出接口簡稱為D／A通道。D／A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)：①分辨率②轉(zhuǎn)換時(shí)間③精度④線性度

模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到控制的目的。

模擬量輸出通道一般由接口電路、D／A轉(zhuǎn)換器、V／I變換等組成。

用兩種狀態(tài)來表示的量稱為開關(guān)量。數(shù)字量的輸入輸出同樣稱為開關(guān)量。

開關(guān)量輸入/輸出通道一般由三部分組成：CPU接口邏輯、輸入緩沖器和輸出鎖存器、輸入／輸出電氣接口亦即開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理和輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。一般情況下，各種開關(guān)量輸入/輸出通道的前兩部分往往大同小異，所不同的主要在于輸入/輸出(I／0)電氣接口。從結(jié)構(gòu)形式上，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可分為如下幾種：●通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)——即“工業(yè)PC機(jī)（IPC）”●DCS工控機(jī)——即“現(xiàn)場工作站”●嵌入式工控機(jī)PC/104總線工控機(jī)ARM嵌入式單片機(jī)●PLC●單片機(jī)第3章工業(yè)控制計(jì)算機(jī)第5章數(shù)字PID控制算法第6章復(fù)雜控制算法模糊（子）集的表示模糊集An一般可表示為An=(,,…,)還可表示成如下的形式

An=，An=注：式中的符號(hào)是借用的隸屬度關(guān)系表現(xiàn)符號(hào),并不具備其本身的數(shù)學(xué)含義。6.6模糊控制3.變量的模糊化即將基本論域E,EC,U中的精確值轉(zhuǎn)化成模糊集論域X、Y、Z上的模糊值 某個(gè)變量變化的實(shí)際范圍稱為該變量的基本論域。記誤差的基本論域?yàn)閇-xe,xe

],誤差變化的基本論域?yàn)閇-xc,xc

],模糊控制器的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域?yàn)閇-yu,yu]。

比較實(shí)用的模糊化方法時(shí)將基本論域分為n個(gè)檔次，即取變量的模糊子集論域?yàn)椋簕-n,-n+1,…,0,…,n-1,n}

從基本論域[a,b]到模糊子集論域[-n,n]的轉(zhuǎn)換公式為：模糊論域中元素的個(gè)數(shù)的選取

增加元素個(gè)數(shù)可提高控制精度，但增大了計(jì)算量，而且模糊控制效果的改善并不顯著。在典型模糊控制系統(tǒng)中，模糊語言值的個(gè)數(shù)為2～10個(gè)，而論域元素個(gè)數(shù)一般為5～30個(gè)，例如在上述輸入輸出均為七個(gè)語言詞匯的情況下，可選擇E和EC的論域均為：{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

輸出變量U的模糊論域?yàn)椋簕-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}例如，已知當(dāng)輸入的模糊集合A和輸出的模糊集合B分別為 這里采用模糊集合的Zadeh表示法，其中ai、bi表示模糊集合所對(duì)應(yīng)的論域中的元素，而μi表示相應(yīng)的隸屬度。則當(dāng)輸入模糊控制向量的模糊判決－“清晰化”模糊決策包含兩個(gè)步驟先由控制量的模糊集C判決出模糊論域元素z*；

再將其轉(zhuǎn)換到基本論域上精確量u,以實(shí)際輸出。由C到u的判決常采用三種方法最大隸屬度法即取隸屬度最大的元素作為控制量。加權(quán)平均判決法(重心法)

疊加在被測信號(hào)上的干擾信號(hào)稱為串模干擾(也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等)一般情況下，被測信號(hào)的變化比較緩慢，而串模干擾信號(hào)的主要成分是50Hz的工頻和特殊的高次諧波，且通過電磁耦合和漏電等傳輸形式疊加到信號(hào)或引線上形成干擾。共模干擾產(chǎn)生的主要原因是不同“地”之間存在共模電壓以及模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地存在漏阻抗。共模干擾通過過程通道串入主機(jī)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地的目的有兩個(gè)：一是抑制干擾，使計(jì)算機(jī)穩(wěn)定地工作；二是保護(hù)計(jì)算機(jī)、電器設(shè)備和操作人員的安全。但不恰當(dāng)?shù)慕拥夭坏荒芤种聘蓴_，反而會(huì)造成極其嚴(yán)重的干擾，因此，正確的接地對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)極為重要。通常接地可分為工作接地和保護(hù)接地兩大類。保護(hù)接地主要是為了避免操作人員因絕緣層的損壞而發(fā)生觸電危險(xiǎn)以及保證設(shè)備的安全；工作接地則主要是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地形成環(huán)路引起干擾。由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的“地”有多種，故接地線主要分為以下幾類：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地、交流地。

模擬地是系統(tǒng)中的傳感器、變送器、放大器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。由于模擬信號(hào)往往有精度要求，有時(shí)信號(hào)比較小且直接與生產(chǎn)現(xiàn)場相連接，所以必須認(rèn)真地對(duì)待。

數(shù)字地，也叫邏輯地，是計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，為避免對(duì)模擬信號(hào)造成數(shù)字脈沖的干擾，數(shù)字地應(yīng)與模擬地分開。

安全地又稱為保護(hù)地或機(jī)殼地，其目的是讓設(shè)備機(jī)殼(包括機(jī)架、外殼、屏蔽罩等)與大地等電位，以免因機(jī)殼帶電而影響人身及設(shè)備安全。

系統(tǒng)地是上述幾類地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連。由于地球是體積非常大的導(dǎo)體，其靜電容量也非常大，電位比較恒定，所以人們將它的電位作為基準(zhǔn)電位，即零電位。

交流地是計(jì)算機(jī)交流供電電源地，即動(dòng)力線地，其地電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點(diǎn)之間往往很容易就有幾伏至幾十伏的電位差存在，還容易帶來各種干擾。因此，交流電絕對(duì)不允許與上述幾類地相連，并且交流電源變壓器的絕緣性能要好，以絕對(duì)避免漏電現(xiàn)象。模擬地和數(shù)字地的連接

數(shù)字地主要是指TTL或CMOS芯片、I/O接口芯片、CPU芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地。模擬地主要是指放大器、采樣/保持器和A/D、D/A中模擬信號(hào)的接地端。在控制系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地必須分別接地，然后僅在一點(diǎn)處把兩種地連接起來。否則，數(shù)字回路通過模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。采用Watchdog的抗干擾措施

監(jiān)控定時(shí)器(監(jiān)督定時(shí)器)，也稱為看門狗定時(shí)器(Watchdog)。使用Watchdog技術(shù)是一種防止尖峰脈沖干擾的有效方法。當(dāng)侵入的尖峰脈沖干擾使程序編碼的某一位(或數(shù)位)發(fā)生改變時(shí)，程序所呈現(xiàn)的外在表現(xiàn)可能為“飛掉”、“死機(jī)”、“死循環(huán)”。此時(shí)，利用監(jiān)控定時(shí)器Watchdog技術(shù)可以幫助系統(tǒng)自動(dòng)地恢復(fù)正常運(yùn)行。軟件抗干擾措施工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的抗干擾性能根本在硬件結(jié)構(gòu)。硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡可能的完善，而軟件的編制則要處處考慮到硬件可能的失效，可能受到的干擾等種種問題，在保證實(shí)時(shí)性、控制精度和控制功能的前提下，盡力提高系統(tǒng)的抗干擾性能。軟件抗干擾措施是硬件抗干擾措施的補(bǔ)充，把硬件和軟件有機(jī)的結(jié)合起來，一個(gè)經(jīng)得起長期現(xiàn)場考驗(yàn)的盡可能完善的工業(yè)控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字濾波開關(guān)量(數(shù)字量)輸入/輸出抗干擾措施軟件冗余技術(shù)（數(shù)據(jù)冗余、指令冗余）設(shè)置軟件陷阱、設(shè)置監(jiān)控定時(shí)器Watchdog常用軟件抗干擾措施：提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件可靠性的措施提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件可靠性可從下述幾方面著手。(1)分散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)把整體的軟件設(shè)計(jì)分散成各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各自獨(dú)立，又共享資源。這種分散結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)既有利于設(shè)計(jì)工作的開展也有利于軟件的調(diào)試。如把整體設(shè)計(jì)分為控制器模件、歷史數(shù)據(jù)模件、打印模件、報(bào)警事件模件等子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。(2)容錯(cuò)技術(shù)在軟件設(shè)計(jì)中的容錯(cuò)技術(shù)是指在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)誤操作不予響應(yīng)的技術(shù)。這里的不予響應(yīng)是指對(duì)于操作人員的誤操作，如不按設(shè)計(jì)順序則軟件不會(huì)去輸出操作指令，或者輸出有關(guān)提示操作出錯(cuò)的信息。要防止軟件出錯(cuò)，首先應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照軟件工程的要求進(jìn)行軟件開發(fā)，然后弄清軟件失效的機(jī)理并采取相應(yīng)的措施。(3)指令冗余

(4)信息冗余計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的信息偏差一般發(fā)生在：數(shù)據(jù)的傳遞；數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫；數(shù)據(jù)的運(yùn)算等場合。信息冗余就是利用增加信息的多余度來提高可靠性，具體做法是在數(shù)據(jù)(信息)中附加檢錯(cuò)碼或糾錯(cuò)碼以檢查數(shù)據(jù)是否發(fā)生偏差，并在有偏差時(shí)糾正偏差。常用的檢錯(cuò)碼有奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)碼、定比傳輸碼等。常用的糾錯(cuò)碼有海明碼、循環(huán)碼等。(5)標(biāo)準(zhǔn)化采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件可以提高軟件運(yùn)行的可靠性。它還為其他軟件公司的軟件產(chǎn)品移植、應(yīng)用提供條件。目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在軟件上大多采用著名的多用戶分時(shí)操作系統(tǒng)，如UNIX、XENIX，采用Windows編輯技術(shù)軟件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，如Informix、Oracle等。監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA)的軟件平臺(tái)工具，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。第7章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工控組態(tài)軟件組態(tài)軟件的特點(diǎn)組態(tài)軟件最突出的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù)。例如，數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索管理、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)要在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行。組態(tài)軟件具有 實(shí)時(shí)多任務(wù) 接口開放 使用靈活 功能多樣 運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。一般的組態(tài)軟件都由下列組件組成：圖形界面系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)第三方程序接口組件控制功能組件在圖形畫面生成方面，構(gòu)成現(xiàn)場各過程圖形的畫面被劃分成3類簡單的對(duì)象：線、填充形狀和文本。每個(gè)簡單的對(duì)象均有影響其外觀的屬性。對(duì)象的基本屬性包括：線的顏色、填充顏色、高度、寬度、取向、位置移動(dòng)等。這些屬性可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是更為重要的一個(gè)組件。因?yàn)镻C的處理能力很強(qiáng)，因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫更加充分地表現(xiàn)出了組態(tài)軟件的長處。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫可以存儲(chǔ)每個(gè)工藝點(diǎn)的多年數(shù)據(jù)，用戶既可瀏覽工廠當(dāng)前的生產(chǎn)情況，又可回顧過去的生產(chǎn)情況。工廠的歷史數(shù)據(jù)是很有價(jià)值的，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫具備數(shù)據(jù)檔案管理功能。從實(shí)踐可知：現(xiàn)在很難知道將來進(jìn)行分析時(shí)哪些數(shù)據(jù)是必需的。因此，保存所有的數(shù)據(jù)是防止丟失信息的最好的方法。通信及第三方程序接口組件是開放系統(tǒng)的標(biāo)志，是組態(tài)軟件與第三方程序交互及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問的重要手段之一。它有下面3個(gè)主要作用。①用于雙機(jī)冗余系統(tǒng)中，主機(jī)與從機(jī)間的通信。②用于構(gòu)建分布式HMI／SCADA應(yīng)用時(shí)多機(jī)間的通信。③在基于Internet或Browser／Server(B／S)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)通信功能?？刂乒δ芙M件以基于PC的策略編輯／生成組件(也有人稱之為軟邏輯或軟PLC)為代