第1章計(jì)算機(jī)控制概述

第一章計(jì)算機(jī)控制概述本章要點(diǎn)

1.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成3.初步認(rèn)識計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類與裝置種類4.初步認(rèn)識計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

5.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的的主要研究內(nèi)容6.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

本章主要內(nèi)容

引言

1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

本章小結(jié)

思考題

1.5

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

1.4

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容

引言

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用--是把計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問，是以計(jì)算機(jī)為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，自動(dòng)化控制工程是其重要的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動(dòng)化控制工程來看，計(jì)算機(jī)技術(shù)又是一個(gè)主要的實(shí)現(xiàn)手段。本書立足于工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域，討論這種不同于普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、相關(guān)技術(shù)及其工程應(yīng)用。下圖為一個(gè)制藥車間的自動(dòng)化生產(chǎn)流程。

鏈接動(dòng)畫1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成主要知識點(diǎn):1.1.1控制系統(tǒng)概念1.1.2硬件組成1.1.3軟件組成1.1.1控制系統(tǒng)概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來的;常規(guī)儀表組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成開環(huán)控制(圖1-1a所示)

與閉環(huán)控制(圖1-1b所示)兩種結(jié)構(gòu)形式;計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理組成—用控制計(jì)算機(jī)代替圖1-1的控制器，如圖1-1c所示；（1）開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)--不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環(huán)系統(tǒng)。

uqy控制器執(zhí)行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r(a)開環(huán)控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)--閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量變送器對被控對象進(jìn)行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。euqy控制器執(zhí)行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量

測量值r+_zf干擾圖1-1(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理組成

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計(jì)算機(jī)即微型計(jì)算機(jī)及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口與D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口代替，由于計(jì)算機(jī)采用的是數(shù)字信號傳遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為其輸入信號，以及D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量作為其輸出信號。

圖1-1(c)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

（4）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程步驟a.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集--對來自測量變送器的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行采集和輸入；b.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理--對采集到的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按一定的控制規(guī)律運(yùn)算，進(jìn)行控制決策；

c.實(shí)時(shí)輸出控制--根據(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行器發(fā)出控制信號，完成監(jiān)控任務(wù)；

“實(shí)時(shí)”性的概念

所謂“實(shí)時(shí)”，是指信號的輸入、運(yùn)算處理和輸出能在一定的時(shí)間內(nèi)完成，即要求控制計(jì)算機(jī)對輸入信號要以足夠快的速度進(jìn)行測量與處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)反應(yīng)或產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用。超過這個(gè)時(shí)間，就會(huì)失去控制時(shí)機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算機(jī)控制的功能，需要控制計(jì)算機(jī)在硬件和軟件兩大部分的支持。

1.1.2硬件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件一般包括：主機(jī)--CPU＋RAM＋ROM＋系統(tǒng)總線

常規(guī)外部設(shè)備--輸入/輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器等過程輸入輸出通道—AI、AO、DI、DO操作臺(tái)—CRT、LED、LCD

等通信設(shè)備—交換機(jī)、modem、集線器等圖1-2所示硬件組成框圖

圖1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖

鏈接動(dòng)畫控制計(jì)算機(jī)硬件的特點(diǎn)（1）包含過程輸入輸出設(shè)備（2）可靠性高和可維護(hù)性好，能適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場惡劣的運(yùn)行環(huán)境（3）具有高可靠性的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)1.1.3軟件組成硬件僅為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軀體。要使計(jì)算機(jī)正確地運(yùn)行解決各種問題，必須為它編制軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件程序指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類；系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)廠家提供，專門用來使用和管理計(jì)算機(jī)本身的程序；應(yīng)用軟件是用戶針對生產(chǎn)過程要求而編制的各種應(yīng)用程序。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了滿足實(shí)時(shí)處理的要求，通常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。目前控制計(jì)算機(jī)常用的操作系統(tǒng)主要有UNIX、WINDOWSNT、WINDOWS2000、WINDOWSXP、RMXDOS等具有搶先能力的多任務(wù)操作系統(tǒng)，在一些要求不高的場合也有使用WINDOWS98等不具有搶先能力的多任務(wù)操作系統(tǒng)，甚至是DOS等單任務(wù)系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作環(huán)境下，要求將應(yīng)用系統(tǒng)中的各種功能劃成若干任務(wù)，并按其重要性賦予不同的優(yōu)先級，各任務(wù)的運(yùn)行進(jìn)程及相互間的信息交換由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

1.2控制系統(tǒng)分類

主要知識點(diǎn)1.2.1按功能及結(jié)構(gòu)分類1.2.2按控制規(guī)律分類1.2.3按控制設(shè)備分類1.2.1按功能及結(jié)構(gòu)分類

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）2.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)3.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）4.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）5.分散控制系統(tǒng)（DCS）6.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）7.以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem)--是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖1-5所示。生產(chǎn)過程中被控對象的大量參數(shù)經(jīng)測量變送儀表發(fā)送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并按操作要求進(jìn)行屏幕顯示、制表打印和越限報(bào)警。

鏈接動(dòng)畫2.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)--是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據(jù)此去改變各個(gè)控制器的給定值或操作執(zhí)行器，以達(dá)到操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動(dòng)與半自動(dòng)工作狀態(tài)。OGC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)是要由人工操作，速度受到限制，不能同時(shí)控制多個(gè)回路。

鏈接動(dòng)畫3.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）DDC系統(tǒng)--是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅完成對多個(gè)被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，而且能按一定的控制規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，為了操作方便，DDC系統(tǒng)還配置一個(gè)包括給定、顯示、報(bào)警等功能的操作控制臺(tái)。DDC系統(tǒng)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅完全取代了多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器，而且在各個(gè)回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序就能有效地實(shí)現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜控制。計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程顯示打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)）ID，D/A（入輸程過）OD，A/D（出輸程過圖1-7直接數(shù)字控制系統(tǒng)鏈接動(dòng)畫4.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即SCC--是OGC系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)或與DDC系統(tǒng)綜合而成的兩級系統(tǒng)，如圖1-8所示。顯然，這屬于計(jì)算機(jī)在線最優(yōu)控制的一種形式。當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由下位機(jī)獨(dú)立完成控制。下位機(jī)直接參與生產(chǎn)過程控制，要求其實(shí)時(shí)性好，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)；而上位機(jī)承擔(dān)高級控制與管理任務(wù)，應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大的高檔計(jì)算機(jī)。鏈接動(dòng)畫5.分散控制系統(tǒng)（DCS）分散控制系統(tǒng)--是以微處理器為基礎(chǔ)，借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的先進(jìn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于早期開發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征，因此國外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng)，國內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng)，或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡稱為DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則。它的結(jié)構(gòu)組成如圖7-1所示。鏈接動(dòng)畫6.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)即FCS--是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進(jìn)了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點(diǎn)，采用集管理控制功能于一身的工作站與現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去，形成一個(gè)徹底的分散控制模式。它的結(jié)構(gòu)組成如圖7-12等所示。每個(gè)現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，都帶CPU單元，可分別獨(dú)立完成測量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能，靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。7.以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1.2.2按控制規(guī)律分類

1.程序和順序控制2.常規(guī)連續(xù)控制3.最少拍控制

4.先進(jìn)算法控制5.智能控制1.2.3按控制裝置分類

1.可編程控制器2.可編程調(diào)節(jié)器3.總線式工控機(jī)4.單片微型計(jì)算機(jī)5.其他控制裝置1.可編程控制器可編程邏輯控制器--簡稱可編程控制器或PLC，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示。鏈接動(dòng)畫可編程控制器（PLC）特點(diǎn)：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)

境下應(yīng)用而設(shè)定;采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出；應(yīng)用廣泛--不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢，而且在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色；PLC具有系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，編程簡單，調(diào)試容易，抗干擾能力強(qiáng)；2.可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器--又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器。它主要由微處理單元、過程I／O（輸入/輸出）單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖所示。鏈接動(dòng)畫可編程調(diào)節(jié)器特點(diǎn)：一種儀表化了的微型控制計(jì)算機(jī)易操作，易編程、方便靈活設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮接口、通訊的硬件設(shè)計(jì)軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態(tài)語言具有斷電保護(hù)、自診斷功能、通信等功能可以組成多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種高級控制和管理

大型分散控制系統(tǒng)中最基層的控制單元適用于連續(xù)過程中模擬量信號的控制系統(tǒng)中3.總線式工控機(jī)總線式工控機(jī)，是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工業(yè)控制的通用性計(jì)算機(jī)，一般稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱為工業(yè)控制機(jī)或工控機(jī)。通常，計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)廠家是按照某個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造出若干符合總線標(biāo)準(zhǔn)、具有各種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過程與技術(shù)要求，選用相應(yīng)的功能模板組合成自己所需的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？偩€式工控機(jī)的外形類似普通計(jì)算機(jī)，如圖所示。

不同的是它的外殼采用全鋼標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)加固型機(jī)架機(jī)箱，機(jī)箱密封并加正壓送風(fēng)散熱，機(jī)箱內(nèi)的原普通計(jì)算機(jī)的大主板變成通用的底板總線插座系統(tǒng)，將主板分解成幾塊PC插件，采用工業(yè)級抗干擾電源和工業(yè)級芯片，并配以相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用軟件?？偩€式工控機(jī)具有小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運(yùn)行。因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個(gè)回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。鏈接動(dòng)畫4.單片微型計(jì)算機(jī)

隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的另一個(gè)分支──超小型化的單片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機(jī)誕生了。它是將CPU、存儲(chǔ)器、串并行I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。單片機(jī)的應(yīng)用軟件可以采用面向機(jī)器的匯編語言，但這需要較深的計(jì)算機(jī)軟硬件知識，而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語言的發(fā)展，其軟件開發(fā)環(huán)境正在逐步改善。目前，市場上已推出面向單片機(jī)結(jié)構(gòu)的高級語言，如早期的ArchimedesC和FranklinC，現(xiàn)在的KeilC51、DynamicC等語言。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、性能可靠、價(jià)格低廉、功能擴(kuò)展容易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是強(qiáng)大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、軍事裝置等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)的應(yīng)用從4位機(jī)開始，歷經(jīng)8位、16位、32位四種。但在小型測控系統(tǒng)與智能化儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域里，8位單片機(jī)因其品種多、功能強(qiáng)、價(jià)格廉，目前仍然是單片機(jī)系列的主流機(jī)種。5.其他控制裝置分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和以太控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)--最初是以一種控制方案的形式出現(xiàn)的，但很快受到工控市場的極大推崇，因而已經(jīng)成為國內(nèi)外自動(dòng)化廠家爭先推出的三種典型的裝置，已經(jīng)提及，本節(jié)不再贅述。

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）數(shù)字模擬混合的系統(tǒng)（2）靈活方便、適應(yīng)性強(qiáng)（3）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)