第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

1.1計(jì)算機(jī)控制的概念

1.2計(jì)算機(jī)控制發(fā)展簡(jiǎn)史

1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

1.4計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制中的典型應(yīng)用

1.5典型工業(yè)受控對(duì)象1.1計(jì)算機(jī)控制的概念

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)本體（包括硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）和受控對(duì)象兩大部分組成。

工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)隨控制對(duì)象、控制算法和采用的控制器結(jié)構(gòu)的不同而有所差別。從常規(guī)來看，控制系統(tǒng)為了獲得控制信號(hào)，要將被控量y和給定值w相比較，得到偏差信號(hào)e=w?y。然后直接利用e來進(jìn)行控制，使系統(tǒng)的偏差減小直到消除偏差，被控量等于給定值。這種控制，由于控制量是控制系統(tǒng)的輸出，被控制量的變化值又反饋到控制系統(tǒng)的輸入端，與作為系統(tǒng)輸入量的給定值相減，所以稱為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。一.自動(dòng)控制系統(tǒng)基本框圖

圖1-1控制系統(tǒng)的一般形式

(a)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖；(b)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

另一種控制結(jié)構(gòu)，即開環(huán)控制系統(tǒng)。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于它不需要控制對(duì)象的反饋信號(hào)。它的控制是直接根據(jù)給定信號(hào)去控制被控對(duì)象工作的。這種系統(tǒng)本質(zhì)上不會(huì)自動(dòng)消除由被控參數(shù)偏差給定值帶來的誤差，控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差全部反映在被控參數(shù)上。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但性能較差，常用在一些特殊的控制場(chǎng)合。二.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖

把圖1-1中的控制器用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來代替，這樣就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-2所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上也可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種。1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成:由控制計(jì)算機(jī)和受控對(duì)象兩大部分組成.2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖.圖1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)處理的輸入和輸出信號(hào)都是數(shù)字量。因此，在這樣的控制系統(tǒng)中，需要有將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，以及將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)的數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)本體（包括硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）和受控對(duì)象兩大部分組成。下圖是一個(gè)典型的按偏差進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)歸結(jié)為四個(gè)步驟:①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集對(duì)被控參數(shù)在一定的采樣間隔進(jìn)行檢測(cè)，并將采樣結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)。②實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)采集到的被控參數(shù)進(jìn)行處理后，按一定的預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行控制率的計(jì)算，或稱決策，決定當(dāng)前的控制量。③實(shí)時(shí)控制根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，將控制信號(hào)作用到控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。④信息管理隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)中。上述測(cè)、控、算、管的過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠按照一定的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并且對(duì)被控參數(shù)或控制設(shè)備出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時(shí)監(jiān)督并作出迅速的處理。三.幾個(gè)術(shù)語1.在線(online):

生產(chǎn)設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接的方式，稱為“聯(lián)機(jī)”或“在線”控制。2.離線(offline):

產(chǎn)設(shè)備不直接與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，稱為“脫機(jī)”或“離線”控制。3.實(shí)時(shí)(realtime):

如果計(jì)算機(jī)能夠在工藝要求的時(shí)間范圍內(nèi)及時(shí)對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和控制輸出，則稱為實(shí)時(shí)控制。4.在線與實(shí)時(shí)的關(guān)系:

一個(gè)在線系統(tǒng)，不一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，一定是在線系統(tǒng)。1.2計(jì)算機(jī)控制發(fā)展簡(jiǎn)史

大體分以下幾個(gè)階段:第一階段:65年之前,實(shí)驗(yàn)階段.第二階段:65-69年,實(shí)用階段.第三階段:70年以后,大批量生產(chǎn)階段.第四階段:80年代后期,逐漸進(jìn)入分布控制階段.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備、控制軟件和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分組成。一.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件

1.計(jì)算機(jī)主機(jī)2.常規(guī)外部設(shè)備3.輸入輸出通道4.接口5.運(yùn)行操作臺(tái)6.檢測(cè)元件與執(zhí)行器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖1.計(jì)算機(jī)主機(jī)----控制系統(tǒng)核心部件

主機(jī)由CPU和存儲(chǔ)器構(gòu)成。它通過由過程輸入通道發(fā)送來的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息的處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出通道，及時(shí)發(fā)出控制命令。主機(jī)中的程序和控制數(shù)據(jù)是人們預(yù)先根據(jù)控制對(duì)象的特征編制的控制算法。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制程序和系統(tǒng)程序，完成事先確定的控制任務(wù)。2.常規(guī)外部設(shè)備常規(guī)外部設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，并根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模和要求來配置。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀等，主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)等。采用的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、記錄儀等。輸出設(shè)備將各種數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使其能夠了解過程控制的情況。存儲(chǔ)設(shè)備用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和備份重要的數(shù)據(jù)，主要有磁盤、磁帶機(jī)等。3.輸入輸出通道計(jì)算機(jī)的輸入輸出通道，又稱過程通道。工業(yè)對(duì)象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器（又稱一次儀表）變換為等效的電信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，必須在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息的傳遞和變換的連接通道，這就是過程輸入輸出通道。它是生產(chǎn)過程控制特殊要求的。過程通道一般可分為：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道、開關(guān)量輸出通道，它的詳細(xì)情況在以后的章節(jié)中將專門重點(diǎn)介紹。

4.接口接口電路----把主機(jī)與輸入輸出設(shè)備(過程通道)之間連接起來的電路,簡(jiǎn)稱.接口----通用接口電路,全部由大規(guī)模電路組成.接口類型:1.并行接口2.串行接口3.管理接口4.專用接口(A/D,D/A,轉(zhuǎn)換電路,輸入輸出電路轉(zhuǎn)接口)(其中1,2,3統(tǒng)稱通用接口)5.運(yùn)行操作臺(tái)生產(chǎn)過程的操作人員與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行“對(duì)話”以了解生產(chǎn)過程狀態(tài)，有時(shí)還要進(jìn)行參數(shù)修改和系統(tǒng)維護(hù)，在發(fā)生事故時(shí)還要進(jìn)行人工干預(yù)等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行操作臺(tái)應(yīng)該具備如下功能：①要有屏幕或數(shù)字顯示器，以顯示過程參數(shù)、狀態(tài)、畫面和報(bào)警；②要有一組簡(jiǎn)單功能鍵進(jìn)行控制操作；③要有一組數(shù)字鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)操作；④采用硬保護(hù)和軟保護(hù)措施，保證鍵盤的誤操作不致引起嚴(yán)重的后果。6.檢測(cè)元件與執(zhí)行器檢測(cè)變送單元、電動(dòng)和氣動(dòng)的執(zhí)行單元以及電力拖動(dòng)的交流和直流驅(qū)動(dòng)裝置也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該掌握和熟悉的領(lǐng)域，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，首先對(duì)各類數(shù)據(jù)，如溫度、壓力…進(jìn)行采集。在微機(jī)控制系中，為此通過檢測(cè)元件來進(jìn)行如傳器。此外，為了控制生產(chǎn)過程，還有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)，氣動(dòng)，液壓傳動(dòng)控制也有用步進(jìn)機(jī)及可控元件來進(jìn)行控制。二.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件是完成控制任務(wù)的設(shè)備基礎(chǔ)，而計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序是履行控制系統(tǒng)任務(wù)的關(guān)鍵，通稱為軟件。軟件的質(zhì)量關(guān)系到計(jì)算機(jī)運(yùn)行和控制效果的好壞、硬件功能的充分發(fā)揮和推廣應(yīng)用。軟件主要分系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件：系統(tǒng)軟件提供計(jì)算機(jī)運(yùn)行和管理的基本環(huán)境，如DOS，Windows，WinNT，UNIX等以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；應(yīng)用軟件有語言加工軟件，如匯編、編譯軟件和控制系統(tǒng)的編程軟件。

軟件組成

◆系統(tǒng)軟件

—提供計(jì)算機(jī)運(yùn)行和管理的基本環(huán)境

◆應(yīng)用軟件

—直接的控制程序三.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的比重越來越大。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：一類稱為對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(peer-to-peer)；另一類稱為客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client/Sever）。這種分類主要是按照網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系確定的。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

◆對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Peer-to-Peer,P2P）

—對(duì)等聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

◆客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client/Server,C/S）

—各節(jié)點(diǎn)功能不同1.4計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制中的典型應(yīng)用

工業(yè)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與所控制的生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度密切相關(guān)，不同的控制對(duì)象和不同的控制要求，應(yīng)該具有不同的控制方案。一.程序控制和數(shù)值控制1.程序控制又稱順序控制,目前均稱為可編程控制器.

順序控制,按照一定的時(shí)間順序或邏輯順序進(jìn)行的操作.

它分為定時(shí)控制----按一定時(shí)間進(jìn)行操作邏輯控制----按邏輯次序進(jìn)行操作2.數(shù)值控制它是指按給定的數(shù)據(jù)以一定程序進(jìn)行數(shù)值控制,統(tǒng)稱數(shù)控.如數(shù)控車床,數(shù)控線切割機(jī)等機(jī)床設(shè)備的控制.

它分為常規(guī)數(shù)控(NC),計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC),計(jì)算機(jī)群控(DNC),以數(shù)控車床為例,其結(jié)構(gòu)框圖為:

微型計(jì)算機(jī)8255PA0PA1PA2PB0PB1PB2驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路xy負(fù)載優(yōu)點(diǎn):通用性強(qiáng),功能強(qiáng)大,并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程,價(jià)格便宜特點(diǎn):控制規(guī)律簡(jiǎn)單,專用性強(qiáng),速度并不.高二.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)----將外部世界存在的溫度,壓力,流量,位移以及角度等模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),收集到計(jì)算機(jī)并進(jìn)一步給以顯示,處理,傳遞與記錄,這一過程稱為數(shù)據(jù)采集.其應(yīng)用系統(tǒng)稱為數(shù)字采集系統(tǒng)2.應(yīng)用范圍----數(shù)字采集系統(tǒng)應(yīng)用范圍很廣,在雷達(dá),通信,水聲,遙感技術(shù),地質(zhì)勘探,振動(dòng)工程,無損檢測(cè),智能儀表,工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用.3.數(shù)字采集系統(tǒng)的功能

1)了解生產(chǎn)過程正常與否,監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程,對(duì)知道生產(chǎn)有一定的作用.2)從采集中得到大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),利于建立理想的數(shù)據(jù)模型,并從采集的大量的數(shù)據(jù)中找出某種物理規(guī)律.4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖三.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))1.直接數(shù)字控制系統(tǒng)是指用一臺(tái)微機(jī)對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè),測(cè)量結(jié)果與給定值進(jìn)行比較,再按控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)籌,把結(jié)果輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制,這類系統(tǒng)稱為直接數(shù)字控制系統(tǒng).2.結(jié)構(gòu)圖:直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl,DDC）

—計(jì)算機(jī)參與閉環(huán)控制過程3.特點(diǎn)

1)經(jīng)濟(jì).由于計(jì)算機(jī)速度快,一臺(tái)微機(jī)替代多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器

2)可靠性高

3)靈活性大.由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力強(qiáng),所以它可以方便實(shí)現(xiàn)比較更新的控制如串聯(lián)控制,前饋控制,自動(dòng)選擇控制,大滯后控制等.四.監(jiān)督控制系統(tǒng)1監(jiān)督控制系統(tǒng)在直接數(shù)字控制方法中，對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預(yù)先設(shè)定的，并且直接存入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，這個(gè)給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改，故直接數(shù)字控制方式無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。監(jiān)督控制SCC中，計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其它方法，自動(dòng)地改變模擬調(diào)節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的計(jì)算機(jī)中的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況（如高質(zhì)量、高效率、低能耗、低成本和低污染等）。從這個(gè)角度上說，它的作用是改變給定值，所以又稱給定值控制SPC。監(jiān)督控制方式的控制效果，主要取決于數(shù)學(xué)模型的精度。這個(gè)數(shù)學(xué)模型一般是針對(duì)某一目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)的。如果這一數(shù)學(xué)模型能使某一目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，那么這種控制方式就能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。如數(shù)學(xué)模型不理想，控制效果也會(huì)變差。監(jiān)督控制系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。2監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種典型的結(jié)構(gòu)形式監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式

(a)SCC+模擬調(diào)節(jié)器形式；(b)SCC+DDC系統(tǒng)。1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)對(duì)各物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)，并按一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析。計(jì)算后，得出控制對(duì)象各參數(shù)最優(yōu)的給定值送調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作。2）SCC+DDC的分級(jí)控制系統(tǒng)這實(shí)際上是一個(gè)二級(jí)控制系統(tǒng)，SCC可采用高檔微型計(jì)算機(jī)，它與DDC之間通過接口進(jìn)行信息聯(lián)系。SCC微型計(jì)算機(jī)完成高一級(jí)的最優(yōu)化分析和計(jì)算，并給出最優(yōu)給定值，送給DDC級(jí)執(zhí)行過程控制。當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能。它顯然提高了控制系統(tǒng)的可靠性。3監(jiān)督控制系統(tǒng)的特點(diǎn):1)比DDC具有更大的優(yōu)越性,更接近生產(chǎn)實(shí)際情況,能做到低能耗.2)能進(jìn)行更復(fù)雜變化的優(yōu)化控制,系統(tǒng)可靠.3)實(shí)現(xiàn)困難,主要是建模不夠準(zhǔn)確.五.分布控制系統(tǒng)(DCS)1分布控制系統(tǒng)分布控制系統(tǒng)也稱集散控制系統(tǒng).是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視,操作,管理和分散控制的一種新型控制技術(shù).2.組成----由分散過程控制(DDC),計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制(SCC),和生產(chǎn)管理(MIC),組成,圖示:分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）

—分散控制，集中管理3.框圖

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS),它是一種對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的系