計算機集成控制系統(tǒng)概述

計算機集成控制系統(tǒng)概述

討算機控制系統(tǒng)是討算機技術與自動控制理論、

自動化技術以及檢測與傳感技術、通信與網(wǎng)絡技

術緊密結合的產(chǎn)物。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，計算機控制索

統(tǒng)可以實現(xiàn)常規(guī)控制以外更復雜、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。現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)已經(jīng)將企業(yè)的經(jīng)營、

計劃、執(zhí)行、生產(chǎn)連為一體，構成了綜合自動化

的集成索統(tǒng)。

1計算機控制系統(tǒng)的基本概念

計算機控制宗統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程

自動控制的宗統(tǒng)。

自動控制，是在沒有人直接參與的情況下，通過

控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預定的規(guī)律運行。

控制計算機生產(chǎn)過程

processor

A/DD/A

*cart

?無力計算機運行速度多快，計算機控制都是在離

散的時間點執(zhí)行。計算機僅僅利用連續(xù)信號的釜

樣值。從控制理論角度來說，計算機控制屬于離

藏控制O

?在計算機控制中，各類控制任務的實現(xiàn)存在執(zhí)行

時間。同時，計算機還需要執(zhí)行其他的任務。所

以計算機控制實際上是實時系統(tǒng)。

?計算機控制系統(tǒng)理論分析的主要工具包括：離散

時間控制系統(tǒng)的分析，實時系統(tǒng)的分析

2計算機控制系統(tǒng)的組成和特點

操作臺

/卜

多路開關

I/OA/D

接口

計

工

算

I/O業(yè)

接口

機

對

象

主

機I/O

接口

通用外部I/O接I/O接I/O通道信號檢測

設備口電路作臺口電路及妥送被控對象

計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。

硬件組成：主要由計算機系統(tǒng)（包括主機和外部設

備）和過程輸入輸出通道、被控對象、執(zhí)行器、檢

測變送環(huán)節(jié)等組成。

軟件組成：系統(tǒng)軟件和應用軟件。

在計算機控制系統(tǒng)中，硬件和軟件不是獨立存在

的，在設計時必須注意兩者相互間的有機配合和協(xié)

調，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要親的高質量的

控制系統(tǒng)。

硬件組成：

1、主機

即微型計算機或CPU。常見的包括：51、96等各類單片機；8086、6800處理

器；DSP、ARM；工業(yè)控制討算機；PC機等。

2、I/O接口

接口實現(xiàn)主機和外部設備之間教據(jù)交換。常用的接口包括：

并行接口：8255、8155串行接口：8251

DMA接口：8237中新接口：8259

定時器/記數(shù)器接口：8253

3、輸入/輸出通道

模擬量輸入通道、模擬量輸出通道；開關量輸入通道、開關量輸出通道

4、外部設備

輸入設備（如檢測設備）、輸出設備（如執(zhí)行機構）

5、操作臺

輸出顯示（CRT,LED、報警和狀忐顯示等）、輸入鍵盤（功能鍵、數(shù)字鍵、

開關等）

軟件組成

1系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括實時多任務操作系統(tǒng)、引導程序、調度執(zhí)行

程序，如美國Intel公司推出的iRMX86實時多任務操作

統(tǒng)，美國ReadySystem公司推出的送入式實時多任務操作

系統(tǒng)VRTX/OS。除了實時多任務掾作系統(tǒng)以外，也常常

我用MS—DOS和Windows等統(tǒng)軟件。

2支持軟件

支持軟件包括編程語言（匯編語言、高級語言）、編程支

持軟件（編譯程序、編輯程序、調試程序、診斷程序）O

3應用軟件

應用軟件是系統(tǒng)設計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制

和管理程序。它包括過程輸入程序、過程控制程序、過程

輸出程序、人機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。

計算機控制系統(tǒng)的特點

在計算機控制系統(tǒng)中，被控制量通常是模

擬量,而計算機本身的輸入輸出量都是數(shù)字量O

因此，計算機控制系統(tǒng)大都具有數(shù)室一模擬混

合式的結構。

e?)

模擬信號----時間上和幅值上都連續(xù)的信號。

離散模擬信號——時間上離散幅值上連續(xù)的信號。

數(shù)字信號——時間上離散，幅值也離散的信號。

象樣——將模擬信號抽樣成離散模擬信號的過程。

量化——采用一組數(shù)碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉

換成數(shù)字信號。

3計算機控制系統(tǒng)的典型形式

L數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視余統(tǒng)

生

計產(chǎn)

算過

機程

優(yōu)堂：轉構椅隼,控制靈活我安全。

款支；要由人工糅作，速度愛到限制，系犍控制多個對象。

2.直接數(shù)字控制余統(tǒng)

CRT

生

產(chǎn)

打印機計

過

算

程

機

報警

操作臺

行具機閉環(huán)控喇系統(tǒng)。可競合取代核加倜節(jié)器，實現(xiàn)

多回路的尸勿控制，而且只要改變福本就可。實現(xiàn)復綠的

控制規(guī)律。

3、監(jiān)督控制系統(tǒng)

(a)

生調節(jié)

產(chǎn)

測量

過

程

(b)

其作用是改變給定他，又稱核定值控制。它的但務弟童

在控制規(guī)律的修正號實現(xiàn)，電量優(yōu)控制、自適應按喇萼。

4.分散型控制系統(tǒng)

采用今枚控制、集中糅作、令您管理我除合例調的核行

晨則號網(wǎng)絡化的控制給構，彩虱今您合布式控制。

5.現(xiàn)場總線控制余統(tǒng)

轉構模式為:“工

作站一現(xiàn)場總俵智

怩儀表”二層錯構,

黨戚了軟紇中的三

層秸構功惚，降低

了戚奉，提裔了可

磕楹，并且森瘍一

國陳標率下可實現(xiàn)現(xiàn)場設備

方正的許數(shù)式互接

系統(tǒng)秸構。

4計算機控制系統(tǒng)的性能及其指標

1.必算機控制系疫的穩(wěn)定喉

CaJ發(fā)散振蕩

CbJ衰減振蕩

(c)等幅振蕩

(d)非周期衰減

Cd

2.奸算機控喇系疣的怩捏喉和混現(xiàn)則喘

能控性和能觀性從狀忠的控制能力和狼忐的測

辨能力兩個方面揭示了控制條統(tǒng)的兩個基本問題。

能控性

祭統(tǒng)控制的主要目的是驅動系統(tǒng)隊第一狀去到達指

定的狀志。如果系統(tǒng)不能控，就不可能通過選擇控制作

用，使系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀去到達指定狀態(tài)。

能觀性

用狀態(tài)反饋構成控制規(guī)律，從它的測量輸出中獲得

系統(tǒng)狀出的信息。如果輸出不反映狀態(tài)信息，這樣的系

統(tǒng)被稱為是不能觀的。

￡按喇系疫的劭態(tài)猾標

動忐指標能夠比AXO

較直觀地反映控

制宗統(tǒng)的過渡過

%

程特性，動態(tài)指y0

標包括超調量，

調節(jié)時間，峰值

時間，衰減比和ps

蕩次

?超調量4

。口表示了系統(tǒng)過沖的程度。設輸出量的最大值為

ym，輸出量y?）的穩(wěn)態(tài)值為歹8，則超調量定義為

ym~八

anxlOO%

Joo

超調量通常以百分數(shù)表示，它反映了系統(tǒng)動忐過

程的平穩(wěn)性。

?調整時間ts

調整時間t反映了過渡過程時間的長短，當

S

，>，時，若y(t)-<A則，定義為調

SS

整時間，式中Jm是輸出量,(，)的穩(wěn)態(tài)值，A

TO.02或0.05o它反映了動態(tài)過程進行

Jv8Jvoo

的快慢，是系統(tǒng)的快速性指標。

4,按喇系疣的穩(wěn)態(tài)婚標

穩(wěn)態(tài)指標是衡量控制系統(tǒng)精度的指標，用穩(wěn)

忐誤差來表征。穩(wěn)點誤差是輸出量的穩(wěn)忐值

歹8與要求值兒的差值，定義為

%=歹0一心

5,按制京統(tǒng)的徐合猾株

綜合性能指標通常有3種類型

1）積分型指標

?誤差平方的積分

J

這種性能指標著重權衡大的誤差，而較少顏

及小的俁差，但這種指標教學上易于處理，可以

得到教學斛折斛，因此經(jīng)常使用。

?時間乘誤差平方的積分

<Z=j^

這種指標較少考慮大的起始誤差，著重權衡

過波特性后期出現(xiàn)的誤差，有較好的選擇性。該

指標反映了控制系統(tǒng)的快速性和精確性。

?加權二次型性能指標

對于多變量控制系統(tǒng)，可用:

J=J。(eTQe+Ru)At

￡（夕逐；+夕2只+）d，+￡（4"；+6"；+）也

不僅控制了動態(tài)性能指標，而且限制了控制

信號的功率。

2)末值型指標

J-s[*(%]

當要求系統(tǒng)在求值時刻G具有最小穩(wěn)出誤差，

最準確的定住或最大射程的求值控制中，就可系用未

值型性能指標。

3）復合型指標

J~s[x（O）"f]+1f/

復合型指標是積分型和末值型指標的復合，是

一個更普遍的性能指標形式。

5計算機控制系統(tǒng)的裝置

⑴可編程逐屬控制器

簡稱可編程控制器或PLC,是計算機技術與繼電近握控制

概念相結合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電逐轉控制的標代裝

置，而高瑞為一種高展能的工會控制計算機。它主要由

CPU、存儲器、解入組件、輸出組件、也源及編程器等組

成。其居點：

?專為工業(yè)環(huán)境下應用而設定；

?采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行逆轉運算、順

序控制、定時、計數(shù)和算術操作的指令，并通過數(shù)字式、

模擬式的輸入和輸出；

?不僅在順序程序控制領域中具有優(yōu)勢，而且在運動控制、

過程控制、網(wǎng)絡通信領域方面也毫不遜色；

?PLC具有系統(tǒng)構成靈活，獷展今易，編程簡單，調試宏易,

抗干擾能力強；

(2)可編程調節(jié)器

又稱智能調節(jié)器、數(shù)字調節(jié)器。它主要由微處理單元、

過程1/。(輸入/輸出J率元、面板單元、通信單元、硬

手操單元和編程單元等組成。其特點：

一種儀表化了的微型控制計算機；

易操作，易編程、方便靈活；

設計時無需考慮接口、通訊的硬件設計；

軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態(tài)語言;

具有新也保護、自診新功能、通信等功能；

可以組成多級計算機控制系統(tǒng)，實現(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條統(tǒng)中;

(3)總線式工控機IPC

總線式工控機是基于總線技術和模塊化結構的一種專用于

工業(yè)控制的通用性計算機，一般稱為工業(yè)控制計算機，簡

稱為工業(yè)控制機或工控機。通常，并算機的生產(chǎn)廠彖是按

照某個總線標準，設計制造出若干符合總線標準、具有各

種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設計人員則根據(jù)不同的

生產(chǎn)過程與技術要求，選用相應的功能模板組合成自己所

需的計算機羥第1家統(tǒng)。

外殼采用全鋼標準的工業(yè)加固型機架機箱，機箱密封并加

正壓送風散熱，疝箱內(nèi)的原普通計算機右大主政變就通用

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)級抗干擾也源和工業(yè)級總片，并配以相應的工業(yè)應用軟

件。

常用工業(yè)總線標準：ISA總線、PCI總線、STD總線、PC/104

由于開發(fā)軟件豐富，在大型計算機控制系統(tǒng)中常采用工控

況作為主計算丸。

C4）送人式計算機控制

所謂送入式計算機控制，不是工作在一個自動化設備的外部，

而是“嵌L人”（Embeded）到設備內(nèi)部，提供用戶接口，管理教

據(jù)輸入、輸出，指導設備工作的計算機。陵人式豕統(tǒng)是以應用

為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、迨應應用豕統(tǒng)

對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算

機系統(tǒng)。具有在惡劣的工業(yè)環(huán)境里長期可靠工作的能力。

與通用型計算機系統(tǒng)相比，陵人式系統(tǒng)在硬件上具有體積小、

重量輕、成本低、可靠性離、使用專用的送八式CPU等特點。

在軟件上具有代碼體積小、效率高、要求響應速度快，能夠處

理異步并發(fā)事件、具有實時處理能力等特點。

隨著嵌L人式系統(tǒng)功能的日趨復雜，軟件編寫難度的增加以及對

軟件可重用性的重視，需要有一個屏藪底層硬件的功能強大的

操作系統(tǒng)作為支撐，所以陵人式實時操作系統(tǒng)成為陵入式余統(tǒng)

中軟件的最重要的組件。

常用的嵌L八式實時操作系統(tǒng)有VxWorks、uC/OS-lULinux等。

單片機是將CPU、存儲器、串并行I/O口、定時/計

教器、小至A/D轉換器、脈寬調制器、等功能部件

全都集成在一塊大規(guī)模集成也路檜片上，構成了一

個完整的具有相當控制功能的微控制器。

單片機的應用軟件可以采用面向機器的匯編語言，

面句單片機結構的高級語言,如KeilC51等。

由于單片機具有體積小、功耗低、性能可靠、價格

低廉、功能方展袞易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化

等諸多優(yōu)點，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設控

制、彖用也器、機器人等方面得到了極為廣泛的應

用。辛片機有4枚、8住、16住、32住等。在小型測

控宗統(tǒng)與智能化儀器儀表的應用領域里，8住單片機

因其品種多、功能強、價格廉，仍然是單片機索列

的王流。

6計算機控制的發(fā)展過程及趨勢

?早期的計算機系用包子管，它不僅運算速

度慢、價格昂貴，而且體積大，可靠性差,

所以主要用于數(shù)據(jù)處理和操作指導，沒有

控制功能。

?60年代，陵著半導體技術的發(fā)畏，計算機

運算速度的加快和可靠性的提高,1962年

開始系用直接數(shù)室控制系統(tǒng)（DDQ,計算機

集中控制有了較大的發(fā)展。

70年代，隨著大規(guī)模集成也路技術的發(fā)畏，計算

機控制技術進入一