冶金过程控制基础及应用第五章

1、第第五五章章 计算机控制系统计算机控制系统 |概述 计算机控制系统与常规控制系统 基本结构相同，基本概念和术语也 是通用的。有关调节原理和调节过 程也是相同的。不同之处在于：计 算机控制系统中，控制器对控制对 象的参数、状态信息的检测和控制 结束的输出在时间上是断续的，对 检测信号的分析计算是数字化的， 而在模拟控制系统中则是连续的。 在计算机控制系统中，使用数字 控制器代替了模拟控制器，以及为 了数字控制器与其他模拟量环节的 衔接增加了模数转换元件和数模转 换元件。它的给定值也是以数字量 形式输入计算机，而不再是由一个 给定线路产生一个连续电信号，再 通过硬件连接到比较电路。在计算 机控制系

2、统中，可以方便地用减运 算实现比较功能。 数字控制器的输出是根据控制 偏差，按照一定的运算规律(如 PID)运算得到的。控制器的输 出称为控制量，面所遵循的运 算规律称为控制算法。而且， 对于能接受数字量的执行元件， 固51中的数模转换元件(D/A) 是可以省去的。同样，采用数 字测量元件时模数转换元件 (A/D)也可省去。 计算机控制系统控制过程步骤： （三步） |实时数据采样：测量被控量的 当前值，为断续的数字化信号； |实时判断：判断被控量当前值 与给定值的偏差； |实时控制：根据偏差，作为控 制决策。即按预定的算法对偏 差进行运算，以及适时适量地 向执行机构发出控制信号。 优点： |可

3、实现分时对多个对象多个回路的 控制； |便于对系统功能的扩充修改； |可完成很多在模拟控制系统中由硬 件难以完成的功能。 微型计算机特点： |体积小、结构简单； |价格便宜，揽资少； |可靠性高，平均无故障时间长达几 干小时至几万小时以上； |灵活性高。 计算机控制系统的组成分类 组成 计算机控制系统由工业对象 和工业控制计算机两部分组成。 工控机由硬件和软件两部 分组成。硬件部分包括计算机 主机、外部设备、外围设备、 工业自动化仪表和操作控制台 等。软件是指计算机系统的程 序系统。 第一节第一节 计算机控制系统的组成及分计算机控制系统的组成及分 类类 （1）硬件组成 主机：它是整个系统的核

4、心装置，它由微处理器、内存 贮器和系统总线等部分构成。 主机根据过程输入通道发送来 的反映生产过程工况的各种信 息和已确定的控制规律，作出 相应的控制决策，并通过过程 输出通道发出控制命令，达到 预定的控制目的。 主机所产生的控制是按照人们预 先安排好的程序进行的，能实现过 程输入控制和输出等功能的程序预 先已放入内存，系统启动后，CPC 逐条取出来，并执行，从而产生预 期的控制效果。 过程输入输出通道：它是在微机 和生产过程之间起信息传递和变换 作用的装置。它包括：摸拟量输入 通道（AI）、开关量输入通道 （DI）、模拟量输出通道（AO） 和开关量输出通道（DO）。 操作设备 系统的操作设备

5、是操作员与 系统之间的信息交换工具，操 作设备一般由CRT显示器（或 其他显示器）、键盘、开关和 指示灯组成。操作员通过操作 设备可以控制系统和了解系统 运行状态。 外部设备：它是键盘终端、打印机、 绘图仪、磁盘等计算机输入输出设 备。 通信设备：规模较大的工业生产 过程，其控制和管理常常非常复杂， 需要几台或几十台微型计算机才能 分级完成控制与管理任务。这样， 系统中的微机之间就需要通信。因 此，需要由通信设备与数据线将系 统中的微机互联起来，构成控制与 管理网络。 （2）软件部分 计算机系统的软件包含系统软件 和应用软件两部分。 系统软件一般包括汇编语言、 高级算法语言、过程控制语言以及

6、它们的汇编、解释、编译程序，操 作系统、数据库系统，通讯网络软 件、调试程序，诊断程序等。 应用软件是系统设计人员针对 生产过程要求而编制的控制和管理 程序。应用软件一般包括过程输入 程序、过程控制程序、过程输出程 序、打印显示程序、人机接口程序 等。其中过程控制程序是应用软件 的核心，是控制方案和控制规律的 具体实现。 分类分类：依据：依据应用形式应用形式分分 数据采集和数据处理系统数据采集和数据处理系统 直接数字控制系统直接数字控制系统DDC 监督控制系统监督控制系统SCC 分级计算机控制系统分级计算机控制系统 集散型控制系统等集散型控制系统等 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制

7、系统的组成 及分类及分类 (1) 数据采集和数据处理系统数据采集和数据处理系统 主要是对大量的过程状态参数实现主要是对大量的过程状态参数实现 巡回检测、数据存贮记录、数巡回检测、数据存贮记录、数 据处理据处理(计算、统计、整理计算、统计、整理)、进、进 行实时数据分析以及数据越限行实时数据分析以及数据越限 报警等功能。报警等功能。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 严格讲，它不属于计算机控制，因严格讲，它不属于计算机控制，因 为在这种应用方式中，计算机为在这种应用方式中，计算机 不直接参与过程控制，对生产不直接参与过程控制，对生产 过程不产生直接影响，但对指

8、过程不产生直接影响，但对指 导生产过程操作具有积极作用。导生产过程操作具有积极作用。 它属于计算机应用于过程控制它属于计算机应用于过程控制 的低级阶段。的低级阶段。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 (2) 直接数字控制系统直接数字控制系统(DDC) 分时地对被控对象的状态参数进行测分时地对被控对象的状态参数进行测 试，并根据测试的结果与给定值试，并根据测试的结果与给定值 的差值，按照预先制定的控制算的差值，按照预先制定的控制算 法进行数字分析、运算后，控制法进行数字分析、运算后，控制 量输出直接作用在调节阀等执行量输出直接作用在调节阀等执行 机构上，使各个

9、被控参数保持在机构上，使各个被控参数保持在 给定值上，实现对被控对象的闭给定值上，实现对被控对象的闭 环自动调节。环自动调节。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 (3) 监督控制系统监督控制系统SCC(SPC） 是指计算机根据生产过程的信息是指计算机根据生产过程的信息 (测量值测量值)和其他信息和其他信息(给定值等给定值等)， 按照描述生产过程的数学模型，按照描述生产过程的数学模型， 去自动改变去自动改变(也称重新设定也称重新设定)模拟模拟 调节器或调节器或DDC工业控制机的给工业控制机的给 定值，从而使生产过程处于最定值，从而使生产过程处于最 优化的工况下

10、进行。优化的工况下进行。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 (4) 分级计算机控制系统分级计算机控制系统 在生产过程中既存在控制问题，也在生产过程中既存在控制问题，也 存在大量的管理问题。存在大量的管理问题。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 分级系统分级系统一般是混合式，即除计算一般是混合式，即除计算 机直接控制外，还有仪表控制机直接控制外，还有仪表控制 和直接联接现场的执行机构。和直接联接现场的执行机构。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 目前分级控制一般分为目前分级控制一般分为三级

11、三级，即生，即生 产管理级产管理级MIS、监督控制级、监督控制级 SCC以及直接数字控制级以及直接数字控制级DDC。 生产管理级生产管理级MIS又可以分为企又可以分为企 业级业级MIS和厂级和厂级MIS。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 (5) 集散型控制系统集散型控制系统TDCS 随着生产的发展、生产规模越来越随着生产的发展、生产规模越来越 大、信息来源越来越多，对控大、信息来源越来越多，对控 制的及时性要求越来越高。因制的及时性要求越来越高。因 而在大型计算机控制系统中出而在大型计算

12、机控制系统中出 现了一个重要的发展方向现了一个重要的发展方向 集散型控制系统集散型控制系统TDCS，也称为，也称为 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统. 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 它是以数台乃至数百台的微它是以数台乃至数百台的微 型计算机分散地分布在各个生产型计算机分散地分布在各个生产 现场，作为现场控制站或者基本现场，作为现场控制站或者基本 调节器实现对生产过程的检测与调节器实现对生产过程的检测与 控制，代替了大量的常规模拟仪控制，代替了大量的常规模拟仪 表。因此既能克服模拟仪表的功表。因此既能克服模拟仪表的功 能单一性和局限性，又能避免计能

13、单一性和局限性，又能避免计 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 计算机集中控制的危险性。这些计算机集中控制的危险性。这些 控制站通过高速效据通道与监督控制站通过高速效据通道与监督 计算机计算机SCC通讯，通过通讯，通过CRT操作操作 站实现对系统的监视和干预。这站实现对系统的监视和干预。这 种结构比分级分层结构更灵活，种结构比分级分层结构更灵活， 扩充也更方便。而且由于硬件的扩充也更方便。而且由于硬件的 冗余度大，某个回路出现故障时冗余度大，某个回路出现故障时 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 可以相互支援，出此有很高的可可

14、以相互支援，出此有很高的可 靠性。靠性。 第一节第一节 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 及分类及分类 计算机系统设计的基本要求计算机系统设计的基本要求： 1. 系统操作性能好系统操作性能好 2. 可靠性高可靠性高 3. 通用性好，便于扩充通用性好，便于扩充 4. 实时性强实时性强 5. 设计周期短，价格便宜设计周期短，价格便宜 第第二二节节 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计 与实现与实现 计算机系统设计的一般步骤计算机系统设计的一般步骤： 1. 确定系统整体控制方案确定系统整体控制方案 （1）确定控制方案）确定控制方案 （2）确定系统的构成方式）确定系统的构成方式 （3）现场

15、设备选择）现场设备选择 第第二二节节 计算机控制系统计算机控制系统 的设计与实现的设计与实现 2. 确定控制算法确定控制算法 |所选择的控制算法是否能满足所选择的控制算法是否能满足 对系统的动态过程、稳态精度对系统的动态过程、稳态精度 和稳定性的要求。和稳定性的要求。 |各种控制算法提供了一套通用各种控制算法提供了一套通用 的计算公式，但具体到一个控的计算公式，但具体到一个控 制对象上，必须有分析地选制对象上，必须有分析地选 第第二二节节 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计 与实现与实现 选用。甚至需要进行修改和补充，选用。甚至需要进行修改和补充， 采取适当的改进措施，以达到满采取适当的

16、改进措施，以达到满 足系统性能要求的目的。足系统性能要求的目的。 第第二二节节 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计 与实现与实现 |当控制系统比较复杂时，其控制当控制系统比较复杂时，其控制 算法一般也比较复杂，使整个控算法一般也比较复杂，使整个控 制系统的实现比较困难。为了设制系统的实现比较困难。为了设 计、调试方便，可将控制算法先计、调试方便，可将控制算法先 作某些合理的简化，先忽略某些作某些合理的简化，先忽略某些 因素的影响因素的影响(如非线性、小延迟、如非线性、小延迟、 小惯性等小惯性等)，在取得 初 步 成 果，在取得 初 步 成 果 后再逐步将控制算法完善，直后再逐步将控制算法

17、完善，直 到获得满意的控制效果。到获得满意的控制效果。 第第二二节节 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计 与实现与实现 3. 系统硬、软件的设计系统硬、软件的设计 4. 系统调试系统调试 第第二二节节 计算机控制系统计算机控制系统 的设计与实现的设计与实现 计算机可靠性的概念有两个含义：计算机可靠性的概念有两个含义： 一是系统的无故障运行时间尽可能一是系统的无故障运行时间尽可能 长；长； 二是系统发生故障时能迅速检修和二是系统发生故障时能迅速检修和 排除。排除。 第第三三节节 提高计算机控制系统可提高计算机控制系统可 靠性的措施靠性的措施 提高措施：提高措施： 1. 提高元器件的可靠性提

18、高元器件的可靠性 2. 设计系统的冗余技术设计系统的冗余技术 3. 采取抗干扰措施采取抗干扰措施 4. 采用故障诊断和系统恢复技术采用故障诊断和系统恢复技术 以及软件可靠性技术等。以及软件可靠性技术等。 第第二二节节 计算机控制系统的设计计算机控制系统的设计 与实现与实现 |A/D与D/A转换器 传感器与微机之间要通过 模数转换器(A/D)来连接，它的 功能是将输入的摸拟量转化为 数字量；一般控制器采用模拟 量参数，在计算机与控制器件 之间要通过数模转换器（D/A） 进行连接。 A/D转换器 微机测控系统中模拟量检测 技术最主要的电路是A/D转换 器，它的作用是将模拟量转换 为数字量，以便传输

19、给微机接 口。A/D转换器是一种能够在 规定的精度和分辨率之内，把 接收的模拟信号转换成与之成 正比的数字信号的器件。 A/D转换器是数据采集系统中 的重要器件。由于实现的电子 手段极多，因而派生出各种不 同类型的A/D转换器。目前， A/D转换器都是以集成芯片的 形式出现。由于A/D转换器的 电路比较常见，这里不作详细 介绍。 (1)双积分式A/D 双积分式A/D的原理是将输入 的模拟量变换成与其平均值成 正比的时间间隔，然后由脉冲 发生器和计数器来测量时间间 隔以获得数字量。这种转换器 的特点是对电路元件参数要求 不苛刻，抗干扰性能强，转换 速度慢。因而不宜用于快速测 量采样系统，而适用于

20、缓慢信 号检测或低速采样系统。 (2)计数器式A/D 这种电路的特点是电路比较简单， 价格便宜，它的缺点是转换速度较 慢因此目前较少应用。 (3)逐次逼近式A/D 逐次逼近式A/D转换器的转换速 度较快，转换精度从高到低，因此， 是应用最普遍的形式。特别适用于 与微型计算机的接口电路相连，因 此在微机测试系统中用得较广。 D/A转换器 原理 DA转换器是一种把数字量转换 为模拟量的器件，它作为计算机控 制模拟过程的一种手段，得到了广 泛的应用。一个n位的二进制数， 具有2n个二进制数的组合。因此， DA就要具有2n个分立的模拟电压 或电流，以与不同的数字一一对应。 这2n个模拟量，常用一个基准

21、电压 Ur通过网络来产生。这个网络的电 路结构和数字量对其控制操作方式 的不同，便产生了各种各样的DA 转换类型。 A/D选择原则 采样频率 采样频率是等间隔采样间隔时 间丁的倒数。如100、200、500、 1000、2000HZ等。一个数字信 号处理系统，采样频率一般根 据A/D转换器的参数而定。 信号采集时采样频率的选 择，要根据信号的特点、分析 的要求、所用的设备等诸方面 的条件来确定。若对信号作时 域分析，则采样频率越高，信 号的复原性越好。一般可取采 样频率为信号中最高频串的10 倍，但还要兼顾其他因素。对 信号作频域分析时，为了避免 混叠，采样频率最小必须大于 或等于信号中最高频

22、率的2倍。 (2)分辨率 分辨率是A/D转换器的重要参 数，它的高低直接关系到A/D 转换器的转换精度乃至整个测 试系统的精度。 (3)采样点数 进行时域分析时，采样点数 尽可能多一些，采样点数越多 信号越容易复原。进行频域分 析时，为了快速傅里叶变换 (FFT)计算的方便，采样点数一 般取2的幂数，如：32、64、 128、256、512、1024等。有许 多信号处理设备固定取为l024 点。 (4)触发方式选舞 触发信号是启动A/D开始采样 的信号。的触发信号。 (5)性能价格比的要求 选择A/D转换器必须考虑到 性能价格比。一定要根据使用 的场合、使用的环境等条件， 只要能满足技术要求即

23、可，而 不要仅片面追求性能的高指标。 D/A选择原则 选择D/A芯片时，主要考虑 芯片的性能结构和应用特性。 在性能上必须满足D/A转换技 术要求，在构和应用特性上应 满足接口方便，外围电路简单， 价格低廉等要求。 （1）D/A芯片的主要性能指标的 考虑 D/A芯片的主要性能指标有： 在给定作条件下的静态指标， 包括各项精度指标、动态指标、 环境指标等。这些指标在器件 手册上通常会给出。用户选择 时主要考虑的是以位数表现的 转换精度和转换时间。 （2）D/A芯片主要结构特性与应 用特性的选择 D/A芯片这些特性虽然主要表 现在芯片的内部结构的配置状 况，但这些配置对D/A转换接 器电路的设计带

24、来很大形响。 主要考虑的问题如下： 数字输入特性：数据码制、数 据格式及逻辑电平等。 数字输出特性：多数D/A芯片 属电流输出器件。 锁存特性及转换控制：若D/A 芯片无输入锁存器，在通过 CPU数据总线传送数字量时， 必须外加锁存器，否则只能通 过具有输出锁存功能的I/O给 D/A芯片送入数字量。 直接数字控制系统直接数字控制系统 DDC是最基本是计算机控制系统。在是最基本是计算机控制系统。在 DDC系统中微型计算机直接参与了闭系统中微型计算机直接参与了闭 环控制过程。它的操作功能包括：从被环控制过程。它的操作功能包括：从被 控对象中获取各种信息，执行能够反映控对象中获取各种信息，执行能够反

25、映 控制规律的控制算法，把计算结果以一控制规律的控制算法，把计算结果以一 定形式送到执行器和定形式送到执行器和(或或)显示报警装置，显示报警装置， 实现操作人员实现操作人员控制台控制台微型计算机系微型计算机系 统之间的联系等。其中统之间的联系等。其中“执行能够反映执行能够反映 控制规律的控制算法控制规律的控制算法”和和“把计算结果把计算结果 以一定形式送到执行器以一定形式送到执行器”是是DDC系统所系统所 特有的功能。其他功能要求及其实现与特有的功能。其他功能要求及其实现与 数据采集系统中的响应功能基本类似，数据采集系统中的响应功能基本类似， 在这里不再详述。在这里不再详述。 在系统构成以后，

26、控制规律是 反映计算机控制系统性能的核 心。在DDC系统中，微型计算 机的员主要的任务就是执行控 制算法，以实现控制规律。在 DDC系统中，可以直接对几十 以至几百个控制回路进行自动 巡回检测和数字控制。 图511表示了一个DDC系统 构成的方框图。图中只表示出 了模拟量输入输出通道。由生 产过程(被控对象)的各物理量 的变化情况，通过一次仪表进 行测量放大后变成统一的电信 号，作为DDC的输入信号。为 了避免现场输入线路带来的电、 磁干扰，用滤波器对各种信号 分别进行了滤波。采样 器顺序地把周期把各信号传送给数据放 大器，被放大后的信号经AD转换器变 成一定规律的数字代码输入计算机。计算 机

27、按预先存放在存贮器中的程序，对输入 被测各量进行一系列检测并技PID等控制 规律进行运算。运算的结果以二进制代码 形式由计算机输出，送到步进控制器。步 进控制器将接收到的二进制代码转换成一 定额率的脉冲数，经输出扫描(与采样器 同步而不同回路)送至步进单元，变成模 拟信号。这里的步进单元实际上是一个电 机式的DA转换器。该模拟信号送至生 产现场，输入电动执行器或经电气转换器 转换为气压信号带动调节阀等执行机构进 行调节，达到稳定生产的目的。时间控制 器是用来控制整机同步协调工作的。 |DDC系统的功能归结到各种各样的 控制程序组成的应用软件里。如直 接控制程序、数据处理程序、控制 模型程序、报

28、警程序、操作指导程 序、数据记录程序，人机联系程序 等。这些程序开始时存贮于数据库 中，使用时才从库中调出，最后从 各种外部设备的输出结果来加以验 证。运行人员可以随时监视或要求 改变计算机的运行状态。 DDC系统的应用场合 |过程回路很多的大规模生产过程； |被控参数需要进行一些计算的生产 过程； |各能数间相互关联的生产过程； |原料、产品和产量经常变更的生产 过程； |具有较大滞后时间的工业对象。 DDC的PID算法中参数的整定 |DDC的PID基本参数的整定完全可 以按照有关模拟调节器中使用的各 种整定方法加以分析和综合，并在 实践中加以验证，以求得到一组比 较合适的参数。 |由于工业

29、生产过程中不可预测的干 扰很多，若只有一组固定PID参数 要满足各种负荷或干扰下的控制质 量要求是有困难的，因而必须设定 多组PID基本参数。 变参数PID控制的整定要求： |对某些控制回路根据负荷不同 采用几组不同的PID参数，以 改善控制质量。 |时序控制，按照一定的时间顺 序采用不同的给定值和Kp、TI、 TD参数。 |人工模型，模拟现场操作工人 的方法，把操作经验编成程序， 然后由机器来自动改变给定值 或 Kp、TI、TD参数。 采样周期的选择 从控制质量来看，采样周期取得小一些， 但其小到某一值时再减小时对控制质量已 没有意义； 从被控对象的动态特性来看，若对象反 应快，要选较短的采

30、样周期，否则应相反； 从执行机构的要求来看，有时需要计算 机输出的控制信号保持一定的时间长度， 在这段时间内，要求计算机输出值应有变 化，因此采样周期必须大于这一时间，否 则上一输出值还来不及实现，马上又转换 为新的输出值，执行机构就不能按预期的 调节规律动作； 从扰干扰的要求来看希望采样周 期短些； 从计算机的工作量和每个控制回 路的成本来看，一般要求采样 周期尽可能大些。 在选择采样周期时，必须根据具 体情况和主要的要求作出折衷 的选择。 计算机控制系统的设计与实现 计算机控制系统的设计原理 被控对象不同，设计的具体 要求不同，但基本要求相同。 系统操作性能好 它包含两方面：使用方便、维修

31、 方便。 在配置软件时，要考虑配置什么 样的软件能降低对操作人员的 专业知识要求，便于他们学习 和掌握； 在配置硬件时，要考虑使控制系 统的控制开关不能太多、太复 杂，且使操作顺序尽可能简单。 可靠性高 它是系统设计最重要的一个要求。 因为一旦系统出现故障，会对 整个生产过程造成混乱，引起 严重后果。特别是对CPU的可 靠性要求更高。 应选用高性能的工控机，控制方 案、软件设计要可靠；设计各 种安全保措施，各种报警、事 故预测与处理等。 通用性好，便于扩充 |必须使设计标准化，并尽可能 采用通用的系统总线结构，以 便在需要扩充时要增加插件板 就能实现。 |在系统设计，各设计指标要留 有一定的余

32、量，这是扩充功能 的一个必要条件。如工控机的 处理速度、内存容量、输入输 出通道数以及电源功能等均应 留有余量。 实时性强 表现在时间驱动和事件驱动能力上。 要对生产过程进行实时检测和控制。 因此，需要配备实时操作系统，过 程中断系统。 设计周期短、价格便宜 由于计算机技术日新日异，各种新 技术新产品不断现。在满足精度、 速度和其他性能要求的前提下，应 该缩短设计周期和尽量采用价格低 的无件，以降低整个控制系统的设 资，提高设入产出比。 DDC设计的一般步骤 （1）确定系统总体控制方案 通过对被控对象的深入分析 和工作过程、环境的熟悉，才 能确定系统的控制任务和要求， 构思出切实可行的控制系统

33、整 体控制方案。系统总体设计方 案包括： 确定控制方案 根据系统要求，考虑采用开环控 制还是闭环控制。当采用闭环控制， 还需进一步确定是单环还是多环， 采用DDC控制还是集散型控制等。 确定系统的构成方式 对于小型系统，系统的构成方式 应优先选用工控机来构成。 对于系统规模较大、自动化要求 水平高，甚至集控制与管理为一体 的系统，可选用DCS，高档PLC或 其工控网络构成。 |现场设备的选择 |主要是选用传感器、变送器和执行 机构的型号和类型。传感器的送择 一定要满足系统检测和控制精度的 要求。执行机构则应根据具体情况 择优选定。 |通过整体方案的考虑，画出系统组 成的粗框图，并用控制流程框图

34、描 述控制过程和控制任务。通过对方 案的合理性、经济性、可靠性和可 行性的论述，最后写出系统设计任 务书，作为整个控制系统设计的依 据。 （2）确定控制算法 在确定系统的数字模型后便可确定相应 的控制算法。选择控制算法时，应注意以 下几点： 它是否满足系统的动态过程，稳态精度 和稳定性的要求。 各种控制算法有一套通用的计算公式， 但具体到一个控制对象必须有分析地选用。 甚至需要进行补充和修改。 当控制系统比较复杂时，其控制算法一 般也比较复杂，使整个控制系统的实现比 较困难。为了设计，调试方使，可将控制 算法先作某些合理的简化，先忽略某些因 素的形响。在取得初步成果后，再逐步将 控制算法完善，

35、直到获得满意的控制效果。 （3）系统硬、软件的设计 硬件设计主要包括输入、输出接 口电路的设计，输入、输出通道设 计和操作控制台设计。系统硬件设 计阶段要设计出硬件原理图，并根 据原理图选购元件和模板，还要设 计出印刷电路板，机架施工图等。 软件设计对同一个硬件系统而言， 设计不同的软件，可以得到不同的 系统功能。在软件设计中要绘制程 序总体流程图和各功能模块流程图， 编制程序清单，编写程序说明。 （4）系统调试 系统调试包括系统硬件、软件 分调与联调，系统模拟调试和 现场投运。调试过程往往是先 分调，再联调，有问题再回到 分调，加以修改后再联调，反 复进行，直到达到设计要求为 止。 提高计算

36、机控制系统可靠性的措施 随着计算机控制系统应用的日益广泛，对 系统的可靠性提出了很高的要求。可靠性的 概念有两个含义：一是系统的无故障运行时 间尽可能长：二是系统发生故障时能迅速检 修和排除。 一个计算机控制系统，影响其可靠性的主 要因素有：元器件，物理设备的可靠性；系 统结构的合理性及制作工艺水平；电源系统 与接地技术的质量；系统抑制和承受外界干 扰的能力。 因此，为了提高计算机控制系统的可靠性 和可维护性，常采用提高元器件的可靠性、 设计系统的冗余技术、采取抗干扰措施、采 用故障诊断和系统恢复技术以及软件可靠性 技术等。 提高元件的可靠性 这主要是计算机控制系统及 元器件生产厂家的责任，属

37、于 “先天性”问题。产品在出厂 前已经决定了质量的优劣。对 于控制系统设计人员来说所 能做的只能是一些事后的补救 措施包括认真选型、老化、筛 选、考核等。 冗余技术 所谓冗余，是指在系统中增 设额外的附加成分，来保让整 个控制系统的可靠性。常用的 冗余系统，按其结构形式可分 为并联系统、备用系统和表决 系统二种。 (1)并联系统 | 在并联系统中，冗余的方法 是使若干同佯装青并联运行。 只要其中一个装置正常工作， 系统就能维持正常运行。只有 当并联装置的每个单元都失效 时，系统才不能工作。其结构 如图523所示c (2)备用系统 其逻辑结构图如图524所示。 图中A1和A2是工作单元，B为 备

38、用单元，S1、S2为转换器。 一旦检测到工作单元出现故障， 即通过转换器S1和S2把备用单 元投入运行。 (3)表决系统 | 其逻辑结构图如图525所示。 图中Al，A 2，An为n个工 作单元，m为表决器。每个单 元酌情息输入表决器中，与其 余信号比较。只有当有效单元 数超过失效单元数时，才能作 出输入为正确的判断。 一般而言，并联系统和备用系 统的可靠程度高于单个设备。 备用系统的可靠程度高于并联 系统。表决系统仅在一定时间 范围内，可靠程度优于单个设 备。选择冗余结构时，除丁考 虑可靠程度以外，还要考虑性 能价格比、可维护性、应用场 合、扩展性能以及冗余结构本 身的控制性能等综合作出决定

39、。 无论采用何种冗余结构，当 系统发生故障时，必须采取措 施，如更换或切离故障装置、 重新组合系统等。实施这种故 障排除措施，称为冗余结构控 制。 结构控制有逻辑结构控制与 物理结构控制两种。所谓逻辑 结构控制就是当二重化路径的 一路出现故障时，由月一路取 代。这种结构控制并不变更系 统的物理连接关系；而物理结 构控制则是变更系统物理结构 连接关系，如变更输入输出设 备的连接关系等。冗余结构控 制有手动控制和自动控制两种 方式。 采取抗干扰措施 在影响系统可靠性的诸多因素中，除了 系统自身的内在因素外、另一类因素则来 自外界对系统的干扰，包括空间电磁效应 干扰、电网冲击波从电源系统空间感应进

40、入控制系统带来的干扰等。对这一类因素 的干扰必须采取措施抑制s外界干扰进入 系统的途径示意如图526所示。图中I类 干扰是空间感应干扰，它以电磁感应形式 进入系统的任何部件和线路II类干扰是通 过对通道的感应、传输耦合、地线联系进 入通道部分的干扰。III类干扰是电网的冲 击波通过变压器锅台系统进入电源系统而 传到各个部分的。针对不同的干扰有多种 不同的抑制干扰措施，主要有屏蔽、滤波、 隔离和吸收等。 (1)电磁干扰的屏蔽 | 主要是利用金属网、板、盒 等物体把电磁场限制在一定空 间内，或阻止电磁场进入一定 空间。屏蔽的效果主要取决于 屏蔽体结构的接缝和接触电阻。 接缝和接触电阻会导致磁场或

41、电场的泄漏。屏蔽可以直接利 用设备的机壳实现。机壳可采 用铝材料制成。 |(2)隔离技术 | 常用的有隔离变压器和光电 耦合器如图5-27所示。光电锅 台器是利用光传递信息的，它 由输入端的发光元件与输出端 的受光元件组成。由于输入与 输出在电气上是完全隔离的， 避免了地环路的形成。因而在 计算机控制系统中得到了广泛 的应用。 （3）共模输入法 在计算机控制系统中，由于对 象、通道装置比较分散，通道 与被测信号之间往往要长线连 接，由此造成了被测信号地线 和主机地线之间存在一定的电 位差，它作为干扰，同时施加 在通道的两个输入端上，称为 共模干扰。共模十扰的影响如 图528所示。 共模干扰的抑

42、制措施常用的方法 是：采用高共模抑制比的差动放大 器；采用浮地输入双层屏蔽放大器； 光电隔离；使用隔离放大器等。 例如，将输入情号的屏蔽层和芯 线分别接到差动放大器的两个输入 端，构成共模输入。这时因地线问 的干扰电压不能进入差动输入端， 因而有效地抑制了十扰。图529 是其等效电路图其中VS是信导源， Vg是干扰源。 (4)电源系统的干扰抑制 由电源引入的干扰是计算机控制 系统的一个主要干扰源。干扰有从 交流侧来的，也有从直流侧来的。 例如，由交流电网的负荷变化引入 的50HZ正弦波的畸变；由交流输入 电线接收的空间高频信号；交流电 网的电压波动；直流稳压电源的母 线上收到的十扰；电源滤波性

43、能差、 纹波大引起的干扰：由于数字电路 的脉冲信号通过电源传输引起的交 叉干扰等。对于不同的干扰需要采 取相应的措施抑制。 交流侧干扰的抑制 对于交流侧的 干扰主要采取以下一些方法抑制。 滤波 交流电源用的滤波器是一低 通滤波器，一般采用集中参数的 型滤波器。滤波器的电容耐压应两 倍于电源电压的峰值。有时也将数 个具有不同截止频率的低通滤波器 串联，以获得好的效果。对于这类 滤波器，必须加装屏蔽盒，且滤波 器的输入和输出端要严格隔离，防 止用合。 屏蔽 变压器绕组加屏蔽后，初 次级间的锅合电容可以大大减 少。变压器屏蔽层要接地，初 级绕组的屏蔽层接地是与交流 “地”相接。而次级绕组的屏 蔽层和

44、中间隔离层都与直流侧 的工作“地”相连，如图530 所示。 稳压 对干交流电压的波动，可 采用交流稳压器。对于大多数 计算机控制系统而言都应有交 流稳压器。另外，为了吸收高 频的短暂过电压，可用压变电 阻并接在交流进线处。 直流侧干扰的抑制 抑制直流侧的电源干扰，除了选 择稳压性能好、纹被系数小的电源 外，还要克服因脉冲电路运行时引 起的交叉干扰。 主要使用去耦法，即在各主要的 集成电路芯片的电源输入端，或在 印刷电路板电源布线的一些关键点 与地之间接入一个ll0uF的电容。 同时为了滤除高频干扰，可再并联 一个0.01uF左右的小电容。 (5)布线的防干扰原则 |强、弱信号线要分开；交流、直

45、流 线要分开；输人、输出线要分开。 |电路间的连线要短，弱电的信号线 不宜平行，应变成辫子线或双绞线。 |信号线应尽量贴地敷设。对于集成 电路的印刷板布线应注意，地线要 尽可能粗、尽可能覆盖刷板。在双 面印刷板上，正反面的走线要垂直， 走线应短，尽量少设对穿孔c对容易 串扰的两条线要尽量不使它们相邻 和平行敷设。 (6)接地设计 接地的含义可以理解为一个 等电位点或等电位面。它是电 路或系统的基准电位但不一 定为大地电位。保护地线必须 在大地电位上；信号地线依据 设计可以是大地电位，也可以 不是大地电位。 接地设计目的在于消除各电 路电流流经一个公共地线阻抗 时所产生的噪声电压；避免受 磁场和

46、地电位差的影响，即不 使其形成地环路；使屏蔽和滤 波有环路；确保系统安全。 (7)软件的抗干扰措施 在前面讨论的在控制算法中 如何抗干扰的方法就是软件抗 干扰的一种方法*软件设计的抗 干扰措施包括数字滤波、软件 固化、选择性控制、指令复执、 自诊断、建立RAM数据保护区 等。 数字滤波 就是利用程序对采样数据进 行加工处理，去除或削弱干扰 的影响，提高信号的真实度。 数字滤波是最常见的抗干扰措 施，对提高信号的可信度和精 确性很有效果。 数字滤波有很多方法，如中 值滤波、平均性的滤波、一阶 滞后滤波、判断性滤波等等。 软件固化 即把控制系统的软件，一次 写入EPROM固化。这样即使受 到干扰冲

47、乱程序时，配合重启 动措施仍可恢复程序正常运行。 而且固化程序本身的内部也不 怕受外界因素的破坏。 选择性控制 在一个控制程序中研制两种 不同的控制方法一种用于正 常运行的控制，另一种用于应 付异常事故的处理，由此可以 保证系统的安全运行。 指令复执 当计算机发现错误后，把 当前执行的指令重复执行若干 次，称为指令复执。如果故障 是瞬时性的，在指令复执几次 后，便不会再出现故障，程序 仍可以继续正常运行。指令复 执的思想可以扩展到程序段的 复执，效果较好。 自诊断功能 有“在线”自诊断和“离线” 自诊断两种方式。 “离线”自 诊断可以使用专门的诊断程序， 对系统的各种功能进行全面的 检查。“在

48、线”自诊断，不能 占用太多的计算机时间，诊断 程序也不能占用太多的内存。 因此“在线”自诊断可以是简 易的、持征性的检查。 DDC的基木算法是指计算机对 生产过程进行PID控制时的几种控 制方程。PID调节器在模拟控制系 统中应用最为广泛、技术最成熟， 参数选择与调整都在长期的应用中 积累了丰富的经验，且这些经验和 方法为广大工程技术人员所熟悉。 随着计算机在过程控制中的广泛应 用，人们首先想到的是把PID控制 规律移植到数字控制系统中，即用 数字PID调节器取代模拟调节器。 要完成此任务需要做的主要工作是： 把PID调节规律数字化，用数字 运算来实现它，以及编制PID算 法的程序。在这里关键

49、是PID 调节规律的数字化，即本节所 讲的基本算法。实践证明，数 字化PID能取得近似于PID模拟 调节器的控制效果，而且在很 多方面具有突出的优势，主要 表现在： |可用一台微型计算机控制几十 个回路，大量节省设备和费用， 提高了系统的可靠性； |编程灵活，可以很方便地对 PID规律进行各种改进，衍生 多种形式的PID算法。PID参数 的调整也只要改变程序的数据， 十分方便。 PID基本算法有两路：理想 PID和实际PID，这两种PID算 法的比例积分运算相同，区别 主要是微分项不同。 (1)DDC的理想PID算法 DDC的理想PID算法的表达 式有三种，即位置式、增量式 和速度式。 位置式

50、PID算法 在对连续量的控制中，模拟 PID调节器的理想算PID法为： dt tde Tdtte T teKtu D t I P 0 1 表示成传递函数的形式为： sT sT K sE sU sW D I P 1 1 )( )( )( 在计算机控制系统中，因为是采样 控制，它根据采样时刻的偏差值计 算控制量，因此上式中的积分和微 分项是不能直接准确计算出的只 能用数值计算的方法逼近。用数字 形式的差分方程来代替连续系统的 微分方程，此时积分项和微分项可 用求和及增量式来表示，即采用下 列变换： T keke t keke dt tde ieTtiedtte k i k i t 11 00 0

51、由此可得离散的PID表示式： u（k）第k次采样时刻调节器 的输出数字量。 若用上式来控制阀门的开度， 其输出值恰与阀门开度的位置 的对应。 k i D I P keke T T ie T T keKku 0 1 增量式PID算法 DDc计算机经PID运算，其输 出为调节阀开度(位置)的增量 (改变量)时这种PID算法称为 增量式PID算法。有很多控制 系统的执行元件，都要求接受 的是前一次控制量输出的增量， 如步进电机、多圈电位器等。 因此需要此种算法。 计算机PID运算的输出量，为 前后两次采样所计算的位置值 之差，即 因为 1kukuku 1 0 2111 k i D I P keke

52、T T ie T T keKku 所以 或 2121kekeke T T ke T T kekeKku D I P 2121kekekeKkeKkekeKku DIP 速度式PID算法 DDC计算机经PID运算，其输 出是指直流伺服电机的转动速 度，则此种算法称为速度式 PID算法。将增量式PID算式， 两边除以T，即得速度式PID算 法： 由于T为常数，增量式和速度 式算法无本质区别。 212 1 1 1 2 kekeke T T ke T keke T K T ku kv D I P 在实际应用中，增量式PID算 法应用较多。与位置式相比， 增量式PID的优点如下： |a位置式PID算法中的积分项包含了 过去误差的累积值 ，容易产生 累积误差，当该项累积值很大时， 使输出控制量难以减小，调节缓慢， 发生积分饱和，对控制调节不利。 由于计算机字长的限制，当该项值 超过字长时，又引起积分丢失现象， 增式PID则没有这种缺点。 |b系统进行手动和自动切换时，增 量式PID由于执行元件保存了过去 的位置，因此冲击较小。即使发生 故障时，也由于执行元件的寄存作 用。 k i ie