第8章计算机过程控制

1、第八章第八章 计算机过程控制系统计算机过程控制系统 第一节第一节 计算机控制系统概述计算机控制系统概述8.1.1 8.1.1 计算机控制系统及其组成计算机控制系统及其组成 计算机控制系统：就是利用计算机（工业控计算机控制系统：就是利用计算机（工业控制计算机）来实现生产过程自动控制的系统制计算机）来实现生产过程自动控制的系统。 （2）闭环控制系统框图 （1）开环控制系统框图1. 1. 常规控制系统的一般形式常规控制系统的一般形式 给定值控制器控制器执行机构被控对象被控参数测量元件变换发送 给定值控制器执行机构被控对象被控参数2. 2. 计算机控制系统工作原理计算机控制系统工作原理 用计算机来代替

2、原来的控制器，就构成用计算机来代替原来的控制器，就构成了计算机控制系统。了计算机控制系统。（1 1）计算机控制系统的组成）计算机控制系统的组成 计算机控制系统计算机控制系统主要由：工业控制机和主要由：工业控制机和生产过程两大部分组成。生产过程两大部分组成。 工业控制机工业控制机是指按生产过程控制的特点是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。件两部分。 生产过程生产过程包括被控对象、测量变送、执包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。行机构、电气开关等装置。 计算机控制系统的组成框图计算机控制系统的组成框图（2 2）计算

3、机控制系统的工作原理）计算机控制系统的工作原理 从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：为以下三个步骤： 实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。的瞬时值进行检测和输入。 实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。为。 实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。机构发出控

4、制信号，完成控制任务。 8.1.2 8.1.2 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 1.1.按照结构功能分类按照结构功能分类 2.2.按照控制规律分类按照控制规律分类 3.3.按照控制方式分类按照控制方式分类1.1.按照功能来分类按照功能来分类（1 1）操作指导控制系统）操作指导控制系统（2 2）直接数字控制）直接数字控制(DDC)(DDC)（3 3）监督控制系统（）监督控制系统（SCCSCC） （4 4）分散型控制系统（）分散型控制系统（DCSDCS） （5 5）现场总线控制系统）现场总线控制系统(FCS)(FCS)新一代分布新一代分布式控制系统，式控制系统，采用采用“工作工作

5、站站-现场现场总线智能仪总线智能仪表表”二层结二层结构，国际标构，国际标准统一后，准统一后，可实现真正可实现真正的开放式互的开放式互连系统结构。连系统结构。2.2.按照控制规律分类按照控制规律分类（1 1）数字程序和顺序控制）数字程序和顺序控制（2 2）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制）控制）（3 3）最小拍控制）最小拍控制（4 4）复杂规律的控制）复杂规律的控制（5 5）智能控制）智能控制（1 1）程序和顺序控制）程序和顺序控制 定义：程序控制是被控制量按照一定的、预定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的先规定的时间函数变化，被

6、控制量是时间函数的变化。变化。 顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。控制结果的逻辑判断。（2 2）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制控制） 定义：调节器的输出是调节器输入的比例、定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。积分和微分的函数。 PIDPID控制是现在应用最广、最为广大工程技控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。

7、术人员熟悉的技术。PIDPID控制结构简单、参数容控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用多数使用PIDPID调节规律。调节规律。（3 3）最小拍控制）最小拍控制 最小拍控制的性能指标是要求设计的系统最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。在尽可能短的时间内完成调节过程。 最小拍控制通常用在数字随动系统的设计最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。中。 （4 4）复杂规律的控制）复杂规律的控制 在在PIDPID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级

8、控制、前馈控制、纯滞后补偿、解控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。系统。 目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。达到满意的性能指标。（5 5）智能控制）智能控制 智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能人工智能运筹学运筹学控制论控制

9、论3.3.按照控制方式分类按照控制方式分类 按照控制方式的不同，计算机控制系按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。统可分为开环控制系统和闭环控制系统。给定值控制器控制器执行机构被控对象被控参数测量元件变换发送给定值控制器执行机构被控对象被控参数8.1.3 8.1.3 工业控制机的组成结构及特点工业控制机的组成结构及特点 8.1.3.1 8.1.3.1 工业控制机的组成工业控制机的组成 1. 1. 工业控制机的硬件组成工业控制机的硬件组成 2. 2. 工业控制机的软件组成工业控制机的软件组成 8.1.3.2 8.1.3.2 工业控制机的特点工业控制机的特点 8.1.

10、3.1 8.1.3.1 工业控制机的组成工业控制机的组成 组成原理图组成原理图1. 1. 工业控制机的硬件组成工业控制机的硬件组成（1 1）主机板）主机板:CPU:CPU、RAMRAM、ROMROM等。等。 作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。（2 2）内部总线和外部总线）内部总线和外部总线 内部总线：内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用内部总线有内部总线有IBM PCIBM PC、PCIPCI总线和总线和STDSTD总线总线 。

11、 外部总线：外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。备进行信息传递的公共通道。RS232CRS232C、USBUSB和和IEEE488IEEE488通信总线。通信总线。 （3 3）人）人机接口机接口: :键盘、显示器、打印机。键盘、显示器、打印机。（4 4）磁盘系统：软盘和硬盘。）磁盘系统：软盘和硬盘。（5 5）通信接口）通信接口 工业控制机和其它计算机或智能外工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。常用设通信的接口。常用RS232CRS232C、USBUSB和和IEEE488IEEE488接口接口(6)(6)系统支持功能系统支持功能

12、 监控定时器监控定时器( (看门狗看门狗-Watchdog) -Watchdog) 电源掉电检测电源掉电检测 保护重要数据的后备存贮器体保护重要数据的后备存贮器体 实时日历时钟实时日历时钟 (7)(7)输入输出通道输入输出通道 工业控制机和生产过程之间设置的信号传递工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入和变换的连接通道。它包括模拟量输入(AI)(AI)通道、通道、模拟量输出模拟量输出(AO)(AO)通道、数字量通道、数字量( (或开关量或开关量) )输入输入(DI)(DI)通道、数字量通道、数字量( (或开关量或开关量) )输出输出(DO)(DO)通道。通道。

13、 它的作用有两个：它的作用有两个： 其一其一是将生产过程的信号变换成主机能够接是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码；受和识别的代码； 其二其二是将主机输出的控制命令和数据，经变是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。换后作为执行机构或电气开关的控制信号。 2. 2. 工业控制机的软件组成工业控制机的软件组成(1)(1)系统软件系统软件 系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国调度执行程序，如美国IntelIntel公司推出的公司推出的iRMX86iRMX86实时实时多任务操作系统多任务操

14、作系统，美国，美国Ready System Ready System 公司推出的公司推出的嵌嵌入式实时多任务操作系统入式实时多任务操作系统VRTXVRTXOSOS。除了实时多任。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用务操作系统以外，也常常使用MSDOSMSDOS和和WindowsWindows等等系统软件系统软件。(2)(2)支持软件支持软件 支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等编辑程序、调试程序、诊断程序等。(3)(3)应用软件应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编应用软件是系统设计人员针对某个生产过

15、程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。序和公共子程序等。8.1.3.2 8.1.3.2 工控机的特点工控机的特点1 1可靠性高和可维修性好。可靠性高和可维修性好。2 2环境适应性强。环境适应性强。3 3控制的实时性。工业控制机应具有时间控制的实时性。工业控制机应具有时间驱动和事件驱动能力。驱动和事件驱动能力。4 4完善的输入输出通道。完善的输入输出通道。5 5丰富的软件。丰富的软件。6 6适当的计算机精度和运算速度。适当的计算

16、机精度和运算速度。一、一、AI(Analog Input)AI(Analog Input)通道通道 二、二、AO(Analog Output)AO(Analog Output)通道通道 三、三、DI(Digital Input)DI(Digital Input)、DO(Digital Output)DO(Digital Output)通道通道 一、一、AI(Analog Input)AI(Analog Input)通道通道 AIAI通道的一般结构如图。过程参数由传感元件和变通道的一般结构如图。过程参数由传感元件和变送器测量并转换成电压（或电流）形式后送至多路开关；送器测量并转换成电压（或电流）

17、形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和换到后级，进行放大、采样和A/DA/D转换，实现过程参数的转换，实现过程参数的巡回检测。巡回检测。1.1.多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。换模拟电压信号的关键元件。 作用：作用：利用多路开关可将各个输入信号依次地利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或或随机地连接到公用放大器或A/DA/D转换器上，转换器上，实现多路共享。实现多路共享。 常

18、用的多路开关有常用的多路开关有CD4051(CD4051(或或MC14051)MC14051)、AD7501AD7501、MAX354MAX354、LF13508LF13508等。等。 CD4051CD4051原理图原理图 CD4051CD4051由由电平转换、译码驱动及开关电路电平转换、译码驱动及开关电路三部分组三部分组成。当禁止端为成。当禁止端为“1”1”时，前后级通道断开，即时，前后级通道断开，即S S0 0-S-S7 7端端与与SmSm端不可能接通；当为端不可能接通；当为“0”0”时，则通道可以被接通，时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端通过改变控制输入端C C、B B、A A的数

19、值，就可选通的数值，就可选通8 8个通道个通道S S0 0-S-S7 7中的一路。中的一路。 CD4051CD4051真值表真值表2. 2. 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器(1)(1)信号的采样信号的采样 按一定的时间间隔按一定的时间间隔T T，把时间上连续和幅值上也，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻连续的模拟信号，转变成在时刻O O、T T、2T2T、KTKT的的一连串脉冲输出信号的过程。一连串脉冲输出信号的过程。 采样周期：采样周期：采样开关采样开关K K每一个通断的时间间隔每一个通断的时间间隔T T，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。包括等待时间、闭合时

20、间、断开时间等。 采样宽度：采样宽度：采样开关闭合的时间。采样开关闭合的时间。 采样信号采样信号y y* *(t)(t)：幅值连续但是时间上离散的模幅值连续但是时间上离散的模拟信号。拟信号。 香农采样定理：香农采样定理：如果模拟信号如果模拟信号( (包括噪声干扰在包括噪声干扰在内内) )频谱的最高频率为频谱的最高频率为fmaxfmax，只要按照采样频率，只要按照采样频率f2ff2fmaxmax进行采样，那么采样信号进行采样，那么采样信号y y* *(t)(t)就能唯一地就能唯一地复现复现y(t)y(t)。 2. 2.量化量化 量化：量化：就是采用一组数码就是采用一组数码( (如二进制码如二进制

21、码) )来来逼近逼近离离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。小和量化单位有关。 量化过程：量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。为量化过程。 量化装置：量化装置：执行量化动作的装置是执行量化动作的装置是A/DA/D转换器。转换器。 量化单位：量化单位：字长为字长为n n的的A/DA/D转换器，其最低有效位转换器，其最低有效位(LSB)(LSB)所对应的模拟量所对应的模拟量q q称为量化单位。

22、称为量化单位。 量化误差：量化误差：量化过程实际上是一个用量化过程实际上是一个用q q去度量去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度位长度( (毫米或其它毫米或其它) )去度量人的身高一样。由于去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为差，量化误差为( (1/2)q1/2)q。 例如，例如，q=20mVq=20mV时，量化误差为时，量化误差为10mV10mV，0.9900.9901.009V1.009V范围内的采样值，其量化结果是相范围内的采样值，其量化结果是

23、相同的，都是数字同的，都是数字5050。3.3.采样保持器（采样保持器（Sample/HoldSample/Hold） 对模拟信号进行瞬间（微秒或更短）采样，然后保对模拟信号进行瞬间（微秒或更短）采样，然后保持其电压值，供持其电压值，供A/DA/D转换器进行转换。转换器进行转换。 (1)(1)采样保持电路的工作方式：采样和保持采样保持电路的工作方式：采样和保持 在在采样采样方式中，采方式中，采/ /保电路的输出跟踪模拟输入电压。保电路的输出跟踪模拟输入电压。 在在保持保持方式中，采方式中，采/ /保电路将保持采样命令撤销时刻保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采

24、样命令的采样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。为止。 1)A/D1)A/D转换器的主要技术指标：转换器的主要技术指标： （1 1）分辨率）分辨率 分辨率是指分辨率是指A/DA/D转换器对微小输入信号变化的敏转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8 8位、位、1010位、位、1212位等。位等。 （2 2）转换时间）转换时间 A/DA/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式

25、时间。如逐位逼近式A/D A/D 转换器的转换时间为微秒转换器的转换时间为微秒级，双积分式级，双积分式A/DA/D转换器的转换时间为毫秒级。转换器的转换时间为毫秒级。4. A/D4. A/D转换器转换器 （3 3）转换精度）转换精度 A/DA/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。误差来表示。 绝对误差：绝对误差：是指对应于一个给定数字量是指对应于一个给定数字量A/DA/D转转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点

26、误差和非线性误差等。零点误差和非线性误差等。 相对误差：相对误差：指绝对误差与满刻度值之比，一指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对般用百分数来表示，对A/DA/D转换器常用最低有效值转换器常用最低有效值的位数的位数LSBLSB来表示，来表示，1LSB = 11LSB = 1 2 2n n 。 一般来说，位数一般来说，位数n n 越大，其相对误差（或绝越大，其相对误差（或绝对误差）越小。对误差）越小。二、二、AO(Analog Output)AO(Analog Output)通道通道 模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压

27、或电流信号，去驱数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。动相应的执行器，从而达到控制的目的。模拟量输出通道模拟量输出通道( (称为称为D/AD/A通道或通道或AOAO通道通道) )构成构成-一一般是由接口电路、数般是由接口电路、数/ /模转换器模转换器( (简称简称D/AD/A或或DAC)DAC)和和电压电压/ /电流变换器等。电流变换器等。 模拟量输出通道基本构成模拟量输出通道基本构成一个通道设置一一个通道设置一个个D/AD/A结构和多个通道共用一个结构和多个通道共用一个D/AD/A结构。结构。a) a) 多多D/A D/A 结构结构 特点：特点： 1

28、1、一路输出通道使用一个、一路输出通道使用一个D/AD/A转换器转换器 2 2、 D/AD/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器转换器芯片内部一般都带有数据锁存器 3 3、 D/AD/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用保持作用 4 4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立高、通道独立 5 5、 缺点是所需缺点是所需D/AD/A转换器芯片较多转换器芯片较多b b）共享）共享D/AD/A结构结构 特点：特点： 1 1、多路输出通道共用一个、多路输出通道共用一个D/AD/A转换器转换器 2 2、每一

29、路通道都配有一个采样保持放大器、每一路通道都配有一个采样保持放大器 3 3、 D/AD/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4 4、采样保持器实现模拟信号保持功能、采样保持器实现模拟信号保持功能 5 5、节省、节省D/AD/A转换器，但电路复杂，精度差，可转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用主机时间靠低、占用主机时间 D/AD/A转换器的性能指标转换器的性能指标 : D/AD/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用也是选用D/AD/A芯片型号的依据。主要性能指标有：芯片型号的依据。主要性能指标有： （1

30、 1）分辨率）分辨率 （2 2）转换精度）转换精度 （3 3）偏移量误差）偏移量误差 （4 4）稳定时间）稳定时间 三、三、DI(Digital Input)DI(Digital Input)、DO(Digital DO(Digital Output)Output)通道通道 数字量数字量( (开关量开关量) )信号：信号： 开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。的打开与关闭等。 共同特征共同特征: :这些信号的是以二进制的逻辑这些信号的是以二进制的逻

31、辑 “ “1”1”和和“0”0”出现的，代表生产过程的一个状态。出现的，代表生产过程的一个状态。 开关量输入输出通道主要由开关量输入输出通道主要由I/OI/O缓冲和缓冲和I/OI/O电气转换电气转换两部分构成，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、两部分构成，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、加强和选通作用。输出锁存器存加强和选通作用。输出锁存器存CPUCPU输出的数据或控制信输出的数据或控制信号，供外围设备使用。号，供外围设备使用。I/OI/O缓冲功能可以用可编程接口电缓冲功能可以用可编程接口电路构成，也可以用简单接口电路实现。路构成，也可以用简单接口电路实现。I/OI/O电气接口部分电气接

32、口部分的功能主要是：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。的功能主要是：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。数字量输入接口（数字量输入接口（DIDI） 完成过程：用三完成过程：用三态门缓冲器态门缓冲器74LS24474LS244取取得状态信息。经过端得状态信息。经过端口地址译码，得到片口地址译码，得到片选信号。当在执行选信号。当在执行ININ指令周期时，产生指令周期时，产生I/OI/O读信号，则被测的状读信号，则被测的状态信息可通过三态门态信息可通过三态门送到送到PCPC总线工业控制总线工业控制机的数据总线，然后机的数据总线，然后装入装入ALAL寄存器。寄存器。 1G2G74LS244 输入接口 D

33、0D1D2D3D4D5D6D7 1A1 1Y1 1A2 1Y2 1A3 1Y3 1A4 1Y4 1A5 1Y5 1A6 1Y6 1A7 1Y7 1A8 1Y8 IORCS. 数字量输入接口 PC总线数字量输出接口数字量输出接口 完成过程：用完成过程：用74LS27374LS273作作8 8位输出锁位输出锁存口，对状态输出信存口，对状态输出信号进行锁存。经过端号进行锁存。经过端口地址译码，得到片口地址译码，得到片选信号，当在执行选信号，当在执行OUTOUT指令周期时，产指令周期时，产生生I/OI/O写信号。写信号。 74LS273 CLR CLK 输出接口 RESET D0D1D2D3D4D5D

34、6D7 PC总线 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 IOW CS . 数字量输出接口 u 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为简称为PIDPID调节器，是在连续系统中技术最为成熟，调节器，是在连续系统中技术最为成熟，应用最为广泛的一种调节器。应用最为广泛的一种调节器。u PIDPID调节器结构简单、参数易于调整，当被控对调节器结构简单、参数易于调整，当被控对象精确数学模型难以建立、系统的参数又经常发生象精确数学模型难以建立、系统的参数又经常发生变化时，应用变化时，应用PIDPID控制

35、技术，在线整定最为方便。控制技术，在线整定最为方便。u 在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PIDPID算法代替了模拟算法代替了模拟PIDPID调节器。调节器。第三节第三节 过程计算机常规控制技术过程计算机常规控制技术 1 1用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用计算机进行数字模拟，这种方法称为模拟化然后用计算机进行数字模拟，这种方法称为模拟化设计方法。设计方法。 2 2应用采样控制理论直接设计数字控制器，这应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一种直接设计方法（或称离散化设计）是一种直接设计方法（或称离

36、散化设计）数字数字PIDPID控制器的设计是按照控制器的设计是按照 1 1 进行的。进行的。连续生产过程中连续生产过程中, ,设计数字控制器的两种方法设计数字控制器的两种方法: :1.1.模拟模拟PIDPID调节器调节器根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。 )()()(tytrte2 2数字数字PIDPID控制器控制器 当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟代替微分，使模拟PIDPID离

37、散化变为差分方程。离散化变为差分方程。可作如下近似可作如下近似: :00( )()( )()( )d()d ( )()(1)dktju tu ke te ke ttTeje te ke ktT式中，式中，T T为采为采样周期，样周期，k k为为采样序号。采样序号。00diP)(d)(d)(1)()(utteTdtteTteKtut两种标准的数字两种标准的数字PIDPID控制算法控制算法 （l l）数字）数字PIDPID位置型控制算法位置型控制算法 00diP)1()()()()(uTkekeTjeTTkeKkukj u 控制算法提供了执行机构的位置控制算法提供了执行机构的位置。 TTKKdpd

38、 ipiTTKK 式中：式中：00diP) 1()()()( )(ukekeKjeKkeKkukj或：或：（2 2）数字）数字PIDPID增量型控制算法增量型控制算法 010diP)2()1()()1()1(uTkekeTjeTTkeKkukj )1()()( kukuku由位置型算法由位置型算法又又)2() 1(2)()()1()()(dikekekeKkeKkekeKkuP00diP)1()()()()(uTkekeTjeTTkeKkukj ，得：，得：得：得：u增量型算法只需保持前增量型算法只需保持前3 3个时刻的偏差值。个时刻的偏差值。（3 3）两种标准）两种标准PIDPID控制算法比

39、较控制算法比较 （a a）位置型）位置型（b b） 增量型增量型 算法比较算法比较 ： （1 1）增量型算法不需要做累加，计算误差或）增量型算法不需要做累加，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去误差的所有累加值，容易产置型算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。生大的累加误差。 （2 2）增量型算法得出的是控制量的增量，）增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，而位置型算法的输出是控制量的误动作影响小，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。全量输出，误动作影响大。 （3 3）采用增量型

40、算法，由于算式中不出现）采用增量型算法，由于算式中不出现 项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。0u3 3、采样周期的选择、采样周期的选择 (1)(1)首先要考虑的因素首先要考虑的因素 根据香农采样定理，采样周期上限应满足：根据香农采样定理，采样周期上限应满足： T /T /maxmax, ,其中其中maxmax为被采样信号的上限角频为被采样信号的上限角频率。率。 采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在所耗费的时间，系统的采样周期只能在T Tminmin与与T Tmaxma

41、x之间选之间选择（在允许范围内，选择较小的择（在允许范围内，选择较小的T T）。）。 (2)(2)其次要考虑以下各方面的因素其次要考虑以下各方面的因素 给定值的变化频率给定值的变化频率: :变化频率越高，采样频率变化频率越高，采样频率就应越高就应越高; ; 被控对象的特性：被控对象的特性：被控对象是快速变化的还被控对象是快速变化的还是慢变的是慢变的; ; 执行机构的类型：执行机构的类型：执行机构的惯性大，采执行机构的惯性大，采样周期应大样周期应大; ; 控制算法的类型：控制算法的类型：采用太小的采用太小的T T会使得会使得PIDPID算算法的微分积分作用很不明显；控制算法也需要计算时法的微分积

42、分作用很不明显；控制算法也需要计算时间。间。 控制的回路数：控制的回路数：njjTT1 Tj Tj指第指第j j回路控制程序执行时间和输入输出时间。回路控制程序执行时间和输入输出时间。 第五节第五节 工业控制组态软件工业控制组态软件 组态（组态（ConfigurationConfiguration）的意思就是多种工具模）的意思就是多种工具模块的任意组合，它是从块的任意组合，它是从DCSDCS发展而来的。它的含发展而来的。它的含义是使用工具软件对计算机及软件的各种资源义是使用工具软件对计算机及软件的各种资源进行配置，使计算机或软件按照预先设置的指进行配置，使计算机或软件按照预先设置的指令，自动执

43、行指定任务，满足使用者的要求。令，自动执行指定任务，满足使用者的要求。最初的组态软件主要解决人机图形界面的问题最初的组态软件主要解决人机图形界面的问题。 1、组态软件的发展：、组态软件的发展： 20世纪世纪80年代时，世界上第一个商品化监控组年代时，世界上第一个商品化监控组态软件是由美国的态软件是由美国的Wonderware公司研制的公司研制的Intouch，随后又出现了随后又出现了Intellution 公司的公司的FIX系统，通用电气系统，通用电气的的Cimplicity, 以及德国西门子的以及德国西门子的WinCC等；在国内等；在国内主要有亚控公司的主要有亚控公司的KingViewKin

44、gView组态王，组态王，昆仑公司的昆仑公司的MCGS，三维公司的力控，太力公司的，三维公司的力控，太力公司的Synall等组态等组态软件。软件。 组态软件的发展方向之一是能够兼容多操作系组态软件的发展方向之一是能够兼容多操作系统平台。统平台。 2 2、组态软件的特点、组态软件的特点 组态软件具有实时多任务、接口开放、使用组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、运行可靠的特点。灵活、运行可靠的特点。其中最突出的特点是它其中最突出的特点是它的实时多任务性，的实时多任务性，可以在一台计算机上同时完成可以在一台计算机上同时完成数据采集，信号数据处理、数据图形显示，可以数据采集，信号数据处理、数据

45、图形显示，可以实现人机对话，实时数据的存储、历史数据的查实现人机对话，实时数据的存储、历史数据的查询，实时通讯等多个任务。询，实时通讯等多个任务。 组态软件要解决的问题：组态软件要解决的问题： 如何与现场设备之间进行数据采集和数据交换。如何与现场设备之间进行数据采集和数据交换。 将采集到的数据与上位机图形界面的相关部分将采集到的数据与上位机图形界面的相关部分 连接。连接。 实时数据的在线监测。实时数据的在线监测。 数据报警界限和系统报警。数据报警界限和系统报警。 实时数据的存储、历史数据的查询。实时数据的存储、历史数据的查询。 各类报表的生成和打印输出。各类报表的生成和打印输出。 应用系统运行

46、稳定可靠。应用系统运行稳定可靠。 拥有良好的与第三方程序的接口，方便数据共享。拥有良好的与第三方程序的接口，方便数据共享。 3 3、使用组态软件的一般步骤、使用组态软件的一般步骤 (1) (1)建模。建模。根据实际需要，为控制系统建立数学模型根据实际需要，为控制系统建立数学模型。 (2)(2)设计图形界面。设计图形界面。利用组态软件的图库，使用相应利用组态软件的图库，使用相应的图形对象模拟实际的控制系统和控制设备。的图形对象模拟实际的控制系统和控制设备。 (3)(3)构造数据库变量。构造数据库变量。创建实时数据库，用数据库中创建实时数据库，用数据库中的变量反映控制对象的各种属性，变量描述控制对

47、象的的变量反映控制对象的各种属性，变量描述控制对象的各种属性。各种属性。 (4)(4)建立动画连接。建立动画连接。建立变量和图形画面中的图形对建立变量和图形画面中的图形对象的连接关系，画面上的图形对象通过动画的形式模拟象的连接关系，画面上的图形对象通过动画的形式模拟实际控制系统的运行。实际控制系统的运行。 (5)(5)运行、调试。运行、调试。 这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这些这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这些步骤常常是交错进行的。步骤常常是交错进行的。4 4、组态软件的图形开发环境、组态软件的图形开发环境 控制工程的所有操作画面，包括流程画面都是控制工程的所有操作画面，包括流程画

48、面都是在图形开发环境下制作、生成的，工程设计人员使在图形开发环境下制作、生成的，工程设计人员使用最频繁的组态软件组件就是图形开发环境。用最频繁的组态软件组件就是图形开发环境。图形图形开发环境是目标应用系统的主要生成工具之一，它开发环境是目标应用系统的主要生成工具之一，它依照操作系统的图形标准，采用面向对象的图形技依照操作系统的图形标准，采用面向对象的图形技术，为使用者提供丰富强大的绘图编辑、动画连接术，为使用者提供丰富强大的绘图编辑、动画连接和脚本工具，提供右键菜单功能，帮助使用者简化和脚本工具，提供右键菜单功能，帮助使用者简化操作。操作。图形开发环境的工作界面图形开发环境的工作界面 1 1工

49、程管理器工程管理器：主要作用是集中管理主要作用是集中管理本机上的组态王工程。本机上的组态王工程。功能主要包括：新建、功能主要包括：新建、删除工程，搜索组态删除工程，搜索组态王工程，修改工程属王工程，修改工程属性，工程备份、恢复，性，工程备份、恢复，数据词典的导入导出，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或切换到组态王开发或运行环境等。运行环境等。2 2工程浏览器工程浏览器工程浏览器是组工程浏览器是组态王态王6.016.01的集成的集成开发环境，是一开发环境，是一个类似于个类似于WindowsWindows资源管理器的窗资源管理器的窗口。在这里可以口。在这里可以看到所建工程的看到所建工程的所有组

50、成部分，所有组成部分，包括画面，数据包括画面，数据库，外部设备，库，外部设备，配方等。配方等。3 3图形工具箱图形工具箱绘制图素的主要工绘制图素的主要工具放在图形编辑工具放在图形编辑工具箱中，当画面打具箱中，当画面打开时，工具箱自动开时，工具箱自动加载。如果没有显加载。如果没有显示，选择菜单示，选择菜单“工工具具/ /显示工具箱显示工具箱”或按或按F10F10快捷键。快捷键。工具箱中各基本工工具箱中各基本工具 的 使 用 方 法 和具 的 使 用 方 法 和WindowsWindows中的中的“画画笔笔”的使用类似。的使用类似。4 4图库管理器图库管理器图库管理器内中存图库管理器内中存放的是组

51、态软件的放的是组态软件的各种图素，用户可各种图素，用户可以选择需要的对象以选择需要的对象就可以设计自己需就可以设计自己需要的界面。它的使要的界面。它的使用降低了设计界面用降低了设计界面的难度，缩短开发的难度，缩短开发周期。同时工程人周期。同时工程人员可以生成自己的员可以生成自己的图库对象。图库对象。5 5、工艺控制流程图的组态、工艺控制流程图的组态使用组态软件实现工艺控制流程图的步骤。使用组态软件实现工艺控制流程图的步骤。（1 1）建模）建模 建模就是在对系统要求进行分析后，建立数学模建模就是在对系统要求进行分析后，建立数学模型。以水位控制系统为例水泵将水源中的水通过进水型。以水位控制系统为例

52、水泵将水源中的水通过进水管道抽到水箱中，水箱出水管道连接用户，为用户提管道抽到水箱中，水箱出水管道连接用户，为用户提供水源。为了保护水压的相对稳定，对水箱中水位要供水源。为了保护水压的相对稳定，对水箱中水位要有两个报警限，分别为上限和下限，当水位上升到上有两个报警限，分别为上限和下限，当水位上升到上限，关闭水泵；水位低于下限，水泵工作，给水箱供限，关闭水泵；水位低于下限，水泵工作，给水箱供水；在上下限之间，水泵不工作。水；在上下限之间，水泵不工作。为了保护水压的相对为了保护水压的相对稳定，对水箱中水位稳定，对水箱中水位要有两个报警限，分要有两个报警限，分别为上限和下限，当别为上限和下限，当水位

53、上升到上限，关水位上升到上限，关闭水泵；水位低于下闭水泵；水位低于下限，水泵工作，给水限，水泵工作，给水箱供水；在上下限之箱供水；在上下限之间，水泵不工作。间，水泵不工作。（2 2） 变量的定义变量的定义 在控制系统中，在控制系统中，需要采用变量来存放外需要采用变量来存放外部设备传送来的检测信部设备传送来的检测信号（如水位信号），这号（如水位信号），这些变量需要同外部设备些变量需要同外部设备进行数据交换。所以需进行数据交换。所以需要首先建立工程，然后要首先建立工程，然后进行设备配置，再建立进行设备配置，再建立相应的变量。相应的变量。（3 3）画面的编辑与动画连接）画面的编辑与动画连接1 1画面

54、的编辑画面的编辑 现在利用组态王提现在利用组态王提供的各种绘图工具来制供的各种绘图工具来制作完善的主画面，使得作完善的主画面，使得画面能够逼真地反映控画面能够逼真地反映控制系统的工作运行状况，制系统的工作运行状况，并且可以通过画面控制并且可以通过画面控制实际的运行状态，从而实际的运行状态，从而实现对系统的实时监控。实现对系统的实时监控。 图库中选取水泵图素图库中选取水泵图素 同样的方法可以在画面上绘制出水箱、管道、水同样的方法可以在画面上绘制出水箱、管道、水位传感器及相应的文本。至此，主画面绘制完成。位传感器及相应的文本。至此，主画面绘制完成。2 2动画连接动画连接 以上绘制的画面是静态的，要

55、逼真的显示系统以上绘制的画面是静态的，要逼真的显示系统的运行状况，必须将图素和数据库中已经设定的相的运行状况，必须将图素和数据库中已经设定的相应变量联系起来，即让画面应变量联系起来，即让画面“动动”起来。将图素和起来。将图素和数据库中对应变量建立联系的过程称为数据库中对应变量建立联系的过程称为“动画连动画连接接”。建立动画连接后，当数据库中的变量发生变。建立动画连接后，当数据库中的变量发生变化后，图形对象就可以按照设定的动画连接随之做化后，图形对象就可以按照设定的动画连接随之做同步的变化。同步的变化。指示灯的动画连接指示灯的动画连接设置：设置：双击双击“指示指示灯灯”，出现，出现“指示指示灯向

56、导灯向导”对话框。对话框。将变量名设定为：将变量名设定为：“本站点本站点 启动启动”，将将“正常色正常色”设置设置为绿色，为绿色，“报警色报警色”设置为红色。再单设置为红色。再单击击“确定确定”按钮，按钮，则则“指示灯指示灯”动画动画连接完成，连接完成，（3 3）命令语言及控制程序编写）命令语言及控制程序编写 在完成了上述的动画设置后，还必须通过命令在完成了上述的动画设置后，还必须通过命令输入，才能控制水泵的运行。工艺上要求水泵的工输入，才能控制水泵的运行。工艺上要求水泵的工作状态是根据水位的高低而运行的。当水位低于下作状态是根据水位的高低而运行的。当水位低于下限时，水泵工作，为水箱送水；水位

57、高于上限，水限时，水泵工作，为水箱送水；水位高于上限，水泵停止工作；在上下限之间，水泵不工作。泵停止工作；在上下限之间，水泵不工作。 在完成上述步骤后，运行组态王，就可以按照指定的在完成上述步骤后，运行组态王，就可以按照指定的命令执行了。命令执行了。 （4 4）复杂图形对象的组态及应用）复杂图形对象的组态及应用 趋势曲线趋势曲线 作为实时监控的组态软件，趋势分析是必不作为实时监控的组态软件，趋势分析是必不可缺的。包括用于实时显示数据的实时曲线和能可缺的。包括用于实时显示数据的实时曲线和能够对数据库中的数据进行指定趋势分析的历史曲够对数据库中的数据进行指定趋势分析的历史曲线两种。线两种。 组态王

58、图库中有设定好的各种功能按钮的趋组态王图库中有设定好的各种功能按钮的趋势曲线。用户只要定义几个相关变量，适当调整势曲线。用户只要定义几个相关变量，适当调整曲线外观，即可完成曲线的指定的复杂功能。曲线外观，即可完成曲线的指定的复杂功能。1 1实时曲线实时曲线 运行画面，就可以查阅历史数据了。用户可以运行画面，就可以查阅历史数据了。用户可以通过按钮任意改变时间轴范围，查看需要的数据。通过按钮任意改变时间轴范围，查看需要的数据。2 2历史曲线历史曲线第六节第六节 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS） 设计原则设计原则: : 采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治采用分散控制和集中管理的设计

59、思想、分而自治和综合协调的设计原则，并采用层次化的体系结构。和综合协调的设计原则，并采用层次化的体系结构。 所谓所谓分散控制分散控制是用多台微型计算机，分散应用于是用多台微型计算机，分散应用于生产过程控制生产过程控制; ; 所谓所谓集中管理集中管理是用通信网络技术把多台计算机构是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统成网络系统. . 分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。合控制系统。1 1）集散控制系统）集散控制系统 典型的典型的DCSDCS采用了如图所示的三层结构，第一层为采用了如图所示的三层结构，第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作

60、监控级；第三层分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。为综合信息管理级。（1 1）分散过程控制级（面向生产过程）分散过程控制级（面向生产过程） 功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能。功能。 装置：现场控制站（工业控制机）装置：现场控制站（工业控制机） 可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLC） 智能调节器智能调节器 其它测控装置其它测控装置（2 2）集中操作监控级（面向操作员和系统工）集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）程师） 功能：以操作监视位主要任务，兼有部功能：以操作监视位主要任务，兼有部分管理功能。配备计算