计算机控制-第一章2012

1、计算机控制系统Digital Control System1机电学院 董哲五教1013教材： 计算机控制系统 国防工业出版社 孙德辉 李志军 史运涛 董哲 编著 参考书参考书 微型计算机控制系统 冶金工业出版社 孙德辉 郑士富 编著 计算机控制系统理论、设计与实践 北京航空航天大学出版社 高金源等 计算机控制系统 清华大学出版社 何克忠等主编2课程安排： 8周*4=32学时 （讲课24学时、实验6学时 考核2学时）考核方式：平时成绩20%：平时表现+随堂测验期末考核80%：开卷考试3讲授内容 计算机控制系统的基本概念 (第1章，2课时) 计算机控制系统的理论基础 (第2章，6课时) 采样定理，

2、z变换，差分方程，脉冲传递函数，系统分析 计算机控制系统的数字控制器设计 (第3、4、5、6、7章，8课时) 直接设计方法，PID控制器设计，状态空间设计，先进控制方法(预测控制、模糊控制、神经网络) 计算机控制系统的输入输出通道(第8章，2课时) 计算机控制系统的接口技术(第9章，2课时) 抗干扰技术(第10章，2课时) 计算机控制系统的工程设计(第11章，2课时) 现场总线系统与网络控制系统 (第12章，4课时) 复习课（2课时）4自动控制系统的结构 自动控制系统一般可归纳为两大类，即闭环控制系统和开环控制系统。由于开环控制系统控制性能较闭环控制系统差，因此在控制要求较高时均采用闭环控制。

3、闭环控制系统的典型结构如图所示。 51.1 什么是计算机控制系统？什么是计算机控制系统？计算机控制系统结构 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。计算机控制系统结构如图所示。 67 控制器D/A执行机构被控对象测量元件变送器A/D设定值输出计算机计算机计算机驱动器执行机构被控对象开环控制闭环控制84 4几个术语几个术语（1）实时:所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制。（2）“在线”方式:在

4、计算机控制系统中，如果生产过程对象直接与计算机连接，即生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。(3)“离线”方式:若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间介质或人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。9模拟电路模拟电路（运算放大器运算放大器）

5、 模拟信号模拟信号（电压，电流电压，电流） 模拟控制，连续控制模拟控制，连续控制： 数字计算机（数字计算机（digital computerdigital computer） 数字部件（数字部件（计算机芯片计算机芯片） 数字信号（数字信号（0 0、1 1二进制数二进制数） 数字控制，离散控制：数字控制，离散控制： 1011 12 连续系统控制论连续系统控制论（时间域，（时间域，s域，频率域）域，频率域） 离散系统控制论离散系统控制论（时间域，（时间域， s域，域，z域，域， 频率域）频率域）131415 优点：优点：16*误差误差：量化误差（二进制数）量化误差（二进制数）* *计算延迟：计算延

6、迟：串行运算、实现复杂的控制律延串行运算、实现复杂的控制律延 迟大迟大l问题：问题：*计算机功能强计算机功能强编程实现复杂的控制律，编程实现复杂的控制律， 便于修改便于修改*精度高精度高 数字部件位数高，精度可达数字部件位数高，精度可达1070， 模拟部件仅有模拟部件仅有10102 2* *记忆力强记忆力强可存储大量信息可存储大量信息* *灵活、适应性强灵活、适应性强自学习功能，推理自学习功能，推理17连续控制系统连续控制系统 计算机控制系统计算机控制系统 18被控对象被控对象模拟输出模拟输出指令指令滤波器滤波器e误差误差执行放大执行放大机构机构控制器控制器控制控制u测量装置测量装置执行放大执

7、行放大机构机构测量装置测量装置e误差误差模拟模拟输出输出控制控制u被控对象被控对象指令指令D/A转换器转换器A/D转换器转换器A/D转换器转换器控制器控制器19被控对象被控对象结构结构模拟控制系统模拟控制系统计算机控制系统计算机控制系统执行机构执行机构测量装置测量装置控制器控制器 特点：特点：火炮炮筒火炮炮筒火炮炮筒火炮炮筒直流力矩电机直流力矩电机直流力矩电机直流力矩电机电位计、测速机电位计、测速机电位计、测速机电位计、测速机转换装置转换装置 A/D、D/A接口接口2021测量装置及比较器控制器数据采数据采集装置集装置监控用监控用计算机系统计算机系统显示显示运行记录运行记录运行指示运行指示报警

8、报警操操作作员员设定值设定值被控对象输出输出输入输入22DDC：Direct Digital ControlCRT打印机报警操作台计计算算机机输入通道(AI,DI)输出通道(AO,DO)生生产产过过程程23242526EntherNet/IPModbus/TCPModbusCANPFCLonWorksPFC工业以太网交换机RS232/485触摸屏工作站HMI/编程工作站HMI/编程工作站HMI/编程管理计算机EMS/ERP管理层控制层设备层PFCProfibus DP总线开关DeviceNet总线仪表总线接口触摸屏As-i24vdc509 -BOD总线设备总线执行器AB SLC 5/05PFC

9、PFCPFCWAGO数据交换链路数据交换链路InterBustPFCPFC网络控制系统结构框图网络控制系统结构框图271 1、信号的转换、信号的转换 A/DA/D、D/AD/A2 2、采样周期的选择、采样周期的选择 如何选择，选择不当的后果如何选择，选择不当的后果3 3、计算机字长的选择、计算机字长的选择精度精度4 4、比例因子与工程量的处理、比例因子与工程量的处理5 5、计算机控制系统的抗干扰问题、计算机控制系统的抗干扰问题6 6、控制算法与执行机构匹配问题、控制算法与执行机构匹配问题u 燃煤锅炉的计算机控制系统燃煤锅炉的计算机控制系统u 循环流化床干法烟气脱硫控制系统循环流化床干法烟气脱硫

10、控制系统28实例1: 燃煤链条锅炉的计算机控制29挡板挡板挡板挡板省煤器省煤器空气预热空气预热控制作用控制作用给水阀给水阀空气空气鼓风机鼓风机给水泵给水泵水水除除尘尘器器引风机引风机烟气烟气烟烟囱囱煤斗煤斗电动机电动机空气空气蒸蒸汽汽引风引风水水炉炉排排负微压负微压供气（发电机组）供气（发电机组）炉炉膛膛30u 煤块煤块炉排炉排在炉膛燃烧在炉膛燃烧加热汽包加热汽包产生蒸气产生蒸气u 空气空气鼓风机鼓风机空气预热器空气预热器炉膛炉膛u 引风引风省煤器省煤器除尘脱流除尘脱流引风机引风机烟囱烟囱u 水水给水泵增压给水泵增压省煤器预热省煤器预热汽包水位汽包水位 u 煤量调节：通过改变炉排走速实现煤量调

11、节：通过改变炉排走速实现 u 送风量调节：调节鼓风挡板开度或变频调节送风量调节：调节鼓风挡板开度或变频调节 u 引风量调节：调节引风挡板开度或变频调节引风量调节：调节引风挡板开度或变频调节 u 给水调节：保持汽包水位在允许的范围内给水调节：保持汽包水位在允许的范围内31u 特点：蒸汽负荷变动频繁且不稳定特点：蒸汽负荷变动频繁且不稳定u 控制系统设计目标：控制系统设计目标： 节煤节煤 蒸汽压力稳定，温度满足要求蒸汽压力稳定，温度满足要求 可靠性高，维修、操作方便可靠性高，维修、操作方便系统特点和控制目标系统特点和控制目标 3/32四个相互关联的子系统：四个相互关联的子系统：汽包水位控制汽包水位控

12、制 炉膛负压控制炉膛负压控制热负荷控制热负荷控制 燃烧经济性控制燃烧经济性控制四个调节量：四个调节量：给水量给水量 送风量送风量引风量引风量 给煤量给煤量控控制制系系统统煤/风 比煤/风 比. 反馈信号反馈信号蒸汽压力蒸汽压力水位水位炉膛负压炉膛负压含氧量含氧量给水阀给水阀鼓风挡板鼓风挡板引风挡板引风挡板炉排速度炉排速度给煤量给煤量引风量引风量送风量送风量给水流量给水流量汽包水位汽包水位蒸汽压力蒸汽压力蒸汽流量蒸汽流量炉膛负压炉膛负压烟气含氧量烟气含氧量炉膛温度炉膛温度子系统与控制量子系统与控制量 4/33汽包水位是一个很重要的参数汽包水位是一个很重要的参数水位过高水位过高蒸汽容积减小，影响汽

13、包的汽水分离蒸汽容积减小，影响汽包的汽水分离 ， 产生蒸汽带水产生蒸汽带水水位过低水位过低汽包本身较小，负荷蒸汽变化大，汽包本身较小，负荷蒸汽变化大， 水量变化速度快，容易全部气化，水量变化速度快，容易全部气化， 出现脱水现象，引起事故。出现脱水现象，引起事故。水位调节任务：保持水位在允许范围内水位调节任务：保持水位在允许范围内; 保持给水量保持给水量稳定稳定34控制器控制器执行器执行器汽包汽包X XWNH H水水位位调节器调节器蒸蒸汽汽过热器过热器省煤器省煤器给水阀给水阀X35调节器调节器XX X+蒸蒸汽汽过热器过热器给水阀给水阀控制器控制器执行器执行器汽包汽包X XWHH水水位位- -前馈

14、前馈36调节器调节器XX X+蒸蒸汽汽过热器过热器给水阀给水阀X X-省煤器省煤器WH水位水位给定量给定量37给水阀给水阀汽包汽包调节器调节器- -WN+ +- -蒸汽流量蒸汽流量H水水位位给水给水流量流量+ +38u了解工艺过程入手，按照控制要求，正了解工艺过程入手，按照控制要求，正确制定控制策略确制定控制策略u实现控制，要有恰当的控制算法实现控制，要有恰当的控制算法u要有实现检测与控制的正确手段要有实现检测与控制的正确手段u要选择可靠有效的计算机控制系统要选择可靠有效的计算机控制系统39 39子系统子系统 吸收剂制备吸收剂制备 烟气系统烟气系统 CFB-吸收塔吸收塔 注水系统注水系统 吸收

15、剂定量给料吸收剂定量给料 电除尘器电除尘器 物料循环物料循环副产品排放副产品排放 u应用于应用于2300MW机组，共采用两套脱硫除尘机组，共采用两套脱硫除尘岛系统岛系统u采用分布式采用分布式IO配置，在现场共安装配置，在现场共安装18个工业控个工业控制柜制柜u板卡点数近千点：包含板卡点数近千点：包含DI、DO、AI、AO、RTD、PI等多种类型信号等多种类型信号404142锅锅炉炉汽汽包包侧侧视视图图43主机锅炉主机锅炉和预除尘和预除尘44吸收塔和脱硫除尘岛俯视吸收塔和脱硫除尘岛俯视45预除尘灰斗和仓泵俯视预除尘灰斗和仓泵俯视46生石灰仓生石灰仓47下料秤重计量阀下料秤重计量阀48灰斗出料仓泵

16、灰斗出料仓泵49中央控制楼中央控制楼50中控室控制柜中控室控制柜51调试中调试中调试顺利进行，最终完满的达到了98以上的实际脱硫率！5253OS 站/WinCC机组1 OSM 工业以太网光纤交换器S7 400 417H带工业以太网通讯处理器OS 站/WinCC机组2Y-LINK用于连接吸收剂制备子系统工业以太网光纤环PCS7 工程师站榆社榆社电厂电厂2x300MW发电机组脱硫除尘岛发电机组脱硫除尘岛 #1机组机组 S7 400417H带工业以太网通讯处理器ET200M I/O 站分别位于不同工段中#2机组机组标准以太网OSM 工业以太网光纤交换器Y-LINK用于连接吸收剂制备子系统ET200M

17、 I/O 站分别位于不同工段中54SO2排放浓度控制排放浓度控制吸收塔床层压差控制吸收塔床层压差控制吸收塔温度控制吸收塔温度控制吸收塔入口烟气流量吸收塔入口烟气流量控制控制 5556575859PID算法算法实际系统实际系统仿真模型仿真模型Matlab仿真仿真DMC或或模糊控制算法模糊控制算法控制算法优化控制算法优化 60u工业控制系统基本上采用三层控制网络：现场总线网络、工业以工业控制系统基本上采用三层控制网络：现场总线网络、工业以太网、标准以太网太网、标准以太网uIOIO采集方式由集中式走向分布式采集方式由集中式走向分布式u在工业上仍然采用以在工业上仍然采用以PIDPID，尤其是，尤其是P

18、IPI为主的控制算法为主的控制算法u控制算法正在逐步从经典算法（控制算法正在逐步从经典算法（PIDPID）走向高级过程控制算法）走向高级过程控制算法（DMCDMC、模糊控制等）、模糊控制等） 烟气室系统烟气室系统 挡板系统挡板系统 布袋系统布袋系统 灰斗系统灰斗系统 反吹臂系统反吹臂系统 脉冲阀系统脉冲阀系统 风机系统风机系统 辅助系统辅助系统61压缩空气压缩空气脉冲阀系统脉冲阀系统风机系统风机系统清洁烟气室清洁烟气室原烟气室原烟气室反吹臂系统反吹臂系统布袋除尘单元布袋除尘单元清洁烟气清洁烟气烟囱烟囱布袋系统布袋系统原烟气原烟气灰斗系统灰斗系统 应用于脱硫系统应用于脱硫系统 通过通过Y-Link连接连接主主DCS 采用非冗余采用非冗余-冗余的冗余的模式模式 可不自带独立上位可不自带独立上位机机62ET200M 系统系统OP 270ProfibusCPU 414-2脱硫脱硫DCSY-Linku脉冲阀控制系统：分段控制脉冲阀控制系统：分段控制u原烟气温度控制系统：自学习模糊控制原烟气温度控制系统：自学习模糊控制u风机控制系统：有级风机控制系统：有级 / 无级风机阵列控制无级风机阵列控制63压差设定值压差设定值档档 位位反吹持续时间反吹持续时间间隙时间间隙时间7hPa16.1hPa16.1hPa快速