计算机控制系统的组成

1、WUSTWUST1:031WUSTWUST1:032 1.1 1.1 计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构 1.2 1.2 过程计算机控制系统的发展概述过程计算机控制系统的发展概述 1.3 1.3 轧制过程计算机控制概述轧制过程计算机控制概述 1.4 1.4 过程计算机控制系统的基本类过程计算机控制系统的基本类型型WUSTWUST1:033本节内容一一 硬件组成硬件组成 （一）主机（一）主机 1.1.中央处理器中央处理器 2.2.内存储器内存储器 （二）外部设备（二）外部设备 1.1.输入设备输入设备 2.2.输出设备输出设备 3.3.外存储器外存储器 （三）过程输入输出设备（三）

2、过程输入输出设备 （四）通讯设备（四）通讯设备二二 软件组成软件组成 （一）系统软件（一）系统软件 （二）应用软件（二）应用软件三三 操作系统操作系统四四 人机接口人机接口WUSTWUST1:0341.1.1 1.1.1 计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构加热炉炉温控制系统加热炉炉温控制系统 Furnace Temperature control systemq人工控制系统中人起到了检测仪表、人工控制系统中人起到了检测仪表、控制器、执行器三重作用。控制器、执行器三重作用。q控制的好坏主要靠操作工人的经验。控制的好坏主要靠操作工人的经验。q人工控制不能控制太多的被控量。人工控制不能

3、控制太多的被控量。q 人工控制不能进行快速的控制。人工控制不能进行快速的控制。q人工控制也不能始终如一，产品的一人工控制也不能始终如一，产品的一 致性很差。致性很差。煤煤气气管管被被控控对对象象T燃气烧嘴燃气烧嘴流流量量调调节节阀阀WUSTWUST1:035 q采用模拟量运算电路来实现自采用模拟量运算电路来实现自动控制功能（如动控制功能（如PID)。q而模拟系统中，改变控制方法而模拟系统中，改变控制方法就必须改变硬件。就必须改变硬件。q线路接点较多，出现故障不易线路接点较多，出现故障不易排除。排除。q一个模拟调节器只能控制一个一个模拟调节器只能控制一个被控量，多个模拟调节器之间不被控量，多个模

4、拟调节器之间不能进行信息交换。能进行信息交换。电动调节阀电动调节阀调调节节器器热热电电偶偶炉炉温温TWUSTWUST1:036 计算机控制计算机控制q用程序进行控制运算。用程序进行控制运算。q控制方法的改变很容易。控制方法的改变很容易。q可以控制几百个回路可以控制几百个回路.并可以并可以对上限、下限进行监视和报警。对上限、下限进行监视和报警。q信号的传送需要数信号的传送需要数/模和模模和模/数数转换。转换。电动调节阀电动调节阀热热电电偶偶炉温炉温TWUSTWUST1:037被被控控对对象象输入通道输入通道/设备设备电动调节阀电动调节阀热热电电偶偶输出通道输出通道/设备设备TWUSTWUST1:

5、038（1 1）测量变送装置）测量变送装置 Measure DeviceMeasure Device压力传感器压力传感器热电偶热电偶光电码盘光电码盘矫直机上矫直机上的辊缝仪的辊缝仪 WUSTWUST1:039（2 2）输入输出（）输入输出（I/OI/O）设备）设备 Input/Output DeviceInput/Output Device定义：定义：完成信息传递和交换的装置。完成信息传递和交换的装置。作用：作用：在计算机与生产过程之间进行信息传递的通道，起到纽在计算机与生产过程之间进行信息传递的通道，起到纽带和桥梁的作用。带和桥梁的作用。输入通道输入通道/ /设备设备开关量输入通道开关量输入

6、通道模拟量输入通道模拟量输入通道Analog/Digital(A/D)Analog/Digital(A/D)Digital Input(DI)Digital Input(DI)输出通道输出通道/ /设备设备开关量输出通道开关量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道Digital/Analog (A/D)Digital/Analog (A/D)Digital Output(DO)Digital Output(DO)WUSTWUST1:0310I/O模块模块PCI-720012MB/s高速高速32通道数字输入、通道数字输入、32通道数字输出卡通道数字输出卡 康海康海PX8-L 8个个RS-232串口

7、串口 DAQ-220564通道，通道，500K/s高速高速多功能多功能A/D采集卡采集卡WUSTWUST1:0311（3 3）控制器）控制器 ControllerController 控制器：控制器：是实现控制规律的核心器件。控制器可以是实现控制规律的核心器件。控制器可以是各种类型智能设备。是各种类型智能设备。西门子西门子S7400 PLC模拟调模拟调节器节器微型计微型计算机算机Honeywell数数字调节器字调节器研华研华 IPC-610WUSTWUST1:0312根据控制器送来的信号对被控对象进行调节。根据控制器送来的信号对被控对象进行调节。（4 4）执行机构）执行机构 ActuatorA

8、ctuator 变频泵变频泵同步电机同步电机继电器继电器调节阀调节阀电磁阀电磁阀WUSTWUST1:0313工作过程：工作过程：数据采集：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值；经过值；经过D/AD/A转换后送入控制器。转换后送入控制器。 控制决策：控制决策：将测量值将测量值mvmv与系统的给定值与系统的给定值spsp相比较，产生相比较，产生一定的偏差信号一定的偏差信号e e，对该偏差信号按照某种控，对该偏差信号按照某种控制规律（算法）进行数学运算，如常规制规律（算法）进行数学运算，如常规PIDPID算算法、自适应控制算法、模糊控制算法等，

9、最后法、自适应控制算法、模糊控制算法等，最后产生控制信号产生控制信号u u。 控制输出：控制输出： 对计算机输出的控制信号对计算机输出的控制信号u u进行进行D/AD/A转换后，转换后，向执行机构发出控制信号，完成控制任务。向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 SP通常安装通常安装于控制室于控制室通常安装通常安装于于 现场现场-控制器控制器 D/A 执行机构执行机构被控对象被控对象测量变送测量变送 A/D +y被控量被控量eu4 420mA20mA4 420mA20mAcomparisonSensorActuatorProcessControllervariablemvfeedbackI/O

10、 DeviceI/O DeviceWUSTWUST1:03141.1.2 1.1.2 计算机控制系统一些概念计算机控制系统一些概念 自动控制自动控制：在没有人直接参在没有人直接参与的情况下，通过与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。计算机控制系统计算机控制系统：利用计算机来实：利用计算机来实现生产过现生产过程自动控制的系统。程自动控制的系统。WUSTWUST1:0315输出通道输出通道 D/A输入通道输入通道 A/D对象对象被控变量被控变量y输输 入入通通 道道计算机计算机给定给定1 1）计算机控制系统的工作原理）计算机控制系统的工

11、作原理WUSTWUST1:0316实时数据采集：实时数据采集：实时控制决策：实时控制决策：实时控制输出：实时控制输出：工作原理：工作原理：对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。进行检测和输入。对采集到的被控变量进行分析和处理，并对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。行为。根据控制决策，适时地对执行机构发出控根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。制信号，完成控制任务。WUSTWUST1:03172 2）在线方式和离线方式）在线方式和离线方式 在线在线方

12、式或联机方式：方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。计算机控制的方式。 离线方式或脱机方式：离线方式或脱机方式：生产过程不和计算机相连，且不受生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。相应操作的方式。3 3）实时的含义）实时的含义 实时：实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。围内完成。计算机实时地对生产过程进行控制和管理。并能根据生产过程工计算机实时地对生产过程进行控制和管理。并能根据生产过程工况的变化及时

13、地进行处理。实时性不仅取决于计算机硬件指标，而且还主要依赖况的变化及时地进行处理。实时性不仅取决于计算机硬件指标，而且还主要依赖于系统软件和应用软件。（于系统软件和应用软件。（P8） 实时控制系统必定是在线系统。实时控制系统必定是在线系统。WUSTWUST1:0318一一 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 硬件组成硬件组成 ( (一）一）主机、（二）外部设备（三）过程主机、（二）外部设备（三）过程输入输入/ /输出通道（四）通讯设备输出通道（四）通讯设备WUSTWUST1:0319 （一）（一） 主机主机中央处理器（中央处理器（CPU）内存储器内存储器(RAM和和ROM)（三）

14、（三）过程输入过程输入/ /输出通道输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输入通道开关量输出通道开关量输出通道（二）（二）外部设备外部设备 操作台操作台输入设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备输出设备显示器、打印机、绘图仪显示器、打印机、绘图仪外存储器外存储器硬盘、软盘、光盘硬盘、软盘、光盘（CRT）显示器或）显示器或(LED)数码显示器数码显示器 键盘（功能键和数字键）键盘（功能键和数字键）（四）通讯设备（四）通讯设备网络适配器、路由器、集线器、双绞线网络适配器、路由器、集线器、双绞线运算器运算器控制器控制器只读存

15、储器只读存储器(ROM)(ROM)随机存储器随机存储器(RAM)(RAM)WUSTWUST1:0320二二 软件组成软件组成软件一般由系统软件和应用软件组成软件一般由系统软件和应用软件组成 计算机专业设计人员负责研制系统软件，而过程计计算机专业设计人员负责研制系统软件，而过程计算机控制系统设计人员则要了解系统软件，从而算机控制系统设计人员则要了解系统软件，从而更好地编制应用软件。更好地编制应用软件。应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序，它的优劣直接影响控制品质的控制和管理程序，它的优劣直接影响控制品质和管理水平。和管理水平。W

16、USTWUST1:0321软件软件系统软件系统软件服务程序装配程序、编辑程序开发系统程序设计语言 汇编语言、算法语言，如BasicAlgol，Frotran，Pascal，Cobol，C，PLM等语言处理程序汇编程序、解释程序、编译程序操作系统-管理程序、磁盘操作系统程序等诊断程序-调节程序、诊断程序等数据管理程序信息处理-文字翻译、资料检索、企业管理应用软件应用软件通讯系统二二 软件组成软件组成WUSTWUST1:0322应用软应用软件件过程监控过程监控数据处理程序巡回检测程序巡回检测程序上下限检查及报警程序上下限检查及报警程序操作面板服务程序操作面板服务程序过程计算机控制过程计算机控制控制

17、算法程序控制算法程序事故处理程序事故处理程序PIDPID、最优化控制、串级调、最优化控制、串级调节、比例调节、前馈调节节、比例调节、前馈调节系统辨识、其他系统辨识、其他信息管理程序信息管理程序数字滤波及标度变换程序数字滤波及标度变换程序判断程序判断程序过程分析程序过程分析程序公共服务程序公共服务程序基本运算程序基本运算程序函数运算程序函数运算程序数码转换程序数码转换程序格式编辑程序格式编辑程序信息生成调度、文件管理、信息生成调度、文件管理、输出、打印、显示输出、打印、显示WUSTWUST1:0323三 操作系统E Eniacniac和早期的计算机使用起来很困难的原因和早期的计算机使用起来很困难

18、的原因裸机，只提裸机，只提供机器指令。供机器指令。操作系统操作系统OSOS使得用户可以不必了解具体的机器指令、信号使得用户可以不必了解具体的机器指令、信号的传输过程，而通过操作系统充分地使用计算机的硬件的传输过程，而通过操作系统充分地使用计算机的硬件资源和软件资源。资源和软件资源。操作系统可以视作计算机资源管理程序操作系统可以视作计算机资源管理程序。只有在操作系统。只有在操作系统的管理之下，才能充分利用资源，提高系统的可靠性和的管理之下，才能充分利用资源，提高系统的可靠性和实时性，方便用户的操作和使用。操作系统的管理功能实时性，方便用户的操作和使用。操作系统的管理功能可以归纳为四种：处理机管理、存储管理、设备管理和可以归纳为四种：处理机管理、存储管理、设备管理和文件管理。详细论述见第六章。文件管理。详细论述见第六章。WUSTWUST1:0324四四 人机接口人机接口 计算机和操作人员之间常常要互通信息。比如，计算机实计算机和操作人员之间常常要互通信息。比如，计算机实时地显示生产过程状况和控制信息，而操作人员为了配时地显示生产过程状况和控制信息，而操作人员为了配合计算机对生产过程的控制往往要根据生产状况及时合计算机对生产过程的控制往往要根据生产状况及时地向计算机发出各种操作控制命令。为此，计算机和操地向计算机发出各种操作控制命令。为此，计算机和操作人员之间应设置作人员之间应设置