计算机控制技术第一章 计算机控制

1、计算机控制技术计算机控制技术Computer Control Technique东北石油大学电气院主讲：张岩所属领域：所属领域：属于计算机控制领域。属于计算机控制领域。 专业地位：专业地位：是测控技术与仪器专业的一门专业选修课程。是测控技术与仪器专业的一门专业选修课程。先修课程：先修课程：计算机硬件原理、单片机原理、自控原理。计算机硬件原理、单片机原理、自控原理。研究内容：研究内容：工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算 机控制是为了适应这一领域的需要而发展起来机控制是为了适应这一领域的需要而发展起来 的一门专业技术。主要研究如何将计算机技术的一门专业

2、技术。主要研究如何将计算机技术 和自动控制理论应用于生产过程，并设计出所和自动控制理论应用于生产过程，并设计出所 需要的计算机控制系统。需要的计算机控制系统。考核方式：考核方式：闭卷考试。闭卷考试。第一章第一章 绪绪 论（论（Introduction）例：水箱液位恒值控制（人工控制）例：水箱液位恒值控制（人工控制）眼（观察）眼（观察）手（操纵）手（操纵）脑（决策）脑（决策）大脑大脑测量变送测量变送对象对象调节阀调节阀眼眼手手液位液位SPPVSP：设定值：设定值PV：测量值：测量值H例：水箱液位恒值控制（仪表控制）例：水箱液位恒值控制（仪表控制）眼（观察）眼（观察）手（操纵）手（操纵）脑（决策）

3、脑（决策）大脑大脑测量变送测量变送对象对象调节阀调节阀眼眼手手液位液位SPPV调节器调节器自动控制：自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使 被控对象自动地按预定规律运动的一种控制。被控对象自动地按预定规律运动的一种控制。计算机控制：计算机控制：利用计算机来实现生产过程自动控制的系统利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。例：水箱液位恒值控制（计算机控制）例：水箱液位恒值控制（计算机控制）H计算机计算机调节器调节器测量变送测量变送对象对象调节阀调节阀眼眼手手液位液位SPPV计算机计算机计算机测量变送对象调节阀液位信息流图信息流图电脑是对人脑的解

4、放，电脑是对人脑的解放，计算机的作用相当一台大仪表。计算机的作用相当一台大仪表。计算机控制绝对不神秘！计算机控制绝对不神秘！正反馈正反馈负反馈负反馈开环开环闭环闭环例：大型计算机控制实例例：大型计算机控制实例 某工厂的冷库是我国第一座采用计算机控制的万吨级冷库。它有三个制冷系统：结冻系统结冻系统；低温低温冷藏系统冷藏系统和和高温冷藏系统高温冷藏系统；采用计算机对制冷工艺作实时控制，其要求是：实现能量匹配的自动调节，以提高制冷效率；对各制冷系统作闭环调节，使高、低温冷库分别实现恒温控制，结冻系统达到速冷低耗；对现场参数实现巡回检测，报警监视。该计算机控制系统的功能是：该计算机控制系统的功能是：1

5、. 通过模拟量输入通道，对现场75个温度点，5个压力点的参数进行巡回检测，定时打印制表；并可以人工选点巡检，数字显示，人工巡检速度可调；2. 对现场84个限值监视点进行声、光报警监视；3. 温度的闭环调节：-15度高温冷藏库房（5间）的恒温调节；-28度低温冷藏库房（34间）的恒温调节；-33度结冻系统（8间）进行速冻、低耗的最优控制。系统蒸发温度的调节4. 自动启停和能量匹配对10台氨压缩机进行自动启停，配组及能量匹配控制；对氨泵回路进行自动启停控制；对冷风机进行自动启停控制。5. 事故处理设备异常事故的处理及备用设备的投入运行；系统及重要设备的事故处理。制冷过程计算机控制系统制冷过程计算机

6、控制系统 1.1计算机控制系统概述计算机控制系统概述被控量控制器D/A执行机构被控对象测量变送A/D-+e偏差u控制量y给定值计算机生产过程 一、计算机控制系统原理图一、计算机控制系统原理图 从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下四个步骤：以下四个步骤： 1、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。 2、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为。 3、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。 4、信息管理：信息共享和管理。在线方式和离线方

7、式：在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式； 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做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 实时：实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 注意：注意：而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同。一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？一.不一定。在线采集的数据不一定在当

8、时就进行处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。计算机系统硬件软件主机外部设备过程输入输出通道人机联系设备通讯设备等系统软件应用软件支持软件四、工业控制机组成结构四、工业控制机组成结构 硬件组成硬件组成一、主机一、主机包括中央处理器（CPU)和内部存储器（ROM，RAM）。 这部分是计算机控制系统的核心。根据过程输入设备送来的实时反映生产过程工作状况的各种信息，以及预定的控制算法，自动地进行信息处理和运算，及时地选定相应的控制策略，并立即通过过程输出设备向生产过程发送控制命令。内部存储器中预先存入了实现信号输入、运算控制和命令输出的程序，这些程序反映了对生产过程进行控

9、制的控制规律。系统启动后，CPU从内部存储器中逐条取出指令并执行，从而达到预定的控制目的。二、外部设备二、外部设备外部设备输入设备：包括键盘，扫描仪等，用来输入程序、数据和操作命令等输出设备：打印机、绘图仪、显示器等，它们以字符、曲线、表格和图形等形式直观地来反映生产过程工况和控制信息外部存储器：包括磁带、磁盘等。这种设备兼有输入和输出两种功能，作为存放数据和程序，同时也可作为内部存储器的后备存储设备三、过程输入输出设备三、过程输入输出设备计算机与生产过程之间的信息传递是通过过程输入输出(Process Input Output PIO)设备进行的，它在两者之间起到纽带和桥梁的作用。过程输入设

10、备包括模拟量输入通道(A/D通道)和开关量输入通道(DI通道)，分别用来输入模拟量信号和开关量信号或者数字量信号。过程输出设备包括模拟量输出通道(D/A通道)和开关量输出通道(DO通道)，D/A通道是把数字信号转换成模拟信号后再输出，DO通道则直接输出开关量信号或数字量信号。四、人机联系设备四、人机联系设备操作员与计算机之间的信息交换是通过人机联系设备进行的。如：显示器、键盘、鼠标等等。作用：1.显示生产过程的状况； 2.供生产操作人员操作； 3.显示操作结果。五、通信设备五、通信设备现代化的工业生产过程的规模一般比较大，对生产过程的控制和管理也很复杂，往往需要几台或几十台计算机才能分级完成控

11、制和管理任务。这样，在不同地理位置、不同功能的计算机之间或设备之间就需要通信设备进行信息交换，构成计算机通信网络。 软件组成软件组成一、系统软件一、系统软件系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序二、支持软件二、支持软件包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言和编译、调试、诊断等程序，对于不同人群有不同要求。三、应用软件三、应用软件它的优劣直接影响着控制品质和管理水平。一般可以分为：过程输入程序、过程控制程序过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和各种公共的子程序等。1.2 过程计算机控制系统的类型过程计算机控制系统的类型根据应用特点、控制方案、控制目的和系统构成

12、，计算机控制系统大体可以分为如下类型：一、操作指导控制系统二、直接数字控制 (Direct Digital Control DDC)系统三、监督计算机控制(Supervisory Computer Control SCC)系统四、集散控制系统(Distributed Control Systems DCS)五、现场总线控制系统(Fieldbus Control Systems FCS)一、操作指导控制系统一、操作指导控制系统该系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且能够为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，供操作人员参考。优点：结构简单，控制灵活和安全 缺点：要由人

13、工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。该系统首先通过模拟输入通道(A/D)和开关量输入通道(DI)实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道(D/A)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中应用最普遍的一种方式。二、直接数字控制二、直接数字控制 (Direct Digital Control DDC)系统系统管理命令DDC微型机报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件D/A反多路开关生产过程三、监督计算机控制三、监督计算机控制(Supervisory Computer Control

14、SCC)系统。系统。 SCC系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。 （1）SCC+模拟调节器控制系统 （2）SCC+DDC控制系统 管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关.SCC+模拟调节器控制系统原理图模拟调节器控制系统原理图 SCC+DDC控制系统原理图控制系统原理图 管理计算机监控计算机CTR操作台高 速 数 据 通 道基本控制器数据采集器基本控制器DEP面板工 业 对 象小规模中规模大规模 四、集散控制系统四、集散控制系统(Distr

15、ibuted Control Systems DCS) 该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。把系统从上而下分为过程控制级、控制管理级、生产管理级。随着时代的发展，现场总线逐步成为各个控制系统所不可缺少的。因此，现场总线控制系统正慢慢的影响着整个控制界。五、现场总线控制系统五、现场总线控制系统(Fieldbus Control Systems FCS)80年代发展起来的DCS构模结构式为“操作站-控制站-现场仪表”三层结构。FCS结构模式为“工作站-现场总线智能仪表”二层结构。1.3 过程计算机控制的发展概况过程计算机控制的发展概况过程计算机控制系统的发展过程就

16、是计算机发展的过程。1946年第一台计算机的诞生，1959年第一台过程计算机控制系统在美国德克萨斯州的一个炼油厂开始应用。当时计算机的平均无故障时间(Mean Time Between Failures MTBF)仅为50-100小时。1962年计算机开始应用到DDC系统中，MTBF大约为1000小时。在整个60年代，计算机技术有了很大的发展，运算速度加快、体积变小、工作更可靠及价格更便宜。到了60年代后期，已出现专用于工业生产过程控制的小型计算机。 70年代，随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，于1972年生产出了微型计算机，使计算机控制技术进入到了一个崭新的阶段，从传统的集中控制系统革

17、新为集散控制系统(DCS)。如美国Honeywell公司的TDCS-2000,日本横河公司的CENTUM等。 80年代以后，随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小化、软件固化和控制智能化方向发展。计算机控制系统也向着专家系统、智能和管理一体化的方向发展。1.4 过程计算机控制的数学基础过程计算机控制的数学基础A/DD(s)D/AG(s)给定+-y(t)y*(t)y(nT)R(nT)计算机u(nT)u(t)对象采样器模拟信号离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号ty(t)0ty*(t)0T2T 3Tty(nT)018(10010) 23(10111) 19(1001

18、1) 3T2TT0tu(nT)15(01111) 24(11000) 20(10100) 3T2TTu(t)0t3T2TT 采样采样：以一定的时间间隔将模拟信以一定的时间间隔将模拟信 号抽样成离散模拟信号的过程。号抽样成离散模拟信号的过程。量化量化：用一组编码（二进制）去逼用一组编码（二进制）去逼 进离散模拟信号的幅值进离散模拟信号的幅值, 将其变成数字信号的过程。将其变成数字信号的过程。 当 T时，可以将实际采样开关近似地看作理想采样开关 式中，信号的变换)(nTt表示发生在t=nT时刻的理想采样脉冲0*)()()(nnTttyty因为已经假设为理想采样脉冲，因而y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(nT)有关，而与采样时刻以外的值无关。0*)()()(nnTtnTyty一、信号的采样选择采样周期T的理论依据是采样定理(Shannon 香农定理)即采样频率必须大于原信号频谱中最高频率的两倍，才能根据采样信号y*(t)唯一地复现原信号y(t)。或者max2smax/T二、信号的保持由于采样信号仅在采样时刻有输出值，其余的时刻输出均为零，所以，在两次采样的中间时刻，信号有一个如何保持的问题。根据采样定理采样频率必须大于原信号频谱中最高频率的两倍，才能根据采样信号y*(t)唯