全套课件·计算机控制技术

1、计算机控制技术第1章 概述二五四1.1 计算机控制系统概论1.2 微型计算机控制系统的组成及特点1.3 微型机控制系统的分类1.1 计算机控制系统概论 自动控制技术在许多领域里获得了广泛的应用，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。如果计算机是微型计算机，就是微型计算机控制系统。一、计算机控制系统的概念1、自动控制系统的基本结构 计算机控制系统由控制计算机和受控对象两大部分组成。一般来说，自动控制系统随着控制对象、控制规律、执行机构的不同而具有不同的特点，可归纳为图1-1所示的两种基本结构。 (a)闭环控制系统框图 (b)开环控制系统框图图 1-1 控制系

2、统的一般形式2、计算机控制系统的组成图1-2 计算机控制系统结构图3、计算机控制系统的控制过程(1)实时数据采集 (2)实时控制决策 (3)实时控制输出 (4)信息管理4、几个术语(1)实时：指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制。(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，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式。二、计算机控制系统的发展概况1、计算机控制技术的发展 (1)开创

3、阶段(19521965年) (2)小型计算机时期(19651972年) (3)微型计算机时期(1972至今)2、计算机控制理论的发展过程(1)采样定理 (2)差分方程(3)z变换法 (4)状态空间理论(5)最优控制与随机控制 (6)代数系统理论(7)系统辨识与自适应控制三、计算机控制系统的发展趋势 普及应用可编程序控制器 采用集散控制系统 研究和发展智能控制系统 1.2 微型计算机控制系统的组成及特点一、微型计算机控制系统的硬件组成图1-3 微机控制系统组成框图 二、系统的软件组成 1.系统软件(1)操作系统(2)诊断系统 (3)开发系统 (4)信息处理2.应用软件(1)过程监视程序 (2)过

4、程控制计算程序 (3)公共服务程序 三、微型机控制系统的特点1.计算机控制可以同时实现模拟变送器、控制器、指示器、手操作器以及记录仪等多种模拟仪表的功能，并且便于监视和操作。2.计算机控制利用计算机快速运算能力。3.计算机控制利用计算机强大的信息处理能力，4.计算机控制系统调试、整定灵活方便。5.利用网络分布结构可以构成计算机控制、管理集成系统，即DCS。6.计算机控制系统中同时存在连续型和离散型两类信号。1.3 微型机控制系统的分类 计算机控制系统大致可分为以下几种典型的型式：操作指导、直接数字控制、顺序控制、监督控制以及分布式控制系统等功能。如果计算机控制系统按照其功能或工作任务分类，可以

5、分为以下几种类型。一、操作指导控制系统图1-4 操作指导控制系统原理框图 二、直接数字控制系统(DDC系统) 图1-5 DDC系统原理框图图1-5 DDC系统原理框图三、计算机顺序控制系统四、计算机监督控制系统(SCC系统)图1-6 SCC系统原理框图 五、分布式控制系统(DCS系统)图1-7 分布式控制系统原理框图第2章 输入输出过程通道二五四2.1 数字量过程通道2.2 模拟量输入通道2.3 模拟量输出通道2.1 数字量过程通道 在计算机控制系统中，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将其转换成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出至被控对

6、象。因此，在计算机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通道。一、数字量输入通道图2-1 开关量输入通道的典型结构示意图二、数字量输出通道图2-2 典型的数字量输出通道结构示意图2.2 模拟量输入通道图2-3 模拟量输入通道的组成结构示意图 模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。2.3 模拟量输出通道 模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是将CPU输出的数字信号转换成模拟信号去驱动相应的执行机构，以达到控制的目的。1、模拟量输出通道的组成 图2-4 DAC0832的内部结构2、模拟量输出通道的设

7、计 (1)每个通道设置一个独立的D/A转换器(2)多通道复用一个D/A转换器计算机控制技术第3章 计算机控制系统的 控制算法二五四3.1 数字控制器的模拟化设计方法3.2 数字PID控制算法3.3 数字PID调节器参数的整定3.4 数字控制器的直接设计方法3.5 施密斯(Smith)预估控制3.6 大林算法3.1 数字控制器的模拟化设计方法 计算机控制属于离散控制，可采用直接设计系统控制器的方法。当采样周期相对于对象的时间常数来说足够短，离散控制与模拟控制的性能接近时，系统控制器亦可采用模拟控制器数字化的方法来设计，也就是将描述系统调节规律的微分方程近似为差分方程，导出控制算法，用计算机实现。

8、 一、模拟化设计方法图3-1 计算机控制系统的典型结构图二、模拟化设计步骤第一步：用连续系统理论设计；第二步：选择采样周期T；第三步：用合适的离散化方法求出；第四步：将变为差分方程或状态空间方程；第五步：编写计算机程序。3.2 数字PID控制算法 PID控制器出现在20世纪30年代，其主要是根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制的控制规律，简称PID控制。PID控制具有原理简单，易于实现，参数调整方便，结构改变灵活，适用性强，鲁棒性强等优点。一、基本PID算法1.比例控制器（P）比例控制器的控制规律为 比例调节器对于偏差是即时反应，根据误差进行调节，使系统沿着减小误差的方向运动。

9、误差大则控制作用也大。比例调节器一般不能消除稳态误差。 2.比例积分(PI)控制器 消除静差的有效的方法是在比例控制的基础上加积分控制，构成比例积分控制。比例积分控制器的控制规律为： 积分调节的引入，可以消除或减少控制系统的稳态误差。但是积分的引入，有可能使系统的响应变慢，并有可能使系统不稳定。 3.比例积分微分(PID)控制器 微分的作用是在误差刚出现且误差值尚不大时，根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用，使误差尽快消除。比例积分微分控制器的控制规律为： 微分作用的增加有助于加速系统的动态响应，使系统超调减少，系统趋于稳定。但微分作用有可能放大系统的噪声，减低系统的抗干扰能力。 二、数

10、字PID算法 1.PID算法的离散化 3.位置式PID和增量式PID的功能比较(1)位置式需要由机器外部引入执行机构的初始位置，而增量式是不需要的。(2)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，使工艺生产在计算机故障时不受大的干扰，而位置式本身不具备这种功能。(3)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，容易产生较大的累积计算误差；而增量型算式中由于消去了积分项，容易取得较好的控制效果。(4)为实现手动自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度，若采用增量式，其输出对应于阀门位置的变化部分，易于实现从手动到自动的无扰动切换。

11、三、数字PID改进算法 1.不完全微分PID算法 由于理想的微分对高频噪声有很大的放大作用，容易引起控制过程振荡，降低调节品质，因此考虑对理想的微分环节进行改进，在数字控制器中串接入低通滤波器来抑制高频干扰， 不完全微分PID调节器框图如上图所示。2.积分分离PID算法 积分分离算法的思想是在较大时，取消积分作用；而在较小时将积分作用投入。3.防积分饱和PID算法(1)给定值变化限制。 (2)积分停止算法。(3)增量式算法。(4)反向计算。4.微分先行PID算法图3-2 微分先行PID控制框图 5.消除积分不灵敏区的PID控制图1-5 DDC系统原理框图 为了消除这种积分不灵敏区，除增加A/D

12、转换器位数，以加长字长，提高运算精度外，还可以将小于输出精度的积分项累加起来，而不将其丢掉，直到累加值大于，才输出累加和。 6.带死区的PID算法 在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时采用带有死区的PID控制系统。带死区的PID控制，就是在标准数字PID调节器前面增加一个非线性环节。3.3 数字PID调节器参数的整定 数字PID调节器参数的整定，需要确定，及系统的采样周期T。控制效果的好坏，在很大程度上取决于参数的选择是否恰当。 一、PID参数对系统控制性能的影响1.比例控制对控制性能的影响2.积分控制对控制性能的影响3.微分控制对控制性能

13、的影响4.控制规律的选择5.采样周期的选择二、扩充临界比例度法整定PID参数1.选择一个足够短的采样周期T ；2.逐渐加大比例系数，使控制系统出现临界振荡；3.选择控制度；4.根据控制度，查表；5.按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。三、扩充响应曲线法整定PID参数1.断开数字调节器，让系统处于手动操作状态；2.用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线；3.在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间、被控对象的时间常数，查表。四、试凑法整定PID参数1.首先只整定比例部分；2.如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积

14、分环节；3.若使用比例积分控制消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。3.4 数字控制器的直接设计方法 数字控制器的连续化设计技术，是立足于连续控制系统控制器的设计，但是连续化设计技术要求相当短的采样周期，因此只能实现较简单的控制算法。由于控制任务的需要，必须根据控制系统的性能要求，应用离散控制理论，直接设计数字控制系统，这种控制器的设计方法称为数字控制器的直接设计方法。一、数字控制器的直接法设计步骤(1)根据对控制系统性能指标的要求和其他的约束条件，确定闭环系统脉冲函数；(2) 确定数字控制器；(3)编程实现。 二、最少拍数字控制器的设计 所谓最

15、少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态。3.5 施密斯(Smith)预估控制 在工业生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间。对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利。但对象的纯滞后时间与对象的时间常数之比大于0.5时，采用常规的比例积分微分控制来克服大出滞后是很难适应的，而且还会使控制过程严重超调，稳定性变差。为了满足含有纯滞后对象的系统的控制，提出了施密斯预估算法。3.6 大林算法 大林算法适用于被控对象是带有纯滞后的一阶或二阶惯性环节，带有纯滞后的一阶或惯性环节为： 带有纯滞后的二阶或惯性环节为：第4章 控制系统应用程序设计二五四4.1

16、应用程序设计的基本原则与方法4.2 数据结构及其应用4.3 测量数据预处理技术 任何一个计算机控制系统，都包括一个相应的软件支持系统。如何来组织这个软件支持系统，是一个复杂的问题。为把软件系统组织和设计好，就需要掌握程序结构、数据结构、软件的组织方法等方面的内容。4.1应用程序设计的基本原则与方法 控制系统中控制任务的实现最终是靠程序的执行来完成的。应用程序设计得如何，将决定整个控制系统的效率和它的优劣。 一、应用程序设计的目标及原则1.设计目标(1)可靠性(2)可修改性(3)可理解性(4)可测试性(5)效率2.软件设计原则(1)模块结构性原则(2)抽象性原则(3)局部性原则(4)信息隐藏原则

17、三、应用程序设计的方法1.模块化程序设计2.结构化程序设计 3.应用软件的设计4.工业控制组态软件4.2 数据结构及其应用 在计算机控制系统中，除了数值计算和数据的输入输出外，还常遇到非数值运算。为了设计高质量的程序，设计者不但要掌握编程技术，还要研究程序所加工的对象，即研究数据的格式、特性、数据元素间的相互关系。下面介绍常用的数据结构基本知识，包括线性表、数组、堆栈、队列、链表和树，以及数据查找和数据排序方法。一、基本术语数据(data)是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合。数据元素(data element)是一个数据整体中相对独立的基本单位，即

18、数据这个集合中的一个个体(客体)。数据对象(data object)是具有相同特性的数据元素的集合，是数据的一个子集。数据结构(data structure)简单说来是指数据以及数据之间的联系，是带有结构的数据元素的集合。被计算机加工的数据元素都不是孤立的，在它们之间存在着某种联系。二、数据结构类型1.顺序结构 2.链形结构3.树形结构三、数据查找技术1.顺序查找 2.折半查找3.分块查找 4.直接查找四、数据排序技术1.插入排序2.希尔排序3.选择排序4.快速排序4.3 测量数据预处理技术 在计算机控制系统中，经常需对生产过程的各种信号进行测量。测量时，一般先用传感器把生产过程的信号转换成电

19、信号，然后用A/D转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本的为线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准。一、系统误差的自动校准 系统误差是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值（包括大小符号）保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。这种误差的特点是，在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。 二、标度变换 控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往还要转换成操作人员所熟悉的工程值。这是因为生产现场的各种工艺参数量纲不同。这种转换称为工程量转换，也称为标度变换。标度变换有各种不同类型，它取决于被测参数

20、测量传感器的类型，设计时应根据实际情况选择适当的标度变换方法。三、线性化处理 在许多控制系统及智能化仪器中，一些参量往往是非线性参量，常常不便计算和处理，有时甚至很难找出明显的数学表达式，需要根据实际检测值或采用一些特殊的方法来确定其与自变量之间的函数关系式；在某些时候，即使有较明显的解析表达式，但计算起来也相当麻烦。而在实际测量和控制系统中，都允许有一定范围的误差。 四、越限报警处理图1-5 DDC系统原理框图 为了实现安全生产，都要设置紧急状态报警系统，越限报警处理就是其中的一种。1.上限报警若XnXmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。2.下限报警若XnXmin，则下限报警，否则继续

21、执行原定操作。3.上下限报警若XnXmax，则上限报警，否则对下式作判别：XnXmin否？若是，则下限报警，否则继续原定操作。 第5章 控制系统的抗干扰技术二五四5.1 干扰的来源和分类5.2 硬件抗干扰技术5.3 软件抗干扰技术5.4 接地技术5.5 电源系统的抗干扰技术5.6 “看门狗”技术5.1 干扰的来源和分类 所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。干扰源、传播途径及干扰对象构成了干扰系统的三个要素。分析干扰传播途径，针对不同类型的干扰采取相应抗干扰措施，是提高计算机控制系统可靠性的重要手段。一、干扰的来源1.空间感应的干扰2.过程通道的干扰3.电源系

22、统的干扰4.地电位波动的干扰5.反射波的干扰二、干扰信号的耦合方式1.直接耦合方式2.公共阻抗耦合方式3.电容耦合方式4.电磁感应耦合方式5.辐射耦合方式6.漏电耦合方式3、干扰的作用形式1.共模干扰 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰。2.串模干扰 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。3.长线传输干扰 在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。5.2 硬件抗干扰技术 干扰是客观存在的，研究干扰的目的是抑制干扰进入计算机。因此，在进行系统设计时，必须采取

23、各种抗干扰措施，否则，系统不可能正常工作。应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效方法，通过合理的硬件电路设计可以削弱或抑制大部分干扰。 一、共模干扰的抑制 共模干扰产生的原因主要是不同的地方之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制方法主要有四种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽和具有高共模抑制比的放大器作为输入放大器。二、串模干扰的抑制 串模干扰信号和有效信号是相串联的，叠加在一起作为输入信号，因此，对串模干扰的抑制较为困难。抑制串模干扰主要从干扰信号与工作信号的不同特性入手，针对不同情况采取相应的措施。三、长线传输干扰的抑制 计算机控制系统是一个庞大系统。从生产现场到计算

24、机的连线，又从计算机到生产现场的连线，往往长达几十米，甚至数百米。连线的“长”是相对的，在计算机控制系统中，由于数字信号的频率很高，很多情况下传输线要按长线对待。 5.3 软件抗干扰技术 进入计算机控制系统的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，除了采取硬件抗干扰技术以外，还要采取软件抗干扰措施。软件抗干扰问题越来越引起人们的普遍重视。一、软件出错对系统的危害及抗干扰对策1.干扰对系统软件的危害(1)数据采集不可靠(2)控制失灵(3)数据出错(4)程序运行失常2.提高计算机控制系统软件可靠性的措施(1)分散结构设计(2)

25、容错技术(3)标准化 3.软件抗干扰技术图1-5 DDC系统原理框图(1)提高数据采集可靠性的软件对策(2)控制失灵的软件对策(3)保护 RAM 中数据的软件对策(4)程序运行失常的软件对策二、数字滤波 所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。三、输入/输出软件抗干扰措施 1.开关量(数字量)信号输入抗干扰措施在开关量的输入中，由于操作或外界等干扰，会引起状态变化，造成误判。2.开关量(数字量)信号输出抗干扰措施由于干扰，可能使计算机输出的正确数字信号，在输出设备中得到错误的信号。四、软件冗余技术1.数据冗余2.信息冗余3.指令冗余五、程

26、序运行失常的软件抗干扰 为了防止“死机”，一旦发现程序运行失常后能及时引导程序恢复原始状态，必须采取一些相应的软件抗干扰措施5.4 接地技术 接地技术对计算机控制系统是极为重要的，接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法，接地的含义可理解为一个等电位点或等电位面，它是电路系统的基准电位，但不一定为大地电位。 一、微机控制系统中的地线1.交流地 2.直流地3.模拟地 4.数字地5.安全地 6.信号地7.系统地二、常用的接地方法1.一点接地和多点接地2.模拟地和数字地的连接3.各地回流法单点接地4.输入输出的接地5.印刷电路板的底线技术6.主机外壳接地7.多机系统的接地5.5 电源系统的抗干扰技术 计算

27、机控制系统中的各个单元都需要直流电源供电，一般是由市电电网的交流电经过变压、整流、滤波、稳压后向系统提供直流电源。由于变压器的初级绕组接在市电电网上，电网上的各种干扰便会引入系统，影响到系统的稳定性和可靠性。另外，计算机的供电不允许中断，因此，必须采取电源保护措施，防止电源干扰，保证不间断供电。一、抗干扰稳压电源的设计1.隔离变压器2.低通滤波器3.交流稳压器4.电源变压器5.直流稳压系统二、电源系统的异常保护1.不间断电源UPS 在正常情况下，由交流电网向微机系统供电，并同时给UPS的电池组充电。一旦交流电网出现断电，则不间断电源UPS自动切换到逆变器供电，逆变器将电池组的直流电压逆变成为与

28、工频电网同频的交流电压，此电压送给直流稳压器后继续保持对系统的供电。2.连续备用供电系统 连续备用供电系统是由柴油发电机供电，在两种供电系统转换期间，由电池完成平稳过渡，以避免电源更换对系统的冲击三、微机系统的掉电保护 对于允许暂时停运的微机系统，希望在电源掉电的瞬间，系统能自动保护RAM中的有用信息和系统的运行状态，以便当电源恢复时，能自动从掉电前的工作状态恢复。掉电保护工作包括电源监控和RAM的掉电保护两个任务。 1.电源监控电路；2.掉电保护5.6 “看门狗”技术 看门狗，又叫 Watchdog timer，是一个定时器电路，是工控机普遍采用的抗干扰和可靠性措施，Watchdog电路是自

29、行监测系统运行的重要保证。一、Watchdog的工作原理二、使用Watchdog的若干问题1.定时间隔和访问时间的选择2.修复质量和程序设计3.修复质量与输出刷新4. Watchdog的失效5. Watchdog的适用范围第6章 集散控制系统二五四6.1 集散控制系统概述6.2 集散控制系统的组成6.3 集散控制系统的数据通信概要6.4 DCS在火电厂中的应用6.1 集散控制系统概述 集散控制系统DCS( Distributed Control System)也称分布式计算机控制系统或分散计算机控制系统，是一种综合了控制（Control）、计算机（Computer）、通信（Communicat

30、ion）、终端显示（CRT）或人机界面会话（Conversation）技术即4C 技术而发展起来的新型控制系统。一 集散控制系统的发展1、第一代产品主要由过程控制单元PCU（Process Control Unit）、数据采集装置 DAU（ Data Acquisition Unit）、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路（HWHighway）五部分组成。这个时期的主要技术特点是实现了分散控制，从而使危险分散；引入了网络通信技术，实现了集中管理，分散控制。 2、第二代集散控制系统的主要特点一个是系统的功能扩大或者增强，例如，控制算法的扩充，常规控制与逻辑控制、批量控制相结合；过程操作管理范围

31、扩大，功能增强等。另一个是数据通信系统的发展，从主从式的星形网络通信改变为对等式的总线网络通信或环网通信。3、第三代 DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统和以开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议MAP（Manufacture Automation Protocol）标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克服了自动化孤岛问题。开放系统是第三代集散控制系统的主要特征。 二 DCS的特点1、系统具有极高的可靠性2、软件模块化3、控制系统用组态方法生成 4、通信网络的应用6.2 集散控制系统的组成图6-1 DCS的体系结构一 D

32、CS的分散过程控制级1、DCS的分散过程控制级，直接与生产过程现场的传感器(热电偶、热电阻)、变送器(温度、压力、液位、流量变送器等)、执行机构(调节阀、电磁阀等)、电气开关(触点输入输出)相连接，完成生产过程控制，并能与集中操作监控级进行数据通信，接收显示操作站下传加载的参数和作业命令，以及将现场工作情况信息整理后向显示操作站报告。2、分散过程控制级有许多类型的测控装置，但最常用的类型有三种，即现场控制站、可编程序控制器(PLC)、智能调节器。二 DCS的集中操作监控级 DCS 的集中操作监控级主要是显示操作站，它完成显示、操作、记录、报警等功能。它把过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控

33、制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的显示操作功能。三 DCS的综合信息管理级 综合信息管理级在DCS中用来实现整个企业（或工厂）的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统(Management Information System，简称MIS)，MIS是借助于自动化数据处理手段进行管理的系统。MIS由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成。6.3 集散控制系统的数据通信概要 一 网络拓扑结构 1、星形网络结构 星形结

34、构的中心节点是主节点，它接受各分散点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。这种结构的优点是线路可用性强、效率高，便于程序集中研制和资源共享，但是交换控制中心同时也是最大的危险集中点，控制中心一旦出现问题，就可能使整个通信停顿。2、总线型网络结构 总线型结构中各节点经其接口，通过一条或几条通信线路与公共总线连接。所有站点经网络适配器直接挂在总线上。任何一个通信站发出的信号都沿传输介质向两个方向传播，类同于广播电台发射的电磁波向四周扩散一样，而且能被所有其他站接收。总线型网络结构的灵活性较好，可连接多种不同传输速度、不同数据类型的设备，可以方便地增加新站或撤除故障站，而不影响网络的正

35、常工作。3、树形网络结构 树形是总线型的复合形式，形状像一棵倒置的树，根上有分支延伸，每个分支还可以再延伸出子分支，适合于分级管理和控制系统。当站点发送信号时，根接收该信号，然后再重新广播发送到全网。它具有与总线型相同的优缺点，此外，它易于扩展和隔离故障，但对根的依赖性太大，若根发生故障，则全网不能正常工作。 4、环形网络结构 环形网络中，各节点通过环接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中。同一时间内，网上所有节点都可以发出信息或接收信息。这种链路是单向的，即只能在一个方向上传输数据，一个信息从源节点出发，必单方向地相继通过其他各节点。这样，数据就在一个方向上沿着环进行循环。环上某站发生故障

36、时，可能会影响网络的通信。为了提高可靠性，常采用双向双环冗余结构。 图6-2网络拓扑结构a：星形网络结构 b：总线型网络结构c：树形网络结构 d：环形网络结构 二 访问控制方式1、冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD) 主要用于总线形和树形网络结构。该控制方式的工作原理是：当某一节点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其他节点正发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中已有某节点发送信息(信道被占用)，该节点就需等待一段时间，再侦听，直至信道空闲，开始发送。载波侦听多路访问是指多个节点共同使用同一条线路，任何节点发送信息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输。 2、令牌环(Token Ri

37、ng) 仅适用于环形网络结构。 令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得令牌的节点才能发送信息，发送完后，令牌又传给相邻的另一节点。在一个节点占令牌期间；其他节点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周，并由发送节点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一节点要发送信息时，则下一节点便得到这一令牌，并可发送信息。 3、令牌总线(Token Passing Bus) 主要用于总线形式或树形网络结构中。受令牌环的影响，它把总线或树形传输介质上的各个节点形成一个逻辑环，即人为地给各节点规定一个顺序。逻辑环中的控制方式类同于令牌环。不同的是令牌总线中，信息可以双向传送、任何节点都能“听到

38、”其他节点发出的信息。由于只有获得令牌的节点才可发送信息(此时其他节点只收不发)，因此该方式不要检测冲突就可以避免冲突。 三 工业网络的性能评价和选型 1、工业网络的性能评价 2、工业网络的选型6.4 DCS在火电厂中的应用一 DCS信号流程 根据安装位置的不同，过程控制仪表可以分为现场仪表、架装仪表与盘装仪表。对应用于过程控制的DCS来说，现场变送器与执行器为现场仪表，过程控制装置可以认为是架装仪表，人机接口装置则为盘装仪表。在应用DCS进行控制系统设计时，首先必须弄清DCS中各种信号的来龙去脉，并对信号的产生、转换、运算、输出原理有足够的理解。 二、 DCS应用过程图1-5 DDC系统原理

39、框图 DCS的应用过程包括选型、设计、组态、调试与维护等多个阶段。第7章 总线技术二五四7.1 总线概述7.2 现场总线7.3 现场总线的原理和发展概况7.4 几种典型的现场总线7.5 典型控制网络体系结构7.1 总线概述一 总线的产生与发展 总线的定义： 总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。二 总线的分类1、根据总线不同的结构和用途分为： (1)专用总线 我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。 (2)非专用总线 非专用总线可以被多种功能或多个部件所

40、共享，所以也称之为共享总线。2、根据总线的用途和应用环境分(1)局部总线 局部总线又称为芯片总线。它是微处理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路，通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。图 7-1 局部总线(2)系统总线 系统总线又称内总线和板线总线，即微型计算机总线，用于各单片机微处理机之间、模块之间的通信，可用于STD总线、VME总线、PC总线等。图 7-2 系统总线(3)外总线 外总线又称为通信总线，用于微处理机与其他智能仪器仪表间的通信。外总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上。图 7-3 外总线3、根据总线传送信号的形式分(1)并行总线 如果用若干根信号线同时传递信号，就构

41、成了并行总线，并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。(2)串行总线 串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。7.2 现场总线一 现场总线简介 1、现场总线 现场总线是应用在生产现场，在微型计算机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 2、以现场总线为纽带的网络集成式分布控制系统 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统FCS (Fieldbus Control System)。这是继基地式气动仪

42、表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统 DCS 后的新一代控制系统。 图7-4各阶段测控仪表能力指数示意图 3、现场总线是底层控制网络 底层控制网络与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互联为网，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。二 现场总线的种类 (1)全功能数字网络 (2)传感器网络 (3)数字信号串行线三 现场总线的未来 (1)能否出现全世界统一的现场总线标准(2)现场总线能否全面取代现时风靡世界的 DCS系统 7.3 现场

43、总线的原理和发展概况一 现场总线的实质 1、现场总线的定义(1) ISA SP50中对现场总线的定义 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即场地级设备)之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。(2)国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的本质含义表现在以下6个方面： 现场通信网络 现场设备互联 互操作性 分散功能块 通信线供电 开放式互联网络 各厂家制定产品协议的依据是国际标准组织（ISO）的开放系统互联（OSI）协议。

44、OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，各厂家在实际制定自己的通信协议时，并非都在产品中实现了这7层协议，而往往依据侧重点的不同，仅仅实现该7层的子集。 2、现场总线的协议 从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：一是现场设备；二是形成系统的传输介质。 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型及混合型等。 3、系统组成二 现场总线的结构现场总线结构模型现统一为层，分别是：1、物理层2、数据链路层3、应用层4、用户层三 现场总线的发展概况1、现场总线是综合自动化的发展需要2、智能仪表为现场总线的出现奠定了基础 3、现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向 发展四 现场总

45、线的特点 (1)系统的开放性 (2)互可操作性与互用性 (3)系统结构的高度分散性 (4)对现场环境的适应性 (5)一对结构(6)可控状态 (7)互换性 (8)综合功能 (9)统一组态7.4 几种典型的现场总线1、控制层现场总线Control Net 2、设备层现场总线 Device Net 3、Profibus现场总线4、FF总线5、LonWorks控制网络和Lon总线6、CAN总线7、Modbus 协议7.5 典型控制网络体系结构 经过发展，工业控制网络简化为以下几个基本层次： (1)信息层 (2)控制层 (3)设备层图7-5 典型的3层网络结构第8章 计算机控制系统设计与实现二五四8.1

46、 系统设计的原则与步骤8.2 系统的工程设计与实现8.3 啤酒发酵过程计算机控制系统设计8.1 系统设计的原则与步骤一 系统设计的原则 1、安全可靠 2、操作维护方便 3、实时性强 4、通用性 5、经济效益高二 系统设计的步骤 系统工程项目的研制可分为四个阶段： 工程项目与控制任务的确定阶段 工程项目的设计阶段 离线仿真和调试阶段 在线调试和运行阶段1、工程项目与控制任务的确定阶段图8-1 确定控制任务的流程2、工程项目的设计阶段图8-2 工程项目的设计阶段流程3、离线仿真调试阶段及在线调试运行阶段 图8-3 离线仿真调试及在线调试运行流程8.2 系统的工程设计与实现一 系统总体方案设计 1、

47、硬件总体方案设计 (1)确定系统的控制策略 (2)确定系统的类型 (3)确定系统的构成方式 (4)现场设备选择 (5)其他方面的考虑2、软件总体方案设计 依据合同书(或协议书)的技术要求和已做过的初步方案，进行软件的总体设计。软件总体设计和硬件总体设计一样，也是采用结构化的“黑箱”设计法。先画出较高一级的方框图，然后再将大的方框分解成小的方框，直到能表达清楚为止。3、软件总体方案设计(1)系统的主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明(2)控制策略和控制算法(3)系统的硬件结构及配置，主要的软件功能、结构及框图。(4)方案比较和选择。(5)保证性能指标要求的技术措施。(6)抗干扰和可靠性设计

48、。(7)机柜或机箱的结构设计。(8)经费和进度计划的安排。二 硬件的工程设计与实现1、选择系统的总线和主机机型2、选择输入输出通道模板3、选择变送器和执行机构4、控制操作面板设计三 软件的工程设计与实现 1、控制系统对应用软件的要求 2、数据类型和数据结构规划 3、资源分配 4、实时控制软件设计四 系统的调试与运行 1、离线仿真和调试 (1)硬件调试 (2)软件调试图8-4 开环特性调试原理框图 图8-5 PID控制模块的闭环调试框图2、在线调试和运行 现场安装及在线调试前先要进行硬件检查，经过检查并已安装正确后，可进行系统的投运和参数的整定。8.3 啤酒发酵过程计算机控制系统设计一 啤酒发酵

49、工艺及控制要求 啤酒发酵工艺简介图8-6 发酵过程温度工艺曲线示意图二 系统总体方案的设计 1、发酵罐测控点的分布及管线结构 图8-7 检测点与控制点的分布图 2、检测装置和执行机构3、控制规律 为适应温度给定值为折线的情况，在恒温段采用增量型PI控制算法，在升温、降温段采用PID 控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点，在控制软件设计中提供了施密斯（Smith）预估控制算法。4、控制系统主机及过程通道模板5、控制系统的软件 三 系统硬件和软件的设计1、系统硬件的设计图8-8 啤酒发酵过程计算机控制系统硬件框图 2、系统软件的设计(1)数据采集程序(2)数字滤波程序(3)标度变换程序 温

50、度的标度变换 压力的标度变换 液位的标度变换(4)给定工艺曲线的实时插补计算(5)控制算法(6)其他应用程序四 系统的安装调试运行及控制效果 调试工作主要是对变送器进行满度和零点校准，A/D板和D/A板满度和零点校准；另外就是利用试凑法确定PID控制器的控制参数。系统经过安装调试后，投入运行，并满足系统的控制要求。第9章 控制系统组态软件WinCC二五四9.1 WinCC简介9.2 WinCC项目9.3 变量管理9.4 画面组态9.5 故障处理9.5 系统的安全性 1、多数组态软件提供多种数据采集驱动程序，用户可进行配置。 2、脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。 3、可扩展性为用户提供了在

51、不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的能力。4、组态软件应用具有高度的开放性。 5、与MES和EPR系统紧密集成。6、现代企业的生产已趋向国际化、分布式的生产方式 。 组态软件的发展方向9.1 WinCC简介一 性能特点1、创新软件的使用。 2、包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统。 3、可灵活剪裁，由简单任务扩展到复杂任务。 4、众多的选件和附加件扩展了基本功能。5、使用Microsoft SQL Server 2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可使用ODBC、DAO、ADO等方便的访问归档数据。6、强大的标准接口（如OLE ActiveX、OPC）。7、 WinCC可编写ANSI-S、visual Basic脚本程序。8、开放API编程接口可以访问WinCC的模块。 9