第五章计算机控制系统

第5章计算机控制系统教学要求与学习目标：1掌握计算机控制系统的组成。2掌握A/D与D/A转换器的工作原理。3学会设计计算机控制系统教学内容:§5.1概述§5.2计算机控制系统的组成及分类§5.3A/D与D/A转换器§5.4直接数字控制系统§5.5计算机控制系统的设计与实现§5.6提高计算机控制系统可靠性的措施开始学习返回总目录序言

现代过程工业向着大型化和连续化方向发展，生产过程也日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对过程控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性、生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规的模拟调节仪表已无法满足现代化企业的控制要求，由此出现了计算机控制系统在过程工业中的应用。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，故在过程控制的各个领域里都得到了广泛的应用。序言计算机控制系统的设计是一项技术性和实践性都很强的综合性工作。它涉及到计算机硬件、软件、自动控制、检测技术及仪表、强电路和弱电路、被控对象的工艺、过程装备等多个专业领域的知识。所以计算机系统的设计过程往往需要多个专业的技术人才协调工作，才能完成。作为我们专业的人才，要对计算机控制系统的组成、特点、控制过程、计算机所采用的控制算法、系统的设计思路、以及如何克服干扰提高系统运行的可靠性等方面的知识有所掌握和了解。§5.1概述

一计算机控制系统与常规的模拟控制系统的异同

相同点：如图5-1（1）结构基本相同。（2）有关控制系统的基本概念和术语也相同。（3）有关调节原理和调节过程也是相同的，都是基于“检测偏差、纠正偏差”的控制原理。

不同点：在计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的；而在模拟控制系统中则信号是连续的。即计算机控制是离散的数字控制，模拟仪表是连续控制图1-2简单控制系统方块图被控变量干扰作用

y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信号操纵变量图5-1计算机直接数字控制系统的方块图被控变量干扰作用

y给定值计算机执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信号操纵变量D/AA/DAnalogue/DigitalDigital/Analogue二计算机控制系统的控制过程

分为下列三个步骤：●实时数据采样，测量被控量的当前值，通过A/D转化为断续的数字化信号。●实时判断，判断被控量当前值与给定值的偏差。●实时控制，根据偏差，作为控制决策。即按照预定的算法（如PID）对偏差进行运算，以及适时适量地向执行机构发出控制信号。图5-1计算机直接数字控制系统的方块图被控变量干扰作用

y给定值计算机执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信号操纵变量D/AA/D三计算机控制系统的优点。

●由于数据的采样处理、控制都是断续的，可以实现同时对多个对象，多个回路的控制。●实时数据采样、实时判断、实时控制实际上只有执行了算术、逻辑运算和输入输出的操作，所有这些操作都是由编制相应的计算机程序完成的，故对系统功能的扩充修改极为方便，只要修改程序即可，一般不必或很少做硬件连接的改动。●在模拟控制系统中很多由硬件难以完成的功能，如大时间常数的滤波、元件的非线性补偿、系统的误差补偿等因素，在计算机控制系统中均可以方便地由软件完成，既简化了硬件线路又提高了可靠性。§5.2计算机控制系统的组成及分类

一计算机控制系统的组成

工业对象工业控制计算机硬件（计算机主机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和操作控制台）软件（程序系统）下图给出了计算机控制系统基本组成的结构图。计算机控制系统图5-1计算机控制系统基本组成被控对象检测仪表常规控制阀过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机图5-1计算机控制系统基本组成

1硬件部分被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机（1）主机计算机主机是整个系统的核心装置，它由微处理器、内存贮器和系统总线等部分组成。图5-1计算机控制系统基本组成

被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机1硬件部分（1）主机(2）过程输入输出通道它是在微机和生产过程之间起信息传递和变换作用的装置。它包括：模拟量输入/输出通道(AI/AO）、开关量输入/输出通道（DI/DO）AIDIDOAO被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机图5-1计算机控制系统基本组成

1硬件部分（1）主机（2）过程输入输出通道（3）操作设备系统的操作设备是操作员与系统之间的信息交换工具如显示器、键盘、开关、指示灯等。图5-1计算机控制系统基本组成

被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机1硬件部分（1）主机（2）过程输入输出通道（3）

操作设备（4）常规外部设备它是指键盘终端、打印机、绘图仪、磁盘等计算机输入输出设备图5-1计算机控制系统基本组成

被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机1硬件部分（1）主机（2）过程输入输出通道（3）

操作设备（4）常规外部设备（5）通信设备规模较大的工业生产过程，其控制和管理常常非常复杂，需要几台或几十台微型计算机才能分级完成控制与管理任务。这样，系统中的微机之间就需要通信。因此，需要由通信设备与数据线将系统中的微机互联起来，构成控制与管理网络。图5-1计算机控制系统基本组成

被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机1硬件部分（1）主机（2）过程输入输出通道（3）

操作设备（4）常规外部设备（5）通信设备（6）系统支持功能计算机控制系统的系统支持功能主要包括以下几个部分。（6）系统支持功能计算机控制系统的系统支持功能主要包括以下几个部分。

▲监控定时器

“看门狗”主要作用是在系统因干扰或其他原因出现异常时，如出现“死循环”，使系统自动恢复正常工作运行，从而提高系统的可靠性。▲电源掉电检测如果系统在运行过程中出现电源掉电故障，应能及时发现并保护当时的汇总要数据和CPU寄存器的内容，以保证复电后系统能从断点处继续运行。▲保护重要数据的后备存贮体监控定时器和掉点保护功能均要有能保存重要数据的存贮器的支持。▲实时日历钟使系统具有时间驱动功能，如在指定时刻产生某种控制或自动记录某个事件发生的时间等。▲总线匹配总线母板上的信号线在高速时钟频率下运行时均为传输长线，很可能产生反射和干扰信号，一般采用滤波网络予以克服。图5-1计算机控制系统基本组成

2软件部分

被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机1硬件部分（1）主机（2）过程输入输出通道（3）

操作设备（4）常规外部设备（5）通信设备（6）系统支持功能图5-1计算机控制系统基本组成

计算机系统的软件包含系统软件和应用软件两部分。系统软件一般包括汇编语言，高级算法语言、过程控制语言以及它们的汇编、解释、编译程序，操作系统，数据库系统，通讯网络软件，调试程序，诊断程序等。应用软件是系统设计人员针对生产过程要求而编制的控制和管理程序。被控对象检测仪表常规控制过程输入通道报警显示设备过程输出通道计算机主机数据输入设备数据输出设备

外存取器外部设备外围设备操作控制台软件······工业计算机2软件部分二计算机控制系统的分类

数据采集和数据处理系统、直接数据控制系统DDC、监督控制系统SCC、分级计算机控制系统以及集散型控制系统DCS等。1数据采集和数据处理系统数据采集和数据处理系统的工作主要对大量的过程状态参数实现巡回检测、数据存贮记录、数据处理（计算、统计、整理）、进行实时数据分析以及数据越限报警等功能。

所谓数据采集就是由传感器把温度、压力、流量、位移等物理量转换来的模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，输入计算机中。2直接数字控制系统DDC（DirectDigitalControl）

直接数字控制系统DDC的构成方框图如图5-4所示：

优点：计算机不但完全代替了模拟调节器，实现了几十个甚至更多的单回路PID控制（一般大于50个回路时，比较经济）；而且还能比较容易地实现其他新型控制规律的控制，如串级控制、前馈控制、自动选择性控制、具有大纯滞后对象的控制等。缺点：要求工业控制计算机的可靠性很高，否则会直接影响生产的正常运行。3监督控制系统SCC（SupervisoryProcessComputerControl）

是指计算机根据生产过程的信息（测量值）和其他信息（给定值等），按照描述生产过程的数学模型，去自动改变模拟调节器或DDC工业控制机的给定值，从而使生产过程处于最优化的工况下进行。①SCC+模拟调节器的控制系统②SCC+DDC的控制系统①SCC+模拟调节器的控制系统

优点：是可以实现最优化控制，达到省料、高产、低消耗，而且较为安全。当计算机出现故障时，可以由模拟调节仪表独立完成操作。缺点：是仍需要常规模拟调节仪表。

②SCC+DDC的控制系统结构如图5-6

由于DDC计算机的给定值能及时不断得到修正，从而可以使生产过程接近最优化操作条件。4分级计算机控制系统

早期：计算机昂贵，一般采用一台计算机集中控制。

现在：计算机便宜，都是采用多台计算机进行分级控制与管理。

一般分为三级：

生产管理级MIS(ManageIndustrySystem)

监督控制级SCC（SupervisoryProcessComputerControl）

直接数字控制级DDC（DirectDigitalControl）

下面以四级计算机控制系统为例，说明各级计算机的功能。

下图所示的四级计算机控制系统，各级计算机的功能如下。

（1）装置控制级（DDC）：

它为直接数字控制级，对生产过程或单机进行直接数字控制或者巡回检测，使所控制的生产过程在最优工况下工作。

下图所示的四级计算机控制系统，各级计算机的功能如下。

（2）车间监督级（SCC）：

它根据厂级下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程信息，实现最优控制的计算，给下一级的DDC级确定给定值，以及给操作人员发出指示、报警等。还协调各工段的控制任务。下图所示的四级计算机控制系统，各级计算机的功能如下。

（3）厂级集中监督级（SCC）：

它根据企业下达的任务和本厂的情况，制定生产计划、安排本厂的工作、进行人员调配及各车间的协调，并及时将SCC级和DDC级的运行情况向上级反映。下图所示的四级计算机控制系统，各级计算机的功能如下。

（4）企业管理级MIS：

用来制定长期发展规划、生产计划、销售计划，发命令至各工厂，并接受各工厂、各部门发回来的信息、实现全企业的总调度。5集散型控制系统TDCS(TotalDistributedControlSystem)

(也叫分布式计算机控制系统）其组成原理框图如下所示。

它是以数台乃至数百台的微型计算机分散地分布在各个生产现场，作为现场控制站或者基本调节器实现对生产过程的检测与控制，代替了大量的常规模拟仪表。因此既能克服模拟仪表的功能单一性和局限性，又能避免计算机集中控制的危险性。这些控制站通过高速数据通道与监督计算机SCC通讯，通过CRT操作站实现对系统的监视和干预。这种结构比分级分层结构更灵活，扩充也更方便。集散型控制系统具有以下主要特点：（1）硬件组装积木化：可分为二级、三级、或四级的组装积木结构，可扩可缩。（2）软件模块化：按需选用，减少软件开发工作量。（3）组态控制系统：流程以填表的形式按需组态，（4）应用先进的通信网络：级与级之间由高速数据通道构成网络传输信息。（5）具有开放性：（6）可靠性高：

§5.3A/D与D/A转换器

前言对计算机控制系统的原理、组成和分类有了一些了解后，下面对计算机控制系统中两个重要的硬件A/D和D/A转换器的作用原理和接口作些介绍。图5-1计算机直接数字控制系统的方框图被控变量干扰作用

y给定值计算机执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ys－ym

umym偏差－控制信号操纵变量D/AA/D一A/D转换器（analogue/digital）

1作用：A/D转换器是一种能够在规定的精度和分辨率之内，把检测元件送来的模拟信号转换成与之成正比的数字信号的器件。以集成芯片的形式出现2类型：（1）双积分式A/D

双积分式A/D的原理是将输入的模拟量变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后由脉冲发生器和计数器来测量时间间隔以获得数字量。例如数字万用表以及便携式甲烷报警仪均采用双积分式A/D集成芯片。（2）计数器式A/D

这种电路的特点是电路比较简单，价格便宜，它的缺点是转换速度较慢，因此目前较少用。（3）逐次逼近式A/D

逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，转换精度从高到低，因此是应用最普遍的形式，在微机系统中用的最广。其芯片有8位、10位、12位、14位、16位、32位等（4）快速A/D

速度可达到ns级。

快速A/D有三种，即三次积分式快速A/D；全并行比较A/D；串并行比较A/D等。二D/A转换器（digital/analogue）

1作用

D/A转换器是一种把数字量转换为模拟量的器件。2D/A转换器的电路：有多种类型3D/A转换器的芯片早期：只有从数字量到模拟电流输出量转换的功能，使用时必须在电路中加数字输入锁存器、参考电压源、以及输出电压转换电路。典型芯片有：DAC0800系列、DAC1020系列、DAC1220系列。中期：在芯片内增加了一些与计算机接口相关的电路及引脚，有数字输入锁存功能电路，能与CPU数据总线直接相连。典型芯片有：DAC0330系列、DAC1208系列、DAC1230系列。近期：将一些外围器件集成到芯片内部。主要结构特征是：内部带有参考电压源；大多数芯片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性输出；由于带有参考电压源输出放大器，芯片的工作电源大多使用双极性电源。典型芯片有：AD558系列、DAC82系列、DAC811系列、DAC708系列。三A/D、D/A接口板介绍

1概述

现在的A/D、D/A转换器通过的接口板可非常方便地直接与计算机接口相连（任一总线扩展槽中）。

例如：北京中泰的PC1613型多功能卡及PS003端子板

功能：A/D：32/16CH（单端/双端模拟输入通道）、0~±5V输入、A/D转换速率100KHz，D/A：2CH、电压：0~5V、电流：0~10mA或4~20mAA/D转换触发工作方式采用软件触发方式，转换结果的传输方式有两种：①查询A/D完成位然后再读取数据，②A/D转换完成后发中断申请然后由中断服务程序读取数据。2工作原理

接口板的32路模拟电压信号通过输入输出插座分别接到32选一的模拟输入多路开关上，在软件控制下，选通某一输入通道，将该通道模拟输入信号送至采样保持器，然后再通过单稳电路启动A/D转换开始。当A/D转换完成时，板的转换完成位寄存器被设置为“1”。用软件查询方式查询D7位，当查询到这个状态位为“1”时，即可将12Bit数据读入计算机内存中。若使用中断方式，则在A/D转换完成后自动向计算机发出中断请求信号。在中断服务程序控制下，将12Bit数据读入计算机内存。四A/D选择原则

1采样频率采样频率是等间隔采样间隔时间T的倒数。一个数据信号处理系统，采样频率一般A/D转换器的参数而定。一般情况下，测试的对象如果是动态参数，则采样频率选择尽可能地高；测试的对象如果是静态参数，则采样频率选择可以低一点。在实际使用中，要具体问题具体分析。2分辨率分辨率是A/D转换器的重要参数，它的高低直接关系到A/D转换器的转换精度乃至整个测试系统的精度。3采样点数进行时域分析时，采样点数尽可能多一些，采样点数越多信号越容易复原。进行频域分析时，为了加速傅立叶变换（FFT）计算的方便，采样点数一般取2的幂数，如：32、64、128、256、512、1024等。有许多信号处理设备固定取为1024点。4触发方式选择触发信号是启动A/D开始采样的信号。触发方式选择即选择不同形式的触发信号。5性能价格比的要求A/D转换器必须考虑到性能价格比。一定要根据使用的场合、使用的环境等条件，只要能满足技术要求即可，而不要仅片面追求性能的高指标。五D/A选择原则

1D/A芯片的主要性能指标的考虑

D/A的主要性能指标有：在给定工作条件下的静态指标，包括各项精度指标、动态指标、环境指标等。用户在选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。2D/A芯片主要结构特性和应用特性的选择

D/A芯片这些特性虽然主要表现为芯片内部结构的配置状况，但这些配置状态对D/A转换接口电路的设计带来很大的影响。主要考虑的问题如下：①数字输入特性②数字输出特性③锁存特性及转换控制§5.4直接数字控制系统（DCC）

一DDC系统概述在DDC系统中，微型计算机直接参与了闭环控制过程。它的操作功能包括：从被控对象中获取各种信息，执行能够反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定的形式送到执行器和显示报警装置，实现操作人员-控制台-微型计算机系统之间的联系等。

1DDC系统的控制过程①由检测元件（一次仪表）对工艺参数进行检测；②由滤波器对检测信号进行滤波，克服现场线路带来的电、磁干扰。③由采样/保持器把信号按顺序周期地送给数据放大器；④由A/D转换器把模拟信号转换成数字信号送给计算机；⑤计算机按事先编好PID控制规律程序对检测到的信号进行运算；并把运算结果送给步进控制器（即电机式的D/A转换器）；⑥由步进控制器把数字信号转换成模拟信号后送给现场的执行器；注：采样器与步进器是同步的，DDC是利用计算机的分时处理能力对多个回路完成多种控制的一种计算机控制方式2DDC系统的控制过程与模拟调节过程的比较3DDC的功能

它的功能都可归结到各种各样的控制程序所组成的应用软件里：如直接控制程序、数据处理程序、控制模型程序、报警程序、操作指导程序、数据记录程序、人机联系程序等。如图5-12所示：DDC系统应用4DDC的使用场合●过程回路很多的大规模生产过程；●被控参数需要进行一些计算的生产过程；●各参数间相互关联的生产过程；●原料、产品和产量经常变更的生产过程；●具有较大滞后时间的工业对象。二DDC的基本算法——离散的PID算式

DDC系统所采用的控制规律与常规模拟仪表控制所采用的PID规律基本相同，但是由于计算机控制是断续的数字控制，而模拟表控制是连续控制，所以必须对连续控制的PID控制规律算式进行离散，使之适合计算机的数字控制。

1位置算式

模拟式控制器的PID算式：

离散的PID算式：（位置算式）

因为每个采样间隔由上式计算得到的值相应于控制阀的实际位置，所以称为位置算式。

位置算式的缺点：当偏差一时不能被消除时，s（k－1）的值会越来越大，引起积分饱和（即控制器的输出与阀的位置不再对应），所以在DDC系统中采用位置算式时，必须采取防积分饱和措施。2增量算式

四DDC的PID算法中参数的整定

在DDC中关于PID控制器的KP、TI、TD的工程整定与常规仪表基本相同：但在计算机控制系统中，可利用计算机的判断、运算功能、根据对象的要求对KP、TI、TD参数加以适当的改变，以提高控制质量。比如，采用下面几种形式就能实现此要求。1对某些控制回路根据负荷不同采用几组不同的KP、TI、TD参数，以改善控制质量。2时序控制，按照一定的时间顺序采用不同的给定值和KP、TI、TD参数。3人工模型，模拟现场操作工人的方法，把操作经验编成程序，然后由机器来自动改变给定值或KP、TI、TD参数。五采样周期的选择

在推导数字PID控制算法时，要求采样周期T充分小。采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果就越接近连续控制。但采样周期的选择是受到多方面因素影响的。

1从对控制质量的要求来看，应将采样周期取得小一些。

2从被控对象的动态特性来看，如果对象的反应速度快，要选择较短的采样周期；如果对象的反应速度慢，则可以选用较长的采样周期。

3在工业过程控制中，大量被控对象都具有低通特性。如图5-22(1)单容过程T≤0.1Tg；（2）振荡过程T≤0.1Te；（3）滞后过程T≤0.25τ

4从执行机构的要求来看，要求计算机输出的控制信号应保持一定的时间宽度。

5从抗干扰的要求来看，希望采样周期短些。对于变化速度不太快的干扰，采用短的采样周期可以使控制器尽快作出反应，使之迅速得到校正并使其产生的动态偏差较小；对于变化较快的干扰，如果采样周期选大了，干扰就有可能得不到及时的控制和抑制。6从计算机的工作量和每个控制回路的成本来看，一般要求采样周期尽