计算机控制技术总结课件

计算机控制技术总结第1章绪论

计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现控制对象（通常为生产过程）自动控制的系统。

换句话说：计算机控制系统就是利用计算机来代替原来的常规自控部件或电路，实现对控制对象自动控制的系统。计算机控制系统的概念计算机控制系统的工作原理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。可归纳为以下三个步骤：②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。③实时控制输出：根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。计算机控制系统的组成计算机D/A通道A/D通道A/D通道给定值反馈值输出控制值•A/D通道•D/A通道•计算机构成了计算机控制系统的三大基本要素。计算机控制系统的主要特点1）系统结构特点:此外，由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的，因此，还必须加入信号变换装置(如A／D及D／A变换器)。

所以，计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统。

计算机控制系统必须包括有计算机，它是一个数字式离散处理器。2）信号形式上的特点控制对象中各点信号一般均为连续模拟信号，由于计算机是串行工作的，必须按一定的采样间隔(称为采样周期)对连续信号进行采样，将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机。所以，它除有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式，是一种混合信号形式系统。计算机控制系统大致可分为以下

几种典型的形式：•操作指导控制系统•直接数字控制系统•监督控制系统•集散控制系统•现场总线控制系统•工业以太网控制系统模拟量输入接口概述

在计算机控制系统中，模拟量输入接口是实现数据采集的关键，它的任务是工业生产控制现场送来的模拟信号转换成计算机能接收的数字信号，完成现场信号的采集与转换功能。模拟量输入接口一般由接口电路、控制电路、模／数转换器和电流／电压(I／V)变换器等构成，其核心是模／数转换器，简称A/D；通常也把模拟量输入接口简称为A／D通道。第2章输入输出接口与过程通道技术传感器的作用：主要是将物理信号转变为电信号。工业过程中主要的物理参数有：温度压力流量物位（液位）机械量成分

信号调理的作用：主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，即变送器所做的工作。常见的标准信号：0~10V

0~5V4~20mA1~5VA／D转换器的主要技术指标①转换时间

②分辨率

③线性误差

④量程

⑤对基准电源的要求多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。

理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。

由于通用数据采集系统均支持多个模拟通道，但是因为每个模拟通道不一致，所以需要引入可编程放大器。可编程放大器的放大倍数随时可由一组数字序列控制，这样，在MUX改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。采样／保持器的作用

①稳定地保持模拟信号以便能够完成A／D转换。②在测量中同时对若干个模拟输入量采样(每个输入需要一个采样／保持电路)。

③消除A／D转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰。 模拟量输出接口一般由接口电路、控制电路、数／模转换器和电压／电流(V／I)变换器等构成，其核心是数／模转换器，简称D／A或DAC；通常也把模拟量输出接口简称为D／A通道。D／A转换器的主要性能参数：①分辨率②转换时间③精度④线性度

模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。

模拟量输出通道一般由接口电路、D／A转换器、V／I变换等组成。

用两种状态来表示的量称为开关量。数字量的输入输出同样称为开关量。

开关量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入／输出电气接口亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路。一般情况下，各种开关量输入/输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入/输出(I／0)电气接口。从结构形式上，工业控制计算机可分为如下几种：●通用工业控制计算机——即“工业PC机（IPC）”●DCS工控机——即“现场工作站”●嵌入式工控机PC/104总线工控机ARM嵌入式单片机●PLC●单片机第3章工业控制计算机第5章数字PID控制算法第6章复杂控制算法模糊（子）集的表示模糊集An一般可表示为An=(,,…,)还可表示成如下的形式

An=，An=注：式中的符号是借用的隶属度关系表现符号,并不具备其本身的数学含义。6.6模糊控制3.变量的模糊化即将基本论域E,EC,U中的精确值转化成模糊集论域X、Y、Z上的模糊值 某个变量变化的实际范围称为该变量的基本论域。记误差的基本论域为[-xe,xe

],误差变化的基本论域为[-xc,xc

],模糊控制器的输出变量（系统的控制量）的基本论域为[-yu,yu]。

比较实用的模糊化方法时将基本论域分为n个档次，即取变量的模糊子集论域为：{-n,-n+1,…,0,…,n-1,n}

从基本论域[a,b]到模糊子集论域[-n,n]的转换公式为：模糊论域中元素的个数的选取

增加元素个数可提高控制精度，但增大了计算量，而且模糊控制效果的改善并不显著。在典型模糊控制系统中，模糊语言值的个数为2～10个，而论域元素个数一般为5～30个，例如在上述输入输出均为七个语言词汇的情况下，可选择E和EC的论域均为：{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

输出变量U的模糊论域为：{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}例如，已知当输入的模糊集合A和输出的模糊集合B分别为 这里采用模糊集合的Zadeh表示法，其中ai、bi表示模糊集合所对应的论域中的元素，而μi表示相应的隶属度。则当输入模糊控制向量的模糊判决－“清晰化”模糊决策包含两个步骤先由控制量的模糊集C判决出模糊论域元素z*；

再将其转换到基本论域上精确量u,以实际输出。由C到u的判决常采用三种方法最大隶属度法即取隶属度最大的元素作为控制量。加权平均判决法(重心法)

叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰(也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等)一般情况下，被测信号的变化比较缓慢，而串模干扰信号的主要成分是50Hz的工频和特殊的高次谐波，且通过电磁耦合和漏电等传输形式叠加到信号或引线上形成干扰。共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。共模干扰通过过程通道串入主机。

计算机系统接地的目的有两个：一是抑制干扰，使计算机稳定地工作；二是保护计算机、电器设备和操作人员的安全。但不恰当的接地不但不能抑制干扰，反而会造成极其严重的干扰，因此，正确的接地对计算机控制系统极为重要。通常接地可分为工作接地和保护接地两大类。保护接地主要是为了避免操作人员因绝缘层的损坏而发生触电危险以及保证设备的安全；工作接地则主要是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地形成环路引起干扰。由于计算机控制系统中的“地”有多种，故接地线主要分为以下几类：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。

模拟地是系统中的传感器、变送器、放大器、A／D和D／A转换器中模拟电路的零电位。由于模拟信号往往有精度要求，有时信号比较小且直接与生产现场相连接，所以必须认真地对待。

数字地，也叫逻辑地，是计算机中各种数字电路的零电位，为避免对模拟信号造成数字脉冲的干扰，数字地应与模拟地分开。

安全地又称为保护地或机壳地，其目的是让设备机壳(包括机架、外壳、屏蔽罩等)与大地等电位，以免因机壳带电而影响人身及设备安全。

系统地是上述几类地的最终回流点，直接与大地相连。由于地球是体积非常大的导体，其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们将它的电位作为基准电位，即零电位。

交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，其地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往很容易就有几伏至几十伏的电位差存在，还容易带来各种干扰。因此，交流电绝对不允许与上述几类地相连，并且交流电源变压器的绝缘性能要好，以绝对避免漏电现象。模拟地和数字地的连接

数字地主要是指TTL或CMOS芯片、I/O接口芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的地端，以及A/D、D/A转换器的数字地。模拟地主要是指放大器、采样/保持器和A/D、D/A中模拟信号的接地端。在控制系统中，数字地和模拟地必须分别接地，然后仅在一点处把两种地连接起来。否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。采用Watchdog的抗干扰措施

监控定时器(监督定时器)，也称为看门狗定时器(Watchdog)。使用Watchdog技术是一种防止尖峰脉冲干扰的有效方法。当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位(或数位)发生改变时，程序所呈现的外在表现可能为“飞掉”、“死机”、“死循环”。此时，利用监控定时器Watchdog技术可以帮助系统自动地恢复正常运行。软件抗干扰措施工业控制计算机的抗干扰性能根本在硬件结构。硬件的设计应当尽可能的完善，而软件的编制则要处处考虑到硬件可能的失效，可能受到的干扰等种种问题，在保证实时性、控制精度和控制功能的前提下，尽力提高系统的抗干扰性能。软件抗干扰措施是硬件抗干扰措施的补充，把硬件和软件有机的结合起来，一个经得起长期现场考验的尽可能完善的工业控制系统才能实现。

数字滤波开关量(数字量)输入/输出抗干扰措施软件冗余技术（数据冗余、指令冗余）设置软件陷阱、设置监控定时器Watchdog常用软件抗干扰措施：提高计算机控制系统软件可靠性的措施提高计算机控制系统软件可靠性可从下述几方面着手。(1)分散结构设计把整体的软件设计分散成各子系统的设计，各自独立，又共享资源。这种分散结构的软件设计既有利于设计工作的开展也有利于软件的调试。如把整体设计分为控制器模件、历史数据模件、打印模件、报警事件模件等子系统的软件设计。(2)容错技术在软件设计中的容错技术是指在软件设计时，对误操作不予响应的技术。这里的不予响应是指对于操作人员的误操作，如不按设计顺序则软件不会去输出操作指令，或者输出有关提示操作出错的信息。要防止软件出错，首先应当严格按照软件工程的要求进行软件开发，然后弄清软件失效的机理并采取相应的措施。(3)指令冗余

(4)信息冗余计算机控制系统中的信息偏差一般发生在：数据的传递；数据对存储器的读写；数据的运算等场合。信息冗余就是利用增加信息的多余度来提高可靠性，具体做法是在数据(信息)中附加检错码或纠错码以检查数据是否发生偏差，并在有偏差时纠正偏差。常用的检错码有奇偶校验码、循环码、定比传输码等。常用的纠错码有海明码、循环码等。(5)标准化采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性。它还为其他软件公司的软件产品移植、应用提供条件。目前，计算机控制系统在软件上大多采用著名的多用户分时操作系统，如UNIX、XENIX，采用Windows编辑技术软件和关系数据库，如Informix、Oracle等。监控组态软件是面向监控与数据采集(SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA)的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。第7章计算机控制系统的软件设计工控组态软件组态软件的特点组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。组态软件具有 实时多任务 接口开放 使用灵活 功能多样 运行可靠的特点。一般的组态软件都由下列组件组成：图形界面系统实时数据库系统第三方程序接口组件控制功能组件在图形画面生成方面，构成现场各过程图形的画面被划分成3类简单的对象：线、填充形状和文本。每个简单的对象均有影响其外观的属性。对象的基本属性包括：线的颜色、填充颜色、高度、宽度、取向、位置移动等。这些属性可以是静态的，也可以是动态的。实时数据库是更为重要的一个组件。因为PC的处理能力很强，因此实时数据库更加充分地表现出了组态软件的长处。实时数据库可以存储每个工艺点的多年数据，用户既可浏览工厂当前的生产情况，又可回顾过去的生产情况。工厂的历史数据是很有价值的，实时数据库具备数据档案管理功能。从实践可知：现在很难知道将来进行分析时哪些数据是必需的。因此，保存所有的数据是防止丢失信息的最好的方法。通信及第三方程序接口组件是开放系统的标志，是组态软件与第三方程序交互及实现远程数据访问的重要手段之一。它有下面3个主要作用。①用于双机冗余系统中，主机与从机间的通信。②用于构建分布式HMI／SCADA应用时多机间的通信。③在基于Internet或Browser／Server(B／S)应用中实现通信功能。控制功能组件以基于PC的策略编辑／生成组件(也有人称之为软逻辑或软PLC)为代