第1章计算机控制系统概述

第1章计算机控制系统概述

1.1计算机控制的概念

1.2计算机控制发展简史

1.3计算机控制系统的组成

1.4计算机在工业控制中的典型应用

1.5典型工业受控对象1.1计算机控制的概念

计算机控制系统由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。

工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制算法和采用的控制器结构的不同而有所差别。从常规来看，控制系统为了获得控制信号，要将被控量y和给定值w相比较，得到偏差信号e=w−y。然后直接利用e来进行控制，使系统的偏差减小直到消除偏差，被控量等于给定值。这种控制，由于控制量是控制系统的输出，被控制量的变化值又反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相减，所以称为闭环负反馈系统。一.自动控制系统基本框图

图1-1控制系统的一般形式

(a)闭环控制系统框图；(b)开环控制系统框图。

另一种控制结构，即开环控制系统。它与闭环控制系统的区别在于它不需要控制对象的反馈信号。它的控制是直接根据给定信号去控制被控对象工作的。这种系统本质上不会自动消除由被控参数偏差给定值带来的误差，控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上。它与闭环控制系统相比，控制结构简单，但性能较差，常用在一些特殊的控制场合。二.计算机控制系统基本框图

把图1-1中的控制器用计算机系统来代替，这样就可以构成计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。计算机控制系统在结构上也可分为开环系统和闭环系统两种。1.计算机控制系统组成:由控制计算机和受控对象两大部分组成.2.计算机控制系统基本框图.图1-2计算机控制系统基本框图

在计算机控制系统中，计算机处理的输入和输出信号都是数字量。因此，在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字控制信号转换为模拟输出信号的数/模（D/A）转换器。计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。计算机控制系统由计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。下图是一个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。3.计算机控制系统归结为四个步骤:①实时数据采集对被控参数在一定的采样间隔进行检测，并将采样结果输入计算机。②实时计算对采集到的被控参数进行处理后，按一定的预先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定当前的控制量。③实时控制根据实时计算结果，将控制信号作用到控制的执行机构。④信息管理随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。上述测、控、算、管的过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控参数或控制设备出现的异常状态及时监督并作出迅速的处理。三.几个术语1.在线(online):

生产设备直接与计算机控制系统连接的方式，称为“联机”或“在线”控制。2.离线(offline):

产设备不直接与计算机控制系统连接，称为“脱机”或“离线”控制。3.实时(realtime):

如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出，则称为实时控制。4.在线与实时的关系:

一个在线系统，不一定是实时系统，但一个实时系统，一定是在线系统。1.2计算机控制发展简史

大体分以下几个阶段:第一阶段:65年之前,实验阶段.第二阶段:65-69年,实用阶段.第三阶段:70年以后,大批量生产阶段.第四阶段:80年代后期,逐渐进入分布控制阶段.1.3计算机控制系统的组成

计算机控制系统包括计算机硬件设备、控制软件和计算机通信网络3个部分组成。一.计算机控制系统硬件

1.计算机主机2.常规外部设备3.输入输出通道4.接口5.运行操作台6.检测元件与执行器计算机控制系统硬件组成框图1.计算机主机----控制系统核心部件

主机由CPU和存储器构成。它通过由过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息的处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令。主机中的程序和控制数据是人们预先根据控制对象的特征编制的控制算法。计算机控制系统执行控制程序和系统程序，完成事先确定的控制任务。2.常规外部设备常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪等，主要用来输入程序和数据等。采用的输出设备有：显示器、打印机、记录仪等。输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情况。存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主要有磁盘、磁带机等。3.输入输出通道计算机的输入输出通道，又称过程通道。工业对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（又称一次仪表）变换为等效的电信号。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道，这就是过程输入输出通道。它是生产过程控制特殊要求的。过程通道一般可分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道，它的详细情况在以后的章节中将专门重点介绍。

4.接口接口电路----把主机与输入输出设备(过程通道)之间连接起来的电路,简称.接口----通用接口电路,全部由大规模电路组成.接口类型:1.并行接口2.串行接口3.管理接口4.专用接口(A/D,D/A,转换电路,输入输出电路转接口)(其中1,2,3统称通用接口)5.运行操作台生产过程的操作人员与计算机控制系统进行“对话”以了解生产过程状态，有时还要进行参数修改和系统维护，在发生事故时还要进行人工干预等。计算机控制系统的运行操作台应该具备如下功能：①要有屏幕或数字显示器，以显示过程参数、状态、画面和报警；②要有一组简单功能键进行控制操作；③要有一组数字键进行数据操作；④采用硬保护和软保护措施，保证键盘的误操作不致引起严重的后果。6.检测元件与执行器检测变送单元、电动和气动的执行单元以及电力拖动的交流和直流驱动装置也是计算机控制系统设计人员应该掌握和熟悉的领域，对生产过程进行控制，首先对各类数据，如温度、压力…进行采集。在微机控制系中，为此通过检测元件来进行如传器。此外，为了控制生产过程，还有执行机构，执行机构有电动，气动，液压传动控制也有用步进机及可控元件来进行控制。二.计算机控制系统软件计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而计算机的操作系统和各种应用程序是履行控制系统任务的关键，通称为软件。软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功能的充分发挥和推广应用。软件主要分系统软件和应用软件：系统软件提供计算机运行和管理的基本环境，如DOS，Windows，WinNT，UNIX等以及网络平台；应用软件有语言加工软件，如汇编、编译软件和控制系统的编程软件。

软件组成

◆系统软件

—提供计算机运行和管理的基本环境

◆应用软件

—直接的控制程序三.计算机控制系统的网络结构网络技术在计算机控制系统中的比重越来越大。计算机控制系统的网络结构可以分为两大类：一类称为对等式网络结构(peer-to-peer)；另一类称为客户机/服务器结构（Client/Sever）。这种分类主要是按照网络各节点之间的关系确定的。网络结构

◆对等式网络结构（Peer-to-Peer,P2P）

—对等联网技术

◆客户机/服务器结构（Client/Server,C/S）

—各节点功能不同1.4计算机在工业控制中的典型应用

工业用计算机控制系统与所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的控制对象和不同的控制要求，应该具有不同的控制方案。一.程序控制和数值控制1.程序控制又称顺序控制,目前均称为可编程控制器.

顺序控制,按照一定的时间顺序或逻辑顺序进行的操作.

它分为定时控制----按一定时间进行操作逻辑控制----按逻辑次序进行操作2.数值控制它是指按给定的数据以一定程序进行数值控制,统称数控.如数控车床,数控线切割机等机床设备的控制.

它分为常规数控(NC),计算机数控(CNC),计算机群控(DNC),以数控车床为例,其结构框图为:

微型计算机8255PA0PA1PA2PB0PB1PB2驱动电路驱动电路xy负载优点:通用性强,功能强大,并能实现自动编程,价格便宜特点:控制规律简单,专用性强,速度并不.高二.数据采集和监视系统1.数据采集系统----将外部世界存在的温度,压力,流量,位移以及角度等模拟量转换为数字信号,收集到计算机并进一步给以显示,处理,传递与记录,这一过程称为数据采集.其应用系统称为数字采集系统2.应用范围----数字采集系统应用范围很广,在雷达,通信,水声,遥感技术,地质勘探,振动工程,无损检测,智能仪表,工业自动控制等领域都得到广泛的应用.3.数字采集系统的功能

1)了解生产过程正常与否,监视整个生产过程,对知道生产有一定的作用.2)从采集中得到大量统计数据,利于建立理想的数据模型,并从采集的大量的数据中找出某种物理规律.4.数据采集系统的结构框图三.直接数字控制系统(DDC系统)1.直接数字控制系统是指用一台微机对一个被控参数进行巡回检测,测量结果与给定值进行比较,再按控制规律进行运筹,把结果输到执行机构对生产过程进行控制,这类系统称为直接数字控制系统.2.结构图:直接数字控制（DirectDigitalControl,DDC）

—计算机参与闭环控制过程3.特点

1)经济.由于计算机速度快,一台微机替代多个模拟调节器

2)可靠性高

3)灵活性大.由于计算机的计算能力强,所以它可以方便实现比较更新的控制如串联控制,前馈控制,自动选择控制,大滞后控制等.四.监督控制系统1监督控制系统在直接数字控制方法中，对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，并且直接存入计算机的内存，这个给定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，故直接数字控制方式无法使生产过程处于最优工况。监督控制SCC中，计算机根据工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的计算机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况（如高质量、高效率、低能耗、低成本和低污染等）。从这个角度上说，它的作用是改变给定值，所以又称给定值控制SPC。监督控制方式的控制效果，主要取决于数学模型的精度。这个数学模型一般是针对某一目标函数设计的。如果这一数学模型能使某一目标函数达到最优状态，那么这种控制方式就能实现最优控制。如数学模型不理想，控制效果也会变差。监督控制系统也可以实现自适应控制。2监督控制系统有两种典型的结构形式监督控制系统的两种结构形式

(a)SCC+模拟调节器形式；(b)SCC+DDC系统。1）SCC+模拟调节器的控制系统该系统由计算机对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产过程进行分析。计算后，得出控制对象各参数最优的给定值送调节器，使工况保持在最优状态。当SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。2）SCC+DDC的分级控制系统这实际上是一个二级控制系统，SCC可采用高档微型计算机，它与DDC之间通过接口进行信息联系。SCC微型计算机完成高一级的最优化分析和计算，并给出最优给定值，送给DDC级执行过程控制。当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算机完成DDC的控制功能。它显然提高了控制系统的可靠性。3监督控制系统的特点:1)比DDC具有更大的优越性,更接近生产实际情况,能做到低能耗.2)能进行更复杂变化的优化控制,系统可靠.3)实现困难,主要是建模不够准确.五.分布控制系统(DCS)1分布控制系统分布控制系统也称集散控制系统.是利用计算机技术,对生产过程进行集中监视,操作,管理和分散控制的一种新型控制技术.2.组成----由分散过程控制(DDC),计算机监督控制(SCC),和生产管理(MIC),组成,图示:分布式控制系统（DistributedControlSystem,DCS）

—分散控制，集中管理3.框图

计算机集成制造系统(CIMS),它是一种对企业生产过程与生产管理进行优化的系