第7章计算机控制系统

第7章计算机控制系统2一、计算机控制系统的特征与工作原理将常规控制系统中的模拟控制器的功能用计算机来实现，就构成典型的计算机控制系统。3用计算机实现控制的原因：数字控制能实现复杂控制规律的控制；计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制；数字控制可以实现灵活多样的控制规律；采用计算机还能实现监控、数据采集、数字显示等

其他功能。4

从模拟控制系统发展到计算机控制系统，控制器结构、控制器中的信号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念均发生了重大变化。计算机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容；在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势。5结构特征1执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统；控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；可同时控制多个回路；存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。6信号特征2

模拟控制系统中各处的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中除仍有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。计算机控制系统的信号流程

7模拟信号:定义在连续时间上的信号，且其幅值也是连续变化的。采样：把连续时间信号转变成离散时间数据的操作，即以离散时间点处的一系列值取代原始的连续时间信号。离散模拟信号:定义在离散时间上的信号，但其幅值未经量化。8模拟-数字（A/D）转换器：执行采样-保持，量化和编码的功能。量化：采用一组数码（二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转化为数字信号。（双积分型、逐次比较型等）编码：将经过采样、量化后的数据编制成二进制码。数字信号：幅值被量化的离散时间信号。可以用二进制数表示。9数字-模拟（D/A）转换器（解码)：在数字控制器的输出端，数字信号必须通过数模转换过程转换成模拟信号。经过保持电路后传递到模拟执行器。量化模拟信号：幅值等于数字量的模拟脉冲信号。再靠信号恢复器，变为随时间连续变化的信号。10控制方法特征3

计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信号，因而计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两种：模拟调节规律模拟化设计法，离散化设计法。

模拟化设计方法（间接设计法）：根据系统已有的连续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后按照一定的对应关系将模拟调节器离散化，得到等价的数字控制器。离散化设计方法（直接设计法）：把计算机控制系统变成纯粹的离散系统，用Z变换等工具进行分析设计，直接设计出控制算法，得到数字控制器。11功能特征4⑴以软件代替硬件⑵数据存储⑶状态、数据显示⑷管理功能12计算机控制系统的工作原理5计算机控制过程可归结为如下四个步骤：⑴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并输入。⑵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。⑶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。⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。

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,使被控变量稳定在设定值上并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理13实时的含义: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。14计算机控制系统的工作方式6

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作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。在线系统是否一定是实时系统？实时系统是否一定是在线系统？15二、

计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统硬件组成框图16三、计算机控制系统的软件

按功能分：系统软件、应用软件系统软件：专门用来使用和管理计算机的程序。各种语言的汇编、解释和编译软件，监控管理程序、操作系统、调整程序以及故障诊断程序应用软件：面向生产过程的程序。A/D、D/A转换、数据采样、数字滤波、标度变换、过程控制程序（PID运算、数字控制程序）等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。（常用的工业组态软件：InTouchHMI软件、FIX组态软件、组态王等；常用的PLC软件：西门子的Wincc等

）17四、计算机控制系统的类型计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态进行分类的。操作指导控制系统（OperationalInformationSystem—OIS）118直接数字控制系统（DirectDigitalControlsystem——DDC）2计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式19监督计算机控制（SupervisoryComputerControl——SCC）3计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器的控制系统，另一种是SCC+DDC的控制系统。

20人工监管（SCC计算机）给定值测量值多路开关A/D检测元件反多路开关DDCD/A生产过程管理命令报告……人工监管（SCC计算机）给定值测量值多路开关A/D检测元件生产过程管理命令报告……TT模拟调节器SCC+模拟调节器SCC+DDC两级系统21

1、作用：改变给定值，又称设定值控制。

任务：着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、

自适应控制等。2、SCC计算机只是采集，优化；模拟调节器或DDC计算机

直接面向生产过程。SCC计算机坏了，模拟仪表或DDC计算机可以直接控制；但二者不存在上下级通信，

只存在传递设定值的关系。3、闭环控制：和DDC一样属于闭环控制，生产过程的闭环

自动调节是依靠模拟调节器或DDC计算机来完成的。22

4、采用SCC系统的原因：由于DDC系统在进行实时控制时，采样周期不能太长。而较短的采样周期又难以完成较为复杂的运算与控制，SCC系统则可以完成较为复杂的计算，如优化计算、自适应算法等，而将计算出的最佳设定值送给DDC系统或模拟调节器去执行，因此，可实时实现优化控制。23

5、集中型控制系统：DDC系统和SCC系统都属于集中型控制系统，当这种系统集中了很多的控制回路时，就必然会带来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可靠性大为降低。这就要求控制由集中型向分散型转移，于是出现了“控制分散、信息集中”的集散型控制系统。24集散控制系统（

DistributedControlSystem——DCS）4定义：集散控制系统（DCS）又称为分散型控制系统，是

对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控

制的一种分布式计算机控制系统。工作原理：系统将若干台微机分散应用于过程控制，全

部信息通过通信网络由上位管理机监控，实

现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键

盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。25生产管理级过程管理级过程控制级（协调基本控制器的工作，达到动态优化。）（工厂级）“集中管理、分散控制”26特征：采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的

设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控

制。结构层次：分级递阶。每一级由若干子系统组成，形成金

字塔结构。同一级的各决策子系统可同时对下

级施加作用，同时又受上级的干预，子系统可

通过上级互相交换信息。通常由分散过程控制级（DDC）、过程管理级

（SCC）和生产管理级（MIC）等3级组成。27分散过程控制级：是DCS的基础，用于直接控制生产过程。它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级收集的数据供过程管理级调用，各工作站接收过程管理级发送的信息，并依此而工作。所以分散过程控制级基本上属于DDC系统的形式，但将DDC系统的职能由各工作站分别完成。由于工作任务由各站来完成，因此局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中”的缺点。28过程管理级：对生产过程实现集中操作和统一管理，对生产过程进行监视，承担最优化任务。过程管理级基本上属于SCC系统的形式，能根据生产管理级的技术要求，确定分散过程控制级最优给定量。过程管理级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可以据此直接干预系统的运行。29生产管理级：是整个系统的中枢，与办公室自动化连接起来，实现整个企业的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能，提供管理决策信息。并担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。具体的，它根据过程管理级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达命令。30操作、管理、显示高度集中，先进的人机联系方式；系统功能递阶分层，水平分散，危险分散，可靠性高；硬件采用单元模块化积木式组合方式，可分为二级、三级、或四级的组装积木结构，结构组合灵活方便；软件标准化模块化，按需选用，组态修改灵活，可实现先进复杂的控制算法；可靠性高，完善的在线故障诊断、差错容错控制技术，冗余技术；先进高速的网络通信技术和开放式网络结构显著特点：31集散控制系统的发展：1）产生：70年代中期诞生世界上第一套DCS系统TDC-2000，

于1975由美国Honeywell公司生产2）实现的基础理论基础：大系统理论物质基础：4C技术：

CommunicationComputerControlCRT3）设计思想：递阶分层、水平分散32三个时期：初创期（1975~1980）成熟期（1980~1985）扩展期（1985年以后）初创期：该时期的DCS系统是一个具有许多微处理机的分级控制系统，它采用分散的控制设备来适应分散的生产过程，通过高速数据通道将系统各个单元联系起来。其通信系统是一初、中级的局部网络，全系统由一个通信指挥器指挥和协调。初创期具有代表性的DCS系统有Spectrum(Foxboro公司)、Network(贝利公司)、Centum(日本横河公司)33成熟期：该时期的DCS系统从原来单纯的工业控制向生产管理自动化发展。大规模IC的发展以及计算机技术、自动控制技术、数据通信技术、图像处理技术的飞速发展，使得DCS系统在扩大功能、数据通信以及工业自动化信息管理等方面有所提高，形成第二代DCS系统。成熟期具有代表性的DCS系统有TDC3000(Honeywell公司)、PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本横河公司)等34扩展期：该时期的DCS系统增加了第三层——综合信息管理层（生产管理级），把过程控制、监督控制、管理调度有机结合在一起，采用专家系统、MAP标准（一种ISO开放互连OSI结构基础上的加工自动化协议）以及引入计算机集成制造系统CIMS等，扩展期DCS的特点是综合化、开放化和现场级的智能化。35综合化

包括纵向和横向两方面。纵向方面加强管理功能，包括从原料进厂到生产设计、计划进度、质量检查、成品包装、出厂以及供销等一系列的管理制度。横向方面则形成过程自动化与顺序控制、电机控制相结合的计算机、仪表、电器综合控制系统。开放化

是DCS按照国际统一标准组成“开放”的系统网络，便于不同公司生产的DCS产品之间方便地进行通信。现场级的智能化是指现场传感器或变送器智能化，现场仪表可以由现场通信器或系统的工作站进行远程访问、组态、调零、调量程及自动标定。传感器输出的数字信号直接在现场仪表的通信网络上传递。36扩展期具有代表性的DCS系统有TDC3000UCN,CENTUM-XL,I/ASeries(Foxboro)。这一时期DCS的基本组成与第二代相比变化不大，但它的LAN采用MAP协议或与MAP兼容的协议，各个节点工作站软、硬件功能均有所加强，现场级智能仪表也有发展。MAP[MobileApplicationPart]是NO.7信令系统的应用层协议。MAP的主要功能是在MSC和HLR、VLR、EIR等网络数据库之间交换与电路无关的数据和指令,从而支持移动用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。37现场总线控制系统（

FieldbusControlSystem——FCS）51）、现场总线技术的发展概况

现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中通讯体系最底层的低成本网络。根据国际电工委员会(IEC)的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讯网络”。现场总线是综合自动化发展的需要：随着计算机、信息技术的飞速发展，世界最重大的变化是全球市场的形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。处于全球市场中的工业生产必须加快新产品的开发，按市场需求调整产品的上市时间T(Timetomarket)，改善质量Q(Quality)，降低成本C(Cost)，完善售后服务S(Service)。追求完善的T、Q、C、S是一个永无止境的过程，它能不断的促进技术进步与管理改革。因此形成了计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)，它采用系统集成、信息集成的观点来组织生产。把市场、生产技术、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。38计算机为CIMS的实施提供了良好的物质基础。但处于企业生产过程底层的测控自动化系统，要与外界交换信息，要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。39最初的CIMS术语包含了两个基本概念：①企业生产的各个环节是连接在一起的一个整体，需要统一考虑。②整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工的过程，最后形成的产品可看作是数据的物质表现。40

主要用于机电制造行业，在20世纪80年代，用计算机和网络集成的、包括决策计划、生产调度、产品生产控制以及经营销售、物流输送、销售服务管理在内的自动化系统形成规模。将CIMS的思想用于过程控制中就形成了CIPS

(ComputerIntegratedProcessSystems)。

综合自动化是中国对这类系统的一种通用叫法，综合意味着管理与控制一体化，也就是说这类系统能综合地考虑问题，追求的是整体的优化。4142

基本内容包括：以串行通讯方式取代传统的4－20mA模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质交换信息；其核心是它的通讯协议，协议必须根据ISO的计算机网络开放系统的OSI参考模型来制定，它是一种开放的七层网络协议标准，多数现场总线只使用其中的一、二和七层协议（即物理层、数据链路层、应用层，这三层也是最重要和必须考虑的）。即Fieldbus采用了三层网络结构，流量控制和差错控制在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。43

现场总线技术始于20世纪80年代中期，于90年代初期形成了几种较有影响的的标准，它们是PROFIBUS（processfieldbus过程现场总线，德国和欧洲标准），FIP（法国标准），ISP（可交互系统标准），ISASP50（美国仪表协会标准）。另外还有一些公司厂家推出了自己的现场总线产品，形成了事实上的标准，比较著名的有CAN（controllerareanetwork,控制器局域网络）、HART（可寻址远程传感器数据网络）和LONWorks（localoperatingnetwork局部操作网络）。1994年和1995年ISP与WORLDFIP的北美和欧洲分会宣布合并，成立了FF（FieldbusFoundation）现场总线基金会组织，旨在支持和帮助ICE/ISA-SP标准化委员会工作，推动和加速建立一个统一、开放、国际性的国际标准。442）、现场总线控制系统的特征结构模式为：（二层结构）工作站—现场智能仪表：变送器智能部件

智能电磁流量计……

45现场总线控制网络模型

46

现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式:传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置于现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。47484950FCS与传统DCS相比：FCS和DCS网络结构比较

51DCSFCS大系统，投资一步到位，灵活性较差信息处理现场化，投资起点低，可以边用、边扩、边投运封闭开放必须有D/A与A/D转换，模拟信号传输全数字化DCS的每秒2~5次缩短了控制周期，FCS的每秒10~20次配备大量隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O柜减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用结构复杂，专用化FCS组态相对简单，结构、性能标准化52

现场总线控制系统在技术上具有如下特点：系统的开放性开放是指总线标准、通信协议的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按自己的需要，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。因此，借助现场总线可以构筑自动化领域的开放互连系统。53互可操作性与互换性互可操作性是指相互连接仪表间、设备间及系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。互换性则意味着不同生产厂家的性能类似的仪表、设备可实现相互替换。现场设备的智能化与功能自治性它将传感器测量、补偿计算、线性化处理、工程量变换与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。54系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。55现场总线控制系统的优点:节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性56五、过程控制技术的发展概况及趋势过程控制的发展过程11）过程工业：石化、电力、冶金、造纸、化工、医药、食品等

它们的特点是连续性

根据有关统计，我国产品销售额排名的前十名中，约

有80％～90％属于连续工业，按利润排名的前20名中

，连续工业约占70％

连续工业逐步向大型化、自动化以及集成化方向发展572）从控制工程的观点来看，过程工业有如下一些特点：

连续工业生产往往伴随有物化反应、生化反应、相变过程等，因此过程机理十分复杂。被控对象往往是高维、耦合、大时滞、严重不确定性与非线性等，控制起来非常困难连续工业经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下运行，生产的安全性是至关重要的。因此对自动控制系统的可靠性提出了非常苛刻的要求583）过程控制的发展回顾：大约经历了以下三个发展阶段

第一阶段（70年代以前）：控制理论主要是经典控制理论

所能用的控制工具主要是常规仪表，如气动或者电动仪表

在控制系统方面，绝大多数是单变量的简单控制系统，对于比较重要的工艺变量则设计串级调节系统或前馈调节系统

控制要求——安全、平稳59第二阶段(70～80年代)：基于现代控制理论的先进过程控制(AdvancedProcessControl)应运而生出现先进过程控制的基础有二，一是市场上先进的控制工具如集散控制系统(DCS)、现场总线系统(FCS)的出现与完善，二是现代控制理论的不断发展与提高，出现了一些新型控制策略，成为目前国内外学术界与工程界的热门研究课题，如60模糊控制——其实我很清楚最优控制---没有更好只有最好自适应控制——以变制变鲁棒控制——以静制动预测控制——未卜先知故障诊断——神医妙手人工智能——智慧之巅专家系统——身边的专家推理控制——经验的作用控制要求——优质，高产，低耗61第三阶段(90年代以后)：控制理论：多学科交叉控制工具：计算机网络控制要求：市场预测，柔性生产，综合管理62尽管先进过程控制能对重要的工艺变量提高控制质量并产生较明显的经济效益，但是它们仍然只是相互孤立的控制系统。将控制、优化、调度、管理等集于一体的控制模式并将信号处理技术、数据库技术、通信技术以及计算机网络技术进行有机结合发展高级自动化有更重要的意义，因此也就出现了所谓综合自动化系统。这种全新的综合自动化的系统称为计算机集成系统(ComputerIntegratedProcessSystem，简称CIPS)，可以认为是过程控制发展中的第三阶段。63过程控制技术的发展趋势2过程建模1目前采用的建模方法有两类。一类是机理建模，也就是根据过程本身的内在机理，利用能量平衡、物质平衡、反应动力学等规律来建立系统的模型；另一类是系统辨识方法，也就是根据被控过程的输入、输出数据建立数学模型，属于这类方法的有最小二乘法、人工神经元网络、模糊模型等。过程工业中对象种类繁多，由于其物化反应、生化反应等非常复杂的变化，要想从机理来建立一个准确的数学模型是非常困难的。特别是对于一些高维的复杂对象，若采用严格的机理推导往往会得到由几百个乃至几千个微分方程组成的数学模型，它们的求解将会十分困难。就目前过程控制水平而言，工业过程模型化仍然是控制系统设计与开发的瓶颈。在这一方面，今后仍有大量的工作要完成。64控制策略与方法2在控制系统的设计与开发方面，控制策略(算法)是核心。目前在学术界所研究、开发出来的控制策略(算法)多到令人目不暇接，但其中许多算法仍只停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的仍为数不多。比较公认(特别是能得到工程界认可)的先进控制策略(算法)：1)改进或复合PlD控制算法2)预测控制（三要素：模型预测、滚动优化和反馈校正）许多国外著名的控制工程公司，如Setpoint公司、Treiber公司、Prdfimafies公司、PredictiveControl公司、霍尼韦尔公司、横河公司等，都开发了各自的商业化预测控制软件包，并被广泛地应用于大型工业过程控制。我国在“九五”计划期间，组成了以浙江大学为首的高校攻关组。旨在自行开发我国的工业过程控制商业化软件包，其中就包括有多变量预测控制软件包。653)自适应控制在过程工业中，很多的过程是时变的，如反应器中催化剂活性的变化；换热器中结垢的产生与发展等均会使过程的特性发生变化。如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化。这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。瑞典的Astrom教授与英国的Clarke教授在这方面做了许多开拓性的研究工作。国内外许多学者在他们的基础上进行了大量的改进、提高、完善及应用工作。4)智能控制传统的控制方法在很大的程度上依赖于过程的数学模型，但是，至今获取过程的