第8章计算机过程控制

第八章

计算机过程控制系统第一节计算机控制系统概述8.1.1计算机控制系统及其组成

计算机控制系统：就是利用计算机（工业控制计算机）来实现生产过程自动控制的系统。

（2）闭环控制系统框图（1）开环控制系统框图1.常规控制系统的一般形式

给定值控制器执行机构被控对象被控参数测量元件变换发送

给定值控制器执行机构被控对象被控参数2.计算机控制系统工作原理

用计算机来代替原来的控制器，就构成了计算机控制系统。（1）计算机控制系统的组成计算机控制系统主要由：工业控制机和生产过程两大部分组成。

工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。

生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。计算机控制系统的组成框图（2）计算机控制系统的工作原理

从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：

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。②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。

③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。8.1.2计算机控制系统的典型形式

1.按照结构功能分类2.按照控制规律分类3.按照控制方式分类1.按照功能来分类（1）操作指导控制系统（2）直接数字控制(DDC)（3）监督控制系统（SCC）(SupervisoryComputerControl)

（4）分散型控制系统（DCS）

（5）现场总线控制系统(FCS)新一代分布式控制系统，采用“工作站---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。2.按照控制规律分类（1）数字程序和顺序控制（2）比例积分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）复杂规律的控制（5）智能控制（1）程序和顺序控制

定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。（2）比例积分微分控制（PID控制）

定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。（3）最小拍控制

最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。

（4）复杂规律的控制

在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。（5）智能控制

智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能运筹学控制论3.按照控制方式分类按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。给定值控制器执行机构被控对象被控参数测量元件变换发送给定值控制器执行机构被控对象被控参数8.1.3工业控制机的组成结构及特点

8.1.3.1工业控制机的组成1.工业控制机的硬件组成2.工业控制机的软件组成8.1.3.2工业控制机的特点

8.1.3.1工业控制机的组成组成原理图1.工业控制机的硬件组成（1）主机板:CPU、RAM、ROM等。作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。（2）内部总线和外部总线

内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用内部总线有IBMPC、PCI总线和STD总线。外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。RS—232C、USB和IEEE—488通信总线。（3）人—机接口:键盘、显示器、打印机。。（4）磁盘系统：软盘和硬盘。（5）通信接口工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。常用RS—232C、USB和IEEE—488接口(6)系统支持功能①监控定时器(看门狗-Watchdog)②电源掉电检测③保护重要数据的后备存贮器体④实时日历时钟

(7)输入输出通道工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入(AI)通道、模拟量输出(AO)通道、数字量(或开关量)输入(DI)通道、数字量(或开关量)输出(DO)通道。它的作用有两个：

其一是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码；

其二是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。2.工业控制机的软件组成(1)系统软件系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司推出的iRMX86实时多任务操作系统，美国ReadySystem公司推出的嵌入式实时多任务操作系统VRTX／OS。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用MS—DOS和Windows等系统软件。(2)支持软件

支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。(3)应用软件

应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。8.1.3.2工控机的特点1．可靠性高和可维修性好。2．环境适应性强。3．控制的实时性。工业控制机应具有时间驱动和事件驱动能力。4．完善的输入输出通道。5．丰富的软件。6．适当的计算机精度和运算速度。第二节过程输入输出通道基本原理

一、AI(AnalogInput)通道

二、AO(AnalogOutput)通道

三、DI(DigitalInput)、DO(DigitalOutput)通道

一、AI(AnalogInput)通道

AI通道的一般结构如图。过程参数由传感元件和变送器测量并转换成电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。1.多路转换器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。作用：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，实现多路共享。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、MAX354、LF13508等。

CD4051原理图

CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0-S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0-S7中的一路。

CD4051真值表2.采样、量化及采样保持器(1)信号的采样按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程。

采样周期：采样开关K每一个通断的时间间隔T，包括等待时间、闭合时间、断开时间等。

采样宽度：采样开关闭合的时间。

采样信号y*(t)：幅值连续但是时间上离散的模拟信号。

香农采样定理：如果模拟信号(包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f≥2fmax进行采样，那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。2.量化

量化：就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。

量化装置：执行量化动作的装置是A/D转换器。

量化单位：字长为n的A/D转换器，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。

量化误差：量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度(毫米或其它)去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为(±1/2)q。例如，q=20mV时，量化误差为±10mV，0.990～1.009V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。3.采样保持器（Sample/Hold）对模拟信号进行瞬间（微秒或更短）采样，然后保持其电压值，供A/D转换器进行转换。

(1)采样保持电路的工作方式：采样和保持在采样方式中，采/保电路的输出跟踪模拟输入电压。在保持方式中，采/保电路将保持采样命令撤销时刻的采样值，直到保持命令撤销并且再次接收到采样命令为止。

1)A/D转换器的主要技术指标：（1）分辨率分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。（2）转换时间A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。4.A/D转换器

（3）转换精度

A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。

绝对误差：是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。

相对误差：指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB来表示，1LSB=1／2n。一般来说，位数n越大，其相对误差（或绝对误差）越小。二、AO(AnalogOutput)通道

模拟量输出通道的任务--把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成--一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等。模拟量输出通道基本构成—一个通道设置一个D/A结构和多个通道共用一个D/A结构。a)多D/A结构

特点：1、一路输出通道使用一个D/A转换器2、D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器3、D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用4、结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立5、缺点是所需D/A转换器芯片较多b）共享D/A结构

特点：1、多路输出通道共用一个D/A转换器2、每一路通道都配有一个采样保持放大器3、D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用4、采样保持器实现模拟信号保持功能5、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用主机时间

D/A转换器的性能指标:

D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有：（1）分辨率（2）转换精度（3）偏移量误差（4）稳定时间三、DI(DigitalInput)、DO(DigitalOutput)通道

数字量(开关量)信号：开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的，代表生产过程的一个状态。

开关量输入输出通道主要由I/O缓冲和I/O电气转换两部分构成，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、加强和选通作用。输出锁存器存CPU输出的数据或控制信号，供外围设备使用。I/O缓冲功能可以用可编程接口电路构成，也可以用简单接口电路实现。I/O电气接口部分的功能主要是：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。数字量输入接口（DI）

完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。

1G2G74LS244

输入接口

D0D1D2D3D4D5D6D7

1A11Y1

1A21Y2

1A31Y3

1A41Y4

1A51Y5

1A61Y6

1A71Y7

1A81Y8

IORCS.

数字量输入接口

PC总线数字量输出接口完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。

74LS273

CLR

CLK

输出接口

RESET

D0D1D2D3D4D5D6D7

PC总线

D1Q1

D2Q2

D3Q3

D4Q4

D5Q5

D6Q6

D7Q7

D8Q8

IOW

CS

.

数字量输出接口

按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器，是在连续系统中技术最为成熟，应用最为广泛的一种调节器。

PID调节器结构简单、参数易于调整，当被控对象精确数学模型难以建立、系统的参数又经常发生变化时，应用PID控制技术，在线整定最为方便。

在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模拟PID调节器。第三节

过程计算机常规控制技术1．用经典控制理论设计连续系统模拟调节器，然后用计算机进行数字模拟，这种方法称为模拟化设计方法。2．应用采样控制理论直接设计数字控制器，这是一种直接设计方法（或称离散化设计）数字PID控制器的设计是按照1进行的。连续生产过程中,设计数字控制器的两种方法:1.模拟PID调节器根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。

2．数字PID控制器

当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。可作如下近似:式中，T为采样周期，k为采样序号。两种标准的数字PID控制算法

（l）数字PID位置型控制算法

控制算法提供了执行机构的位置。

式中：或：（2）数字PID增量型控制算法

由位置型算法又∵，得：得：增量型算法只需保持前3个时刻的偏差值。（3）两种标准PID控制算法比较

（a）位置型（b）增量型算法比较

：

（1）增量型算法不需要做累加，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。（2）增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。（3）采用增量型算法，由于算式中不出现项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。3、采样周期的选择

(1)首先要考虑的因素根据香农采样定理，采样周期上限应满足：T≤π/ωmax,其中ωmax为被采样信号的上限角频率。采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在Tmin与Tmax之间选择（在允许范围内，选择较小的T）。

(2)其次要考虑以下各方面的因素

①给定值的变化频率:变化频率越高，采样频率就应越高;②被控对象的特性：被控对象是快速变化的还是慢变的;③执行机构的类型：执行机构的惯性大，采样周期应大;④控制算法的类型：采用太小的T会使得PID算法的微分积分作用很不明显；控制算法也需要计算时间。⑤控制的回路数：Tj指第j回路控制程序执行时间和输入输出时间。

第五节工业控制组态软件

组态（Configuration）的意思就是多种工具模块的任意组合，它是从DCS发展而来的。它的含义是使用工具软件对计算机及软件的各种资源进行配置，使计算机或软件按照预先设置的指令，自动执行指定任务，满足使用者的要求。最初的组态软件主要解决人机图形界面的问题。

1、组态软件的发展：20世纪80年代时，世界上第一个商品化监控组态软件是由美国的Wonderware公司研制的Intouch，随后又出现了Intellution公司的FIX系统，通用电气的Cimplicity,以及德国西门子的WinCC等；在国内主要有亚控公司的KingView组态王，昆仑公司的MCGS，三维公司的力控，太力公司的Synall等组态软件。组态软件的发展方向之一是能够兼容多操作系统平台。

2、组态软件的特点

组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、运行可靠的特点。其中最突出的特点是它的实时多任务性，可以在一台计算机上同时完成数据采集，信号数据处理、数据图形显示，可以实现人机对话，实时数据的存储、历史数据的查询，实时通讯等多个任务。

组态软件要解决的问题：如何与现场设备之间进行数据采集和数据交换。将采集到的数据与上位机图形界面的相关部分连接。实时数据的在线监测。数据报警界限和系统报警。实时数据的存储、历史数据的查询。各类报表的生成和打印输出。应用系统运行稳定可靠。拥有良好的与第三方程序的接口，方便数据共享。

3、使用组态软件的一般步骤

(1)建模。根据实际需要，为控制系统建立数学模型。(2)设计图形界面。利用组态软件的图库，使用相应的图形对象模拟实际的控制系统和控制设备。(3)构造数据库变量。创建实时数据库，用数据库中的变量反映控制对象的各种属性，变量描述控制对象的各种属性。(4)建立动画连接。建立变量和图形画面中的图形对象的连接关系，画面上的图形对象通过动画的形式模拟实际控制系统的运行。(5)运行、调试。

这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这些步骤常常是交错进行的。4、组态软件的图形开发环境

控制工程的所有操作画面，包括流程画面都是在图形开发环境下制作、生成的，工程设计人员使用最频繁的组态软件组件就是图形开发环境。图形开发环境是目标应用系统的主要生成工具之一，它依照操作系统的图形标准，采用面向对象的图形技术，为使用者提供丰富强大的绘图编辑、动画连接和脚本工具，提供右键菜单功能，帮助使用者简化操作。图形开发环境的工作界面

1．工程管理器：主要作用是集中管理本机上的组态王工程。功能主要包括：新建、删除工程，搜索组态王工程，修改工程属性，工程备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。2．工程浏览器工程浏览器是组态王6.01的集成开发环境，是一个类似于Windows资源管理器的窗口。在这里可以看到所建工程的所有组成部分，包括画面，数据库，外部设备，配方等。3．图形工具箱绘制图素的主要工具放在图形编辑工具箱中，当画面打开时，工具箱自动加载。如果没有显示，选择菜单“工具/显示工具箱”或按F10快捷键。工具箱中各基本工具的使用方法和Windows中的“画笔”的使用类似。4．图库管理器图库管理器内中存放的是组态软件的各种图素，用户可以选择需要的对象就可以设计自己需要的界面。它的使用降低了设计界面的难度，缩短开发周期。同时工程人员可以生成自己的图库对象。5、工艺控制流程图的组态使用组态软件实现工艺控制流程图的步骤。（1）建模

建模就是在对系统要求进行分析后，建立数学模型。以水位控制系统为例水泵将水源中的水通过进水管道抽到水箱中，水箱出水管道连接用户，为用户提供水源。为了保护水压的相对稳定，对水箱中水位要有两个报警限，分别为上限和下限，当水位上升到上限，关闭水泵；水位低于下限，水泵工作，给水箱供水；在上下限之间，水泵不工作。为了保护水压的相对稳定，对水箱中水位要有两个报警限，分别为上限和下限，当水位上升到上限，关闭水泵；水位低于下限，水泵工作，给水箱供水；在上下限之间，水泵不工作。（2）变量的定义

在控制系统中，需要采用变量来存放外部设备传送来的检测信号（如水位信号），这些变量需要同外部设备进行数据交换。所以需要首先建立工程，然后进行设备配置，再建立相应的变量。（3）画面的编辑与动画连接1．画面的编辑

现在利用组态王提供的各种绘图工具来制作完善的主画面，使得画面能够逼真地反映控制系统的工作运行状况，并且可以通过画面控制实际的运行状态，从而实现对系统的实时监控。图库中选取水泵图素

同样的方法可以在画面上绘制出水箱、管道、水位传感器及相应的文本。至此，主画面绘制完成。2．动画连接以上绘制的画面是静态的，要逼真的显示系统的运行状况，必须将图素和数据库中已经设定的相应变量联系起来，即让画面“动”起来。将图素和数据库中对应变量建立联系的过程称为“动画连接”。建立动画连接后，当数据库中的变量发生变化后，图形对象就可以按照设定的动画连接随之做同步的变化。指示灯的动画连接设置：双击“指示灯”，出现“指示灯向导”对话框。将变量名设定为：“\\本站点\启动”，将“正常色”设置为绿色，“报警色”设置为红色。再单击“确定”按钮，则“指示灯”动画连接完成，（3）命令语言及控制程序编写

在完成了上述的动画设置后，还必须通过命令输入，才能控制水泵的运行。工艺上要求水泵的工作状态是根据水位的高低而运行的。当水位低于下限时，水泵工作，为水箱送水；水位高于上限，水泵停止工作；在上下限之间，水泵不工作。

在完成上述步骤后，运行组态王，就可以按照指定的命令执行了。（4）复杂图形对象的组态及应用趋势曲线

作为实时监控的组态软件，趋势分析是必不可缺的。包括用于实时显示数据的实时曲线和能够对数据库中的数据进行指定趋势分析的历史曲线两种。组态王图库中有设定好的各种功能按钮的趋势曲线。用户只要定义几个相关变量，适当调整曲线外观，即可完成曲线的指定的复杂功能。1．实时曲线运行画面，就可以查阅历史数据了。用户可以通过按钮任意改变时间轴范围，查看需要的数据。2．历史曲线第六节集散控制系统（DCS）

设计原则:

采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则，并采用层次化的体系结构。所谓分散控制是用多台微型计算机，分散应用于生产过程控制;所谓集中管理是用通信网络技术把多台计算机构成网络系统.分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。1）集散控制系统

典型的DCS采用了如图所示的三层结构，第一层为分散过程控制级；第二层为集中操作监控级；第三层为综合信息管理级。（1）分散过程控制级（面向生产过程）

功能：完成生产过程的数据采集、调节控制等功能。

装置：现场控制站（工业控制机）可编程序控制器（PLC）智能调节器其它测控装置

（2）集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）

功能：以操作监视位主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。

组成：监控计算机 工程师显示操作站 操作员显示操作站

（3）综合信息管理级

功能：实现整个企业的综合信息管理。

组成：管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统，应用了MIS系统。

3）集散控制系统（DCS）的体系结构主要有三代产品。

第一代DCS的基本结构

基本结构由监控机、操作站、数据采集装置、过程控制单元及高速数据通道等5部分组成。第二代DCS的基本结构

(1)局部网络(LAN)；(2)节点工作站，即指过程控制单元(PCU)；(3)中央操作站，它是挂接在LAN上的节点工作站，负责对全系统的信息进行综合管理，是系统的主操作站；(4)系统管理站，又称为系统管理模块；(5)主计算机，也称管理计算机；(6)网关(GateWay)。第三代DCS的基本结构

第一、二代DCS基本上为封闭系统，不同系统之间无法互连，第三代DCS局域网(LAN)遵循开放系统互连参考模型的7层通信协议,符合国际标准，比较容易构成信息集成系统。4)集散控制系统的发展趋势(一)传统集散控制系统面临的挑战1．价格昂贵，技术滞后2．开放程度不够3．功能需进一步分散化、智