第九章计算机控制系统

第九章计算机控制系统第1页，共47页，2023年，2月20日，星期三●掌握计算机控制系统的组成原理➢知识点：●了解计算机控制系统的应用类型●掌握集散控制系统的基本组成●掌握计算机控制系统的信号处理原理●掌握计算机控制系统的输入、输出通道的组成第2页，共47页，2023年，2月20日，星期三1.1计算机控制系统的组成☞计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。什么是自动控制?自动控制系统由哪些部分组成?1.1.1基本概念第3页，共47页，2023年，2月20日，星期三设定值控制器D/A执行机构被控对象A/D计算机被控变量+计算机闭环控制系统结构图执行机构第4页，共47页，2023年，2月20日，星期三计算机控制系统的工作原理(1)实时数据采集对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。(2)实时控制决策

对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。(3)实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。可归纳为以下三个步骤：什么是实时控制?第5页，共47页，2023年，2月20日，星期三生产过程工业控制机图1.2计算机控制系统的组成框图生产过程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。包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。1.1.2硬件系统第6页，共47页，2023年，2月20日，星期三接收输入的指令和工业对象的信息，向系统各部分发送命令和数据。包括显示操作台、屏幕显示器(CRT)或数码显示器、键盘、打印机、记录仪等。从被控对象采集的模拟量或数字量信号转换为计算机能够接收的数字量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。图1.2计算机控制系统的组成框图包括磁盘、光盘、磁带，主要用于存储大量的程序和数据。将计算机的处理结果转换成可以对被控对象进行控制的信号。第7页，共47页，2023年，2月20日，星期三

工业控制机硬件：硬件是指计算机本身及外围设备。

计算机硬件过程输出接口计算机过程输入接口存储器人机接口第8页，共47页，2023年，2月20日，星期三软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和.软件系统软件应用软件是专门用来使用和管理计算机的程序，包括操作系统、监控管理程序、语言处理程序和故障诊断程序等。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。1.1.3软件系统第9页，共47页，2023年，2月20日，星期三计算机控制系统分级控制系统数据采集系统直接数字控制系统现场总线控制系统集散型控制系统1.2计算机控制系统的应用类型计算机监督控制系统根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要分为六种类型第10页，共47页，2023年，2月20日，星期三1.2.1数据采集系统计算机承担数据的采集和处理工作。数据采集系统对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录以及变量的超限报警。同时对变量进行累计和实时分析。第11页，共47页，2023年，2月20日，星期三 采用计算机代替模拟仪表控制，只要改变程序就可以对控制对象进行控制，因此计算机可以控制几百个回路，并可以对上下限进行监视和报警。工业生产现场环境恶劣，干扰频繁，直接威胁着计算机的可靠运行。因此，必须采取抗干扰措施。1.2.2直接数字控制系统（DDC）第12页，共47页，2023年，2月20日，星期三1.2.2直接数字控制系统（DDC）（a）（b）第13页，共47页，2023年，2月20日，星期三计算机通过过程输入通道对变量作巡回检测1.2.2直接数字控制系统（DDC）根据变量，按照一定的控制规律进行运算其结果经过输出通道，作用到控制对象。模拟量输入微型计算机模拟量输出生产过程数字量输入数字量输出显示打印磁盘磁盘第14页，共47页，2023年，2月20日，星期三储酒罐测控装置

一、概述

储酒罐测控装置可满足大多数葡萄酒厂的陈酿工艺。该装置以智能仪表为核心，随时对储酒罐进行监测，仪表支持RS485总线通讯，方便组成基于计算机的监控系统。

二、功能与特点

该装置以公司开发的DMC智能仪表为核心，配以传感器、控制器等组成。各酒罐被视为独立测控对象，一罐一表，具有相对独立的可靠性。DMC智能仪表还具有传感器开路检测、故障报警等功能，使其更具可靠性主要功能：

1、酒罐温度测量功能；

2、液位/重量测量功能；(可附加液位/重量超限报警功能)。

3、定量输入/输出功能；

4、数据通讯功能；DDC智能仪表可支持RS485总线通讯。若扩展通讯，十分简单方便，便于组成更高级的测控系统。

第15页，共47页，2023年，2月20日，星期三空气处理机组的监控系统图第16页，共47页，2023年，2月20日，星期三供热站系统监控系统分析热源用户端第17页，共47页，2023年，2月20日，星期三3计算机监督控制系统(SCC)DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机进行优化分析计算，产生最优化设定值。用数字控制仪器代替，再配以输入采样器、A/D转换器和D/A转换器、输出扫描器，便是SCC加数字控制器的SCC系统。当SCC计算机出现故障时，由数字控制器独立完成控制任务，比较安全可靠。第18页，共47页，2023年，2月20日，星期三第19页，共47页，2023年，2月20日，星期三4分级控制系统

生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。

由若干台微处理器或微机分别承担部分控制任务，代替了集中控制的计算机。

这种系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别完成不同的控制功能，管理则采用集中管理。第20页，共47页，2023年，2月20日，星期三(3)工厂集中控制级它可根据上级下达的任务和本厂情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车间的协调，并及时向上级报告。(4)企业管理级制定长期发展现划、生产销计划，发命令至各工厂，并接受反馈信息，实现全企业的总调度。（2)车间监督级(SCC级)它根据厂级计算机下达的命令和通过装置控制级获得的生产过程数据，进行最优化控制。

(1)装置控制级(DDC级)对生产过程进行直接控制，使所控制的生产过程在最优工作状况下工作。第21页，共47页，2023年，2月20日，星期三第22页，共47页，2023年，2月20日，星期三5集散控制系统

协调各控制站的工作达到过程的动态最优化人机接口装置，完成操作、显示和监视任务集散控制系统是分布式结构系统。完成过程的现场控制任务实现了地理上和功能上分散的控制，将各个分散的信息集中起来，进行集中的监视和操作。采集非控制过程信息第23页，共47页，2023年，2月20日，星期三➢集散控制系统是一种典型的分级分布式控制结构。➢集散控制系统有计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点．又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。➢集散控制系统容易实现复杂的控制规律，系统是积木式结构，结构灵活，可大可小，易于扩展。第24页，共47页，2023年，2月20日，星期三6现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)，是新一代分布式控制结构，采用工作站-现场总线智能仪表的二层结构模式。现场数字执行器现场数字控制功能模块服务器工作站现场数字传感器第25页，共47页，2023年，2月20日，星期三1.3信号处理在连续量控制系统中，控制信号、反馈信号和偏差信号都是连续型的时间信号；而在计算机控制系统中，计算机的输入、输出都是离散型的时间函数。CPUD/A执行器对象采样器A/D第26页，共47页，2023年，2月20日，星期三1.3.1输入信号处理➢为了实现计算机对生产过程的控制，需要将被控对象的各种测、控变量按要求的方式送入计算机，以便运算和处理。➢被控对象所提供的信息是纷繁复杂的，其种类、性质及大小等各不相同，因此需要通过某种装置将生产过程中的各种被测变量转换成计算机能够接受的信号，这种在计算机与生产过程之间，起着信号转换并向计算机传送信息的装置称之为输入通道。输入通道的信号处理包括数字量输入信号处理和模拟量输入信号处理。第27页，共47页，2023年，2月20日，星期三图1.2计算机控制系统的组成框图1．数字量输入信号处理信号变换电路整形电路信号和接口电路电平变换电路计算机不能直接接受生产现场的状态量因此，必须通过输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。数字量通道第28页，共47页，2023年，2月20日，星期三2．模拟量输入信号处理检测各种非电量过程变量，并将其转换为电信号。将多路模拟信号按要求分时输出放大器将传感器输出的微弱电信号放大到A/D转换器所需要的电平采样保持器对模拟信号进行采样，在模/数转换期间对采样信号进行保持将模拟信号转换为二进制数字信号接口电路提供模拟量输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路第29页，共47页，2023年，2月20日，星期三3．模拟量输入信号采样过程计算机对某个随时间变化的模拟量进行采样，是利用定时器控制的开关，每隔一定时间使开关闭合而完成一次采样。开关重复闭合的时间间隔T称为采样周期，其倒数ƒs=1/T称为采样频率。采样过程，是指将一个连续的输入信号经开关采样后，转变为发生在采样开关闭合瞬时0、T、2T…nT的一连串脉冲输出信号ƒ*(t)，如图1.11所示。式中

ƒ*(t)——输出脉冲序列

ƒ(kT)——输出脉冲数值序列；

δ(t-kT)——发生在t=kT时刻上的单位脉冲（1-1）第30页，共47页，2023年，2月20日，星期三单位脉冲函数的定义为

（1-2）根据理想单位脉冲函数的定义式(1-2)，在采样开关闭合时，ƒ(kT)与ƒ(t)的瞬时值相等，式(1-1)还可改写成如下形式式(1-3)说明，数字控制系统中的采样过程可以理解为脉冲调制过程。在这里，采样开关只起着理想脉冲发生器的作用，通过它将连续信号ƒ(t)调制成脉冲序列ƒ*(t)。（1-3）第31页，共47页，2023年，2月20日，星期三4．香农采样定理采样后的离散信号ƒ*(t)才能够无失真地复现ƒ(t)一个连续时间信号ƒ(t)，设其频带宽度是有限的，其最高频率为ƒmax，如果在等间隔点上对该信号ƒ(t)进行连续采样，为了使采样后的离散信号ƒ*(t)能包含原信号ƒ(t)的全部信息量，则采样频率只有满足下面的关系 ƒs≥2ƒmax（1-4） 式中ƒs——采样频率； ƒmax——ƒ(t)最高频率。 在实际工程中采样频率的选择还跟采样回路数和采样时间有关，一般根据具体情况选用。ƒs≥（5~10）ƒmax采样定理表明，采样频率ƒs的选择至少要比ƒmax高二倍，对于连续模拟信号ƒ(t)，我们并不需要有无限多个连续的时间点上的瞬时值来决定其变化规律，而只需要有各个等间隔点上的离散抽样值就够了。为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。

第32页，共47页，2023年，2月20日，星期三5．数字滤波数字滤波优点：①数字滤波是用程序实现的，不需要硬件设备，所以可靠性高、稳定性好。②数字滤波可以滤除频率很低的干扰，这一点是模拟滤波难以实现的。③数字滤波可以根据不同的信号采用不同的滤波方法，使用灵活、方便。数字滤波是通过编制一定的计算或判断程序，减少干扰在有用信号中的比重，提高信号真实性的滤波方法。第33页，共47页，2023年，2月20日，星期三常用的数字滤波方法有：数字滤波方法平均滤波程序判断滤递推中位值法滤波一阶滞后滤波加权递推平均滤波程序判断滤波的具体方法是通过比较相邻的两个采样值，如果它们的差值过大，超出了变量可能的变化范围，则认为后一次采样值是虚假的，应予以废除，而用前一次采样值送入计算机。中位值法滤波就是将某个被测变量在轮到它采样的时刻，连续采3次(或3次以上)值，从中选择大小居中的那个值作为有效测量信号。第34页，共47页，2023年，2月20日，星期三管道中的流量、压力或沸腾状液面的上下波动，会使其变送器输出信号出现频繁的振荡现象。若将此信号直接送入计算机，会导致控制算式输出紊乱，造成控制动作极其频繁。甚至执行器根本来不及响应，还会使控制阀因过分磨损而影响使用寿命，严重影响控制品质。(3)递推平均滤波如图1.12所示。图中的黑点表示各个采样值。对于这类信号，仅仅依靠一次采样值作为控制依据是不正确的，通常采用递推平均的方法，即第n次采样的N项递推平均值是n，(n-1)，…，(n-N+1)次采样值的算术平均。第35页，共47页，2023年，2月20日，星期三N值的选择对采样平均值的平滑程度与反应灵敏度均有影响。递推平均算式为：（1-6）式中——第n次N项的递推平均值；——往前递推第i项的测量值；——递推平均的项数。也就是说，第n次采样的N项递推平均值的计算，应该由n次采样往前递推(N-1)项。在实际应用中，可通过观察不同N值下递推平均的输出响应来决定N值的大小。目前在工程上，流量常用12项平均，压力取4项平均，温度没有显著噪声时可以不加平均。第36页，共47页，2023年，2月20日，星期三1.3.2输出信号处理过程输出通道:计算机和执行器之间进行信息传递和变换的装置.1．数字输出信号的处理数字信号的输出必须通过数字量输出通道。数字量输出通道的任务是根据计算机输出的数字信号去控制接点的通、断或数字式执行器的启、停等，简称DO(Digitaloutput)通道。根据被控对象的不同，其输出的数字控制信号的形态及相应的配置也不相同。其中最为常用的数字控制信号是开关量和脉冲量信号第37页，共47页，2023年，2月20日，星期三隔离器一般采用光电隔离器，如TLP521系列；输出驱动器将计算机输出的信号进行功率放大，以满足被控对象要求。继电器、晶闸管(或大功率晶体管)、TTL电平输出等为需要开关量控制信号的执行机构，通过这些开关器件的通、断去控制被控对象。第38页，共47页，2023年，2月20日，星期三2．模拟输出信号的处理

模拟信号的输出必须通过模拟量输出通道来完成。模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制的关键。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—般由输出接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成。（1）一个通路设置一个数/模转换器:微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障也不会影响其它通路的工作。缺点是使用了使用硬件较多，成本高。但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在逐步得到克服。这种方案较易实现。第39页，共47页，2023年，2月20日，星期三多路信号共用一个数／模转换器。（2）多个通路共用一个数／模转换器的形式

因此它必须在微型机控制下分时工作。即依次把D/A转换器转换成的模拟电压(或电流)，通过多路模拟开关传送到下一级电路。这种结构节省了数／模转换器，但因是分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。

因多路共用一个D/A转换器，所以可靠性较差。第40页，共47页，2023年，2月20日，星期三单回路可编程序控制器概述单回路控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表。具有多路模拟输入、多路开关量输入/输出、通信及诊断功能，可实现复杂运算、控制。原则上只有一路模拟量输出信号---单回路控制器。与模拟调节器在功能上的区别：是自控、计算机、通信技术组合，不仅是调节控制。第41页，共47页，2023年，2月20日，星期三SLPC型可编程序控制器的电路RF-P86FIG2-30SLPC控制器的电路方框图代表机种：YS-80系列的SLPC(SingleLoopProgrammableController)

组成示意图第42页，共47页，2023年，2月20日，星期三主要组成部分

（1）CPU采用8位微处理器8085A，10MHZ、0.2s控制周期（最多可运行240步）。（2）系统软件和用户程序存入内部32KEPROM。（3）现场设定数据及中间结果存入内部2KRAM。（4）5个模拟输入端，可以同时接受5路1~5V直流电平信号。（5）3个模拟输出端，1路4~20mA电流输出驱动执行器，2路1~5V联络信号。（6）6个开关量输入/输出端，利用三态门电路切换输入、输出方式。第43页，共47页，2023年，2月20日