计算机控制理论

计算机控制理论第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.1自动控制系统的一般形式

从系统基本结构可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。这些功能是由检测元件、变送装置、控制器和执行机构来完成的。其中，控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五

如果把系统基本结构中的控制器和比较环节用计算机来代替，再加上A/D转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，如下图所示。1.2计算机控制系统的一般概念与组成1.2.1计算机控制系统的一般概念第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五计算机控制系统的控制过程1实时数据采集对被控参数的瞬时值进行实时检测，并输入给计算机。2实时决策控制对采集到的被控参数进行处理后，按照已经确定的控制规律，决定当前的控制量。3实时控制输出根据实时计算的结果，适时地向执行机构发出控制信号，实施控制。第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五“实时性”是指计算机控制系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。在确定限定时间时，主要考虑两个因素：1根据工业生产过程出现的事件能够保持多长时间。2该事件要求计算机在多长的时间内必须做出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。

“实时性”一般都要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加速程序执行速度。第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五

计算机控制系统由计算机（通常称为工业控制机）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。1.2.2计算机控制系统的组成第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.硬件组成第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五（1）计算机

计算机是控制系统的核心。它按照预先存放在存储器中的程序、指令，不断通过过程输入通道获取反映被控对象运行工况的信息，并按程序中规定的控制算法，或操作人员通过键盘输入的操作命令自动地进行运算和判断，及时地产生并通过过程输出通道向被控对象发出相应控制命令，以实现对被控对象的自动控制。（2）I/O接口

I/O接口是计算机与被控对象进行信息交换的纽带。计算机通过I/O接口与外部设备进行数据交换。目前大多数I/O接口电路都是可编程的。比如常用的并行接口8155和8255，定时器/计数器8253等。第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五（3）输入和输出通道又称为过程通道。工业对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（一次仪表）变换为电信号。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传输和转换的连接通道。输入和输出通道一般分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。（4）通用外部设备主要是为了扩大计算机的功能而设置的。它们用来显示、打印、存储及传送数据。目前已经有各种各样的通用外部设备可以选择，如打印机、显示器、声光报警器、光盘驱动器及扫描仪等。第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期五（5）操作台

操作台是一个实时的人机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作命令等。主要包括以下4部分：

①作用开关。例如：电源开关，手动/自动开关等，利用这些开关操作人员可以对主机进行启停、设置控制方式等。

②功能键。例如：复位键、启动键、打印键、显示键、工作方式选择健等。利用这些功能键可以向计算机申请中断服务，选择连续工作或单步操作等工作方式。

③数字键。主要用来送入数据或修改控制系统的参数。

④屏幕或显示器。例如：CRT、液晶显示器或LED、LCD数码管显示器。利用这些显示设备，操作人员可以观察系统的工作状态，了解一些过程参数及变化趋势图等，还可以报警。第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期五（6）自动化仪表自动化仪表主要包括测量元件、检测仪表、调节仪表、执行机构等。直接将输入和输出通道与工业对象发生联系。第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五计算机控制系统的软件通常由系统软件和应用软件组成。（1）系统软件

系统软件完成人机交互、资源管理和系统维护等功能。通常包括操作系统、编译程序和诊断程序等，具有一定的通用性，一般由计算机生产商提供。（2）应用软件

应用软件则是专门开发用来完成程序控制、数据采集及处理、巡回检测及报警等规定任务的各种程序。一般是由计算机控制系统设计人员根据所确定的硬件系统和软件环境来开发编写。2.软件组成第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.3工业控制计算机的特点工控机的特点如下：1.可靠性高和可维修性好

可靠性的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障，为此需要采用可靠性技术来解决；

可维修性是指工业控制机发生故障时，维修快速、方便、简单。

工控机通常用于控制连续的生产过程，工控机发生任何故障都将对生产过程产生严重后果。因此要求工控机具有很高的可靠性和很好的可维修性。第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五2.控制的实时性好工控机对生产过程进行实时控制和监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化，当发生异常时能及时处理和报警。因此需要配有实时操作系统和中断系统。3.环境适应性强工控机一般来说都安装在控制现场，所处的环境往往比较恶劣。这就要求工控机具有防尘、防潮、防腐蚀、耐高温以及抗震动等能力。4.输入和输出通道配套好工控机要有丰富的输入和输出通道配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入和输出模板。具有多种类型的信号调理功能，如各类热电偶、热电阻信号的输入调理等。第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五5.系统的扩充性好随着工厂自动化水平的提高，控制规模不断地扩大，要求工控机具有灵活的扩充性。6.控制软件包功能强工控软件包要具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时和历史的趋势记录与显示功能；具有实时报警及事故追忆功能；具有丰富的控制算法程序等。7.系统通信功能强有了强有力的通信功能，工控机便可以构成更大的控制系统，所以要求工控机具有串行通信和网络通信功能。第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.4计算机控制系统的分类1.4.1操作指导控制系统OIS（OperationalInformationSystem）第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五系统特点:1.计算机采集被控对象的参数,处理后输出相关数据；2.操作人员根据计算机的输出数据进行控制操作；3.计算机输出不直接用来控制被控对象。OIS是一种开环控制结构。优点：控制过程简单，并且即使计算机发生故障，也不会影响正常生产过程，因而比较安全。适用于控制规律不是很清楚的系统，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。缺点：需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.4.2直接数字控制系统DDCS（DirectDigitalControlSystem）第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五系统特点:1.计算机巡回检测、采集被控对象的多个参数,处理后输出相关数据；2.计算机将检测结果与设定值进行比较，按一定的控制规律进行运算；操作人员根据计算机的输出数据进行控制操作；3.计算机根据运算结果直接控制执行机构；4.计算机重复上述过程，使被控参数达到预定要求。直接数字控制系统为闭环控制结构。计算机不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的参数调节，而且不需要改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如串级控制、自适应控制等，因此直接数字控制系统设计灵活方便，经济可靠。第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.4.3监督计算机控制系统SCCS（SupervisoryComputerControlSystem）第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1．SCC+模拟调节器的控制系统计算机系统对各个信号进行巡回检测，按给定的数学模型及工艺信息计算出最佳给定值并送给模拟调节器，由模拟调节器与检测值进行比较并输出结果，然后输出到执行机构进行控制调节。当SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五2．SCC+DDC的控制系统该系统实际上是一个两级控制系统。SCC计算机可完成顶级的最优化分析和计算，并给出最佳控制值送给DDC级执行控制过程。两级计算机之间通过通信接口进行信息联系。当DDC级计算机发生故障时，SCC级计算机可以完成DDC的控制功能，使系统可靠性得到了提高。

在监督计算机控制系统中，监督计算机（SCC计算机）按照生产过程的数学模型及原始工艺信息，计算出最佳给定值，送给模拟调节器或以直接数字控制方式工作的计算机（DDC计算机），最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。

第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.4.4集散控制系统（分布式控制系统）DCS（DistributedControlSystem）第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五设计原则

分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调；系统从上到下分为：分散过程控制级（DDC）、计算机监督控制级（SCC）、生产管理/综合信息管理级（MIC）。1.分散过程控制级DDC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。分散过程控制级采集到的数据供监控级调用，各工作站接收监控级发送的信息，并以此工作。分散过程控制级基本上属于DDC系统形式,只不过由多个工作站分别完成。第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五2.计算机监督控制级对生产过程进行监控和操作。该级根据生产管理级的技术要求和通过分散过程控制级获得的生产过程的数据，对分散过程控制级进行最优控制。从计算机监督控制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。3.综合信息管理级整个系统的中枢，它根据监控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。第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.4.5计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五计算机集成制造系统既能完成直接面向过程的控制和优化任务，还能完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理的任务。系统按其功能自上而下可以分成过程直接控制层、过程优化监控层、生产调度层、企业管理层和经营决策层等。

系统除了常见的过程直接控制、先进控制与过程优化控制功能以外，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售、运输等非传统控制的各种功能。因此计算机集成制造系统所要解决的不仅是局部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优，即企业综合自动化问题。第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.4.6现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期五现场总线控制系统的结构模式为“工作站—现场总线智能仪表”二级结构模式，这样就可以将原DCS系统中处于控制室的控制模块、各种输入输出模块置入测控现场，充分利用现场总线设备所具有的数字通信能力，安装于现场的测量变送器直接与阀门等执行机构进行信号传输，因而控制系统可以脱离位于控制室内的主计算机而工作，直接在现场完成测量与控制信号的传递，彻底实现了系统的分散控制。第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期五现场总线控制系统特点1.全数字化无论是现场底层的传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站之间的信息交换，全部采用数字信号。2.开放性开放是指系统对某种标准的一致、公开和对该标准的共同遵守程度。现场总线是开放的，从总线的标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。因此，它可以和任何厂商生产的同一标准的系统、设备相连，进行信号传递和通讯，用户可以共享网络资源。3.智能化由于现场总线设备具有内置高性能的微处理器，因此它具有测量、变送、信号调理、运算、控制、通讯等功能，是一种底层智能设备，可完成自动控制系统的各种功能，且具有逻辑判断能力。第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五4.互操作性不同厂商生产的设备，只要其遵守的是一个协议标准，则可以相互操作，打破了传统的DCS产品互不兼容的缺点，方便了用户。5.风险分散性现场总线是一种全新的分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了集中式计算机控制系统和现有的DCS集中、分散相结合的集散控制系统的体系结构，减轻了主计算机的负担和风险，现场单元具有更高的智能特性，因此，简化了结构，提高了可靠性。

6.环境适应性强现场总线对现场环境的适应性优于其他系统。它工作在生产现场前端，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、电力线等传输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足安全防暴要求等。第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.4.7嵌入式控制系统ECS（EmbeddedControlSystem）嵌入式控制系统是计算机技术、控制技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统，反映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统与一般的PC机上的应用系统不同，是面向特定的具体应用而设计的、对功能、可靠性、成本、体积、功耗等进行严格要求的专用计算机控制系统，不同的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式控制系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。在兼容性方面要求不高，但是在大小，成本方面限制较多。第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五嵌入式控制系统特点：（1）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（2）嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用，通常，嵌入式系统CPU都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率，去除冗余，针对用户的具体需求，对系统进行合理配置，才能达到理想性能。第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五（3）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。（4）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五（5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。（6）通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.5计算机控制系统的发展概况与趋势1.5.1计算机控制系统的发展概况计算机控制技术的发展过程，大致经历了试验阶段、实用普及阶段和分级控制阶段。1.1965年以前是计算机控制技术的试验阶段，这时的计算机控制系统能够完成计算机自动检测和数据处理，实现计算机监督控制和直接数字控制。2.随着小型计算机的出现，计算机控制技术进入了实用普及阶段。计算机在生产过程控制中的应用得到快速发展。但在这个阶段仍然主要是集中型的计算机控制系统。第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五3.随着计算机技术的不断发展，到了20世纪60年代后期，已出现专用于工业生产过程控制的小型计算机。70年代由于微型计算机的出现，计算机控制技术从传统的集中控制系统改进为分布式控制系统。4.在20世纪70年代末期到80年代初期，随着计算机技术和企业管理水平的提高，CIMS的实施开始提到日程上来，最初的开发应用比较集中到机械制造领域主要解决机械制造离散型生产的自动化问题，接着逐渐向其他离散型生产领域。第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五5.到20世纪80年代中期，现场总线技术逐渐发展起来，它是计算机控制、通信和电子技术等飞速发展的产物。它是继集中式控制系统、分布式控制系统后的新一代控制系统。6.同时，随着微电子工艺水平的提高，制造出面向I/O设计的微控制器，也就是单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期五7.20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。在这一时期，随着现场总线控制技术的逐渐成熟、以太网技术的逐步普及、智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，使嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器方便地接入现场总线和工业以太网络，直至与Internet相连。第四十页，共四十四页，编辑于2023年，星期五1.5.2计算机控制系统的发展趋势1.普及应用PLC，并向微型化、网络化和开放性方向发展；2.自动化仪器仪表向数字化、智能化、网络化和微型化方向发展；3.采用新型的DCS和FCS发展以现场总线等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS