浅谈计算机控制过程中的新方法新手段新器件新理论的应用

浅谈计算机控制过程中的新方法、新手段、新器件、新理论的应用电气08-8班吴超0803010814浅谈计算机控制过程中的新方法、新手段、新器件、新理论的应用吴超电气08-8班0803010814一、计算机控制技术的概述1、计算机控制的概念（1）开环控制系统若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。（2）闭环控制系统凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。2、计算机控制系统采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为数字控制系统。若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。进一步，若将连续的控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统的理论基础。3、计算机控制系统的控制过程（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数据分析和处理，并按已定的控制规律决定进一步的的控制过程。（3）实时控制：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。4、计算机控制系统的特点（1）结构上。计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其执行控制功能的核心部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。（2）计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。（3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统与连续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。（4）计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统具有很大灵活性和适应性。（5）计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算能力，一个控制器（控制计算机）经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路。（6）采用计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。5、计算机控制系统的组成计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成，而一个完整的计算机系统应由下列几部分组成：被控对象、主机、外部设备、外围设备、自动化仪表和软件系统。二、计算机控制系统的典型应用方式计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。它们是：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC），DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计算机工业生产过程中最普遍的一种应用方式；监督控制系统（SCC）；分散控制系统（DCS）和现场总线控制系统。1、操作指导控制系统操作指导控制系统机构简单，控制灵活安全，但由于要人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。2、直接数字控制系统（DDC）DDC系统是面向生产过程的底层应用功能。计算机通过自动化仪表、输入通道、输出通道，采集现场参数，经过处理和按一定控制规律的控制算法运算后，向生产过程输出控制信号，直接参与对过程参DAS系统的监视功能。控制方案由软件实现，修改灵活、方便，除能实现PID控制规律外，还能实现多回路的串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制及自适应、自学习、最优控制和智能控制等复杂控制规律的控制。DDC系统一个是闭环控制系统。3、监督控制系统（SCC）SCC系统是一个分机的控制系统。上级的监督计算机从生产过程采集反映工况的参数，进行寻优计算，计算出当时工况下的最佳给定值，提供给下级执行DDC控制的计算机实现对过程的控制。可实现生产过程的最优控制，使控制的目标值达到最佳。SCC可以提高系统的可靠性，当上位机出现故障时，DDC计算机可以独立完成控制操作；当DDC计算机出现故障时监督控制计算机可以取而代之，执行控制任务。SCC是闭环控制系统。4、分散控制系统（DCS）DCS是将计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术（即所谓“四C”技术）结合起来的新型计算机控制系统。它通过数据高速公路（或计算机网络）将分散在不同地方，执行不同功能的计算机连接起来，按照信息共享，分散控制，集中管理，总体配置，各司其职的原则，构成的高性能，高可靠性的计算机控制系统。DCS系统安全，可靠，便于维护、扩展。是一个闭环控制系统，它兼有以上几种系统的功能。5、现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统（FCS）是实现将自动化系统现场控制装置与现场智能仪表互连的实时网络控制系统。现场总线是连接工业工程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，与控制系统和现场仪表联用组成现场总线控制系统。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，它是用新一代的现场FCS代替传统的分散型控制系统DCS，实现现场总线通信网络与控制系统的集成。三、新型控制器件（超声波传感器、视觉传感器）1、超声波传感器（1）概念超声波传感器的工作原理是通过送波器将超声波（振荡频率大于20KHz以上的声波）向对象物发送，受波器接收这种反射波，从接收反射波的有无、多少或从发送超声波到接收反射波所需的时间与超声波声速的关系，来检测对象物的有无或传感器与对象物之间的距离。（2）基本原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。（3）应用领域超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。2、视觉传感器（1）概念具有从一整幅图像捕获光线的数发千计像素的能力，图像的清晰和细腻程度常用分辨率来衡量,以像素数量表示,邦纳工程公司提供的部分视觉传感器能够瞧捕获130万像素，因此，无论距离目标数米或数厘米元，传感器都能看到；细腻的目标图像，视觉传感器应用其本要素是掌握如何应用视觉传感器的两个关键点的照明和软件工具。（2）基本原理在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。（3）应用领域视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。以下只是一些应用范例：在汽车组装厂，检验由机器人涂抹到车门边框的胶珠是否连续，是否有正确的宽度。在瓶装厂，校验瓶盖是否正确密封、装灌液位是否正确，以及在封盖之前没有异物掉入瓶中在包装生产线，确保在正确的位置粘贴正确的包装标签在药品包装生产线，检验阿斯匹林药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片。在金属冲压公司，以每分钟逾150片的速度检验冲压部件，比人工检验快13倍以上。四、新型控制方法（集成PLC与DCS的新型过程控制系统）可编程序控制器（PLC）及集散控制系统（DCS）是目前工业控制领域最广泛使用的两种控制技术，它们各自具有明显的优势及劣势，如PLC在高速的顺序控制中占主导地位，而DCS则在复杂的过程控制中占优势；PLC体积小，使用灵活，价格相对较低，但在通讯功能及管理能力方面不及DCS，DCS虽然通讯及管理能力较强，但体积大，价格相对较高。在这种情况下，用户期望得到一种集PLC与DCS优点于一体的控制系统，这种混合式控制系统（以下简称HCS）应既能完美地实现逻辑及顺序控制，又能很好地完成过程控制，同时还应具有管理功能，且体积小，价格较低，可靠性高。一些自控设备生产厂商已有产品问世，Rockwell公司新近推出的Allen-Bradley（A-B）品牌ProcessLogix过程控制系统便是其中一例。这种混合式控制系统，既吸取传统DCS“管理集中，控制分散”的设计精髓，又保留传统PLC所固有的灵活性及低价位等优点，适用于离散控制、顺序控制及连续控制场合，以最低成本来完成高技术的自动化。1、PLC与DCS比较如果按从弱至强将PLC与DCS的性能划分为1至10个等级，则可将它们的对比列于表1比较项目高速顺序控制复杂过程控制硬件可靠性联网和通讯功能管理能力PLC控制106943DCS控制610889表1PLC与DCS的比较早期的PLC以数字量的顺序控制为主。随着PLC功能不断扩充，PLC增加了模拟量控制功能、PID调节功能、通讯联网功能及分级控制功能等，在过去DCS占统治地位的化工、冶金等行业也可由PLC进行控制。但PLC难以组成大型、复杂、综合的系统，如果过多的PC企图通过网络与过多的PLC通讯，则可能导致瓶颈现象及计时上的困难。DCS是由模拟仪表控制系统发展而来，初期的功能以回路调节为主，之后又加入了顺序控制的功能。DCS的设计思想是操作管理集中，控制分散以提高整个系统的可靠性及管理能力。DCS的上述优势使它在控制系统的高端市场仍占主流。但DCS比PLC价位高，对一些资金有限的中小型企业有时难以承受。2、混合式控制系统结构图1混合式控制系统图1所示为混合式控制系统。该系统主要以DCS的设计思想为基础，综合PLC与DCS的各自优势。它主要由系统网络、操作员工作站、中央服务器、控制器及输入/输出（I/O）模块等部分组成。（1）系统网络对DCS而言，系统网络是整个系统的基础和核心，对整个系统的实时性、可靠性和可扩充性起着决定性的作用。对混合式控制系统也是如此。如图1所示，HCS是分级控制系统，共分两级：操作管理级及过程控制级。操作管理级的各项设备——操作员工作站及中央服务器由N1网连接。N1网是一局域网（LAN），对它的要求是能以较高的速率传输大量数据，可选用Ethernet（以太网）或ARCNET。Ethernet采用载波侦听/多路访问协议，具有10Mbps及100Mbps的通讯速度，但它不具备实时性；ARCNET采用令牌传输协议，具有2.5Mbps的通讯速度，具有好的实时性。N1网的网络拓朴结构可采用星形、总线形、混合形等。总线结构的网络技术比较成熟，施工相对简单，节点的加入或退出也无需中止网络运行，是工业控制网常用的网络结构。N1网的传输介质可使用双绞线、同轴电缆或光纤。N2网将过程控制级的控制器与控制器、控制器与远程I/O、远程I/O与远程I/O连接起来，并使