1 计算机控制系统概述

走信息路读北邮书本书的封面第1章计算机控制系统概述第2章工业控制计算机第3章I/O接口与过程通道第4章顺序控制与数字控制技术第5章数字控制器设计第6章控制系统的数据处理技术《计算机控制技术》课件走信息路读北邮书本书的封面第7章复杂控制技术第8章计算机控制系统设计与实现第9章智能控制技术基础第10章控制网络技术走信息路读北邮书本书的封面《课程名称》课件第1章计算机控制系统概述第2章工业控制计算机第3章I/O接口与过程通道第4章顺序控制与数字控制技术第5章数字控制器设计第6章控制系统的数据处理技术《课程名称》课件走信息路读北邮书1.1计算机控制系统特征与组成1.2计算机控制系统的分类1.3计算机控制的发展概况及趋势第7章复杂控制技术第8章计算机控制系统设计与实现第9章智能控制技术基础第10章控制网络技术走信息路读北邮书本书的封面计算机控制系统的特征与组成1.11.1.2计算机控制系统的硬件组成1.1.1计算机控制系统的特征与工作原理1.1.3计算机控制系统的软件走信息路读北邮书本书的封面计算机控制系统的分类1.21.2.2直接数字控制系统1.2.1操作指导控制系统1.2.3监督计算机控制系统1.2.4集散控制系统1.2.5现场总线控制系统1.2.6计算机集成制造系统走信息路读北邮书本书的封面计算机控制的发展概况及趋势1.31.3.2计算机控制理论与新型控制策略1.3.1计算机控制的发展过程1.3.3计算机控制系统的发展趋势走信息路读北邮书本书的封面计算机控制系统的特征与工作原理1.1.1将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就可构成典型的计算机控制系统，系统框图如图1.1所示。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。计算机控制系统由硬件和软件两个基本部分组成。硬件指计算机本身及其外部设备，软件指管理计算机的程序及生产过程应用程序。只有软件和硬件有机的结合，计算机控制系统才能正常运行。计算机控制系统的构成如图1.2所示。走信息路读北邮书本书的封面控制器D/A执行机构被控对象检测装置A/D微型机＋－给定值被控量图1.1计算机控制系统基本框图计算机控制系统硬件部分软件部分控制计算机外围设备系统软件应用软件图1.2计算机控制系统的构成走信息路读北邮书本书的封面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。结构特征1走信息路读北邮书本书的封面信号特征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如图1.2所示。在控制系统中引入计算机，利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。由于计算机只能处理数字信号，为了信号的匹配，在计算机的输入和输出必须配置A/D（模/数转换器）和D/A（数/模转换器）。反馈量经A/D转换为数字量以后，才能输入给计算机。然后计算机根据偏差，按某种控制规律（如PID控制）进行运算，计算结果（数字信号）再经D/A转换器，将数字信号转换为模拟信号输出到执行机构，完成对被控对象的控制。其系统结构如图1.1所示。走信息路读北邮书本书的封面图1.2计算机控制系统的信号流程A/D控制器被控对象传感器执行器D/A∑y(t)y*(t)y(nT)e(nT)u(nT)u*(t)r(nT)y(t)y(t)y*(t)y(nT)u(nT)u*(t)ttttt0TTTT00002T2T2T2T101010111011101010111011采样器计算机+-模拟信号离散模拟信号数字信号数字信号量化模拟信号走信息路读北邮书本书的封面⑴过程输出通道，包含由D/A转换器组成的模拟量输出通道和开关量输出通道。⑵过程输入通道，包含由A/D转换器组成的模拟量输入通道和开关量输入通道。⑶人机交互通道，系统操作者通过人机交互通道向计算机控制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等，计算机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对像控制效果等。按照计算机控制系统中信号的传输方向，系统的信息通道由三部分组成走信息路读北邮书本书的封面⑴以软件代替硬件⑵数据存储⑶状态、数据显示⑷管理功能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：模拟调节规律离散化设计法，直接设计法。控制方法特征3功能特征4走信息路读北邮书本书的封面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,并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理计算机控制系统的工作原理5走信息路读北邮书本书的封面⑴在线方式和离线方式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。⑵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。计算机控制系统的工作方式6走信息路读北邮书本书的封面计算机控制系统的硬件组成1.1.2图1.4计算机控制系统硬件组成框图微型计算机接口接口接口接口接口接口接口A/DD/A输入调理电路输出驱动器多路开关多路开关变送器I/V变送传感器执行机构采样保持信号调理通信设备人机联系生产过程通用外部设备I/O通道主机及操作台信号检测控制操作生产对象软件显示终端打印机磁盘驱动器走信息路读北邮书本书的封面CPU、ROM、RAM及时钟电路、复位电路等构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、报警处理等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。主机1走信息路读北邮书本书的封面I/O接口与I/O通道是主机与外部连接的桥梁。常用的I/O接口有并行接口、串行接口等，他们大部分是可编程的。I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。模拟量I/O通道的作用是，一方面将由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换为二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制信号变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字通道的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。I/O接口2走信息路读北邮书本书的封面通用外部设备主要是为了扩大计算机主机的功能而设置的。他们用来显示、打印、存储和传送数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器（CRT）、软盘、硬盘等。通用外部设备3检测元件与执行机构4传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变为电学量，变送器的作用是将传感器得到的电信号转换成适合于计算机接口使用的电信号（如0—10mADC）。此外，为了控制生产过程，还必须有执行机构。常用的执行机构有电动、液动、气动调节阀、开关，交、直流电动机，步进电动机等。走信息路读北邮书本书的封面操作台是人-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。它主要由以下四部分组成：⑴作用开关。如电源开关、操作方式（自动/手动）选择开关等。通过这些开关，人们可以对主机进行启停、设置和修改数据以及修改控制方式等等。作用开关可通过接口与主机相连。⑵功能键。功能键主要包括复位键、启动键、打印键及工作方式选择键等等。主要是为了操作方便。⑶LED数码管及CRT显示。用来显示被测参数及操作人员感性趣的内容。如显示数据表格、系统流程、开关状态以及报警状态等。⑷数字键。用来输入数据或修改控制系统的参数。操作台5走信息路读北邮书本书的封面计算机控制系统软件按功能分类，软件软件分为系统软件和应用软件两大部分。系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。应用软件是面向生产过程的程序，如A/D、D/A转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。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。1.1.3走信息路读北邮书本书的封面操作指导控制系统1.2.1操作指导控制系统（OperationalInformationSystem——OIS）指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作。走信息路读北邮书本书的封面直接数字控制系统1.2.2直接数字控制系统（DirectDigitalControlsystem——DDC是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。微型计算机显示打印接口接口接口接口数字量输入通道模拟量输出通道检测模拟量输入通道生产过程数字量输出通道检测执行执行设定值走信息路读北邮书本书的封面SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。⑴SCC加上模拟调节器的控制系统这种类型的系统中，计算机对各过程参数进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务。⑵SCC加上DDC的控制系统这是一种二级控制系统，SCC可采用较高档的计算机，它与DDC之间通过接口进行信息交换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给DDC计算机执行控制。走信息路读北邮书本书的封面监督计算机控制系统1.2.3监督计算机控制（SupervisoryComputerControl——SCC）系统：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计算机设定值测量值A/D多路开关传感器模拟调节器生产过程SCC计算机设定值检测值DDCD/A多路开关生产过程A/D多路开关传感器走信息路读北邮书本书的封面集散控制系统（DistributedControlSystem——DCS）就是企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，实现分散控制、集中管理的系统。这种系统每一级都有自己的功能，基本上是独立的，但级与级之间或同级的计算机之间又有一定的联系，相互之间实现通信，分布式计算机控制系统的结构如图1.7所示。走信息路读北邮书本书的封面集散控制系统1.2.4生产管理计算机操作员站工程师站过程控制站生产过程决策管理计算机计算机网关决策管理计算机决策管理计算机生产管理计算机生产管理计算机计算机网关监控计算机站决策管理网络生产管理网络控制网络计算机网关过程控制站过程控制站过程控制站决策管理层生产管理层操作监控层直接控制层走信息路读北邮书本书的封面现场总线控制