第05章计算机控制装置

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1、第5章 计算机控制系统,5.1 计算机控制概述,5.1.0 什么是计算机控制 5.1.1 计算机控制系统的基本组成 计算机控制系统的主要设计思想 5.1.2 计算机控制系统的发展过程 5.1.3 计算机控制系统的发展特征 5.1.4 离散PID算法和数字滤波,4 mA输入0000 0000 0000,20mA输入1111 1111 1111,12mA输入？,5.1.0 什么是计算机控制,典型单回路控制系统方块图,工作过程,工作过程：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值； 控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算 控制

2、输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。,5.1.1 计算机控制系统的基本组成,硬件组成, 系统软件 支持软件 应用软件,系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。 如：Windows操作系统、Unix操作系统等都属于系统软件。,它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同,应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。不同控制设备

3、的应用软件所具备的功能是不同的。,软件组成,计算机控制系统的主要设计思想,1. 可靠性,2. 可维护性,3. 实时性,4. 性能价格比,仅作 参考, 可靠性,定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用概率来表示,(1)可靠性指标,可靠度,单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。 例如：在100只晶体管中有95只在上述规定条件下使用未出现故障， 则其可靠度R0.95 样本越高，所得可靠度的准确性就越高,仅作 参考,(1)可靠性指标,可靠度,系统的可靠度除了与构成

4、系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关：串联连接和并联连接是两种典型的连接方式。,如果分析的是断路失效，则： 串联系统中只要有一个子系统失效，系统就会失效 并联系统中全部子系统发生故障，系统才出现故障,R1=R2=0.9， R并0.99 R1=R2=0.99，R并0.9999,仅作 参考,(1)可靠性指标,平均无故障工作时间MTBF(*)(mean time between failures),MTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间,平均故障修复时间MTTR(mean time to repair ),MTTR指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要

5、的平均时间,仅作 参考,(2)提高可靠性的主要措施,选用高性能的控制设备，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。,设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。,采用分散控制思想。,增加后备手操或后备仪表控制系统，一旦系统出现故障，可以把后备装置切换到控制回路中去，保证生产过程的正常运行。,对于可靠性要求更高的特殊控制对象可以设计冗余系统。,采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。,另外，系统可靠性不仅取决于计算机硬件指标，同样也与应用软件直接相关。软件可靠性要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行

6、。,仅作 参考, 可维护性,可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。,设计合理的系统结构。例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。,选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备，可以保证故障设备更换前后的监控程序、运行状态和精度不受影响。,系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。,软硬件具有自诊断功能，便于维修人员对故障点的快速定位、分析检查和排除故障。,仅作 参考, 实时性,计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足够快

7、的响应速度，不丢失信息，不延误操作。,为了满足实时性要求，需要从硬件和软件两方面来考虑。,仅作 参考, 性能价格比,一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。 一般我们要掌握以下两个原则： 一是系统设计的性能价格比要尽可能高； 二是投入产出比要尽可能低。,仅作 参考,5.1.2 计算机控制系统的发展过程,1. 直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）,2. 集中型计算机控制系统,3. 集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）,4. 现

8、场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）, 直接数字量控制,本质 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。,起始于50年代末期，开辟了一个轰 轰烈烈的计算机工业应用时代,优点 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。, 集中型计算机控制系统,出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计

9、算机来控制尽可能多的控制回路。,优越性： 从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。,问 题：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载，而且控制的集中也直接导致危险的集中，高度的集中使系统变得十分“脆弱”。,在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。, 集散控制系统,出发点（2个方面）： (1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现

10、，以提高系统的可靠性； (2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,DCS的功能层次,通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级各级从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。,直接控制,经营 管理,生产管理,过程管理,连续过程,间歇过程,离散过程,经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划,过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警,生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需

11、求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级就充当最高管理层。,直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施,在很多情况下，功能层次和物理层次不一定完全相同，常常将2个或多个功能层上的任务或部分任务压缩到一个物理层次上去实现，这使DCS得以大大简化。,DCS的发展过程,现场总线控制系统,结构示意图,传统计算机控制系统的结构示意图,朴素意义上的 FCS结构示意图,定义,是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,支持双向、多节点、总线式的全数字通讯,双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转换,把控制任务下移到现场设

12、备，以实现测量控制一体化 全分散,本质,特点,评价,已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业“革命”,FCS现场总线控制系统,5.1.3 计算机控制系统的发展特征,随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势,5.1.4 离散化PID控制算法和数字滤波算法,模拟调节器：,信号本身是连续的，信号在时间域内也是连续的,为什么？各部分功能如何实现？,各部分功能由不同的硬件独立完成,数字控制器、计算机控制装置：,信号本身是离散的，信号在时间域内也是离散的,为什么？各部分功能如何实现？,各部分功能由一个CPU分时、

13、周期性地计算完成,由此可见，由于数字控制器和计算机控制装置的PID控制算法也不能 是连续的，需要对PID进行离散化的处理。,离散化PID控制算法,模拟PID调节规律的表达式,在计算机控制系统中，为了便于计算机实现，必须把PID控制规律的模拟表达式变换成差分方程。当采样周期相当短时，积分可以用“求和” 来近似、微分可以用“后向差分”来代替:,把上式代入模拟PID表达式，即可实现离散化。共由两种离散化PID表示形式,位置式PID控制算法,上式的计算结果即等于执行机构的位置，如阀门的开度，因此称为位置式PID控制算法 但要生成一个u(n),需要保存e(0)、e(1) 、e(2) 、e(n)个偏差信息

14、 随着n的增大，计算量也随之增大 而且一旦发生故障，阀位可能发生急剧的变化,增量式PID控制算法,第 n 次的计算结果：,第n1次的计算结果：,二者相减：,增量式PID控制算法：,“增量”体现在何处？好处呢？,增量式PID控制算法的特点：, 增量型算法不需要做累加计算，控制量的增量u(n)仅与最近几次偏差值e(n)、e(n-1)、e(n-2)有关。 增量型算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中只输出阀门开度的变化量，误动作和必要的限制输出，不会对系统产生严重的影响。 采用增量型PID控制算法便于实现手、自动的无扰动切换。 工业现场最常用,改进的PID控制算法,常用数字滤波算法,测量误差是模

15、拟输入信号在信号测量和传输过程中，由引入的干扰和随机噪声引起的 它们可能来自测量仪表本身、传感器、外界干扰等 测量误差有二大类：一类是周期性的干扰，典型代表为50Hz的工频干扰；另一类是随机干扰，这类干扰是指在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则的变化而无法预测，但在多次测量中它是符合统计规律的。,如何来克服干扰？,可以采用硬件滤波方法，也可以采用数字滤波方法来抑制和滤除有效信号中的干扰成分 但是为了提高工业控制系统的可靠性，正确地采用数字滤波技术与硬件抗干扰措施构成的双道抗干扰防线，将大大提高工业控制系统的可靠性。,所谓数字滤波，就是按统计规律通过一定的计算或判断程序，来减少干扰在有

16、效信号中的比重，其实质是一种程序滤波。,中位值滤波,中位值滤波的原理是对被测信号连续采样n次（n一般取大于3的奇数） 然后将采样结果从大到小排列 取其中间值作为本次采样的有效数据 这种滤波方法十分简单，主要用以克服偶然因素引起的干扰 对于温度、液位等缓慢变化的参数，其滤波效果较好 但不适用于流量、压力等快速变化的参数。,算术平均滤波,算术平均滤波的原理是根据输入的n的采样数据xi（i=1n），寻找一个 ，使 与n个样本的偏差的平方和最小：,算术平均滤波适用于随机干扰信号的滤波，信号本身在某一数值范围附近作上下波动 滤波结果的平滑滤波程度取决于每次滤波的样本数n 当n较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果y的影响小 当n较小时，平滑度较低，但灵敏度高 n值应按计算量和滤波效果等具体情况来选取 如: 对一般流量测量，n(816)； 对压力等测