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1、第1章 计算机控制系统概述随着科学技术的进步和发展，计算机在自动控制领域中得到了广泛的应用。计算机控制是计算机技术与自动控制理论及自动化技术紧密结合并应用于实际的结果。它在现代化的工、农、医、国防等领域发挥着越来越重要的作用。本书将侧重应用的角度讨论计算机控制系统的基本工作原理、基本工作方式以及总线技术、输入输出接口技术、数据采集技术、控制策略、软件技术、系统的工程实现以及计算机集散控制系统等。为使读者拓宽知识面，本书还介绍了近年来新发展起来的与计算机控制有关的一些先进技术，如现场总线技术以及计算机集成制造系统等。（是否其中一个改为顿号，这样两个连在一起不太好，请根据关系的远近修改）1. 1计
2、算机控制系统的概念、组成与特点1.1.1 计算机控制系统概述人们用计算机取代了常规的控制设备，从而形成了计算机控制系统。所以，计算机控制系统的基础是自动控制技术和计算机技术，应当从自动控制技术的发展情况和计算机技术向控制领域的渗透两个方面进行了解。（第一段删除了开头的“如前所述”）在古代，中国和外国都出现过一些自动控制装置的雏形。（此处删了一句话，即由于介绍这方面情况的材料很多，不必赘述。）真正得到广泛应用的是18世纪的锅炉供水的水位调节装置和蒸汽机转速调节器。19世纪初，人们设计出一些自动控制系统，但这些成就主要依靠直观的创造发明，缺少理论的分析和描述。19世纪中后期，人们才开始用微分方程描
3、述控制系统的运动情况。第二次世界大战期间及其战后，由于工业和军事的需要，自动控制理论和实践得到了飞速发展，飞机自动驾驶仪、大炮位置控制系统、雷达天线控制系统和其他一些以反馈控制方法为基础的军用装备系统得到了发展。在工业上，出现了各种用于控制生产过程的基地式调节仪表，并逐步发展成单元组合式仪表，由气动、液压仪表过渡到大量使用电动调节仪表，这些都是实现计算机控制的良好基础。世界上第一台电子计算机于1946年在美国问世，经过10多年的研究，到20世纪50年代末已经将计算机用于过程控制。例如，美国德克萨斯州的一个炼油厂，从1956年开始与美国的航天工业公司TRW合作进行计算机控制的研究。到1959年，
4、已经将RW300计算机用于控制聚合装置。该系统控制26个流量、72个温度、3个压力、3种成分。其功能是使反应器压力最小，确定5个反应器进料量的最优分配，根据催化作用控制热水流量和确定最优循环。（超过4以上包括4，都要阿拉伯数字，下同）由于计算机控制方面的上述开创性工作，使计算机逐步渗入到各行各业中。在渗入过程中，既有高潮，也有由于某些失败项目的阴影，而进入低潮。但是，最终还是逐步进入成熟期，从理论分析、系统设计，到工程实践都有一整套方法。从工作性质上来看，计算机逐步由早期的操作指导控制系统转变为直接数字控制(Direct Digital Control，DDC)。操作指导控制系统仅仅向操作人员
5、提供反映生产过程的数据，并给出指导信息，而直接数字控制可以完全替代原有的模拟控制仪表，由计算机根据生产过程数据，对生产过程直接发出控制作用。20世纪60年代，由于集成电路技术的发展，计算机技术也有了很大发展，计算机的体积缩小、运算速度加快、工作可靠、价格便宜。60年代后期，出现了适合工业生产过程控制的小型计算机(Minicomptuter)，使规模较小的过程控制项目也可以考虑采用计算机控制。70年代，由于大规模集成电路技术的发展，1972年出现了微型计算机。微型计算机具有价格便宜、体积小、可靠性高等优点，使计算机控制由集中式的控制结构（是否改为有，要不句子不完整），也就是用一台计算机完成许多控
6、制回路的控制任务，转变成分散控制结构。人们设计出以微型计算机为基础的控制装置。例如，用于控制8个回路的“现场控制器”，用于控制一个回路的“单回路控制器”等。它们可以被“分散”安装到更接近于测量和控制点的地方。这一类控制装置都具有数字通信能力，它们通过高速数据通道和主控制室的计算机相连接，形成分散控制、集中操作和分级管理的布局。这就是“分散控制系统”(Distributed Control Systems，DCS)。对DCS的每个关键部位都可以考虑冗余措施，保证在发生故障时不会造成停产检修的严重后果，使可靠性大大提高。许多国家的计算机和仪表制造厂都推出了自己的DCS，如美国Honeywell公司
7、的TDC一2000和新一代产品TDC一3000，日本横河公司的CENTUM等。现在，世界上几十家公司生产的DCS产品已有50多个品种，而且有了几代产品。除了在过程控制方面计算机控制日趋成熟外，在机电控制、航天技术和各种军事装备中，计算机控制也日趋成熟，得到了广泛的应用。例如，通信卫星的姿态控制，卫星跟踪天线的控制，电气传动装置的计算机控制，计算机数控机床，工业机器人的姿态，力、力矩伺服系统，射电望远镜天线控制，飞行器自动驾驶仪等。在某些领域，计算机控制已经成为该领域不可缺少的因素。例如，在工业机器人的控制中，不使用计算机控制是无法完成控制任务的。在射电望远镜的天线控制系统中，由于使用了计算机控
8、制，引入了自适应控制等先进控制方法而大大提高了控制精度。从80年代后期到90年代，计算机技术又有了飞速的发展，微处理器已由16位发展到32位，并且进一步向64位过渡。高分辨率的显示器增强了图形显示功能。采用多窗口技术和触摸屏调出画面，使操作简单，显示响应速度更快。多媒体技术使计算机可以显示高速动态图像，并有音乐和语音，增强显示效果。另一方面，人工智能和知识工程方法在自动控制领域得到应用，模糊控制、专家控制、各种神经元网络算法在自动控制系统中同样得到应用。在故障诊断、生产计划和调度、过程优化、控制系统的计算机辅助设计、仿真培训和在线维护等方面也愈来愈广泛使用知识库系统(KBS)和专家系统(ES)
9、。90年代随着分散控制系统的广泛使用和工厂综合自动化的要求，对各种控制设备提出了很强烈的通信需求，要求计算机控制的核心设备，如工业控制计算机、现场控制器、单回路调节器和各种可编程控制器(PLC)之问（应该是之间，您肯定是用五笔输入法，所以其他处，尤其是一些专业等问题，您可以注意）具有较强的通信能力，使它们能很方便地构成一个大系统，实现综合自动化的目标。这就是在自动化技术、信息技术和各种生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂的全部生产活动所需要的信息和各种分散的自动化系统实现有机集成，形成能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。这种系统在连续生产过程
10、中被称为计算机集成生产过程系统(Computer Integrated ProductionProcess System，CIPS)。与此相对应的，在机械制造行业，称为计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)。可以预见，在计算机技术、自动控制技术、通信技术(Computer、Control、Communication，3C技术)不断发展和紧密结合的驱动下，计算机控制技术将会突飞猛进，以崭新的面貌出现在我们的面前。1.1.2 计算机控制系统组成计算机在控制领域中的应用，有力地推动了自动控制技术的发展，扩大了控制技术在工业生产
11、中的应用范围，特别是使大规模的工业生产自动化系统发展到了崭新的阶段。计算机控制系统是由计算机（通常称为工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。图1.1 控制系统的一般形式(a) 闭环控制系统框图 （b）开环控制系统框图在工业控制领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。图1.1(a)示出了按偏差进行控制的闭环控制系统。 在控制系统中为了得到控制信号，要将被控参数与给定值进行比较，然后形成误差信号。控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零，从而达到使被控参数趋于或等于给定值的目的。在这种控制系统中，被控量是系统的输出，被控量又反馈到输入端，与输入量(给定值)相减，所以称之
12、为按误差进行控制的闭环控制系统。从图1.1(a)可知，该系统通过测量元件对被控参数(如温度、压力、流量、转速、位移等)进行测量，由变换发送单元将被测参数变成一定形式的电信号，反馈给控制器。控制器将反馈回来的信号与给定信号进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号并驱动执行机构工作，使被控参数与给定值保持一致。 图1.1(b)是开环控制系统。与闭环控制系统不同，它不需要被控对象的反馈信号，控制器直接根据给定值去控制被控对象工作。这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的误差。与闭环控制系统相比，其控制性能显然要差。 由图1.1可见，自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工和比较。
13、这些功能是由检测、变换发送装置、控制器和执行机构来完成的。其中控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系统的控制性能和应用范围。 图1.2 计算机控制系统基本框图 若将图1.1中的控制器的功能用计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1.2所示。如果计算机是微型计算机，就称之为微型机控制系统。简单说来，计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统。在一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件电路产生的，要改变控制规律就要更改硬件电路。而在计算机控制系统中，控制规律是用软件实现的，计算机执行预定的控制程序，就能实现对被控参数的控制。因此，要改变控制规律，只要改变控
14、制程序就可以了。这就使控制系统的设计更加灵活方便。特别是可以利用计算机强大的计算、逻辑判断、记忆和信息传递能力，实现更为复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控制、自适应控制、自学习控制及智能控制等。 在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字量，因此这样的系统需要将模拟量变成数字量的AD转换器，以及将数字量转换成模拟量的DA转换器。 计算机控制系统的控制过程一般可归纳为两个步骤。 实时数据采集。对被控参数的瞬时值实时采集，并输入计算机。 实时决策控制。对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按已确定的控制规律决定进一步的控制过程，适时地向执行机构发出控制信号。以上过程不断重复，使整个系统能
15、按照一定的动态品质指标工作。此外，计算机控制系统还应该能对被控参数和设备本身可能出现的异常状态进行及时监督和处理。控制过程的两个步骤主要由计算机完成，虽然计算机实际上只进行算术、逻辑操作和数据传递等工作。下面以啤酒罐计算机温度控制系统为例来说明计算机控制系统的重要组成部分。在工业生产中，啤酒罐计算机温度控制系统为多点温度控制系统，系统如图1.3所示。啤酒罐的温度要求多点控制，各点温度由铂电阻、恒流源、放大器等构成的测量电路转换成电压信号，由多路开关、采样保持器巡回检测，各点温度经AD转换器变成数字量送到计算机与给定值进行比较后，按照一定的规律运算，输出控制量，然后经过AD转换器、保持器、执行机
16、构分别控制啤酒罐相应各点的温度。（漏了图13了，所以您全书稿交稿之前，一定一一对应检查，图、表都要落实，若是图不好做，您就额外用笔、纸处理，给我邮递过来，但一定要对应。） 从图1.3可知，在计算机控制系统中，计算机不但要完成原来由模拟调节器完成的控制任务，而且还应充分发挥其优势，完成更多模拟调节器不可能完成的任务，从而使控制系统的功能更趋于完善。一般地，计算机在控制系统中至少起到以下3个作用。 实时数据处理。对来自测量变送装置的被控变量数据的瞬时值进行巡回采集、分析处理、性能计算及显示、记录、制表等。 实时监督决策。对系统中的各种数据进行越限报警、事故预报与处理，根据需要进行设备自动启停，对整个系统进行诊断与管理等。 实时控制及输出。根据被控生产过程的特点和控制要求，选择合适的控制规律，包括复杂的先进控制策略，然后按照给定的控制策略和
