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1、范立南 李雪飞 编著机械工业出版社,计算机控制技术第1章 绪论,第1章 绪论,1.1 自动控制系统的一般形式 1.2 计算机控制系统的一般概念与组成 1.3 工业控制计算机的特点 1.4 计算机控制系统的分类 1.5 计算机控制系统的发展概况与趋势,1.1 自动控制系统的一般形式,自动控制系统的基本结构 ：,图1-1 自动控制系统的基本结构,1.1 自动控制系统的一般形式,由图1-1（a）可知，该系统通过测量元件对被控对象的被控参数（如温度、流量、压力、转速等）进行测量，再由变送单元将被测参数变成一定形式的电信号，反馈给控制器。控制器将反馈信号对应的工程量与给定值进行比较，如有误差，则控制器按
2、照预定的控制规律产生控制信号来驱动执行机构工作，使被控参数的值达到预定的要求。又称为按误差进行控制的闭环控制系统。,1.1 自动控制系统的一般形式,图1-1（b）属于开环控制系统。它与闭环控制系统的区别是，它的控制器直接根据给定值去控制被控对象工作的，被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。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，控制性能较差，但结构简单，因此常用于特殊的控制场合。,1.1 自动控制系统的一般形式,从以上分析可以看出，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
3、决定了控制系统的性能和应用范围。,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,如果把图1-1（a）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，其基本框图如图1-2所示。,图1-2 计算机控制系统的基本框图,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,计算机控制系统的控制过程一般可归纳为3个步骤。（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
4、信号，实施控制。,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,“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： 根据工业生产过程出现的事件能够保持多长时间。 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。,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,1.2.2 计算机控制系统的组成,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
5、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 计算机控制系统的一般概念与组成,1硬件组成,图1-3 计算机控制系统的硬件组成框图,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,（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）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
6、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。,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,（3）输入和输出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，这就是输入和输出通道，又称为过程通道。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
7、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。,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,（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。它主要包括以下4个部分： 要有作用开关。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、设置和修改数据以及修改控制方式等。 要有一组功能键。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。 要有屏幕或显示器。例如：CRT、液晶显示器或LED、LCD数码管显
8、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。 要有一组数字键。主要用来送入数据或修改控制系统的参数。,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,（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。,1.2 计算机控制系统的一般概念与组成,2软件,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
9、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。,1.3 工业控制计算机的特点,计算机控制系统中的计算机通常是工业控制计算机，简称工控机，与通常用作信息处理的通用计算机（如PC机）不仅在结构上而且在技术性能方面都有较大差别。,工控机的特点如下：,1可靠性高和可维修性好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。,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
10、障时，维修快速、方便、简单。,1.3 工业控制计算机的特点,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。,1.3 工业控制计算机的特点,4输入和输出通道配套好工控机要具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。,5系统的扩充性好随着工厂自
11、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。,1.3 工业控制计算机的特点,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。,1.4 计算机控制系统的分类,1.4.1 操作指导控制系统OIS （Operational Information System）,原理框图如图1-4所示。,图1-4 操作指导控制系统原理框图,1
12、.4 计算机控制系统的分类,这是一种开环控制结构。其优点是控制过程简单，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。其缺点则是需要人工操作，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。,1.4 计算机控制系统的分类,1.4.2 直接数字控制系统DDCS（Direct Digital Control System）,原理框图如图1-5所示,图1-5 直接数字控制系统原理框图,1.4 计算机控制系统的分类,由图1-5可见，直接数字控制系统为闭环控制系统。其中计算机不仅能完全取代模拟调节器
13、，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。,1.4 计算机控制系统的分类,1.4.3 监督计算机控制系统SCCS（Supervisory Computer Control System）,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。,监督计算机控制系统有两种结构形式：一种是SCC+模拟
14、调节器的控制系统；另一种是SCC+DDC的控制系统。其原理框图如图1-6所示。,1.4 计算机控制系统的分类,1.4 计算机控制系统的分类,图1-6 监督计算机控制系统原理框图,1.4 计算机控制系统的分类,1SCC+模拟调节器的控制系统如图1-6（a）所示。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。2SCC+DDC的控制系统如图1-6（b）所示。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
15、，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。,1.4 计算机控制系统的分类,1.4.4 集散控制系统-分布式控制系统DCS（Distributed Control System）,集散控制系统又称分布式控制系统，是一种分布式控制结构。采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调的设计原则，把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）和生产管理级（MIC），形成分级分布式控制，其结构框图如图1-7所示。,1.4 计算机控制系统的分类
16、,图1-7 集散控制系统原理框图,1.4 计算机控制系统的分类,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。,计算机监督控制级的任务是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。,1.4 计算机控制系统的分类,综合信息管理级是整个系统的中枢，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。,1.4 计算机控制系统的分类,1.4.5 计算机集成制造系统 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）,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。计算机集成制造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。其结构框图如图1-8所示。,
