計算機控制技術及應用論文.doc

淺談計算機控制技術及應用摘要：隨著科學技術的發(fā)展，人們越來越多的用計算機來實現控制。近年來，計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感器技術、顯示技術、通信與網絡技術和微電子技術的高速發(fā)展，給計算機控制技術帶來了巨大的發(fā)展。然而，設計一個性能好的計算機控制系統(tǒng)是非常重要的。計算機控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，一個完整的控制系統(tǒng)還需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，系統(tǒng)的抗干擾性能力是關系到整個系統(tǒng)可靠運行的關鍵。關鍵詞：計算機控制技術、系統(tǒng)、應用 ： , . , , , , , , a . , a . , a , . ： 、正文：一、計算機控制技術的概述1、計算機控制的概念（1）開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，既不需要對系統(tǒng)的輸出量進行測量，也不需要將它反饋到輸入端與輸入量進行比較。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)凡是系統(tǒng)的輸出信號對控制作用能有直接影響的系統(tǒng)都叫作閉環(huán)控制系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)是一個反饋系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個重要問題。2、計算機控制系統(tǒng)采用計算機進行控制的系統(tǒng)稱為計算機控制系統(tǒng)，也稱它為數字控制系統(tǒng)。若不考慮量化問題，計算機控制系統(tǒng)即為采樣系統(tǒng)。進一步，若將連續(xù)的控制對象和保持器一起離散化，那么采樣控制系統(tǒng)即為離散控制系統(tǒng)。所以采樣和離散系統(tǒng)理論是研究計算機控制系統(tǒng)的理論基礎。3、計算機控制系統(tǒng)的控制過程（1）實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行數據分析和處理，并按已定的控制規(guī)律決定進一步的的控制過程。（3）實時控制：根據控制決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。4、計算機控制系統(tǒng)的特點（1）結構上。計算機控制系統(tǒng)中除測量裝置、執(zhí)行機構等常用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能的核心部件是數字計算機，所以計算機控制系統(tǒng)是模擬和數字部件的混合系統(tǒng)。（2）計算機控制系統(tǒng)中除仍有連續(xù)模擬信號之外，還有離散模擬、離散數字等多種信號形式。（3）由于計算機控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號外，還包含有數字信號，從而使計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)在本質上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設計。（4）計算機控制系統(tǒng)中，修改一個控制規(guī)律，只需修改軟件，便于實現復雜的控制規(guī)律和對控制方案進行在線修改，使系統(tǒng)具有很大靈活性和適應性。（5）計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的運算能力，一個控制器（控制計算機）經?？梢圆捎梅謺r控制的方式而同時控制多個回路。（6）采用計算機控制，如分級計算機控制、離散控制系統(tǒng)、微機網絡等，便于實現控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進一步提高 。5、計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，而一個完整的計算機系統(tǒng)應由下列幾部分組成：被控對象、主機、外部設備、外圍設備、自動化儀表和軟件系統(tǒng)。（1）硬件：a) 由中央處理器，時鐘電路，內存儲器構成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部分。 b) 通用外圍設備按功能可分為輸入設備、輸出設備和外存儲器三類。 c) 過程通道，又稱過程通道。 d) 通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中斷管理、直接存取管理、計數/定時等）。 e) 傳感器的主要功能是將被檢測的非電學量參數轉變成電學量。變送器的作用是將傳感器得到的電信號轉變成適用于計算機借口使用的標準的電信號（如）。 f) 計算機控制系統(tǒng)一般要有一套專供運行操作人員使用的控制臺稱為運行操作臺，操作臺一般包括各種控制開關、數字鍵、功能鍵、指示燈、聲信器、數字顯示器或顯示器等。（2）軟件：軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和，如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計算和自診斷等功能的程序。整個系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調工作。從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。二、計算機控制系統(tǒng)的典型應用方式計算機控制系統(tǒng)所采用的形式與它所控制的生產過程的復雜程度密切相關，不同的被控對象和不同的要求，應有不同的控制方案。計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式。它們是：操作指導控制系統(tǒng)；直接數字控制系統(tǒng)（），系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機工業(yè)生產過程中最普遍的一種應用方式；監(jiān)督控制系統(tǒng)（）；分散控制系統(tǒng)（）和現場總線控制系統(tǒng)。1、操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)機構簡單，控制靈活安全，但由于要人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。2、直接數字控制系統(tǒng)（）系統(tǒng)是面向生產過程的底層應用功能。計算機通過自動化儀表、輸入通道、輸出通道，采集現場參數，經過處理和按一定控制規(guī)律的控制算法運算后，向生產過程輸出控制信號，直接參與對過程參系統(tǒng)的監(jiān)視功能。控制方案由軟件實現，修改靈活、方便，除能實現控制規(guī)律外，還能實現多回路的串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制及自適應、自學習、最優(yōu)控制和智能控制等復雜控制規(guī)律的控制。系統(tǒng)一個是閉環(huán)控制系統(tǒng)。3、監(jiān)督控制系統(tǒng)（）系統(tǒng)是一個分機的控制系統(tǒng)。上級的監(jiān)督計算機從生產過程采集反映工況的參數，進行尋優(yōu)計算，計算出當時工況下的最佳給定值，提供給下級執(zhí)行控制的計算機實現對過程的控制。可實現生產過程的最優(yōu)控制，使控制的目標值達到最佳?？梢蕴岣呦到y(tǒng)的可靠性，當上位機出現故障時，計算機可以獨立完成控制操作；當計算機出現故障時監(jiān)督控制計算機可以取而代之，執(zhí)行控制任務。是閉環(huán)控制系統(tǒng)。4、分散控制系統(tǒng)（）是將計算機技術、控制技術、通信技術和顯示技術（即所謂“四C”技術）結合起來的新型計算機控制系統(tǒng)。它通過數據高速公路（或計算機網絡）將分散在不同地方，執(zhí)行不同功能的計算機連接起來，按照信息共享，分散控制，集中管理，總體配置，各司其職的原則，構成的高性能，高可靠性的計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)安全，可靠，便于維護、擴展。是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它兼有以上幾種系統(tǒng)的功能。5、現場總線控制系統(tǒng)（） 現場總線控制系統(tǒng)（）是實現將自動化系統(tǒng)現場控制裝置與現場智能儀表互連的實時網絡控制系統(tǒng)。現場總線是連接工業(yè)工程現場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數字化、雙向、多站點的串行通信網絡，與控制系統(tǒng)和現場儀表聯用組成現場總線控制系統(tǒng)?，F場總線不單單是一種通信技術，也不僅僅是用數字儀表代替模擬儀表，它是用新一代的現場代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)，實現現場總線通信網絡與控制系統(tǒng)的集成。三、工業(yè)控制機 1、工業(yè)控制機的特點（1）安全可靠工業(yè)控制計算機不同于一般用于科學計算或管理的計算機，它的工作環(huán)境比較惡劣，周圍的各種干擾隨時地威脅著它的正常運行，而且它所擔當的控制重任又不允許它發(fā)生異?，F象。因此在設計過程中把安全可靠放在首位。（2）作維護方便操作方便體現在操作簡單、直觀形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握計算機知識才能操作。既要體現操作的先進性，又要兼顧原有得操作習慣。維修方便體現在易于查找故障，易于排除故障。采用標準的功能沒，模板式結構，便于更換故障模板。并在功能模板上安裝狀態(tài)指示燈 和監(jiān)測點，便于維修人員檢查。另外配制診斷程序用來查找故障。（3）時性強工業(yè)控制機的實時性表現在對內部和外部事件能及時的響應，并做出響應的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機處理的事件一般分為兩類，一類是定時事件，如數椐的定時采集、運算控制等；另一類是隨機事件，如事故、報警等。對于定時事件，系統(tǒng)設置時鐘保證定時處理。對于隨機事件系統(tǒng)設置中斷，并根據故障的輕重緩急，預先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生保證優(yōu)先處理緊急故障。（4）通用性好工業(yè)控制計算機的通用靈活性體現在兩個方面，一是硬件模板設計采用標準總線結構，配置各種通用的功能模板，以便在擴充功能時只需增加功能摸板就能實現；二是軟件模塊或控制算法采用標準模塊結構，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按要求選擇各功能模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。（5）濟效益高計算機控制應該帶來高的經濟效益，系統(tǒng)設計時要考慮性能價格比，要有市場競爭意識。經濟效益表現兩個方面，一是系統(tǒng)設計的性能價格比要盡可能高；二是投入產出比要盡可能的低。2、典型工業(yè)控制機介紹（1）總線工業(yè)控制機 總線最早是由美國的公司在1978年推出的，是目前國際上工業(yè)控制領域最流行的標準總線之一，也是我國優(yōu)先重點發(fā)展的工業(yè)標準微機總線之一，它的正式標準為961標準。按總線標準設計制造的模塊式計算機系統(tǒng)，稱為總線工業(yè)控制機。 （2）總線工業(yè)控制機 公司的總線微機最初是為了個人或辦公室使用而設計的，它早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務處理。早期產品基于一塊大底板結構，加上幾個擴充槽。大底板上具有8088處理器，加上一些存儲器，控制邏輯電路等。加入擴充槽的目的是為了外接一些打印機、顯示器、內存擴充和軟盤驅動器接口卡等。四、實例說明1、工業(yè)爐控制的典型情況為了保證燃料在爐膛內正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。它可以防止空氣太多時，過剩空氣帶走大量熱量；也可防止當空氣太少時，由于燃料燃燒不完全而產生許多一氧化碳或碳黑。為了保持所需的爐溫，將測得的爐溫送入計算機計算，進而控制燃料和空氣閥門的開度。為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過低時從爐墻的縫隙處吸入大量過剩空氣，或在壓力過高時大量燃料通過縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計算機，進而控制煙道出口擋板的開度。為了提高爐子的熱效率，還須對爐子排出的廢氣進行分析，一般是用氧化鋯傳感器測量煙氣中的微量氧，通過計算而得出其熱效率，并用以指導燃燒控制。圖：工業(yè)爐的典型控制2、計算機用作順序控制的例子這是一個原料混合和加熱的控制系統(tǒng)，該裝置的任務是：(1)裝入原料A，使液面達到貯槽的一半；(2)裝入原料B，使液面進一步升到百分之七十五；(3)開始攪拌并加熱到95，在此恒定溫度上維持20；(4)停止攪拌和加熱，開動排料泵抽出混合液，一直到液位低于貯槽的5為止。上述過程由計算機自動控制，按照一定的順序重復進行，完成原料混合和加熱控制。 圖：計算機順序控制五、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向1、集散控制系統(tǒng)目前，在過程控制領域，集散控制系統(tǒng)技術已日趨完善而逐步成為廣泛使用的主流系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)又稱為以微處理器為基礎的分散型信息綜合控制系統(tǒng)。集散控制在其發(fā)展初期以實現分散控制為主，因而國外一般沿用分散控制系統(tǒng)的名稱，即（ ）。進入80年代以后，分散控制系統(tǒng)的技術重點轉向全系統(tǒng)信息的綜合管理。因考慮其分散控制和綜合管理兩方面特征，故稱為分散型綜合控制系統(tǒng)，一般簡稱為集散系統(tǒng)。2、可編程序控制器進入20世紀80年代，隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展的功能已經遠遠超出了邏輯運算、順序控制的范圍，高檔的還能如微型計算機那樣進行數學計算、數據處理、故障自診斷、運算、聯網通信等。因此，把它們統(tǒng)稱為可編程序控制器（ ）。 3、計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)（ ）是在自動化技術、信息技術及制造技術基礎上，通過計算機及其軟件，將制造工廠全部生產環(huán)節(jié)，包括產品設計、生產規(guī)劃、生產控制、生產設備、生產過程等所需使用的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，消除自動化孤島，實現多品種、中小批量生產的總體高效益、高柔性的智能制造系統(tǒng)。4、低成本自動化近年來，隨著計算機向高速度、大容量發(fā)展，各種功能完善、價格昂貴的計算機綜合自動化系統(tǒng)日趨完善。與此同時，國際上的科技發(fā)展動態(tài)又向著低成本自動化（ ）的方向發(fā)展。國際自動控制聯合委員會（簡稱自控聯）已把定為系列學術會議之一，第五屆國際會議于1997年在中國召開。5、智能控制系統(tǒng)智能控制還沒有統(tǒng)一的定義，一般認為，智能控制是驅動智能機器自主地實現其目標的自動控制?；蛘哒f，智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機器實現其目標的自動控制。對自主機器人的控制就是一例。所謂智能控制系統(tǒng)就是驅動自主智能機器以實現其目標而無需操作人員干預的自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)必須具有智能調節(jié)和執(zhí)行等能力。智能控制的理論基礎是人工智能、控制論、運籌學和系統(tǒng)學等學科。 六、總結計算機控制技術是一門以電子技術、自動控制技術、計算機應用