計算機控制系統(tǒng)-第1章-王萬成

1、1計算機控制理論與應用計算機控制理論與應用河海大學：王萬成河海大學：王萬成2教材：教材：侯進，計算機控制系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社侯進，計算機控制系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社3第第1章章 計算機控制系統(tǒng)概論計算機控制系統(tǒng)概論本章內(nèi)容: 本章介紹計算機控制系統(tǒng)的定義、特點、分類以及計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。課時數(shù)：2學時。4第第1章章 目錄目錄1.1 計算機控制系統(tǒng)定義1.2 計算機控制系統(tǒng)特點1.3 計算機控制系統(tǒng)分類1.3.1 直接數(shù)字控制系統(tǒng)1.3.2 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)1.3.3 分布式控制系統(tǒng)1.3.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1.3.5 計算機集成制造系統(tǒng)1.4 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢51.1 計算機控制

2、系統(tǒng)定義計算機控制系統(tǒng)定義 計算機控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡稱CCS)就是以計算機為中心，同時借助一些輔助部件，對被控對象進行控制的系統(tǒng)。這里的計算機通常指數(shù)字計算機，可以有各種規(guī)模，如從微型到大型的通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行機構等。部件與被控對象的聯(lián)系以及部件之間的聯(lián)系，可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數(shù)字信號進行聯(lián)系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯(lián)系。 6計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成?？刂撇糠种饕杏嬎銠C系統(tǒng)、執(zhí)行機構和反饋裝置。因為進出計算機的信號都是數(shù)字信號，所以必須有模數(shù)(

3、A/D)轉(zhuǎn)換器將輸入的連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字二進制信號，還要有數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器將數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號，然后發(fā)送給執(zhí)行機構。7圖圖1-1計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構圖計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構圖8控制部分既有硬件又有軟件。軟件由系統(tǒng)軟件和應用軟件組成。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、語言處理程序和服務性程序等，它們通常由計算機制造廠為用戶配套提供，有一定的通用性。應用軟件是為實現(xiàn)特定控制目的而編制的專用程序，如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等，它們涉及被控對象的自身特征和控制策略等，由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。 9被控對象的范圍很廣，包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機械裝置、

4、交通工具、機器人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設施、家用電器和兒童玩具等?？刂颇康氖牵菏贡豢貙ο蟮臓顟B(tài)或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標。10前面的圖1-1表示的是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋裝置通過測量元件對被控對象的參數(shù)，如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移等進行測量，然后把測量值反饋到輸入端。該控制系統(tǒng)如果去掉反饋環(huán)節(jié)就是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)因為不能消除控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差，因此它的控制性能不如閉環(huán)控制系統(tǒng)。111.2 計算機控制系統(tǒng)特點計算機控制系統(tǒng)特點1. 容易實現(xiàn)高級復雜的控制算法。因為計算機的運算速度快、精度高，具有豐富的邏輯判斷功能及大容量的存儲單元，所以容易實現(xiàn)

5、高級復雜的控制算法，如最優(yōu)控制、自適應控制及各種智能控制方法，從而達到常規(guī)模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)的控制質(zhì)量，極大地提高系統(tǒng)的性能。122. 性價比較高。對于模擬控制系統(tǒng)，控制規(guī)律越復雜、控制回路越多，則硬件越復雜、系統(tǒng)成本越高。而一臺計算機可以代替多臺控制儀器，同時控制多個控制回路，即實現(xiàn)群控。因此對于計算機控制系統(tǒng)，增加一個控制回路的費用很少，并且控制規(guī)律的改變和復雜程度的提高可以由編程軟件來實現(xiàn)，不需要改變硬件而增加成本，所以計算機控制系統(tǒng)有很高的性價比。 133. 靈活性強。由于計算機控制系統(tǒng)硬件的模塊化、標準化，使得硬件配置上的可裝配性、可擴充性好。因為計算機控制系統(tǒng)的控制算法是由軟件編

6、程實現(xiàn)的，所以通過修改軟件就可以方便地使系統(tǒng)具有不同的性能，而不必像模擬控制系統(tǒng)那樣需要改變控制器硬件結(jié)構或參數(shù)。所以計算機控制系統(tǒng)具有很高的靈活性。144. 可靠性高。模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)自動檢測和故障診斷，而計算機控制系統(tǒng)則比較方便，并且通過采用各種抗干擾、去噪聲的方法，使得計算機控制系統(tǒng)有很強的可靠性和容錯能力。155. 易于監(jiān)控。由于計算機有自診斷功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，計算機可以立即發(fā)出聲或光的報警信號，方便維護人員迅速地找到故障點，及時進行修復。因此計算機控制系統(tǒng)容易實現(xiàn)實時監(jiān)控和高層次的自動化管理。6. 計算機控制系統(tǒng)還有靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點。隨著對自動控制系統(tǒng)要求的不斷提高

7、，計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越明顯，現(xiàn)代的控制系統(tǒng)幾乎都是計算機控制系統(tǒng)。161.3 計算機控制系統(tǒng)分類計算機控制系統(tǒng)分類計算機控制系統(tǒng)的分類方法很多,如果按計算機參與系統(tǒng)的控制方式來分類,可以分為以下幾種類型。171.3.1 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（Direct Digital Control, 簡稱DDC）系統(tǒng)是指由計算機直接對被控對象進行控制的系統(tǒng)，其原理圖如下圖所示。18計算機通過測量元件對被控對象的一個或多個物理量進行巡回檢測, 然后經(jīng)采樣、A/D轉(zhuǎn)換等過程把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到計算機，計算機根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，向執(zhí)行機構發(fā)出控制指令，從而直接控制被控

8、對象。同時，還可以對結(jié)果進行處理：顯示、打印、監(jiān)控、操作等19優(yōu)點：DDC系統(tǒng)中計算機直接參與閉環(huán)控制過程，它不僅能完全替代模擬控制器，實現(xiàn)多回路控制，而且在不改變硬件的條件下，只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)較復雜的控制規(guī)律，比如前饋控制、非線性控制、自適應控制、最優(yōu)控制等。要求：由于計算機直接參與控制，而且現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，干擾多，所以要求DDC系統(tǒng)的計算機實時性好、可靠性高、抗干擾能力強，一般選用微型機或工控機作為DDC系統(tǒng)的計算機。應用：DDC系統(tǒng)靈活性強，價格便宜，是目前的主流計算機控制系統(tǒng)之一，在各個領域都得到了廣泛的應用。201.3.2 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督

9、控制(Supervisory Computer Control, 簡稱SCC)系統(tǒng)如下圖所示21SCC計算機針對被控對象的狀態(tài)和參數(shù)，按照既定的數(shù)學模型進行優(yōu)化計算，以得到最優(yōu)的給定值并賦給作為執(zhí)行級的DDC計算機，然后由DDC實現(xiàn)控制。 類似于“調(diào)度員”。22優(yōu)點：在直接數(shù)字控制方式中，對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)的給定值是預先設定且無法改變的量，而SCC系統(tǒng)能夠根據(jù)工作狀態(tài)的變化來改變給定值，實現(xiàn)最優(yōu)控制，能夠使生產(chǎn)過程達到最優(yōu)的狀態(tài)。SCC計算機故障時可用DDC計算機工作，或者DDC計算機故障時，也可用SCC計算機代替，所以系統(tǒng)可靠性好。23要求：在SCC系統(tǒng)中，由于SCC級計算機承

10、擔了先進控制、過程優(yōu)化及管理任務，信息存儲量大，計算任務重，要求有較大的內(nèi)存與外存和較為豐富的軟件，因此一般選用高檔的微型計算機作為SCC級計算機。監(jiān)督控制方式的控制效果，主要取決于數(shù)學模型的優(yōu)劣。這個數(shù)學模型一般是針對某一個目標函數(shù)設計的，如果該數(shù)學模型能使目標函數(shù)達到最優(yōu)狀態(tài)，那么這種控制方式就能實現(xiàn)最優(yōu)控制。當數(shù)學模型不理想時，控制效果也不會理想。24應用：SCC+DDC系統(tǒng)較單純的DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，不僅可以進行給定值控制，還可以實現(xiàn)順序控制和自適應控制等，因此在實際中得到了廣泛的應用?？梢园裇CC+DDC控制系統(tǒng)看成是一個兩級計算機控制系統(tǒng)，上級為SCC監(jiān)控級，下級為

11、DDC控制級，兩級計算機之間通過接口進行信息交流。251.3.3 分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，簡稱DCS)也稱為集散控制系統(tǒng)，其原理圖如下圖所示。26分布式控制系統(tǒng)本著“分散控制、集中管理”的模式，自上而下由綜合信息管理級、計算機監(jiān)督控制級和分散控制級三級組成。分散控制級是DCS的基礎，直接控制生產(chǎn)過程。它基本上屬于DDC系統(tǒng)的形式，但由各個工作站組成，每一個工作站分別完成數(shù)據(jù)采集、順序控制或某一個被控制量的閉環(huán)控制等。 27分散控制級收集的數(shù)據(jù)提供給計算機監(jiān)督控制級，而分散控制級的各個工作站接收計算機監(jiān)督控制級發(fā)送的信息，

12、并依此來工作；計算機監(jiān)督控制級的任務是對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視與操作，根據(jù)綜合信息管理級的技術要求，確定分散控制級的最佳給定值，它能全面反映各工作站的情況，提供充分的信息，本級的操作人員可以直接干預系統(tǒng)運行；綜合信息管理級的任務是根據(jù)計算機監(jiān)督控制級提供的信息及任務的要求，編制全面反映整個系統(tǒng)工作情況的報表，審核控制方案，選擇數(shù)學模型，制訂最優(yōu)控制策略并下達命令。28優(yōu)點：DCS綜合應用了計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網(wǎng)絡技術和人機接口技術，對系統(tǒng)進行集中管理、分散控制，具有通用性強、組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡單、調(diào)試方便、運行安全可靠等優(yōu)

13、點，能夠適應工業(yè)生產(chǎn)過程的多種需要。另外，由于DDC系統(tǒng)的工作任務由各工作站分別完成，局部的故障不會影響整個系統(tǒng)的工作，從而避免了集中控制系統(tǒng)危險集中的缺點。29要求：在DCS中，分散的各設備獨立并行工作，只有必要的信息才傳到上一級計算機或中央控制室。應用：由于微型計算機的出現(xiàn)與發(fā)展，為實現(xiàn)分布式控制提供了物質(zhì)和技術基礎。近年來，分布式控制系統(tǒng)獲得了異乎尋常的發(fā)展，是目前國際上公認的最好的控制方式之一，已成為計算機控制系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢。301.3.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Field-bus Control System, 簡稱FCS)是利用現(xiàn)場總線把現(xiàn)場智能設備

14、與控制室相連的系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是全數(shù)字式、雙向、多站的互聯(lián)通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)在國際上流行的通信網(wǎng)絡有CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART和FF等?，F(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設備或具有綜合功能的智能儀表，如傳感器、變送器和執(zhí)行器等。現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種全分布式的控制系統(tǒng)，它以現(xiàn)場總線為紐帶，把掛接在總線上的網(wǎng)絡節(jié)點組成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能。 31優(yōu)點：現(xiàn)場總線技術用數(shù)字信號取代模擬信號，提高了系統(tǒng)的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長了信息傳輸?shù)木嚯x；FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表取代，現(xiàn)場設備具有互換

15、性和互操作性，改變了DCS控制層的封閉性和專用性，不同廠家的現(xiàn)場設備既可互連也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)；通信網(wǎng)絡為開放式互連網(wǎng)絡，可極方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；與DCS相比，F(xiàn)CS能充分發(fā)揮上層系統(tǒng)調(diào)度、優(yōu)化、決策的功能，并且將降低系統(tǒng)投資成本和減少運行費用，如果系統(tǒng)各部分分別選用合適的總線類型，會更有效地降低成本。32要求：現(xiàn)場設備或儀表不是傳統(tǒng)的單功能儀表，而是具有綜合功能的智能儀表，比如溫度變送器不僅具有溫度信號變換和補償功能，而且具有PID 控制（Proportion-Integration-Differentiation Control）和運算功能。應用：現(xiàn)場總線控制始于在20世紀80年代末

16、，應用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域，它將計算機網(wǎng)絡通信與管理引入了控制領域。 331.3.5 計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)計 算 機 集 成 制 造 系 統(tǒng) ( C o m p u t e r I n t e g r a t e d Manufacturing System，簡稱 CIMS)將企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、計劃、產(chǎn)品設計、加工制造、銷售及服務等環(huán)節(jié)和人力、財力、設備等生產(chǎn)要素集成起來，進行統(tǒng)一控制，以得到生產(chǎn)活動的最優(yōu)化。CIMS一般由集成工程設計系統(tǒng)、集成管理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)過程實時信息系統(tǒng)、柔性制造工程系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫、通信網(wǎng)絡等組成。CIMS采用多任務分層體系結(jié)

17、構，其基本控制思想是遞階控制（Hierarchical Control），即把所需任務按層次分級為層狀或樹狀的命令或反饋，由高一級去控制較低一級。34優(yōu)點：CIMS體現(xiàn)了一種對企業(yè)生產(chǎn)過程與生產(chǎn)管理進行優(yōu)化的新理念，統(tǒng)一考慮各種因素以實現(xiàn)優(yōu)化決策。對于大規(guī)模復雜系統(tǒng)，想逐個單元地解決優(yōu)化和控制問題是很困難的，而在遞階結(jié)構中，各級分擔不同工作，同級中還可并行工作，級間協(xié)調(diào)通信比各單元相互通信有效得多。要求：通常對于大系統(tǒng)，總是先實現(xiàn)低級具體設備的控制，然后隨著要求的提高及系統(tǒng)的擴充，可以逐步增添高層控制決策單元。應用：計算機集成制造系統(tǒng)采用遞階控制，非常符合實際需要，因為在許多管理控制系統(tǒng)中，本身就是按照遞階形式組織的。351.4 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢計算機控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢計算機控制系統(tǒng)是自動控制理論與計算機技術相結(jié)合的產(chǎn)物, 計算機相關技術包括多媒體技術、人工智能技術、網(wǎng)絡與通信技術、微電子技術、虛擬現(xiàn)實技術等技術的發(fā)展都勢必會促進計算機控制系統(tǒng)向前發(fā)展。計算機本身也從大型機發(fā)展成小型機、微型機，可靠性得到提高，成本也降低很多。目前，計算機控制技術主要向智能化、網(wǎng)絡化、集成化方面發(fā)展。36智能化人工智能技術的出現(xiàn)和發(fā)展使自動控制向