計(jì)算機(jī)控制技術(shù)chapter1

1、 本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)。第1章 緒論 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制理論、自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，控制理論的發(fā)展，尤其是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，與計(jì)算機(jī)技術(shù)息息相關(guān)。 利用計(jì)算機(jī)快速?gòu)?qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷等信息加工能力，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制以外更復(fù)雜、更全面的控制方案。計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用提供了有力的工具。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制實(shí)踐所提出來(lái)的一系列理論與工程上的問(wèn)題，又進(jìn)一步促進(jìn)和推動(dòng)了控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，不但是國(guó)防、航空航

2、天、導(dǎo)彈制導(dǎo)等高精尖學(xué)科必不可少的組成部分，而且在現(xiàn)代化的工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域也已發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、高級(jí)控制策略、現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)水平必將大大提高。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)介1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2 工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.3 計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展與展望內(nèi) 容 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，控制對(duì)象和控制任務(wù)可從小到大，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，小到控制單個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)或閥門的開(kāi)關(guān)，大到可以控制和管理一條生產(chǎn)線、一個(gè)車間乃至整個(gè)企業(yè)；既可以是單回路參數(shù)的簡(jiǎn)單控制，又可以是復(fù)雜控制規(guī)律的自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、模糊控制和神經(jīng)控制等。下面首先通過(guò)幾個(gè)

3、典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)介紹，以了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的使用、組成結(jié)構(gòu)、功能以及特點(diǎn)，進(jìn)而給出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類。 1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1.1 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式1.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特征 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) (1)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理n自動(dòng)控制 在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 1.1.1 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制器被控對(duì)象被測(cè)量 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) (1)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）和工業(yè)對(duì)象兩大部分組成。圖1-1給出了按偏

4、差進(jìn)行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。 圖1-2中給出了開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，它的控制器直接根據(jù)給定信號(hào)去控制被控對(duì)象工作。被控制量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)控制量不產(chǎn)生影響。與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，它的控制性能較差。 如果把圖1-1中的控制器用微型計(jì)算機(jī)來(lái)代替，就可以構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-3所示。在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，只要運(yùn)用各種指令，就能編出符合某種控制規(guī)律的程序。微處理器執(zhí)行這樣的程序，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制。 1.1.1 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) (2)在線方式和離線方式 在線方式（或聯(lián)機(jī)方式）： 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算

5、機(jī)控制的方式。 離線方式（脫機(jī)方式）：生產(chǎn)過(guò)程不與計(jì)算機(jī)相連，并且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式。 (3)實(shí)時(shí)的含義 所謂實(shí)時(shí)，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。1.1.1 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象變換發(fā)送單元給定信號(hào)被控參數(shù)測(cè)量元件+-圖1-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖1-2 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖控制器被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)給定信號(hào)被控參數(shù)圖1-3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖AD轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控參數(shù)微處理器微型計(jì)算機(jī)給定信號(hào)返回典型

6、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1-4所示。 工業(yè)控制機(jī)：指按生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)和要求來(lái)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它包括硬件和軟件兩個(gè)部分。 生產(chǎn)過(guò)程：包括被控對(duì)象、測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)等裝置。工業(yè)控制機(jī)生產(chǎn)過(guò)程CPU/MEM人機(jī)接口系統(tǒng)支持板磁盤適配器內(nèi)部總線模擬量輸入（AI）通道模擬量輸出（AO）通道數(shù)字量輸入（DI）通道數(shù)字量輸出（DO）通道測(cè)量變送執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣開(kāi)關(guān)電氣開(kāi)關(guān)被控對(duì)象圖1-4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般是由微型計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、輸入輸出通道和操作臺(tái)等組成，如圖1-5所示。圖1-5 微

7、型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖硬件組成硬件組成1. 主機(jī)主機(jī) (1) 采用一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，采用一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心核心； (2) 通過(guò)通過(guò)接口和輸入接口和輸入/輸出輸出(I/O)通道通道，接收檢測(cè)設(shè)備接收檢測(cè)設(shè)備傳來(lái)的信息，并向控制系統(tǒng)的各部件發(fā)出命令傳來(lái)的信息，并向控制系統(tǒng)的各部件發(fā)出命令； (3) 對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制計(jì)算、分析報(bào)警、邏輯報(bào)警控制計(jì)算、分析報(bào)警、邏輯報(bào)警等。等。2. 接口和輸入接口和輸入/輸出通道輸出通道 (1) 是主機(jī)和被控對(duì)象之間進(jìn)行信息交換的紐帶是主機(jī)和被控對(duì)象之間進(jìn)行信息

8、交換的紐帶； (2) 接口按功能分：并行接口、串行接口、接口按功能分：并行接口、串行接口、D/A和和A/D接口；接口； (3) 通道按處理信息分：模擬量通道按處理信息分：模擬量I/O通道、數(shù)字量通道、數(shù)字量I/O通道、開(kāi)關(guān)量通道、開(kāi)關(guān)量I/O通道。通道。硬件組成硬件組成3. 通用外部設(shè)備通用外部設(shè)備 (1) 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與操作人員交換界面，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與操作人員交換界面，通常用來(lái)完通常用來(lái)完成信息的記錄、存儲(chǔ)、顯示、打印、傳輸?shù)裙δ艹尚畔⒌挠涗?、存?chǔ)、顯示、打印、傳輸?shù)裙δ埽?(2) 常用通用設(shè)備包括：顯示器、打印機(jī)、鍵盤、鼠常用通用設(shè)備包括：顯示器、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、大屏幕等。

9、標(biāo)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、大屏幕等。4. 檢測(cè)元件、儀表檢測(cè)元件、儀表 (1) 檢測(cè)元件、儀表檢測(cè)元件、儀表用于測(cè)量生產(chǎn)對(duì)象中的某些參數(shù)，用于測(cè)量生產(chǎn)對(duì)象中的某些參數(shù)，并將非電量的被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量表示并將非電量的被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量表示； (2) 檢測(cè)元件和儀表的精度直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)元件和儀表的精度直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度；的精度； (3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收接收CPU的命令使被控對(duì)象完成規(guī)定的的命令使被控對(duì)象完成規(guī)定的控制動(dòng)作控制動(dòng)作。5. 操作臺(tái)操作臺(tái) (1) 用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互功能用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互功能； (2) 功能：功能： 向計(jì)算機(jī)輸入程序，修改、發(fā)送數(shù)據(jù)，輸出操作向計(jì)

10、算機(jī)輸入程序，修改、發(fā)送數(shù)據(jù)，輸出操作命令；命令； 通過(guò)顯示器顯示控制系統(tǒng)的狀態(tài)；通過(guò)顯示器顯示控制系統(tǒng)的狀態(tài)； 監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及各個(gè)回路的實(shí)時(shí)參數(shù)和工作監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及各個(gè)回路的實(shí)時(shí)參數(shù)和工作狀態(tài)。狀態(tài)。硬件組成硬件組成 軟件是指能完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和。它是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件。1.1.1 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件軟件操作系統(tǒng)語(yǔ)言及處理程序工具軟件數(shù)據(jù)庫(kù)及信息管理系統(tǒng)進(jìn)程管理，存儲(chǔ)管理，設(shè)備管理，文件管理匯編語(yǔ)言，高級(jí)語(yǔ)言，解釋或編譯程序編輯、鏈接、診斷、系統(tǒng)維

11、護(hù)程序應(yīng)用應(yīng)用軟件軟件公共服務(wù)程序檢測(cè)程序控制程序基本運(yùn)算，函數(shù)運(yùn)算，數(shù)制轉(zhuǎn)換程序巡回檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理，上下限檢查及報(bào)警，數(shù)字濾波，過(guò)程分析程序PID算法，最優(yōu)控制，系統(tǒng)辨識(shí)，直接數(shù)字控制1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式 根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致分為: 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC 監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC 分散控制系統(tǒng)DCS 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1-6所示。它屬于開(kāi)環(huán)控制型結(jié)構(gòu)。這時(shí)計(jì)算機(jī)的輸出與生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)控制單元不直接發(fā)生聯(lián)系，控制動(dòng)作實(shí)際上由操作人員接受計(jì)算機(jī)指示去完成。 計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的控制算法、依據(jù)過(guò)程輸入通道（

12、模擬量輸入通道AI或開(kāi)關(guān)量輸入通道DI）輸入的由測(cè)量元件測(cè)得的信號(hào)數(shù)據(jù)，計(jì)算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信息，如CRT顯示圖形或數(shù)據(jù)、打印機(jī)輸出等去改變調(diào)節(jié)器的給定值或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 圖1-6 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)組成框圖 DDC的構(gòu)成如圖1-3所示。 計(jì)算機(jī)通過(guò)測(cè)量元件對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)，經(jīng)過(guò)程輸入通道輸入計(jì)算機(jī)，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律和給定值進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號(hào)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各個(gè)被控制量達(dá)到預(yù)定的要求。 在DDC系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器參加閉環(huán)控制過(guò)程，而且不需改變硬件，只通過(guò)改變程序就能有效地實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制規(guī)律

13、，如前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等。 由于計(jì)算機(jī)直接與生產(chǎn)過(guò)程相連并承擔(dān)控制任務(wù)，且工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，干擾多，故要求DDC計(jì)算機(jī)可靠性高，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，能獨(dú)立工作。所以一般選用微型機(jī)和工控機(jī)作為DDC的計(jì)算機(jī)。DDC系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的最典型的一種系統(tǒng)。在DDC系統(tǒng)中使用計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器，在熱工、化工、機(jī)械、冶金等部門已獲得廣泛應(yīng)用。 如圖1-7所示。在此系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)各物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)，并按一定的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定值并送給模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測(cè)值進(jìn)行比較后，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計(jì)算，然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)

14、生產(chǎn)過(guò)程的目的。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作。監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式： SCC模擬調(diào)節(jié)器 SCCDDC控制系統(tǒng)。 如圖1-8所示。這實(shí)際上是一個(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一級(jí)為監(jiān)控級(jí)SCC，另一級(jí)為DDC。監(jiān)控級(jí)SCC的作用與SCC模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中的SCC一樣，完成車間或工段等高一級(jí)的最優(yōu)化分析和計(jì)算，并給出最佳給定值送給DDC級(jí)直接控制生產(chǎn)過(guò)程。兩級(jí)計(jì)算機(jī)之間通過(guò)接口進(jìn)行信息交流，當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC級(jí)計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能。因此，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 由于SCC級(jí)計(jì)算機(jī)承擔(dān)了先進(jìn)控制、過(guò)程優(yōu)化與部分管理任務(wù)，信息存儲(chǔ)量大，計(jì)算任務(wù)重，故

15、要求有較大的內(nèi)存與外存和較為豐富的軟件，所以一般選用高檔微型機(jī)或小型機(jī)作為SCC級(jí)計(jì)算機(jī)。管理命令報(bào)告人工監(jiān)管給定值測(cè)量值A(chǔ)/D多路開(kāi)關(guān)檢測(cè)元件生產(chǎn)過(guò)程.管理命令報(bào)告人工監(jiān)管給定值測(cè)量值A(chǔ)/D多路開(kāi)關(guān)檢測(cè)元件生產(chǎn)過(guò)程DDCD/A反多路開(kāi)關(guān).圖1-7 SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖 圖1-8 SCC+DCC控制系統(tǒng)原理圖 集散控制系統(tǒng)（Distributed Control SystemDCS），又稱分散或分布式控制系統(tǒng)分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是一個(gè)四級(jí)系統(tǒng)。各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能如圖1-9所示。 由于計(jì)算機(jī)控制和管理范圍的縮小，使其應(yīng)用靈活方便，可靠性增高；特點(diǎn) 裝置控制級(jí)（DDC級(jí)） 車間監(jiān)督級(jí)（S

16、CC級(jí)） 工廠集中控制級(jí)（MIS） 企業(yè)管理級(jí)（MIS） 將控制功能和危險(xiǎn)性分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制又能實(shí)現(xiàn)管理； 電纜和敷纜成本低，易于施工，且施工周期短。 系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成靈活，易于擴(kuò)展； 采用CRT顯示技術(shù)和智能操作平臺(tái)，使操作、監(jiān)視方便；企業(yè)級(jí)經(jīng)營(yíng)管理計(jì)算機(jī)工廠級(jí)集中控制計(jì)算機(jī)車間級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（SCC）車間級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（SCC）裝置控制級(jí)（DDC）裝置控制級(jí)（DDC）裝置控制級(jí)（DDC）工廠對(duì)象A工廠對(duì)象B工廠對(duì)象C工廠對(duì)象D至其它工廠至其它工廠裝置控制級(jí)（DDC）圖1-9 分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖圖1.9 分散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)分散控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

17、Management NetworkSupervision NetworkControl NetworkFieldNetwork(1) 現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中需要測(cè)控的對(duì)象種類多、數(shù)量大，被測(cè)點(diǎn)不集中。除需要現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中需要測(cè)控的對(duì)象種類多、數(shù)量大，被測(cè)點(diǎn)不集中。除需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制外，有些部門希望在更高的層次上實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制外，有些部門希望在更高的層次上實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)度和管理的自動(dòng)化；的調(diào)度和管理的自動(dòng)化；(2) 控制分散，管理集中；控制分散，管理集中；(3) 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 可靠性高可靠性高 控制功能分散，單臺(tái)計(jì)算機(jī)控制任務(wù)減少，功能明確控制功能分散，單臺(tái)計(jì)算機(jī)控

18、制任務(wù)減少，功能明確 速度快速度快 各級(jí)計(jì)算機(jī)并行工作，數(shù)據(jù)采集、處理和控制分散到個(gè)各級(jí)計(jì)算機(jī)并行工作，數(shù)據(jù)采集、處理和控制分散到個(gè)子系統(tǒng)子系統(tǒng) 系統(tǒng)模塊化系統(tǒng)模塊化 控制分散、功能重復(fù)，便于采用模塊化結(jié)構(gòu)控制分散、功能重復(fù)，便于采用模塊化結(jié)構(gòu) 成本低成本低 不同場(chǎng)合可選用不同檔次計(jì)算機(jī)和外設(shè)不同場(chǎng)合可選用不同檔次計(jì)算機(jī)和外設(shè)(4) 別名：別名：集散控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)實(shí)例實(shí)例：MTPL-2000生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)例：實(shí)例：南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品 實(shí)例：實(shí)例：浙江威盛自動(dòng)化有限公司產(chǎn)品浙江威盛自動(dòng)

19、化有限公司產(chǎn)品 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control SystemFCS）是新一代分布式控制系統(tǒng)。采用了不同于DCS的結(jié)構(gòu)模式：“工作站現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”的二層結(jié)構(gòu)，完成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，F(xiàn)CS是一種正在發(fā)展的很有前途的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1. 什么是現(xiàn)場(chǎng)總線什么是現(xiàn)場(chǎng)總線 是指連接是指連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和和自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的的數(shù)字式、雙向傳輸、多分?jǐn)?shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信控制網(wǎng)絡(luò)支結(jié)構(gòu)的通信控制網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場(chǎng)總線概念是現(xiàn)場(chǎng)總線概念是20世紀(jì)世紀(jì)80年代提出的，發(fā)展至今，

20、已經(jīng)形成了多年代提出的，發(fā)展至今，已經(jīng)形成了多種多樣的現(xiàn)場(chǎng)總線。種多樣的現(xiàn)場(chǎng)總線。 市場(chǎng)上流行的主要有：市場(chǎng)上流行的主要有：CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò)）、（控制局域網(wǎng)絡(luò)）、LonWorks（局（局部操作網(wǎng)絡(luò)）、部操作網(wǎng)絡(luò)）、Profibus（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）、（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）、HART（可尋址遠(yuǎn)程傳（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）、感器數(shù)據(jù)通路）、FF（現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)）現(xiàn)場(chǎng)總線等。（現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)）現(xiàn)場(chǎng)總線等。 現(xiàn)場(chǎng)總線不僅僅是一個(gè)通信協(xié)議，也不僅僅是用智能儀表代替?zhèn)鳜F(xiàn)場(chǎng)總線不僅僅是一個(gè)通信協(xié)議，也不僅僅是用智能儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬儀表，而是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)框架，代替了傳統(tǒng)的集散控制統(tǒng)模擬儀表，而是一個(gè)完整

21、的控制系統(tǒng)框架，代替了傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)DCS，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) FCS是由是由DCS發(fā)展而來(lái)的，如下圖所示。發(fā)展而來(lái)的，如下圖所示。 DCS 和和FCS結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (1) 全數(shù)字通信全數(shù)字通信 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的DCS采用采用420mA模擬信號(hào)傳輸方式。該種傳輸方式是一模擬信號(hào)傳輸方式。該種傳輸方式是一對(duì)一方式（一對(duì)傳輸電纜只能傳送一路信號(hào)），因此中央控制主機(jī)對(duì)一方式（一對(duì)傳輸電纜只能傳送一路信號(hào)），因此中央控制主機(jī)就不能得到除測(cè)量或控制信號(hào)以外的其他控制信息。而且，模擬信就不能得到除測(cè)量或控

22、制信號(hào)以外的其他控制信息。而且，模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中很容易被其他信號(hào)或環(huán)境噪聲所干擾，傳輸精度不號(hào)在傳輸過(guò)程中很容易被其他信號(hào)或環(huán)境噪聲所干擾，傳輸精度不高，經(jīng)常成為改善控制性能的一塊攔路石，即使控制器再好，控制高，經(jīng)常成為改善控制性能的一塊攔路石，即使控制器再好，控制效果總不太理想。效果總不太理想。 現(xiàn)場(chǎng)總線采用完全的數(shù)字信號(hào)傳輸。該種傳輸方式使得現(xiàn)場(chǎng)總線采用完全的數(shù)字信號(hào)傳輸。該種傳輸方式使得信號(hào)的信號(hào)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)機(jī)制檢錯(cuò)、糾錯(cuò)機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)，因此它的得以實(shí)現(xiàn)，因此它的抗干擾能力和魯棒性都比較高，抗干擾能力和魯棒性都比較高，傳輸精度明顯提高傳輸精度明顯提高。 全數(shù)字通信使得多參數(shù)傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)

23、全數(shù)字通信使得多參數(shù)傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)量、控制。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的測(cè)量、控制信息以及其他非控制信息，如設(shè)備類型、型號(hào)、廠商信息、量程、信息以及其他非控制信息，如設(shè)備類型、型號(hào)、廠商信息、量程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等都可以通過(guò)一對(duì)導(dǎo)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等都可以通過(guò)一對(duì)導(dǎo)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備，如中央控制器等，從而消除了模擬信號(hào)的傳輸瓶頸。設(shè)備，如中央控制器等，從而消除了模擬信號(hào)的傳輸瓶頸。 2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)魯棒性魯棒性 魯棒是魯棒是Robust的音譯，也就是健壯和強(qiáng)壯的意思。的音譯，也就是健壯和強(qiáng)壯的意思。 魯棒性（魯棒性（robustness）就是系統(tǒng)的

24、健壯性。它是在異）就是系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說(shuō)，計(jì)算機(jī)軟件在常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說(shuō)，計(jì)算機(jī)軟件在輸入錯(cuò)誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過(guò)載或有意攻擊情況下，能否輸入錯(cuò)誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過(guò)載或有意攻擊情況下，能否不死機(jī)、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。不死機(jī)、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。 所謂所謂“魯棒性魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。侵缚刂葡到y(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性。根據(jù)對(duì)性能的不同的參數(shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性。根據(jù)對(duì)性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉

25、環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。魯棒性魯棒性 魯棒性原是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)專門術(shù)語(yǔ)，魯棒性原是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)專門術(shù)語(yǔ)，2020世紀(jì)世紀(jì)7070年年代初開(kāi)始在控制理論的研究中流行起來(lái)，用以表征控制代初開(kāi)始在控制理論的研究中流行起來(lái)，用以表征控制系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)攝動(dòng)的不敏感性。系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)攝動(dòng)的不敏感性。 在實(shí)際問(wèn)題中，系統(tǒng)特性或參數(shù)的攝動(dòng)常常是不可在實(shí)際問(wèn)題中，系統(tǒng)特性或參數(shù)的攝動(dòng)常常是不可避免的。產(chǎn)生攝動(dòng)的原因主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是由于避免的。產(chǎn)生攝動(dòng)的原因主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是由于量測(cè)的不精確使特性或參數(shù)的實(shí)際值會(huì)偏離

26、它的設(shè)計(jì)值量測(cè)的不精確使特性或參數(shù)的實(shí)際值會(huì)偏離它的設(shè)計(jì)值（標(biāo)稱值），另一個(gè)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受環(huán)境因素的影（標(biāo)稱值），另一個(gè)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受環(huán)境因素的影響而引起特性或參數(shù)的緩慢漂移。因此，魯棒性已成為響而引起特性或參數(shù)的緩慢漂移。因此，魯棒性已成為控制理論中的一個(gè)重要的研究課題，也是一切類型的控控制理論中的一個(gè)重要的研究課題，也是一切類型的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所必須考慮的一個(gè)基本問(wèn)題。制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所必須考慮的一個(gè)基本問(wèn)題。魯棒性魯棒性 對(duì)魯棒性的研究主要限于線性定?？刂葡到y(tǒng)，所涉及的領(lǐng)對(duì)魯棒性的研究主要限于線性定?？刂葡到y(tǒng)，所涉及的領(lǐng)域包括穩(wěn)定性、無(wú)靜差性、適應(yīng)控制等。魯棒性問(wèn)題與控制系域包括

27、穩(wěn)定性、無(wú)靜差性、適應(yīng)控制等。魯棒性問(wèn)題與控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性（頻率域內(nèi)表征控制系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量的一種性統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性（頻率域內(nèi)表征控制系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量的一種性能指標(biāo)）和不變性原理（自動(dòng)控制理論中研究扼制和消除擾動(dòng)能指標(biāo)）和不變性原理（自動(dòng)控制理論中研究扼制和消除擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)影響的理論）有著密切的聯(lián)系，內(nèi)模原理（把外部對(duì)控制系統(tǒng)影響的理論）有著密切的聯(lián)系，內(nèi)模原理（把外部作用信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器來(lái)構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)作用信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器來(lái)構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)原理）的建立則對(duì)魯棒性問(wèn)題的研究起了重要的推的一種設(shè)計(jì)原理）的建立則對(duì)魯棒性問(wèn)題的研究起了重要的推動(dòng)作用。當(dāng)系

28、統(tǒng)中存在模型攝動(dòng)或隨機(jī)干擾等不確定性因素時(shí)動(dòng)作用。當(dāng)系統(tǒng)中存在模型攝動(dòng)或隨機(jī)干擾等不確定性因素時(shí)能保持其滿意功能品質(zhì)的控制理論和方法稱為魯棒控制。早期能保持其滿意功能品質(zhì)的控制理論和方法稱為魯棒控制。早期的魯棒控制主要研究單回路系統(tǒng)頻率特性的某些特征，或基于的魯棒控制主要研究單回路系統(tǒng)頻率特性的某些特征，或基于小攝動(dòng)分析上的靈敏度問(wèn)題?，F(xiàn)代魯棒控制則著重研究控制系小攝動(dòng)分析上的靈敏度問(wèn)題。現(xiàn)代魯棒控制則著重研究控制系統(tǒng)中非微有界攝動(dòng)下的分析與設(shè)計(jì)的理論和方法。統(tǒng)中非微有界攝動(dòng)下的分析與設(shè)計(jì)的理論和方法。魯棒性魯棒性 控制系統(tǒng)的一個(gè)魯棒性是指控制系統(tǒng)在某種類型的擾控制系統(tǒng)的一個(gè)魯棒性是指控制系統(tǒng)

29、在某種類型的擾動(dòng)作用下，包括自身模型的擾動(dòng)下，系統(tǒng)某個(gè)性能指標(biāo)保動(dòng)作用下，包括自身模型的擾動(dòng)下，系統(tǒng)某個(gè)性能指標(biāo)保持不變的能力。持不變的能力。 對(duì)于實(shí)際工程系統(tǒng)，人們最關(guān)心的問(wèn)題是一個(gè)控制系對(duì)于實(shí)際工程系統(tǒng)，人們最關(guān)心的問(wèn)題是一個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)其模型參數(shù)發(fā)生大幅度變化或其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)能否統(tǒng)當(dāng)其模型參數(shù)發(fā)生大幅度變化或其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)能否仍保持漸近穩(wěn)定，這叫穩(wěn)定魯棒性。進(jìn)而還要求在模型擾仍保持漸近穩(wěn)定，這叫穩(wěn)定魯棒性。進(jìn)而還要求在模型擾動(dòng)下系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)仍然保持在某個(gè)許可范圍內(nèi)，這稱為動(dòng)下系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)仍然保持在某個(gè)許可范圍內(nèi)，這稱為品質(zhì)魯棒性。魯棒性理論目前正致力于研究多變量系統(tǒng)具品質(zhì)魯棒性。魯

30、棒性理論目前正致力于研究多變量系統(tǒng)具有穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性的各種條件。它的進(jìn)一步發(fā)展有穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性的各種條件。它的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，將是控制系統(tǒng)最終能否成功應(yīng)用于實(shí)踐的關(guān)鍵。和應(yīng)用，將是控制系統(tǒng)最終能否成功應(yīng)用于實(shí)踐的關(guān)鍵。 (2) 多分支結(jié)構(gòu)多分支結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煞譃椋嚎偩€型、星型、樹(shù)型等多種形式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煞譃椋嚎偩€型、星型、樹(shù)型等多種形式。 該結(jié)構(gòu)不僅大大節(jié)約了布線電纜，而且是布線簡(jiǎn)單、工程安裝該結(jié)構(gòu)不僅大大節(jié)約了布線電纜，而且是布線簡(jiǎn)單、工程安裝周期短，維護(hù)也方便。周期短，維護(hù)也方便。 具有系統(tǒng)擴(kuò)展性，如增加新的設(shè)備只需并行掛接即可，無(wú)需架具有系統(tǒng)擴(kuò)展性，如增加新的設(shè)備只需

31、并行掛接即可，無(wú)需架設(shè)新的電纜，也無(wú)需系統(tǒng)停機(jī)。設(shè)新的電纜，也無(wú)需系統(tǒng)停機(jī)。 (3) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)可控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)可控 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理信息大大增加：功能模塊組態(tài)、通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理信息大大增加：功能模塊組態(tài)、參數(shù)狀況、診斷和驗(yàn)證數(shù)據(jù)、設(shè)備材質(zhì)和過(guò)程條件等。參數(shù)狀況、診斷和驗(yàn)證數(shù)據(jù)、設(shè)備材質(zhì)和過(guò)程條件等。 操作人員可在控制室對(duì)上述信息進(jìn)行管理和利用：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作人員可在控制室對(duì)上述信息進(jìn)行管理和利用：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和標(biāo)定等。進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和標(biāo)定等。 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)探測(cè)到新的設(shè)備，也能及時(shí)識(shí)別失效設(shè)備。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)探測(cè)到

32、新的設(shè)備，也能及時(shí)識(shí)別失效設(shè)備。2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) (4) 互操作性和互換性互操作性和互換性 現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)總線是開(kāi)放的協(xié)議開(kāi)放的協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的符合同一現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)，不同廠商生產(chǎn)的符合同一現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的設(shè)備可以連接在一起，統(tǒng)一組態(tài)和協(xié)同工作。議的設(shè)備可以連接在一起，統(tǒng)一組態(tài)和協(xié)同工作。 來(lái)自不同廠家的相同類型設(shè)備還可以互換，而無(wú)需專用的驅(qū)動(dòng)程來(lái)自不同廠家的相同類型設(shè)備還可以互換，而無(wú)需專用的驅(qū)動(dòng)程序，徹底地改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制層的封閉性和專用性。序，徹底地改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制層的封閉性和專用性。 因此，用戶可以選用不同廠家的最好的設(shè)備和系統(tǒng)，而不必?fù)?dān)因此，用戶可以選用不

33、同廠家的最好的設(shè)備和系統(tǒng)，而不必?fù)?dān)心兼容性，也不必為集成不同品牌的產(chǎn)品而增加額外的投資。心兼容性，也不必為集成不同品牌的產(chǎn)品而增加額外的投資。 (5) 控制分散控制分散 現(xiàn)場(chǎng)總線采用完全分散式控制。現(xiàn)場(chǎng)總線采用完全分散式控制。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既有檢測(cè)、變換、工程量處理和補(bǔ)償工，也有運(yùn)算和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既有檢測(cè)、變換、工程量處理和補(bǔ)償工，也有運(yùn)算和控制功能?？刂乒δ?。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，將傳統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，將傳統(tǒng)DCS、PLC等控制系統(tǒng)復(fù)雜的控制任務(wù)等控制系統(tǒng)復(fù)雜的控制任務(wù)進(jìn)行分解，分散于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，由現(xiàn)場(chǎng)變送器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成控制進(jìn)行分解，分散于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，由現(xiàn)場(chǎng)變送器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成控制回路，并行實(shí)現(xiàn)各部分的控

34、制。同時(shí)也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系回路，并行實(shí)現(xiàn)各部分的控制。同時(shí)也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) (6) 統(tǒng)一組態(tài)統(tǒng)一組態(tài) 由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表都引入了功能塊的概念，所以制造商由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表都引入了功能塊的概念，所以制造商都使用相同的功能塊，這樣就是組態(tài)變得非常簡(jiǎn)單，用戶不需要因都使用相同的功能塊，這樣就是組態(tài)變得非常簡(jiǎn)單，用戶不需要因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表種類不同帶來(lái)組態(tài)方法的不同而進(jìn)行培訓(xùn)或?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表種類不同帶來(lái)組態(tài)方法的不同而進(jìn)行培訓(xùn)或?qū)W習(xí)組態(tài)方法及編程語(yǔ)言。學(xué)習(xí)組態(tài)方法及編程語(yǔ)言。

35、(7) 系統(tǒng)開(kāi)放系統(tǒng)開(kāi)放 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了完全開(kāi)放，無(wú)專利許可要求，面向世界上現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了完全開(kāi)放，無(wú)專利許可要求，面向世界上任何一個(gè)制造商和用戶。任何一個(gè)制造商和用戶。 不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)完全的信息交換，用戶可以不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)完全的信息交換，用戶可以按自己的需要和考慮，自由集成來(lái)自不同廠商的產(chǎn)品，規(guī)?？纱罂尚。醋约旱男枰涂紤]，自由集成來(lái)自不同廠商的產(chǎn)品，規(guī)模可大可小，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 系統(tǒng)集成的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶而不是供應(yīng)商或集成商手中。系統(tǒng)集成的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶而不是供

36、應(yīng)商或集成商手中。 一個(gè)全數(shù)字化、全分散式、可互操作、開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)一個(gè)全數(shù)字化、全分散式、可互操作、開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。2. 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)實(shí)例實(shí)例1. 實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)在限定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事物最初反應(yīng)的特性，實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)在限定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事物最初反應(yīng)的特性，限定時(shí)間的長(zhǎng)短因生產(chǎn)過(guò)程不同而變化，主要考慮一下兩方面限定時(shí)間的長(zhǎng)短因生產(chǎn)過(guò)程不同而變化，主要考慮一下兩方面因素：因素： （1 1）生產(chǎn)過(guò)程只能夠出現(xiàn)的事件持續(xù)時(shí)間；生產(chǎn)過(guò)程只能夠出現(xiàn)的事件持續(xù)時(shí)間； （2 2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在這

37、段時(shí)間能否對(duì)出現(xiàn)的事件作出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在這段時(shí)間能否對(duì)出現(xiàn)的事件作出必要的及時(shí)的反應(yīng)。必要的及時(shí)的反應(yīng)。 為了取得較好的實(shí)時(shí)性，應(yīng)當(dāng)選用為了取得較好的實(shí)時(shí)性，應(yīng)當(dāng)選用速度高的計(jì)算機(jī)和配套速度高的計(jì)算機(jī)和配套的外部通道與接口的外部通道與接口。 2. 良好的輸入良好的輸入/輸出能力輸出能力 （1 1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制量：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制量：模擬量、數(shù)字量和開(kāi)關(guān)量模擬量、數(shù)字量和開(kāi)關(guān)量； （2 2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要與多種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)需要與多種儀器儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳儀器儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳輸接口、各種外設(shè)輸接口、各種外設(shè)相聯(lián)系；相聯(lián)系； （3 3）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有很強(qiáng)的

38、很強(qiáng)的I/OI/O能力，足夠多的能力，足夠多的I/OI/O通道和擴(kuò)充能力通道和擴(kuò)充能力。 3. 標(biāo)準(zhǔn)化和系列化標(biāo)準(zhǔn)化和系列化 （1 1）應(yīng)盡量采用國(guó)際上應(yīng)盡量采用國(guó)際上通用的計(jì)算機(jī)、總線、接口和各通用的計(jì)算機(jī)、總線、接口和各種器件；種器件； （2 2）標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的器件標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的器件可降低成本、提高系統(tǒng)的性可降低成本、提高系統(tǒng)的性能，避免低層次重復(fù)性開(kāi)發(fā)，縮短設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和生產(chǎn)的能，避免低層次重復(fù)性開(kāi)發(fā)，縮短設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和生產(chǎn)的周期。周期。4. 模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)各部分按功能可劃分成若干模塊，對(duì)不同的控制系計(jì)算機(jī)各部分按功能可劃分成若干模塊，對(duì)不同的控制系

39、統(tǒng)采用不同的模塊進(jìn)行組合和設(shè)計(jì)。這樣，可大大提高系統(tǒng)的統(tǒng)采用不同的模塊進(jìn)行組合和設(shè)計(jì)。這樣，可大大提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)的可靠性，主要體現(xiàn)在：開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)的可靠性，主要體現(xiàn)在： （1 1）用現(xiàn)成的功能模塊可用現(xiàn)成的功能模塊可迅速配套組成各種不同類型的系迅速配套組成各種不同類型的系統(tǒng)；統(tǒng)； （2 2）功能模塊由企業(yè)成批生產(chǎn)，可使功能模塊由企業(yè)成批生產(chǎn)，可使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、價(jià)格產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、價(jià)格低廉；低廉； （3 3）系統(tǒng)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活，易于更新?lián)Q代、擴(kuò)充和維護(hù)。結(jié)構(gòu)靈活，易于更新?lián)Q代、擴(kuò)充和維護(hù)。 5. 可靠性可靠性 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境往往十分惡劣，控制現(xiàn)場(chǎng)存在著溫度、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的

40、工作環(huán)境往往十分惡劣，控制現(xiàn)場(chǎng)存在著溫度、濕度、粉塵、震動(dòng)、電磁干擾、電壓不穩(wěn)定等干擾因素，因此必須采取濕度、粉塵、震動(dòng)、電磁干擾、電壓不穩(wěn)定等干擾因素，因此必須采取一系列措施防止干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。一系列措施防止干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合一下要求：一下要求： （1 1）平均無(wú)故障時(shí)間（平均無(wú)故障時(shí)間（Mean Time Before Failures, MTBF） 可利用冗余技術(shù)來(lái)提高控制系統(tǒng)的可靠性?？衫萌哂嗉夹g(shù)來(lái)提高控制系統(tǒng)的可靠性。 （2 2）抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng) 應(yīng)當(dāng)采用抗干擾能力強(qiáng)的應(yīng)當(dāng)采用抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)級(jí)電源、底線隔離、屏蔽

41、地線、工業(yè)級(jí)電源、底線隔離、屏蔽地線、浮空浮空等技術(shù)，防止等技術(shù)，防止電網(wǎng)波動(dòng)帶來(lái)的脈沖干擾和由傳感器、執(zhí)行器電網(wǎng)波動(dòng)帶來(lái)的脈沖干擾和由傳感器、執(zhí)行器引入的地線干擾引入的地線干擾。 （3 3）具有定時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)和硬件自檢功能具有定時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)和硬件自檢功能 應(yīng)配有應(yīng)配有自檢和自診斷電路自檢和自診斷電路，應(yīng)能在運(yùn)行中，應(yīng)能在運(yùn)行中定時(shí)對(duì)主機(jī)和定時(shí)對(duì)主機(jī)和I/OI/O通道進(jìn)行自檢通道進(jìn)行自檢，當(dāng)，當(dāng)系統(tǒng)硬件發(fā)生故障或收到干擾使控制程序偏離系統(tǒng)硬件發(fā)生故障或收到干擾使控制程序偏離時(shí)，能報(bào)警和重新啟動(dòng)時(shí)，能報(bào)警和重新啟動(dòng)。v1.2.1 工業(yè)控制機(jī)的組成v1.2.2 工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu)v1.2.3 工控機(jī)

42、特點(diǎn)工業(yè)控制機(jī)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。 主機(jī)板、內(nèi)部總線和外部總線、人-機(jī)接口、系統(tǒng)支持板、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。 軟件是指能夠完成各種功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。通常由系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件組成。（1）系統(tǒng)軟件：DOS、 WINDOWS （2）支持軟件：匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、編譯語(yǔ)言（3）應(yīng)用軟件：針對(duì)具體控制對(duì)象而開(kāi)發(fā)的軟件口等。 總線就是一組信號(hào)線的集合，它定義了各引線的信號(hào)、電氣、機(jī)械特性，使計(jì)算機(jī)內(nèi)部個(gè)組成部分之間以及不同的計(jì)算機(jī)之間建立信號(hào)聯(lián)系，進(jìn)行信息傳送與通信?？偩€是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部總線和外部總線。 內(nèi)部總線是計(jì)算機(jī)內(nèi)部功能模板之間進(jìn)行

43、通信的總線，它是構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。盡管各種內(nèi)部總線數(shù)目不同，但按功能仍可分為：數(shù)據(jù)總線(Data Bus,DB)、地址總線(Address Bus,AB)、控制總線(Control Bus,CB)、電源總線(Power Bus,PB)四部分?？偩€工控機(jī)總線位總線位計(jì)算機(jī)總線內(nèi)部總線STDPCIVESAEISAPCISA168 外部總線是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其他智能設(shè)備之間進(jìn)行通信的連線。常用的外部總線 串行總線 串行總線是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其他智能設(shè)備之間進(jìn)行串行通信的連線。常用的串行總線有RS-232C、RS-422、RS-485等。 并行總線 IEEE-

44、488并行總線也稱GPIB(General PurposeInterface Bus)總線，60年代中期，美國(guó)HP(惠普)公司就開(kāi)始研究如何解決接口標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，并發(fā)表了接口系統(tǒng)，命名為HP-IB。1975年，IEEE以HP-IB為基礎(chǔ)，制定了IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口總線(GPIB)。目前該總線大量應(yīng)用與船舶電氣儀表中。（1） 可靠性、可維修性好（2） 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（3） 控制的實(shí)時(shí)性（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和強(qiáng)的中斷系統(tǒng)）（4） 完善的輸入/輸出通道（5） 豐富的軟件適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算速度（幾萬(wàn)幾百萬(wàn)次/ 秒）1.3 計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展與展望 1.3.1 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概論 1.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

45、 1.3.3 現(xiàn)代控制策略 1.3.4 智能控制策略開(kāi)創(chuàng)時(shí)期（19551962年）直接數(shù)字控制時(shí)代（19621967年）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（19671972年）微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972至今）采樣定理差分方程Z變換法狀態(tài)空間理論最優(yōu)控制與隨機(jī)控制代數(shù)系統(tǒng)理論系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制普及應(yīng)用PLC廣泛使用智能調(diào)節(jié)儀（4-20mA, RS-232/485）采用新型的DCS和FCS分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)1.3.3 現(xiàn)代控制策略自適應(yīng)控制變結(jié)構(gòu)控制 魯棒控制預(yù)測(cè)控制等目前，研究和工業(yè)應(yīng)用較多的現(xiàn)代控制策略主要有：1.3.3 現(xiàn)代控制策略 自適應(yīng)控制是針對(duì)對(duì)象特性

46、的變化、漂移和環(huán)境干擾對(duì)系統(tǒng)的影響而提出來(lái)的，其基本思想是通過(guò)在線辨識(shí)使這種影響逐漸降低乃至消除。自適應(yīng)控制有模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制兩類。 自適應(yīng)控制是一種逐漸修正、漸進(jìn)趨向期望性能的過(guò)程，適用于模型和干擾變化緩慢的情況，而不適用于環(huán)境干擾強(qiáng)的工業(yè)場(chǎng)合和比較復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程。1.3.3 現(xiàn)代控制策略 首先，變結(jié)構(gòu)控制中的“結(jié)構(gòu)”不是指系統(tǒng)本身的物理結(jié)構(gòu)，而是系統(tǒng)在狀態(tài)空間中的狀態(tài)軌跡的總體幾何性質(zhì)。其次，變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，與其他控制策略的區(qū)別在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，以躍變的方式、有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按預(yù)定的“滑動(dòng)模態(tài)

47、”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。 其優(yōu)點(diǎn)在于它具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)及外擾變化不靈敏、無(wú)需系統(tǒng)在線辨識(shí)，物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但其設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且在狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模平面后，難以嚴(yán)格沿著滑模面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而窯在滑模面兩側(cè)來(lái)回穿越，產(chǎn)生顫動(dòng)。這些限制了它的應(yīng)用。1.3.3 現(xiàn)代控制策略 控制系統(tǒng)的魯棒性是指系統(tǒng)的某種性能或某個(gè)指標(biāo)在某種擾動(dòng)小保持不變的程度（或?qū)_動(dòng)不敏感的程度）。其基本思想是在設(shè)計(jì)中設(shè)法使系統(tǒng)對(duì)模型的變化不敏感，使控制系統(tǒng)在模型誤差擾動(dòng)下仍能保持穩(wěn)定，品質(zhì)也保持在工程所能接受的的范圍內(nèi)。魯棒控制主要有代數(shù)方法和頻域方法，前者的研究對(duì)象是系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣或特征多項(xiàng)式，討論多項(xiàng)式族或矩陣族的魯棒控制；后者是

48、從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)，通過(guò)使系統(tǒng)由擾動(dòng)至偏差的傳遞函數(shù)矩陣的范數(shù)取極小，來(lái)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制規(guī)律。魯棒控制的理論研究十分熱烈，取得了一系列成果，但其應(yīng)用主要集中在飛行器、柔性結(jié)構(gòu)、機(jī)器人上，而較少應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中。其原因在于缺乏良好的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的控制器可能高達(dá)數(shù)十階，難以實(shí)現(xiàn)。1.3.3 現(xiàn)代控制策略 預(yù)測(cè)控制是一種基于模型又不過(guò)分依賴模型的控制策略，其基本思想類似于人的思維和決策，即根據(jù)頭腦中對(duì)外部世界的了解，通過(guò)快速思維不斷比較各種方案可能造成的后果，從中擇優(yōu)予以實(shí)施。它的各種算法是建立在模型預(yù)測(cè)滾動(dòng)優(yōu)化反饋校正等三條基本原理上的，其核心是在線滾動(dòng)優(yōu)化。這種“邊走邊看”的滾

49、動(dòng)優(yōu)化控制策略可以隨時(shí)顧及模型失配、時(shí)變、非線性或其他干擾因素等不確定性，及時(shí)進(jìn)行彌補(bǔ)，減少偏差，以獲得較高的綜合控制質(zhì)量。預(yù)測(cè)控制集建模、優(yōu)化和反饋于一體，三者滾動(dòng)進(jìn)行，其深刻的控制思想和優(yōu)良的控制效果，一直為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目。目前，國(guó)外已開(kāi)發(fā)出商品化的預(yù)測(cè)控制軟件包。但其缺點(diǎn)是在建模中未充分利用過(guò)程的知識(shí)，且計(jì)算耗時(shí)、工作量大。智能控制是自動(dòng)控制與人工智能相結(jié)合的產(chǎn)物，其典型的控制方法有： 模糊控制專家控制神經(jīng)控制遺傳算法 模糊控制是用語(yǔ)言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)用語(yǔ)言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制不需要建立控制對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和非數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語(yǔ)言控制規(guī)則，因此它能繞過(guò)對(duì)象的不確定性、不精確性、噪音以及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯等影響。系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。 由于模糊控制的理論研究較成熟，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適應(yīng)面廣而獲得來(lái)了廣泛的應(yīng)用。目前，許多公司