第1章計算機控制概述

第一章計算機控制概述本章要點

1.了解計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.了解計算機控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成3.初步認識計算機控制系統(tǒng)分類與裝置種類4.初步認識計算機控制系統(tǒng)的特點

5.了解計算機控制系統(tǒng)的的主要研究內(nèi)容6.了解計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

本章主要內(nèi)容

引言

1.1計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

1.2計算機控制系統(tǒng)的分類

1.3計算機控制系統(tǒng)的特點

本章小結(jié)

思考題

1.5

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

1.4

計算機控制系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容

引言

計算機控制技術及工程應用--是把計算機技術與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學問，是以計算機為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。從計算機應用的角度出發(fā)，自動化控制工程是其重要的一個應用領域；而從自動化控制工程來看，計算機技術又是一個主要的實現(xiàn)手段。本書立足于工業(yè)自動化的領域，討論這種不同于普通計算機的計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、相關技術及其工程應用。下圖為一個制藥車間的自動化生產(chǎn)流程。

鏈接動畫1.1計算機控制系統(tǒng)的組成主要知識點:1.1.1控制系統(tǒng)概念1.1.2硬件組成1.1.3軟件組成1.1.1控制系統(tǒng)概念計算機控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來的;常規(guī)儀表組成的自動控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成開環(huán)控制(圖1-1a所示)

與閉環(huán)控制(圖1-1b所示)兩種結(jié)構(gòu)形式;計算機控制系統(tǒng)原理組成—用控制計算機代替圖1-1的控制器，如圖1-1c所示；（1）開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)--不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。環(huán)控制系統(tǒng)不能自動消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環(huán)系統(tǒng)。

uqy控制器執(zhí)行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r(a)開環(huán)控制系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)--閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量變送器對被控對象進行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應的控制信號驅(qū)動執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實現(xiàn)自動控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。euqy控制器執(zhí)行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量

測量值r+_zf干擾圖1-1(b)閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)原理組成

計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計算機即微型計算機及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口與D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口代替，由于計算機采用的是數(shù)字信號傳遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為其輸入信號，以及D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量作為其輸出信號。

圖1-1(c)計算機控制系統(tǒng)原理圖

（4）計算機控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程步驟a.實時數(shù)據(jù)采集--對來自測量變送器的被控量的瞬時值進行采集和輸入；b.實時數(shù)據(jù)處理--對采集到的被控量進行分析、比較和處理，按一定的控制規(guī)律運算，進行控制決策；

c.實時輸出控制--根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行器發(fā)出控制信號，完成監(jiān)控任務；

“實時”性的概念

所謂“實時”，是指信號的輸入、運算處理和輸出能在一定的時間內(nèi)完成，即要求控制計算機對輸入信號要以足夠快的速度進行測量與處理，并在一定的時間內(nèi)反應或產(chǎn)生相應的控制作用。超過這個時間，就會失去控制時機。為了實現(xiàn)上述計算機控制的功能，需要控制計算機在硬件和軟件兩大部分的支持。

1.1.2硬件組成計算機控制系統(tǒng)硬件一般包括：主機--CPU＋RAM＋ROM＋系統(tǒng)總線

常規(guī)外部設備--輸入/輸出設備、外存儲器等過程輸入輸出通道—AI、AO、DI、DO操作臺—CRT、LED、LCD

等通信設備—交換機、modem、集線器等圖1-2所示硬件組成框圖

圖1-2計算機控制系統(tǒng)硬件組成框圖

鏈接動畫控制計算機硬件的特點（1）包含過程輸入輸出設備（2）可靠性高和可維護性好，能適應工業(yè)控制現(xiàn)場惡劣的運行環(huán)境（3）具有高可靠性的實時通信網(wǎng)絡1.1.3軟件組成硬件僅為計算機控制系統(tǒng)的軀體。要使計算機正確地運行解決各種問題，必須為它編制軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，它是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的動作都是在軟件程序指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類；系統(tǒng)軟件一般由計算機廠家提供，專門用來使用和管理計算機本身的程序；應用軟件是用戶針對生產(chǎn)過程要求而編制的各種應用程序。

計算機控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)

在計算機控制系統(tǒng)中，為了滿足實時處理的要求，通常采用實時多任務操作系統(tǒng)。目前控制計算機常用的操作系統(tǒng)主要有UNIX、WINDOWSNT、WINDOWS2000、WINDOWSXP、RMXDOS等具有搶先能力的多任務操作系統(tǒng)，在一些要求不高的場合也有使用WINDOWS98等不具有搶先能力的多任務操作系統(tǒng)，甚至是DOS等單任務系統(tǒng)。在實時多任務操作環(huán)境下，要求將應用系統(tǒng)中的各種功能劃成若干任務，并按其重要性賦予不同的優(yōu)先級，各任務的運行進程及相互間的信息交換由實時多任務操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

1.2控制系統(tǒng)分類

主要知識點1.2.1按功能及結(jié)構(gòu)分類1.2.2按控制規(guī)律分類1.2.3按控制設備分類1.2.1按功能及結(jié)構(gòu)分類

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）2.操作指導控制系統(tǒng)(OGC)3.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）4.監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（SCC）5.分散控制系統(tǒng)（DCS）6.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）7.以太控制網(wǎng)絡系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem)--是計算機應用于生產(chǎn)過程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖1-5所示。生產(chǎn)過程中被控對象的大量參數(shù)經(jīng)測量變送儀表發(fā)送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入計算機，由計算機對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，并按操作要求進行屏幕顯示、制表打印和越限報警。

鏈接動畫2.操作指導控制系統(tǒng)(OGC)操作指導控制系統(tǒng)--是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。計算機根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進行最優(yōu)化計算，計算出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據(jù)此去改變各個控制器的給定值或操作執(zhí)行器，以達到操作指導的作用。它相當于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動與半自動工作狀態(tài)。OGC系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能同時控制多個回路。

鏈接動畫3.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）DDC系統(tǒng)--是用一臺計算機不僅完成對多個被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，而且能按一定的控制規(guī)律進行實時決策，并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，為了操作方便，DDC系統(tǒng)還配置一個包括給定、顯示、報警等功能的操作控制臺。DDC系統(tǒng)中的一臺計算機不僅完全取代了多個模擬調(diào)節(jié)器，而且在各個回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)各種各樣的復雜控制。計算機生產(chǎn)過程顯示打印機報警操作臺）ID，D/A（入輸程過）OD，A/D（出輸程過圖1-7直接數(shù)字控制系統(tǒng)鏈接動畫4.監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（SCC）監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)即SCC--是OGC系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)或與DDC系統(tǒng)綜合而成的兩級系統(tǒng)，如圖1-8所示。顯然，這屬于計算機在線最優(yōu)控制的一種形式。當上位機出現(xiàn)故障時，可由下位機獨立完成控制。下位機直接參與生產(chǎn)過程控制，要求其實時性好，可靠性高和抗干擾能力強；而上位機承擔高級控制與管理任務，應配置數(shù)據(jù)處理能力強，存儲容量大的高檔計算機。鏈接動畫5.分散控制系統(tǒng)（DCS）分散控制系統(tǒng)--是以微處理器為基礎，借助于計算機網(wǎng)絡對生產(chǎn)過程進行集中管理和分散控制的先進計算機控制系統(tǒng)。由于早期開發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征，因此國外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng)，國內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng)，或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡稱為DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則。它的結(jié)構(gòu)組成如圖7-1所示。鏈接動畫6.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)即FCS--是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標準不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點，采用集管理控制功能于一身的工作站與現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去，形成一個徹底的分散控制模式。它的結(jié)構(gòu)組成如圖7-12等所示。每個現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個智能節(jié)點，都帶CPU單元，可分別獨立完成測量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能，靠網(wǎng)絡協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。7.以太控制網(wǎng)絡系統(tǒng)1.2.2按控制規(guī)律分類

1.程序和順序控制2.常規(guī)連續(xù)控制3.最少拍控制

4.先進算法控制5.智能控制1.2.3按控制裝置分類

1.可編程控制器2.可編程調(diào)節(jié)器3.總線式工控機4.單片微型計算機5.其他控制裝置1.可編程控制器可編程邏輯控制器--簡稱可編程控制器或PLC，是計算機技術與繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業(yè)控制計算機。它主要由CPU、存儲器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示。鏈接動畫可編程控制器（PLC）特點：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)

境下應用而設定;采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出；應用廣泛--不僅在順序程序控制領域中具有優(yōu)勢，而且在運動控制、過程控制、網(wǎng)絡通信領域方面也毫不遜色；PLC具有系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展容易，編程簡單，調(diào)試容易，抗干擾能力強；2.可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器--又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器。它主要由微處理單元、過程I／O（輸入/輸出）單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖所示。鏈接動畫可編程調(diào)節(jié)器特點：一種儀表化了的微型控制計算機易操作，易編程、方便靈活設計時無需考慮接口、通訊的硬件設計軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態(tài)語言具有斷電保護、自診斷功能、通信等功能可以組成多級計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各種高級控制和管理

大型分散控制系統(tǒng)中最基層的控制單元適用于連續(xù)過程中模擬量信號的控制系統(tǒng)中3.總線式工控機總線式工控機，是基于總線技術和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工業(yè)控制的通用性計算機，一般稱為工業(yè)控制計算機，簡稱為工業(yè)控制機或工控機。通常，計算機的生產(chǎn)廠家是按照某個總線標準，設計制造出若干符合總線標準、具有各種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設計人員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過程與技術要求，選用相應的功能模板組合成自己所需的計算機控制系統(tǒng)。總線式工控機的外形類似普通計算機，如圖所示。

不同的是它的外殼采用全鋼標準的工業(yè)加固型機架機箱，機箱密封并加正壓送風散熱，機箱內(nèi)的原普通計算機的大主板變成通用的底板總線插座系統(tǒng)，將主板分解成幾塊PC插件，采用工業(yè)級抗干擾電源和工業(yè)級芯片，并配以相應的工業(yè)應用軟件?？偩€式工控機具有小型化、模板化、組合化、標準化的設計特點，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運行。因而，它廣泛應用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。鏈接動畫4.單片微型計算機

隨著微電子技術與超大規(guī)模集成技術的發(fā)展，計算機技術的另一個分支──超小型化的單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機誕生了。它是將CPU、存儲器、串并行I/O口、定時/計數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個完整的具有相當控制功能的微控制器。單片機的應用軟件可以采用面向機器的匯編語言，但這需要較深的計算機軟硬件知識，而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語言的發(fā)展，其軟件開發(fā)環(huán)境正在逐步改善。目前，市場上已推出面向單片機結(jié)構(gòu)的高級語言，如早期的ArchimedesC和FranklinC，現(xiàn)在的KeilC51、DynamicC等語言。由于單片機具有體積小、功耗低、性能可靠、價格低廉、功能擴展容易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化等諸多優(yōu)點，特別是強大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設控制、家用電器、機器人、軍事裝置等方面得到了極為廣泛的應用。單片機的應用從4位機開始，歷經(jīng)8位、16位、32位四種。但在小型測控系統(tǒng)與智能化儀器儀表的應用領域里，8位單片機因其品種多、功能強、價格廉，目前仍然是單片機系列的主流機種。5.其他控制裝置分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和以太控制網(wǎng)絡系統(tǒng)--最初是以一種控制方案的形式出現(xiàn)的，但很快受到工控市場的極大推崇，因而已經(jīng)成為國內(nèi)外自動化廠家爭先推出的三種典型的裝置，已經(jīng)提及，本節(jié)不再贅述。

1.3計算機控制系統(tǒng)的特點（1）數(shù)字模擬混合的系統(tǒng)（2）靈活方便、適應性強（3）可實現(xiàn)復雜控制規(guī)