1、第1章 绪 论,随着现代化工业生产过程复杂性与集成度的提高，计算机控制系统得到了迅速的发展。计算机控制系统是自动控制系统发展中的高级阶段，是自动控制系统中非常重要的一个分支。计算机控制系统利用计算机的软件和硬件代替自动控制系统中的控制器，它以自动控制理论和计算机技术为基础，综合了计算机、自动控制和生产过程等多方面的知识。由于计算机控制系统的应用，许多传统的控制结构和方法被代替，工厂的信息利用率大大提高，控制质量更趋稳定，对改善人们的劳动条件起着重要作用，因此，计算机控制技术受到越来越广泛的重视。当前，计算机控制系统已成为许多大型自动化生产线不可缺少的重要组成部分。生产过程自动化的程度以及计算机
2、在自动化中的应用程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。,1.1 计算机控制系统的概念,1.1.1 常规控制系统 工业生产过程中的自动控制系统因被控对象、控制算法及采用的控制器结构的不同而有所区别。 从常规来看，控制系统为了获得控制信号，要将被控量y与给定值r相比较，得到偏差信号e=r-y。然后，利用e直接进行控制，使系统的偏差减小直到消除偏差，被控量接近或等于给定值。 对于这种控制，由于控制量是控制系统的输出，被控量的变化值又反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相减，所以称为闭环负反馈系统，其结构如图1-1所示。,测量元件,被控对象,执行机构,变送器,控制器,被控量y,给
3、定值r,偏差e,图1-1 闭环控制系统结构图,控制系统的另一种结构如图1-2所示，该系统为开环控制系统。,被控对象,执行机构,控制器,被控量y,给定值r,图1-2 开环控制系统结构图,该系统与闭环控制系统的区别在于它不需要被控对象的反馈信号。,1.1.2 计算机控制系统,计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网络结构）和被控对象两大部分组成。 从图1-1和图1-2所示控制系统可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、处理和比较。这些功能是由传感器的测量变送装置、控制器和执行机构来完成的。控制器是控制系统中最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。 若把图1
4、-1和图1-2中的控制器用计算机系统来代替，这样就构成了计算机控制系统，其典型结构如图1-3所示。,计算机控制系统在结构上也可以分为开环控制系统和闭环控制系统两种。 在计算机控制系统中，计算机处理的输入和输出信号都是数字化量。因此，在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字控制信号转换为模拟输出信号的数/模（D/A）转换器。,测量元件,被控对象,执行机构,变送器,控制器,被控量y,给定值r,偏差e,D/A,A/D,计算机系统,生产过程,图1-3 计算机控制系统的典型结构,计算机控制系统执行控制程序的过程如下。 实时数据采集：对被控参数在一定的采样间隔
5、进行测量，并将采样结果输入计算机。 实时计算：对采集到的被控参数进行处理后，按一定的预先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定当前的控制量。 实时控制：根据实时计算结果，将控制信号送往控制的执行机构。 信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。 上述测量、控制、运算、管理的过程不断重复，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控参数或控制设备出现的异常状态及时监督并迅速作出处理。,1.2 计算机控制系统的组成,计算机控制系统由两大部分组成：一部分为计算机及其输入输出通道，另一部分为工业生产对象（包括被控对象与工业自动化仪表）。 1.2.1
6、计算机控制系统的硬件 计算机控制系统的硬件主要包括：微处理器或微控制器、存储器（ROM/RAM）、数字I/O接口通道、A/D与D/A转换器接口通道、人机接口设备（如显示器、键盘、鼠标等）、网络通信接口、实时时钟和电源等。它们通过微处理器或微控制器的地址总线、数据总线和控制总线（亦称系统总线）构成一个系统，其硬件框图如图1-4所示。,系统总线,工 业 生 产 对 象,图1-4 计算机控制系统硬件框图,1主机（计算机） 主机由CPU和存储器构成。它通过过程输入通道发送来的工业生产对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息的处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，以信息的形式通
7、过输出通道，及时发出控制命令。 2常规外部设备 常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。 常用的输入设备有：键盘、鼠标等，主要用来输入程序和数据等。 常用的输出设备有：显示器、打印机等。输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情况。 存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主要有磁盘等。,3输入输出通道 计算机的输入输出通道，又称过程通道。工业生产对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（又称一次仪表）变换为相应的电信号。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的传递和变换的连接通道，这就是过程输入
8、输出通道。 过程通道一般可分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。 4外部设备 过程通道是不能直接由主机控制的，必须由“接口”来传送相应的信息和命令。计算机控制系统的接口，根据应用不同，有各种不同的接口电路。 5运行操作台 每个计算机的标准人机接口是用来直接与CPU对话的。程序员使用该人机设备（运行操作台）来检查程序。当主机硬件发生故障时，维修人员可以利用此设备判断故障。生产过程的操作人员必须了解控制台的使用细节，否则会引起严重后果。,计算机控制系统的运行操作台应该具备如下功能： 要有屏幕或数字显示器，以显示过程参数、状态、画面和报警； 要有一组简单功能键进行控制
9、操作； 要有一组数字键进行数据操作； 采用硬保护和软保护措施，保证键盘的误操作不致引起严重的后果。 6网络通信接口 当多个计算机控制系统之间需要相互传递信息或与更高层计算机通信时，每一个计算机控制系统就必须设置网络通信接口。如一般的RS-232C、RS-485通信接口；TCP/IP以太网接口；现场总线接口等。计算机控制系统的网络结构可以分为两大类：一类为对等式网络结构（Peer-to-Peer）；另一类为客户/服务器结构（Client/Server）。这种分类主要是按照各网络节点之间的关系确定。,7实时时钟 计算机控制系统的运行需要一个时钟，用于确定采样周期、控制周期及事件发生时间等。常用的实
10、时时钟电路如美国Dallas公司的DS12C887等。 8工业自动化仪表 它是被控对象与过程通道发生联系的设备。有测量仪表（包括传感器和变送器）、显示仪表（包括模拟和数字显示仪表）、调节设备、执行机构和手动-自动切换装置等。手动-自动切换装置在主机故障或调试程序时，可由操作人员从自动切换到手动，实现无扰动切换，确保生产安全。,1.2.2 计算机控制系统的软件,计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而计算机的操作系统和各种应用程序是履行控制系统任务的关键，通称为软件。 软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功能的充分发挥和推广应用。 软件主要分系统软件和应用软件： 系统软件提供
11、计算机运行和管理的基本环境，如Windows，WinNT，UNIX等以及网络平台； 应用软件有语言加工软件，如汇编、编译软件和控制系统的编程软件，如Siemens公司的STEP7等，由于属于专业化的软件，它们非常方便用户的二次开发，同时也保证了软件的安全性。,1.3 计算机控制系统的分类,计算机控制系统与其所控制的生产对象密切相关，控制对象不同，控制系统也不同。根据应用特点、控制方案、控制目标和系统构成，计算机控制系统一般可分为以下几种类型。 1.3.1 数据采集系统（DAS） 数据采集系统是计算机应用于生产过程控制最早的一种类型。把需要采集的过程参数经过采样、A/D转换变为数字信号送入计算机
12、。计算机对这些输入量进行计算处理（如数字滤波、标度变换、越限报警等），并按需要进行显示和打印输出，如图1-5所示。,数据采集系统主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。这种应用方式，计算机不直接参与过程控制，对生产过程不直接产生影响。,显示,打印,报警,A/D转换器,采样,并行接口,图1-5 数据采集系统,计算机,工业 对 象,测 量 元 件,1.3.2 直接数字控制系统（DDC）,直接数字控制系统DDC是计算机在工业中应用最普遍的一种方式。它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预
13、定的数学模型（如PID控制规律）进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上，如图1-6所示。,图1-6 直接数字控制系统,DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的一种最典型的系统，在热工、化工、机械、建材、冶金等领域已获得广泛应用。,1.3.3 监督控制系统（SCC）,在DDC系统中是用计算机代替模拟调节器进行控制，对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，并存入计算机的内存中，这个给定值不能根据生产工艺信息的变化及时修改，故DDC系统无法使生产过程处于最优工况。 在监督控制系统SCC中，计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC计算机，模
14、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。SCC系统较DDC系统更接近生产变化的实际情况，它不仅可以进行给定值控制，而且还可以进行顺序控制、自适应控制及最优控制等。 监督控制系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。 1SCC+模拟调节器控制系统 该系统结构形式如图1-7所示。,2SCC+DDC控制系统 该系统结构形式如图1-8所示。,图1-7 SCC+模拟调节器系统,图1-8 SCC+DDC系统,模 拟 调 节 器,工 业 对 象,D D C,工 业 对 象,1.3.4 集散控制系统（DCS）,集散控制系统（DCS），又称分
15、布式控制系统。它以微处理器为核心，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。 集散控制系统由微处理器为核心的基本数字控制器，高速数据通道、CRT操作站和监督计算机等组成，其结构如图1-9所示。,图1-9 集散控制系统,集散控制系统较之过去的集中控制系统具有以下特点： 1控制分散、信息集中 采用大系统递阶控制的思想，生产过程的控制采用全分散的结构，而生产过程的信息则全部集中并存储于数据库，利用高速公路或通信网络输送到有关设备。这种结构使系统的危险分散，
16、提高了可靠性。 2系统模块化 在集散控制系统中，有许多不同功能的模块，如CPU模块、AI和AO模块、DI和DO模块、通信模块、CRT模块、存储器模块等。选择不同数量和不同功能的模块可组成不同规模和不同要求的硬件环境。同样，系统的应用软件也采用模块化结构，用户只需借助于组态软件，即可方便地将所选硬件和软件模块连接起来组成控制系统。 3数据通信能力较强 利用高速数据通道连接各个模块或设备，并经通道接口与局域网络相连，从而保证各设备间的信息交换及数据库和系统资源的共享。,4友好而丰富的人机接口 操作员可通过人机接口及时获取整个生产过程的信息，如流程画面、趋势显示、报警显示、数据表格等。同时，操作员还
17、可以通过功能键直接改变操作量，干预生产过程、改变运行状况或做事故处理。 5可靠性高 在集散控制系统中，采用了各种措施来提高系统的可靠性，如硬件自诊断系统、通信网络、高速公路、电源以及输入输出接口等关键部分的双重化（又称冗余），还有自动后援和手动后援等。 1.3.5 现场总线控制系统（FCS） 现场总线控制系统（Fieldbus Control System-FCS）是20世纪80年代中期在国际上发展起来的新一代分布式控制系统结构。它采用了不同于DCS的“工作站现场总线智能仪表”结构模式，降低了系统总成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构，因此它是一种具有发展前途
18、的真正分散控制系统。其结构如图1-10所示。,图1-10 现场总线控制系统,1.3.6 工业过程计算机集成制造系统（流程CIMS）,随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化，现代化工业要求计算机系统不仅要完成直接面向过程的控制和优化任务，而且要在获取生产全部过程尽可能多的信息基础上，进行整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。 由于自动化技术、计算机技术、数据通信等技术的发展，已完全可以满足上述要求，能实现这些功能的系统称之为计算机集成制造系统（CIMS-Computer Integrated Manufacture System），当CIMS用于流程工业时，简称为流程CIMS或CIPS（C
19、omputer Integrated Processing System）。 流程工业计算机集成制造系统按其功能可以自下而上地分为若干层，如过程直接控制层、过程优化监控层、生产调度层、企业管理层和经营决策层等，其结构如图1-11所示。,图1-11 流程工业计算机集成制造系统,1.3.7 网络控制系统（NCS）,通过网络形成的反馈控制系统称为网络控制系统NCS(Network Control System)。该类系统中，被控制对象与控制器以及控制器与驱动器之间是通过一个公共的网络平台连接的。这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性及灵活等优
20、点，是未来控制系统的发展模式。根据网络传输媒介的不同，网络环境可以是有线、无线或混合网络。 典型NCS结构如图1-12所示。,图1-12 典型NCS结构,其中sc表示数据从传感器传输到控制器的时延， ca表示数据从控制器传输到执行器的时延。,1.4 计算机控制系统采用的技术和发展趋势,计算机控制系统是测量技术、计算机技术、通信技术和控制理论的结合。由于计算机具有大量存储信息的能力、强大的逻辑判断能力及其快速运算的能力，使计算机控制能够解决常规控制所不能解决的难题，能够达到常规控制达不到的优异的性能指标。计算机控制系统的发展与数字化、智能化、网络化为特征的信息技术发展密切相关，其发展前景是非常广
21、阔的。 1.4.1 采用可编程控制器（PLC） 可编程控制器（Programmable Logic Controller-简称PLC），是用于控制生产过程的新型自动控制装置。近年来，由于开发了具有智能I/O模块的PLC，它可以将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制，并具有很高的可靠性。目前，PLC的应用非常广泛，在冶金、机械、石化、过程控制等工业领域中均得到广泛的应用，,它可以代替传统的继电器完成开关量控制，如输入、输出、定量、计数等。不仅如此，高档的PLC还可以和上位机一起构成复杂的控制系统，完成对温度、压力、流量、液位、成份等各参数的自动检测和过程控制。 1.4.2 采用新型的
22、控制系统 1广泛使用智能调节器 智能调节器不仅可以接受（420）mA电流信号，还具有RS-232或RS-485通信接口，可与上位机一起组成分布式测控网络系统。 2采用新型的DCS和FCS 发展以现场总线（Fieldbus）和工业以太网技术等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS控制结构，采用先进的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展，实现计算机集成制造/工程系统（CIMS/CIPS）。,1.4.3 实现最优控制 在生产过程中，为了提高产品的质量和产量，节约原材料、降低成本，常会要求生产过程处于最佳工作状况。最优控制就是恰当地选择控制规律，在控制系统的工作条件不变以及某些物理条件的限制下，
23、使得系统的某种性能指标取得最大值或最小值，即获得最好的经济效益。 1.4.4 自适应控制 在最优控制系统中，当被控对象的工作条件发生变化时，就不再是最优状态了。若系统本身工作条件变化的情况下，能自动地改变控制规律，使系统仍能处于最佳工作状态，其性能指标仍能取得最佳，这就是自适应控制。自适应控制包括性能估计（系统辨识）、决策和修改三部分。 1.4.5 人工智能 人工智能是用计算机来模拟人工所从事的推理、学习、思考、规划等思维活动，来解决需人类专家才能处理的复杂问题。其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人。,1专家系统 专家系统即计算机专家咨询系统，是一个具有大量专门知识的计算机程序系统，
24、它将各领域专家的知识分类，以适当的形式存放于计算机中，根据这些专门知识系统，可以对输入的原始数据做出判断和决策，以回答用户的咨询。 2机器人 机器人是一种能模拟人类智能和肢体工作的装置，它不仅能提高工业质量和生产效率，降低成本，而且能完成有害地区的工作，从而具有实用价值。机器人可以分为两类，工业机器人和智能机器人。工业机器人中常见的又有遥控机器人、程序机器人和示教再现机器人。其中应用最多的是示教再现机器人，它是一种程序可变的自动机构，多半为计算机控制一只机械手，在人对它示教时，就把机械手应完成的动作编成程序存起来，再启动后，它便按此程序再现示教动作，改变操作则要重新示教。工业机器人能准确、迅速
25、、精力集中和不知疲倦地执行交给它的任务。,智能机器人有感知、推理、绘画等能力。它们具有创造力和洞察力，能够理解环境，在不同的环境下，采取相应的决策来完成自己的任务。行走机器人能随时分辨环境，定出自己下一步的走法。人们不易到达的地方，机器人捷足先登，如海底机器人、宇宙空间机器人等。不管机器人是多么引人入胜，但它们还只是些幼稚的孩子，有时它们会伤人。随着科学技术的发展，它们一定会长大成熟起来。 1.4.6 模糊控制（Fuzzy Control） 在自动控制领域中，对于难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制对象，模糊控制技术具有很好的适应性。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的
26、一种计算机数字控制。模糊控制是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。,1.4.7 预测控制,预测控制作为先进过程控制的典型代表，它的出现对复杂工业过程的优化控制产生了深刻影响，在全球炼油、化工等行业数千个复杂装置中的成功应用以及由此取得的巨大经济效益，使之成为工业过程控制领域中最受青睐的先进控制算法。不仅如此，由于预测控制算法具有在不确定环境下进行优化控制的共性机理，使其应用跨越了工业过程，而延伸到航空、机电、环境、交通、网络等众多应用领域。 总之，计算机控制系统除采用上述成熟的控制系统和控制技术之外，会逐步研究和发展更多的先进控制技术。由于先进控制算法的复杂性，先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。开发各种控制算法的先进控制软件包，形成工程化软件产品，成为先进控制技术发展的一个重要研究方向。,
