1、第十二章 计算机控制系统,计算机控制是以计算机作为控制器的过程自动控制系统。它不仅实现了被控参数的数字采集、数字形式和数字记录等功能，而且，信息的分析、控制量的计算及系统的管理等均实现了软件化。计算机控制技术是一门集控制理论与技术、计算机科学与技术、电子科学与技术，以及网络通信技术等于一体的综合性应用学科，已普及于工业生产过程、智能仪器仪表、机器人、航空航天等领域。,12.1 计算机控制的基本概念在模拟过程控制系统中，基本控制回路是简单的反馈回路，如图所示。被控量的值由测量环节来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟控制器依照一定的控制规律使操作变量变化，以使偏差趋于零，其输出通过执行器
2、作用于过程。,控制规律一般采用比例（P）、积分（I）、微分（D）关系或其简化形式，采用相应的硬件来完成，控制回路的功能和实现这些功能的硬件几乎是一一对应的关系。设计方案必须能用现有的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。这些局限性使模拟控制系统缺乏灵活性。对于较复杂的工业控制过程，这类系统在控制规律的实现、系统最优化、可靠性等方面难以满足更高的要求。,在现代生产过程不断发展、控制要求不断提高的新情况下，只用简单控制系统已不能完全解决实际问题，而往往需要更高一级的系统统构和控制规律，如多变量控制、数字控制、最优控制、自适应控制等各种高级控制结构，以及各种特殊的控制规范，这就促进了状态反
3、馈、最优控制、解偶控制等现代控制理论在过程控制中的应用，加速了系统的建模、测试以及控制系统设计、分析等技术和理论的发展。,计算机控制系统是将计算机引入控制系统，自动完成控制参量的检测和显示，并控制过程按控制规律运行。计算机控制系统的自动控制可以分解为4个过程。,被控参量（过程信号）通过测量环节转化为相应的电量或电参数，再由信号调理电路转化成标准的电压或电流信号； 电信号经数据采集后变成数字信号，并转化为测量量； 计算机根据测量值和给定值的偏差，按一定的控制算法输出控制信号； 控制信号作用于执行机构，实现对过程的调节。,计算机引入到控制系统中，可以充分利用计算机的逻辑判断能力，编制出符合系统要求
4、的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制和管理。在计算机控制系统中，控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可，这是模拟控制系统所无法比拟的。,12.2 计算机控制系统的特点和基本要求 计算机控制系统首先是一个实时系统，它需要在规定的时间内能够对外来事件做出反应，或者从外部环境输入/输出数据。或者进行一些必要的处理。实时性是计算机控制系统的显著特点。高可靠性是计算机控制系统的另一个主要特点。许多过程是连续运行的，控制系统的故障将导致过程的中断。一个系统的可靠性可用平均无故障时间（MTBF，Mean Time Between Failure）来衡量。如果系统的故障
5、是可修复的，则修复系统所需的时间称为平均修复时间（MTTR，Mean Time To Repair）。计算机控制应具有较高的MTBF和较小的MTTR。,此外，计算机控制系统还具有可维护性，环境适应性强等诸多特点。 计算机控制系统的控制对象是过程，其最终目标是实现过程的自动化。计算机控制系统还应综合考虑自动化、计算机、检测及网络通讯等技术领域的发展趋势和系统之间的互连技术需求。,一般说来，计算机控制系统的基本要求如下： （1）具有良好的实时性、高可靠性和较强的环境适应性 （2）采用标准化部件，便于扩充、升级和维护 （3）具有良好的人机界面和丰富的监视画面 （4）具有良好的系统组态和可选的各种控制
6、策略 （5）具有网络通讯功能，便于实现整体自动化和信息化。,12.3 计算机控制系统的分类 按应用领域分：专用和通用计算机控制系统； 按功能分：数据采集、直接数字控制（DDC）、计算机监督控制（SCC）、分级控制、集散控制（DCS）及现场总线控制系统（FCS）； 按控制规律分：程序控制和顺序控制、常规（PID）控制、有限拍控制、复杂规律控制及智能控制系统； 按控制方式分：开环和闭环控制系统； 按结构形式或设备类型分：仪表调节系统、PLC控制系统、工业控制微机系统、集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。,数据采集系统数据采集系统如图所示，系统对产生过程或控制对象的大量参数作巡回检测
7、/处理、分析、记录以及参数的超限报警。对大量参数的积累和实时 分析，可以达到对生产过程进行 各种趋势分析。数据采集系统仅 对生产过程进行监视，并不对生 产过程进行自动控制。,直接数字控制系统（DDC）计算机通过过程输入通道或过程通道子系统对控制对象的参数作巡回检测，根据测得的参数按照一定的控制算法获得控制信号量，经过过程 输出通道或过程通道子系统作 用到执行机构，从而实现对被 控参数的自动调节。,计算机监督控制系统（SCC）计算机监督控制系统是计算机和调节器的混合系统。在系统中，计算机只是根据过程的参数需求和数学模型计算出最佳参数，作为模拟调节 器或数字调节器的给定值，计 算机并不直接参与过程
8、控制， 处于离线工作方式。在有的系统中，SCC和 DCC往往协同工作。,分级控制系统 分级控制系统的实现目标是企业的综合自动化、信息化和整体的最优化。分级计算机控制系统由多级（多层）计算机系统组成，最上层为 信息处理计算机系统，最低 层为生产过程控制系统，中 间有若干层计算机监控系统， 实现局部优化控制、信息处 理和通讯功能。,集散型控制系统和现场总线控制系统 集散型计算机控制系统又称分布式计算机控制系统，简称集散型控制系统（DCS，Distributed Control System），其实质是利用计算机、控制、通信和显示等有关技术实现对过程的集中监视、操作、管理和分散控制。DCS的功能体系
9、可以分解为过程控制级、控制管理级和生产管理级。控制级由各控制站组成，控制站可以是数据采集系统或DDC控制系统等。控制管理级由工程师操作站、操作员操作站、数据记录检索站等组成。生产管理级由生产管理信息系统组成。,DCS的拓扑结构主要有星型、环型和总线型三种。,星型结构的优点是控制简单，缺点是每个控制站都要使用一条通讯线路。控制站之间不能之间通讯，操作站故障将影响整个系统的运行。 环型结构的优点是易于实现高速光纤通讯和构成令牌环网，缺点是信息只能往环的一个方向传输，必须以双环信道来提高系统的可靠性，控制也非常复杂。 总线型结构的优点是控制站之间可以互相通讯，操作站故障不会影响控制站的通讯和联络，易
10、于构成实时性强、可靠性高、扩充灵活的令牌总线网，缺点是控制较为复杂。,现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）是继DCS之后的新一代控制系统，是一种新型的集成式全分布控制系统。现场总线是应用在控制现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多接点数字通信的系统。FCS从根本上克服了DCS互不兼容的缺点，减少了现场接线，提高了现场控制设备的测控能力。现场总线具有开发和统一的通讯协议，既可以构成控制和网络结构的底层网（Infranet），又可以与因特网、企业内部网相连。,12.2 控制算法,计算机测控系统的测控功能主要由控制算法来实现。所谓算法是指为了获得某种特定的计算
11、结果而规定的一套详细的计算方法和步骤，可以表示为数学公式或操作流程。测控系统常用的算法包括测量算法和控制算法两大类。测量算法包括数字滤波算法、校正算法和标度变换等。,测控系统的控制能力实际上是由测控软件中的控制算法程序实现的。控制算法一般可分为常规（PID）控制算法及各种先进控制算法。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制称为PID控制。PID控制算法又称为PID控制规律、PID调节器或PID控制器，它是计算机测控系统中使用得十分广泛、技术上又非常成熟的一种控制算法。先进控制算法包括模糊控制、人工智能控制、专家系统、神经网络控制、遗传算法等。其中有的先进控制算法已经投入使用，如
12、模糊控制，有的还停留在研究阶段。,模拟PID调节器 常规PID控制系统原理框图如图所示，系统由模拟PID调节器、执行器（包括调节和执行机构）及控制对象组成。PID调节器的输入信号是控制回路的偏差信号，其输出信号称为控制量，作用于执行器，通过调节流量或能量而使被控量趋近于给定值。,PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r ( t )与实际输出值c ( t )构成的控制偏差：将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称其为PID调节器。 PID调节器的控制规律为：式中，u ( t )为PID控制器的输出（控制量），e ( t )为PID控制器的输入
13、信号，即控制回路的偏差信号，KP为比例增益，TI为积分时间，TD为微分时间，T为采样周期，控制周期等于采样周期。,简单来说，PID调节器各校正环节的作用是这样的： 比例环节 实时成比例地反应控制系统的偏差信号e ( t )，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。 积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节 能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统值引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。,模拟PID调节器的传递函数为 ：其原理框图还可以
14、用下图表示，图中G(s)包括执行器和控制对象。上述PID算法又被称为纯微分PID控制算法、完全微分PID控制算法。它的微分作用在一个周期内完全释放，即没有过渡过程。,数字PID调节器在数字控制系统中，用计算机取代模拟调节器，控制规律由计算机算法实现。将控制偏差用离散形式表示可得：控制规律可以离散化为以下差分方程：上式中的第一项起比例控制作用，称为比例项；第二项起积分控制作用，称为积分项；第三项起微分控制作用，称为微分项。这三种作用可以单独使用（微分作用一般不单独使用），也可以合并使用。,PID基本算式有位置型、增量型和速度型三种形式。 在控制系统中，如果执行结构采用调节阀，则控制量对应阀门的开
15、度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置型控制算法。 如果执行机构采用步进电机，每个采样周期控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量型控制算法。,位置型PID算式： 增量型PID算式：,增量型算式是最基本、最常用的一种PID算式，为计算方便，该算式可以改写为：式中，a0 = K p ( 1+T/TI+TD /T)，a1 = K p ( 1+2TD /T)，a2 = K p TD /T。a0、a1和a2 只在PID参数被修改时才计算一次。由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置输出：u (n) = u (n-1) +u (n),增量型算法
16、与位置型算法相比，具有以下优点： 增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差累加值，容易产生大的累加误差。 增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。 采用增量型算法，易实现从手动到自动的无冲击切换。,速度型PID算式：速度型PID算式的输出值和执行器的位置变化率相对应，它是由增量型PID算式除以T得到的：,用数字控制器对系统进行控制，一般来说，控制质量不如采用模拟调节器，这是因为： 模拟调节器进行的控制是连续的，而数字控制器采用
17、的是采样控制，在保持器作用下，控制量在一个采样周期内是不变化的。 由于计算的数值运算和输入输出需要一定时间，控制作用在时间上有延迟。 计算机的有限字长和A/D、D/A转换器的转换精度使控制有误差。因此，单纯用数字控制器去模仿模拟调节器，并不能获得理想的控制效果，必须发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势，建立很多模拟调节器难以实现的特殊控制算法，才能在控制性能上超过模拟调节器。,3、不完全微分PID控制算法 微分作用是按照偏差的变化趋势进行控制，因此，微分作用的引入，有利于改善高阶系统的调节品质；同时，微分作用会带来相位超前，每引入一个微分环节，相位就超前900，从而有利于改善系
18、统的稳定性。但微分作用对输入信号的噪声很敏感，而且理想的微分作用，会由于偏差的阶跃变化而引起输出的大幅度变化（超调量），从而引起执行机构在全范围内剧烈动作，这对控制过程往往不利。完全微分PID算法的微分作用在一个周期内完全释放，这会增大控制系统的超调量，影响控制品质。不完全微分PID则使用实际微分环节代替完全微分环节，它的微分作用是按照指数衰减慢慢释放的，这样有利于提高系统的控制精度。,完全微分和不完全微分的作用及区别如图所示。 算法结构与微分方程 不完全微分PID的结构如图所示，它实际上是由一个不完全微分环节和一个PI环节组成。,不完全微分PID算法的传递函数为： 微分环节和PI环节的微分方
19、程分别为：,不完全微分PID的算式 微分环节的位置型算式如下： 式中：微分环节的增量型算式如下：整个不完全微分PID的增量型算式如下：,PID算法的改进PID算法中含有积分环节，当偏差较大时，容易导致积分饱和，影响系统控制品质；当偏差在小范围内变化时，PID控制器的输出量也会产生小范围的变化，容易导致调节器频繁动作，影响其寿命。因此，使用PID控制算法时，必须设法避免这两种现象。 （1）积分饱和及其防止措施 当偏差始终存在时，PID控制器的输出u (n )将达到上、下极限值，此时，虽然对u (n )进行了限幅，但积分项的输出仍在累加，从而造成积分过量。当偏差反向后，因积分项的累计值很大，故需要
20、经过一段时间后，输出u (n )才能脱离饱和区，这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调。,为了改善控制品质，必须设法克服积分饱和现象，其主要方法有积分限幅法、积分分离法和变速积分法。积分限幅法的基本思想是当积分项输出达到输出限幅时，即停止积分项的计算，这时的积分项的输出取上一时刻的积分值。积分分离法的基本思想是在大偏差时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于预定的门限值时才进行积分运算。采用该方法，既可以避免大偏差导致过大的控制量，也可以防止过积分现象。当偏差的绝对值大于门限值时，该算法相当于PD控制器，只有在积分门限之内，积分环节才有输出，此时的积分作用起到消除系统静差的作用。,PID的死区及其
21、作用为了避免调节器频繁动作，往往给PID控制算法设立一个死区，当偏差的绝对值小于时，不进行PID运算，保持PID控制算法上一次的输出值。也可以这样处理，只有当PID控制输出的增量大于门限时，本次输出才更新，否则保持原值。,PID控制算法的参数整定 如何准确地选择PID调节器的结构和它的参数，使系统在受到扰动后仍保持稳定，并将静态误差和动态误差保持在最小值，是PID调节器乃至控制软件设计中的一个重要问题。在整定调节器参数之前，应首先确定调节器的结构。对于具有平衡性质的控制对象或生产过程，应选择有积分环节的调节器；而对于纯滞后性质的控制对象，在调节器中往往应加入微分环节。调节器参数的选择，必须考虑
22、具体工程的工艺控制要求，并结合实验、经验和凑试等方法进行确定。,（1）控制度 数字PID具有参数作用独立、可调范围大等优点。但理论分析和实际运行表明，如果采用等值的PID参数，数字PID的控制品质则弱于模拟PID控制。两类调节器动态过程中误差平方的积分最小值之比称为系统的控制度，即： 对于同一生产过程，采样周期T取得越大，则控制度的值越大，即数字PID控制的品质越差。,（2）PID参数对系统性能的影响 PID控制算法包括采样周期、比例系数、积分时间和微分时间等参数，它们对系统性能有着不同的影响。 采样周期对系统性能的影响数字PID控制器要求采样周期远小于系统的时间常数，采样周期T越小，数字PI
23、D的控制效果越接近模拟PID的控制效果。从控制系统的性能要求来看，一般要求T的值取得小一些；从计算机的工作量以及每个控制回路的成本来看，则希望T取得大一些；从计算机的处理精度来看，过小的采样周期会导致积分项的系数T/TI过小而使其作用不明显。因此，在实际系统设计和参数整定时，应折中考虑。,比例系数KP对系统性能的影响在系统的动态过程中，KP增加，系统的动作灵敏，速度加快。KP偏大，振荡次数增多，调节时间延长。当KP太大时，系统会趋于不稳定；KP太小时，又会使系统的动作迟缓。当系统达到稳态时，加大KP可以减少稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。在计算机控制系统中，往往用比例带P来表示
24、比例控制作用的强弱：P= (1/KP)100%。,积分时间TI对系统性能的影响在系统的动态过程中，积分控制通常是使系统的稳定性下降。TI太小将使系统趋于不稳定。TI偏小，振荡次数增多；TI太大，积分作用太弱，以至于不能消除稳态误差。只有当TI合适时，系统的动态过程才比较理想。 微分时间TD对系统性能的影响微分控制可以改善系统的动态性能，如减小超调量、缩短调节时间等。但当TD偏大或偏小时，超调量会较大，调节时间也较长。只有当TD合适时，才可以得到满意的系统过渡过程。,PID参数的选择模拟PID控制积累了许多有效的PID参数整定方法，如衰减曲线法、临界比例度法、反应曲线法等。当采样周期较小时，这些
25、方法和经验可以应用于离散PID控制的参数整定。扩充临界比例度整定法是以模拟调节器中使用的临界比例度法为基础的一种数字PID调节器的参数整定方法。其整定步骤如下：,取得采样周期T。对具有纯滞后的控制对象，T应小于滞后时间；多个回路控制时，应确保在T时间内所有的回路的控制算法都能实现。 确定临界比例增益和振荡周期。在单纯比例作用下且比例系数KP由小到大，使系统产生等幅振荡，此时的比例系数称为临界比例增益Ku，其振荡周期称为临界周期Tu。 确定控制度。 根据控制度选择PID算法的控制参数T、KP、TI和TD。 对于所给定的参数进行适当的调整，通常是先加入比例和积分作用，然后再切入微分作用。,12.3
26、 控制规律,控制规律反映的是多个控制回路之间的控制关系，在计算机控制系统中，除了单回路PID控制系统外，还存在一些复杂规律的计算机控制系统，如串级控制、前馈控制、比值控制、分程控制、均匀控制、选择控制、纯滞后补偿控制、解耦控制等。 12.3.1 串级控制一般情况下，串级控制系统是指一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值而构成的两个回路以上的控制系统，其一般结构如下图所示。,D1 ( S )、D2 ( S )分别为主调节器和副调节器，GV ( S )为执行器，G1 ( S )、G2 ( S )为控制对象的两个组成部分，分别称为主控对象和副控对象，H1 ( S )、H2 ( S )为测量环节，N
27、1 ( S )、N2 ( S )为作用在不同位置的扰动信号。在串级控制系统中有两个控制回路，分别称为主控回路和副控回路。,由于串级控制系统存在副控回路，可以减小副控回路的时间常数，加快反应速度；提高系统的工作频率，改善系统的动态性能；利用副控回路预先克服扰动对输出的影响，把其影响消灭在萌芽状态，从而增强对副控回路扰动的抑制能力；增大副控对象的等效放大系数，从而提高系统对负荷变化的适应能力。串级控制系统可以用来克服回路中的扰动，也可用来克服对象的纯滞后，还可以减小对象的非线性影响。,串级控制系统的设计一般应遵循以下原则： 系统的主要扰动应包括在副控回路中。这样可以在扰动影响到主控被调参数之前，由
28、于副控回路的预先调节，使扰动的影响大大削弱。 副控回路应尽量包括积分环节。副控回路包括积分环节时，其相角滞后可以减小，从而改善系统的品质。 必须用一个可以测量的中间变量作为副控被调参数。 主控、副控回路的采样周期TM TS时，应选择TM TS，以避免主控回路和副控回路之间发生相对干扰和共振。 一般情况下，副控调节器选择比例（P）控制或比例积分（PI）控制，主控调节器则选择用PI或PID控制。,12.3.2 前馈控制,对于存在扰动的系统，可以直接按照扰动进行控制，称为前馈控制。理论上，前馈控制可以单独使用，又可以和反馈控制结合使用，组成前馈反馈控制系统。如图是前馈反馈控制系统的结构图。,Gn (
29、 S )、D f ( S )和G ( S )构成前馈控制系统，D ( S )、G ( S )和H ( S )则构成反馈控制系统。Gn ( S )和G ( S )分别为对象扰动通道和控制通道的传递函数，D f ( S )和D ( S )分别为前馈和反馈调节器的传递函数，H ( S )为测量环节的传递函数。为了使前馈控制完全补偿扰动N ( S )对输出Y ( S )的影响，有： 前馈控制器实际上是通过前馈调节器的作用来补偿或抵消扰动信号对输出的影响。,12.3.3 其它控制规律简介,除了串级控制和前馈控制规律外，计算机控制系统中常见的控制规律还有比值控制、均匀控制、选择控制和分程控制等。 （1）比
30、值控制比值控制规律实现两个或两个以上的变量满足一定的比值，可以是给定值之间保持一定的比例关系，也可以是被控量之间保持一定的关系。一般的比值控制系统至少有两种输入量，起主导作用又不可控制的输入量称为主动量，另一种输入是随动的，称为从动量。它跟随主动量变化，在数值上保持一定的比值。比值控制系统分为单闭环、双闭环比值控制系统和变比值控制系统。,（2）分程控制简单控制系统是一个调节器的输出控制一个调节器，而分程控制系统的一个调节器输出控制几个工作范围不同的调节器。,（3）选择控制也称为取代控制或超驰控制系统。它是根据工艺情况，选择其中一路调节器的传输作用于调节阀。一般正常工作时用到的调节器称为正常调节
31、器，非正常工作时，就必须用另一路调节器取代，该调节器称为超驰调节器。选择控制分为高选和低选两种选择器。高选的输出等于其中较大的一个输入变量，低选的输出等于其中较小的一个输入变量。选择器可以处于不同的位置，如果位于调节器之后则选择几个调节器公用一个调节阀；如果选择器位于测量值之后则选择不同的测量信号，实现多个测量值选择性地送给调节器进行运算。,（4）均匀控制规律如果既相互联系又相互矛盾的两个变量都要求做缓慢变化，尽可能平稳，并保证在工艺允许的范围内，则称为均匀控制。,12.4 数字PID控制的工程实现,数字控制器的算法程序可被所有的控制回路公用，只是各控制回路提供的原始数据不同。因此，必须为每个
32、回路提供一段内存数据区（即线性表），以便存放参数。既然数字控制器是公共子程序，那就应该在设计时，考虑各种工程实际问题，并含有多种功能，以便用户选择。数字控制器算法工程实现可分为6部分，如下图所示。,给定值和被控量处理 给定值处理包括选择给定值和给定值变化率限制两部分，通过软开关选择可以构成内给定状态或外给定状态，也可选择构成串级控制或分程控制。 为了安全运行，需要对被控量进行上下限报警。当被控量大于上限值时，进入上限报警状态；当被控量小于下限值时，则进入下限报警状态。进入报警状态时，通过驱动电路发出声或光，以便提醒操作者注意。,偏差处理偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿等四部
33、分。对于控制要求较高的对象，不仅要设被控量的上下限报警，而且要设置偏差报警，当偏差绝对值超过门限时，进入偏差报警状态。PID根据输入补偿方式的设置，决定偏差与输入补偿量之间的关系，不进行补偿或完成加补偿、减补偿及置换补偿。利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿控制。为了实现非线性PID控制或带死区的PID控制，设置了非线性区和非线性增益K。当K = 0时，为带死区的PID控制；当0K1时，为非线性PID控制；当K = 1时，为正常的PID控制。,控制算法的实现在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法的差分方程，计算控制量Un，并进行上、下限限幅处理。在PID计算数据区，
34、不仅要存放PID参数和采样控制周期T，还要存放微分方式、积分分离值、控制量上限值和下限值，以及控制量Un。为了进行递推运算，还应保存历史数据，如e (n1)、e (n -2)和u (n -1)。,控制量处理一般情况下，在输出控制量Un以前，还应经过各项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。根据输出补偿方式的状态，决定控制量与输出补偿量之间的关系，不进行补偿或完成加补偿、减补偿及置换补偿。利用输出和输入补偿，可以扩大实际应用范围，灵活组成复杂的数字控制器，以便组成复杂的自动控制系统。为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率加以限制。变化率的选取要适中，过小会使操作缓慢，过大则达不到限制的
35、目的。当软开关切向输出保持时，现时刻的控制量u (n )等于前一时刻的控制量u (n -1)，也就是说，输出的控制量保持不变。反之，恢复正常输出方式。预置的安全输出量。,自动手动切换在正常运行时，系统处于自动状态，称为软自动（SA）；而在调试阶段或出现故障时，控制量来自操作键盘或上位计算机，系统处于计算机手动状态，称为软手动。一般在调试阶段，采用软手动（SM）方式。对于一般的计算机控制系统，可采用手动操作器作为计算机的后备操作。当切换开关处于自动（HA）位置时，控制量通过D/A输出，此时系统处于正常的计算机控制方式，称为自动状态；反之，若切向手动（HM）位置，则计算机不再承担控制任务，由运行人
36、员通过手动操作器输出010mA（DC）直流或420mA（DC）信号，对执行机构进行远方操作，这称为手动（HM）状态。,12.5 计算机测控网络与现场总线计算机测控系统的基本系统是由各种面向过程的功能模块（例如AD、DA、数字IO、开关量输入输出等）通过计算机总线相互连接并与计算机连接而组成的。这种基本系统可以单独完成某种自动测量和控制任务，也可以通过CAMAC总线构成CAMAC系统。现今的工业过程控制系统一般都采用分组分散式结构，即由多台计算机组成计算机网络，共同完成上述的各种任务。因此，各级计算机之间必须能实时地交换信息。此外，有时生产过程控制系统还需要与其它计算机系统（例如全厂的综合信息管
37、理系统）之间进行数据通信。,在复杂或大规模的工业现场或生产自动化领域中一般要使用大量的传感器、执行器和控制器等。它们通常分布在非常广泛的范围内，如果在低层次上采用传统的星型拓扑结构，那么安装成本和介质造价都非常昂贵。而采用流行的局域网LAN组件及环型或总线型拓扑结构，虽然可以减少电缆长度，但增加的LAN介质及其相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几。所以，在最低层次上，确实需要设计出一种造价低廉而又能经受住工业现场环境的通信系统，现场总线就是在这种背景下产生的。,现场总线（Fieldbus）是计算机控制和通信技术结合的产物。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，也是一种全分布控制系统，
38、是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。它以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现信息互换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是新一代全数字、全分散和全开放的现场控制系统。人们把基于这项技术的自动化系统称为基于现场总线的控制系统FCS（Fieldbus Control System）。,根据IEC1158的定义，现场总线是一种“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、双向传输和多分支结构的通信网络。”到目前为止，世界上约有40多种现场总线。现场总线控制系统既是一个开放通信网络
39、，又是一种全分布控制系统。从这个意义上来说，现场总线是一种新型的网络集成自动化系统。它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本的控制、补偿计算、参数修改、报警、显示和综合自动化等多项功能。,1、现场总线的特点用数字化通信取代420mA模拟仪表 传统的自动化控制技术的现场设备与控制设备是通过一对一的方式（一个I/O点对现场设备的一个测控点）连接，即所谓I/O接线方式，信号以420mA（传送模拟信号）或24VDC（传送开关量信号）传递。现场总线技术采用一条通信电缆连接控制设备和现场设备，使用数字化通信完成对现场设备的联络和控制。,控制功能下移，实现彻底的分散控制 现场
40、总线技术是计算机网络通信向现场级的延伸，因此，它可以把DCS控制站的功能分散地分配给现场仪表，构成虚拟的控制站，这样就废弃了DCS的I/O单元和控制站。现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制或运算功能，通过微处理器能够完成诸如PID等算法和逻辑控制，实现一表多能，测量控制一体化。通过现场仪表和装置就可以构成控制回路，实现彻底的分散控制，提高了控制系统的可靠性、自治性和灵活性。,具有互操作性 由于功能分散在多台现场仪表中，并且可以统一组态，供用户灵活地选用各种功能模块。因此现场仪表或设备通过一对传输线互联就可实现不同厂家产品的交互操作和互换实现“即接即用”，这样，用户也能自由地集成现场总线控
41、制系统。集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体 现场总线技术采用计算机数字通信技术连接现场设备。控制设备可以快捷地从现场设备获得所需信息，能够实现设备状态、故障、参数信息的快速传送、完成对设备的远程控制、参数化及故障的诊断工作。,真正的开发式系统现场总线为开放式互联网络 所有的技术和标准都是公开的，用户可以自由地集成不同厂商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联。它的实施有利于解决工厂各层次的信息集成及支撑技术计算机网络问题，有利于构筑CIMS网络系统，并有效地发挥作用。此外，用户可以很方便地共享网络数据库。,2、现场总线的基本设备 现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表
42、，节点设备的名称及功能随应用的企业而定。用于过程自动化构成FCS的基本设备如下：变送器：常用的变送器有温度、压力、流量、物位和分析五大类，每类又有多个品种。变送器既有检测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。,执行器：常用的执行器有电动、气动两大类，每类又有多个品种。执行器的基本功能是信号驱动和执行：还内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能，以及有阀门特性自校验和自诊断功能。 服务器和网桥：服务器下接Hub、上接LAN，网桥连接在Hub之间。 辅助设备：总线电源、便携式编程器等。 监控设备：工程师实现现场总线组态，操作员实现工艺操作与监视，计算机站用于优化控制与建模。,3、现场总
43、线的常见种类 目前较流行的现场总线主要有以下几种： （1）CAN（控制局域网络）CAN是德国BOSCH公司为汽车的监测和控制而设计的，是一种对等式的现场总线网络。目前正逐步发展到其它工业部门的控制。CAN已成为国际标准化组织ISO11898标准。CAN包括一系列有关约束来规范通信、设备、接口、应用行规等。 通信速率5Kbps/10km、1Mbps/40m，节点数110个，传输介质为双绞线和光纤等； 采用点对点、一点对多点及全局广播等多种方式发送接收数据；,可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，可方便地构成多机备份系统。 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向
44、网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可以不受影响继续发送信息。 采用循环冗余检验及其它检错措施，保证了较低的信息出错率。 节点具有自动关闭功能，当节点出现严重错误时，自动切断与总线的联系，并不影响总线的正常工作。,（2）LONworks（局部操作网络）LONworks是美国Echelon公司研制的，是一种实现测控网络系统的完整平台。它包含了开发、规范和维护测控网络所需要的所有器件和工具，能使企业的测控管理系统逐步走向一体化，并且有全分散、连线简单、拓扑灵活的优点，是一种具有实力的现场总线，被誉为通用控制网络。它在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，具有独特
45、的优势。 通信速率78Kbps/2700m、1.25Mbps/130m，节点数32000个。传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等； 采用LonTalk通信协议，遵循ISO定义的开放系统互联OSI全部七层模型； 核心是Neuron（神经元）芯片，内含3个8位的CPU（介质访问控制处理器、网络处理器和应用处理器）。,（3）PROFIBUS（过程现场总线）PROFIBUS是德国和欧洲的标准，它由德国13家工业企业和5家科研结构在联合开发项目中制定的标准化规范。它提供一个从传感器/执行器直至管理层的透明网络，供应完整的产品系列，从底层测控网络、工厂管理网络直至Internet网络系统集成方案，被
46、称为风靡全球的现场总线。它有几种改进型，分别用于不同的场合： PROFIBUS-PA（Process Automation）用于过程自动化。它通过总线供电，提供本质的安全性，可用于危险防爆区域； PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）用于一般自动化； PROFIBUS-DP用于加工自动化，适用于分散的外围设备。,（4）HART（可寻址远程传感器数据通路）HART现场通信协议是工业界广泛认可的标准，在420智能设备的基础上增加了数字通信能力。HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递420mA模拟信号和数字信号。多年以
47、来，过程自动化设备使用的现场通信标准是mA量级模拟电流信号。HART协议扩展了420mA标准，在智能测量和控制仪表的基础上提高了通信能力。HART协议智能仪表在不干扰420mA模拟信号的同时允许双向数字通信。420mA模拟和HART数字通信信号能在一条线对上同时传递。主要变量和控制信号信息由420mA传送，另外的测量、过程参数、设备组态、校准以及诊断信息在同一线对、同一时刻通过HART协议访问。HART兼容现有的系统。HART是由美国Rosemount公司研制的，HART协议参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层，有如下特性：,物理层：采用FSK技术，即在420mA DC模拟信号上
48、叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz，逻辑0为2200Hz，波特率为1200bps，调制信号为0.5mA或峰峰值0.25V（2500）。用屏蔽双绞线单台设备距离3000m，而多它设备互联距离1500m； 数据链路层：数据帧长度不固定，最长25个字节。寻地址为015，当地址为0时，处于420mA DC与数字通信兼容状态，当地址为115时，处于全数字通信状态； 应用层：规定了三类命令、普通命令和特殊命令。数字FSK信号相位连续，不会影响420mA信号。HART信号方式允许双向数字通信，使得除普通过程变量以外的更多信息的读取来自或发送到智能现场仪表。HART协议1200bps通信速率在不打断42
49、0mA信号的同时，允许主站对来自现场设备的数字数据每秒更新两次以上。,（5）FF（现场总线基金会）现场总线现场总线基金会是当今世界上居领先地位的控制和设备供应商的组织。协会的目的是加速发展和推广一个单一、完全开放、可互操作的现场总线规范，并推动自动化公司发展相应的软硬件产品。基金会现场总线是仪表和过程控制向数字化通信方向发展而形成的技术。它不仅仅实现数据的数字化传输，而且完成整个过程控制系统的设计。FF总线技术包括三个部分：物理层、通信层、用户层。 FF体系结构参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层，增加了用户层；,物理层中的H1用于过程控制自动化的低速总线，波特率为31.25Kb
50、ps，传输距离2001900m，总线供电。H2用于制造自动化的高速总线，波特率为1Mbps/750m或2.5Mbps/500m。 数据链路层分为低层功能（介质访问）和高层功能（数据传输）； 现场总线访问子层提供三类服务：发布/索取、客户机/服务器和报告分发； 用户层规定了29个标准的功能模块。 FF总线使用单芯屏蔽双绞线电缆，一条H1总线长度可达1900m。为增加长度，可使用重复器。一条H1总线最多可使用4个重复器，总长9500m。一条H1总线所挂接设备的数目取决于每个设备所需电压和电缆压降。在SYSTEM302系统中，采用总线供电，单台设备耗电12mA，所需最小电压9V，使用24V电源情况下，可挂接1216个设备。,
