1、1,第1章 计算机控制系统概述,1.1 计算机控制系统的组成 1.2 计算机控制系统的应用类型 1.3 信号处理相关知识 1.4 通信网络基础,2,人工控制,信息流图,眼（观察）,手（操纵）,脑（决策）,3,H,信息流图,仪表控制,4,计算机,信息流图,计算机控制,5,电脑是对人脑的解放， 计算机的作用相当于一台大仪表。 计算机控制绝对不神秘！,6,1.1 计算机控制系统的组成,1.1.1 基本概念,计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。,什么是自动控制? 自动控制系统由哪些部分组成?,7,设定值,控制器,D/A,执行 机构,被控 对象,A/ D,计算
2、机,被控变量,+,图1.1 计算机闭环控制系统结构图,测量变送,8,计算机控制系统的工作原理是什么?,实时数据采集,实时控制决策,实时控制输出,什么是实时控制?,实时：是指信号的输入、计算和输出都在一定的时间范围内完成。,9,计算机控制系统的工作原理,(1)实时数据采集 对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。,(2)实时控制决策 对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。,(3)实时控制输出 实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。,上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。,10,计算机控制系统,工业控制机,生产过程,1.1
3、.2 硬件系统,11,生产过程,过程输入接口,过程输出接口,计算机,人机接口,外部存储器,图1.2 计算机控制系统的组成框图,工业控制机指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。,生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。,12,生产过程,过程输入接口,过程输出接口,计算机,人机接口,外部存储器,接收输入的指令和工业对象的信息，向系统各部分发送命令和数据。,包括显示操作台、屏幕显示器(CRT)或数码显示器、键盘、打印机、记录仪等。,从被控对象采集的模拟量或数字量信号转换为计算机能够接收的数字量,包括磁盘、光盘、磁带，主要用于存储大量的程序和数据。,将计
4、算机的处理结果转换成可以对被控对象进行控制的信号。,13,工业控制机硬件：硬件是指计算机本身及外围设备。,计算机硬件,过程输出接口,计算机,过程输入接口,存储器,人机接口,14,软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和.,计算机控制系统的软件,系统软件,应用软件,是专门用来使用和管理计算机的程序，包括操作系统、监控管理程序、语言处理程序和故障诊断程序等。,应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。,1.1.3 软件系统,15,计算机控制系统,分级控制系统,数据采集系统,直接数字控制系统,现场总线控制系统,集散型控制系统,1.2 计算机控制系统的应用类型,计算机监督控制系统,根据应用特
5、点、控制功能和系统结构，计算机控制系统主要分为六种类型:,16,1.2.1 数据采集系统（DAS）,图1.3 数据采集系统图,A/D,DI,显示,打印,报警,生产过程,计算机,17,1.2.1 数据采集系统（DAS）,计算机承担数据的采集和处理工作，而不直接参与控制。,数据采集系统对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录以及变量的超限报警。,18,操作指导控制系统(OGC)图,A/D,DI,显示,打印,报警,生产过程,计算机,控制 仪表,人,19,模拟量输入,微 型 计 算 机,模拟量输出,生产过程,数字量输入,数字量输出,显示,打印,磁盘,操作台,1.2.2 直接数字控制系统（DDC）
6、,图1.3 直接数字控制系统图,20,直接数字控制系统是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制。,1.2.2 直接数字控制系统（DDC）,21,1.2.3 计算机监督控制系统(SCC),下位机DDC级微机完成生产过程的直接数字控制； 上位机SCC级微机进行优化分析计算，产生最优化设定值。,SCC级 计 算 机,生 产 过 程,显示、打印、报警,DDC级计算机,工艺 数据,测量,控制,测量,（最佳） 设定值,特点：设定值随实时工艺数据不断优化,图1.5 计算机监督控制系统图,22,1.2.4 分级
7、控制系统,生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。由若干台微处理器或微机分别承担部分控制任务，代替了集中控制的计算机。,23,工厂级集中监督计算机,图1.6 分级控制系统,装置级计算机,测量量输入,生产过程,输入通道,输出通道,车间级监督计算机,装置级计算机,测量量输入,生产过程,输入通道,输出通道,车间级监督计算机,企业级经营管理计算机,来自其他工厂的生产和库存数据,经济动向及数据,到主管部门的数据显示,到其他工厂的生产运输指令,销售定货等数据,管理指令,特点：控制功能分散，集中管理。,1.2.4 分级控制系统,24,图1.7 集散控制系统结构图,监控计算机,操作站,数据采集站,通信
8、系统,控制站,生产过程,1.2.5 集散控制系统(DCS),集散控制系统的特点是什么？,集散控制系统由哪些部分组成？,25,生产过程,工作站,LAN,服务器,网桥,现场总线,H1,H2,现场总线,现场数字传感器,现场数字控制功能模块,H1,现场总线,图l.8 现场总线控制系统,现场数字执行器,1.2.6 现场总线控制系统（FCS）,现场数字执行器,现场数字控制功能模块,服务器,工作站,现场数字传感器,特点： （1）全数字化 （2）彻底分散化,26,1.3 信号处理,D/A,CPU,执行器,对象,A/D,采样器,27,1.3 信号处理,28,1.3.1 输入信号处理,在计算机与生产过程之间，起着
9、信号转换并向计算机传送信息的装置称之为输入通道。,29,一、数字量输入信号处理,数字量通道的组成：,30,二、模拟量输入信号处理,检测各种非电量过程变量，并将其转换为电信号。,将多路模拟信号按要求分时输出,放大器将传感器输出的微弱电信号放大到A/D转换器所需要的电平,采样保持器对模拟信号进行采样，在模/数转换期间对采样信号进行保持,将模拟信号转换为二进制数字信号,接口电路提供模拟量输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路,31,1、模拟量输入信号采样过程,计算机对某个随时间变化的模拟量进行采样，是利用定时器控制的开关，每隔一定时间使开关闭合而完成一次采样。 开关重复闭合的时间间隔T称为采样
10、周期，其倒数s=1/T称为采样频率。,采样过程，是指将一个连续的输入信号经开关采样后，转变为发生在采样开关闭合瞬时0、T、2TnT的一连串脉冲输出信号 *(t)，如图1.11所示。,式中 *(t) 输出脉冲序列； (kT) 输出脉冲数值序列；(t-kT)发生在t=kT 时刻上的单位脉冲。,（1-1）,32,2、单位脉冲函数的定义,（1-2）,根据理想单位脉冲函数的定义式(1-2)，在采样开关闭合时， (kT)与(t)的瞬时值相等，式(1-1)还可改写成如下形式,式(1-3)说明，数字控制系统中的采样过程可以理解为脉冲调制过程。在这里，采样开关只起着理想脉冲发生器的作用，通过它将连续信号(t)调
11、制成脉冲序列*(t)。,（1-3）,（1-1）,33,3、香农采样定理,为了使采样后的离散信号*(t)能完全复现原信号(t)， 采样频率s与原信号最高频率max要满足下面的关系,s2max （1-4）,式中 s 采样频率；max(t)最高频率。,一般根据具体情况选用。 s（510）max,34,4数字滤波,数字滤波是通过编制一定的计算或判断程序，减少干扰在有用信号中的比重，提高信号真实性的滤波方法。,中位值法滤波,程序判断递推滤波,递推平均滤波,加权递推平均滤波,一阶滞后滤波,中位值法滤波就是将某个被测变量在轮到它采样的时刻，连续采 3 次 ( 或 3 次以上 ) 值，从中选择大小居中的那个值
12、作为有效测量信号。,程序判断滤波的具体方法是通过比较相邻的两个采样值，如果它们的差值过大，超出了变量可能的变化范围，则认为后一次采样值是虚假的，应予以废除，而用前一次采样值送入计算机。,采用递推平均的方法，即第 n 次采样的 N 项递推平均值是 n，(n-1)，(n-N+1) 次采样值的算术平均。,为增加当前采样值在结果中所占的比重，提高系统对本次采样的灵敏度，可采用加权递推平均方法。,一阶惯性滤波对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的变量滤波。,35,1.3.2 输出信号处理,一、数字量输出信号的处理,根据计算机输出的数字信号去控制接点的通、断或数字式执行器的启、停等，简称DO (
13、Digital output)通道。,常用的数字控制信号有开关量和脉冲量信号。,36,隔离器一般采用光电隔离器，如TLP521系列；驱动器将计算机输出的信号进行功率放大，以满足被控对象要求。,继电器、可控硅、TTL电平输出等为需要开关量控制信号的执行机构，通过这些开关器件的通、断去控制被控对象。,37,二、模拟量输出信号的处理,模拟量输出通道一般由输出接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成。,它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号。以便驱动相应的执行机构、达到控制的目的。,38,（1）一个通路设置一个数/模转换器:,微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字
14、保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障也不会影响其它通路的工作。缺点是使用硬件较多，成本高。这种方案较易实现。,39,（2）多个通路共用一个数模转换器的形式,必须在微型机控制下分时工作。即依次把D/A转换器转换成的模拟电压(或电流)，通过多路模拟开关传送到下一级电路。,这种结构节省了数模转换器，但因是分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合,可靠性较差。,40,1.4 通信网络基础,1.4.1 通信网络基本概念和术语,1.数据信息具有一定编码、格式和字长的数字信息。 2.传输速率指信道在单位时间内传输的信息量。用每秒传输的二进制位数表示。单位 bit/
15、s 或bps。大多数DCS的数据传输速率一般为0.5Mbit/s100Mbit/s。,41,3.传输方式 通信方式按照信息的传输方向分为 ：(1)单工 (simplex) (2)半双工(Half duplex) (3)全双工 (Full duplex),42,（1）单工通信 信息只能沿单方向传输。,发送端,接收端,报文,检测信号,43,（2）半双工通信信息可以双向传递，但不能同时进行。,接收端,报文,发送端,接收端,接收端,44,（3）全双工通信 信息可以同时沿着两个方向传输。,报文,接收端,发送端,发送端,接收端,45,4.串行传输串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式
16、。 串行通信是利用串行端口在两台设备间进行通信，一次可以传输1位数据，即，使用1条数据线按照次序一位一位传送，每传送完8位为一个字节。,并串转换,串并转换,1 0 0 1 0 1 0 0,46,5.并行传输并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。 并行通信是利用并行端口在两台设备间进行通信，一次使用8条数据线分别传送8位数据，一次传送一个字节 。,10010100,47,1.4.2 数据通信的工作方式,在需要通信的两节点间事先 建立一条实际的物理连接。,不需要建立实际的物理连接， 经中间节点存储转发。,不需要建立实际的物理连接， 虚电路法先建立逻辑信道； 数据报法直接选择
17、路径发送。,48,两部电话机只需要用1对电线 就能够互相连接起来。,传统电话网使用线路交换,49,但若要将 5 部电话机两两相连， 则需要 对电线。,传统电话网使用线路交换,10,50,当电话机的数量很大时， 就必须使用电话交换机进行连接。,传统电话网使用线路交换,51,(,(,A,通话前先拨号建立连接。 可能只要经过一个交换机（如 A 到 B） 可能要经过多个交换机（如 C 到 D） 通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。 通话结束后，挂机释放连接。,线路交换的特点,(,(,(,(,(,(,B,C,D,52,线路交换的特点,线路交换必定是面向连接的。线路交换的三个阶段：建立连接 通信 释
18、放连接,53,线路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,54,线路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,55,报文交换（存储转发）方式,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,报文,从 A 传送到 B 的过程,56,报文分组交换,在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块每个块增加带有控制
19、信息的首部构成分组（包）依次把各分组发送到接收端接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,首部,首部,首部,发 送,发 送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,57,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,58,注意分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口
20、,在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,59,交换机类似于高速公路的立交桥,交换机工作演示,60,1.4.3 数据通信的电气特性,(1)星形结构 (2)环型结构 (3)树形结构 (4)总线型结构 (5)网状结构 (6)菊花链型结构,1. 计算机网络的拓扑结构,61,（1） 星形结构,局域网最常用的拓扑结构之一,连线方式：由一个功能较强的中心节点（主节点）和一些各自连接中心节点的从节点组成。任何两个从节点之间的 通信均要通过中心节点转接。,特点：结构简单、建网容易、便于管理，扩展网络容易。但中心节点是全网的
21、控制中心，一旦出现故障会造成全网瘫痪。,62,（2）环形结构,特点：结构简单、建网容易、无路径选择。但由于环路是封闭的，所以不易扩展，且可靠性差，维护管理复杂。,特点：信息交换主要在上下节点中进行，路径选择方便，若某一分支发生故障，易将该分支与整个网络隔离，但对根的依赖性大。适用于分级管理和控制系统。,63,局域网最常用的拓扑结构之一 连线方式：所有的节点都挂接在一条公共线路上。 特点：结构简单，布线容易，投资少，易于扩充。,容错能力最强的拓扑结构 连线方式：网络上的每个节点与其它节点有3条以上的 直接线路连接。 特点：建网费用高，布线困难，但可靠性很高。一个节点发生故障，数据可通过其它节点和
22、线路到达目的地。,64,(6)菊花链型结构,特点：在一个网段中现场总线电缆从一台现场仪表走到另一台现场仪表，在每个现场仪表的端子上互连。,注意：使用这种拓扑结构应该使用联接器，否则，在拆卸一台仪表时容易使整个总线断路。,65,2.传输介质,（1）双绞线 （2）同轴电缆（3）光缆,66,（1）双绞线,为什么扭绞在一起?,将各导线绞在一起的目的主要是使绞线间的电磁干扰最小.,67,双绞线使用RJ45接头连接计算机的网络适配器或集线器等通信设备。RJ45接头与普通电话系统的RJ11接头看起来相似，但二者有着重要的区别RJ45接头稍大，包括8条连接缆线，而RJ11接头只有4条.,二叉式非屏蔽水晶头,6
23、8,非屏蔽水晶头,69,屏蔽水晶头,70,（2）同轴电缆,71,（3）光缆,72,光纤及接头组件,73,传输介质性能比较,74,局部区域网络 (Local Area Network，LAN)，是一种分布在有限区域内的计算机网络，由计算机、网络接口卡、外围设备、网络介质以及网络通信控制设备组成,1.4.4 LAN局域网,75,LAN的实例,(1) 最简单的网络,RS-232电缆,（直接电缆连接计算机）,(2) 对等网络,(由windows计算机组成的对等网）,76,LAN的实例,(3) 基于服务器的网络,文件服务器,打印服务器,应用程序服务器,通信服务器,客户机,客户机,客户机,客户机,客户机,
24、打印机,77,LAN的实例,(4) 混合型网络,78,常见的几种连网方法,点对点连接 （这是最简单的网络）,总线网,星形网,环形网,79,本章小结,计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、电气开关等装置。,在计算机控制系统中，生产过程与计算机之间是通过输入输出通道连接起来的。输入通道将生产过程中的数字信号与模拟信号转换成计算机能够接受的数字信号，送到计算机去处理；输出通道将计算机的控制信号转换为现场设备能够接收的信号去控制生产过程的自动运行。,计算机控制系统按其应用特点、控制功能和系统结构可分为：数据采集系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、分级控制系统、集散型控制系统及现场总线控制系统。,80,思考题与习题,1.1 简述计算机控制系统的组成，并画出系统框图。 1.2 简述计算机控制系统的分类。 1.3 简述直接数字控制系统的特点。 1.4 简述集散控制系统的组成与特点。 1.5 计算机控制系统输入输出通道各有什么作用？,
