計(jì)算機(jī)控制教案

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述一、總論計(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?？刂评碚摰陌l(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)比常規(guī)控制更復(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。同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域提出來(lái)一系列理論與工程上的問(wèn)題，又進(jìn)一步推動(dòng)了控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，還有力地推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，大大擴(kuò)展了控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍，特別是使復(fù)雜的、大規(guī)模的自動(dòng)化系統(tǒng)與過(guò)程發(fā)展到了一個(gè)嶄新的階段。二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工業(yè)控制機(jī)IPC)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理圖1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為三個(gè)步驟：(1)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。(2)、實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按預(yù)定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。(3)、實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，實(shí)時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。上述過(guò)程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對(duì)被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。在一般的模擬控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是山硬件電路產(chǎn)生的，要改變控制規(guī)律就要更改硬件電路。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)執(zhí)行預(yù)定的控制程序，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制。因此，要改變控制規(guī)律，只要改變控制程序就可以了。這就使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活方便。特別是可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、邏輯判斷、記憶、信息傳遞能力，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制規(guī)律，如非線性控制、邏輯控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制及智能控制等。2、在線方式和離線方式：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)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式：生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。3、實(shí)時(shí)的含義：

實(shí)時(shí)性是指工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該具有的能夠在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外來(lái)事件做出反應(yīng)的特性。在具體地確定這里所說(shuō)的限定時(shí)間時(shí)，主要考慮兩個(gè)要素：一是根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的事件能夠保持多長(zhǎng)的時(shí)間；二是該事件要求計(jì)算機(jī)在多長(zhǎng)的時(shí)間以內(nèi)必須做出反應(yīng)，否則，將對(duì)生產(chǎn)過(guò)程造成影響甚至造成損害?？梢?，實(shí)時(shí)性是相對(duì)的。實(shí)時(shí)性一般都要求計(jì)算機(jī)具有多任務(wù)處理能力，以便將測(cè)控任務(wù)分解成若干并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)，加速程序執(zhí)行速度?？梢园涯切┳兓⒉伙@著，即使不立即作出反應(yīng)也不至于造成影響或損害的事件，作為順序執(zhí)行的任務(wù)，按照一定的巡檢周期有規(guī)律地執(zhí)行，而把那些保持時(shí)間很短且需要計(jì)算機(jī)立即作出反應(yīng)的事件，作為中斷請(qǐng)求源或事件觸發(fā)信號(hào)，為其專門編寫程序，以便在該類事件一旦出現(xiàn)時(shí)計(jì)算機(jī)能夠立即響應(yīng)。如果山于測(cè)控范圍龐大，變量繁多，這樣分配仍然不能保證所要求的實(shí)時(shí)性時(shí),則表明計(jì)算機(jī)的資源已經(jīng)不夠使用，只得對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，或者提高計(jì)算機(jī)的檔次。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過(guò)程，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)山計(jì)算機(jī)和工業(yè)對(duì)象組成。計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的核心裝置，是系統(tǒng)中信號(hào)處理和決策的機(jī)構(gòu)，它相當(dāng)于控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。（1）、硬件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要由主機(jī)、外部設(shè)備、過(guò)程輸入輸出設(shè)備和被控對(duì)象組成，如圖2所示。一外部設(shè)備一^主機(jī)卜過(guò)程輸入輸出設(shè)備司通信設(shè)備Uh*接口鍵盤一接口打印機(jī)一接口系統(tǒng)總線CPU就接口一開關(guān)輸入接口開關(guān)輸出被控對(duì)象圖2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成框圖①、主機(jī)由中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲(chǔ)器（RAM和ROM）通過(guò)系統(tǒng)總線連接的主機(jī)是計(jì)算機(jī)的核心，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。它按照預(yù)先存放在內(nèi)存中的程序、指令，不斷通過(guò)過(guò)程輸入設(shè)備獲取反映被控對(duì)象運(yùn)行工況的信息，并按程序中規(guī)定的控制算法，或操作人員通過(guò)鍵盤輸入的操作命令自動(dòng)地進(jìn)行運(yùn)算和判斷，及時(shí)地產(chǎn)生并通過(guò)過(guò)程輸出設(shè)備向被控對(duì)象發(fā)出相應(yīng)控制命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)控制目標(biāo)。②、外部設(shè)備常用的外部設(shè)備有4類：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器和通信設(shè)備。

輸入設(shè)備：常用的是鍵盤，用來(lái)輸入（或修改）程序、數(shù)據(jù)和操作命令。輸出設(shè)備：通常有打印機(jī)、CRT顯示器等，它們以字符、曲線、表格、圖形等形式來(lái)反映被控對(duì)象的運(yùn)行工況和有關(guān)控制信息。外存儲(chǔ)器：通常是磁盤（包括硬盤和軟盤）。它們兼有輸入和輸出兩種功能，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)，作為內(nèi)存儲(chǔ)器的后備存儲(chǔ)器。通信設(shè)備：用來(lái)與其他相關(guān)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，形成規(guī)模更大、功能更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。以上這些常規(guī)的外部設(shè)備通過(guò)接口與主機(jī)連接便構(gòu)成具有科學(xué)計(jì)算和信息處理功能的通用計(jì)算機(jī)，但是這樣的計(jì)算機(jī)不能直接用于控制。如果用于控制，還需要配備過(guò)程輸入輸出設(shè)備構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。③、過(guò)程輸入輸出設(shè)備過(guò)程輸入輸出（簡(jiǎn)稱I/O）設(shè)備是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象之間信息聯(lián)系的橋梁和紐帶，計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象之間的信息傳遞都是通過(guò)I/O設(shè)備進(jìn)行的。I/O設(shè)備分為過(guò)程輸入設(shè)備和過(guò)程輸出設(shè)備。過(guò)程輸入設(shè)備：包括模擬輸入通道（簡(jiǎn)稱A/D通道）和開關(guān)量輸入通道（簡(jiǎn)稱DI通道），分別用來(lái)將測(cè)量?jī)x表測(cè)得的被控對(duì)象各種參數(shù)的模擬信號(hào)和反映被控對(duì)象狀態(tài)的開關(guān)量或數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。過(guò)程輸出設(shè)備：包括模擬輸出通道（簡(jiǎn)稱D/A通道）和開關(guān)量輸出通道（簡(jiǎn)稱DO通道）。D/A通道將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)保持器后輸出，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制；DO通道將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的開關(guān)量控制命令直接輸出驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作。④、被控對(duì)象一般來(lái)說(shuō)，被控對(duì)象是連續(xù)模擬環(huán)節(jié)，而計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、保持器后成為連續(xù)信號(hào)，加到被控對(duì)象上。在以后的分析中，我們將保持器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及被控對(duì)象看作一個(gè)整體，稱為廣義被控對(duì)象。（2）,軟件組成上述硬件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)只是一個(gè)硬件系統(tǒng)，還必須配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各種自動(dòng)化功能。軟件是計(jì)算機(jī)工作程序的統(tǒng)稱，軟件系統(tǒng)亦即程序系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)預(yù)期信息處理功能的各種程序的集合。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的優(yōu)劣不僅關(guān)系到硬件功能的發(fā)揮，而且也關(guān)系到控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)和操作管理水平。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件通常由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大軟件組成。①、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件即計(jì)算機(jī)通用性軟件，主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和一些公共服務(wù)軟件（如各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編譯、程序診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信等軟件）。系統(tǒng)軟件通常由計(jì)算機(jī)廠家和軟件公司研制，可以從市場(chǎng)上購(gòu)置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一般沒有必要研制系統(tǒng)軟件，但是需要了解和學(xué)會(huì)使用系統(tǒng)軟件，以便更好地開發(fā)應(yīng)用軟件。②、應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)軟件支持下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能的專用程序。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件一般包括控制程序，過(guò)程輸入輸出接口程序，人機(jī)接口程序，顯示、打印、報(bào)警和故障聯(lián)鎖程序等。一般情況下，應(yīng)用軟件由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)所確定的硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境來(lái)開發(fā)編寫。應(yīng)當(dāng)指出，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱控制機(jī)或工控機(jī)）跟通

常用作信息處理的通用計(jì)算機(jī)（如PC機(jī)），不僅在結(jié)構(gòu)上而且在技術(shù)性能方面都有較大差別。由于控制機(jī)要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視，需要不間斷長(zhǎng)期可靠地工作，而且其工作環(huán)境一般都較惡劣，所以控制機(jī)不僅需要配置過(guò)程輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)與被控對(duì)象之間的信息聯(lián)系，而且還必須具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾能力以及很高的可靠性。三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展20世紀(jì)50年代初，計(jì)算機(jī)就開始用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制?？刂评碚撆c計(jì)算機(jī)的結(jié)合，產(chǎn)生了新型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。為自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展開辟了新途徑。1965年到1969年是計(jì)算機(jī)控制進(jìn)入實(shí)用普及的階段。1970年以后控制進(jìn)入了大量推廣分級(jí)控制階段。20世紀(jì)90年代后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)一步完善、應(yīng)用更加普及、價(jià)格不斷下降的同時(shí)，功能卻更加豐富，性能亦更加可靠?？梢灶A(yù)料的是，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)將會(huì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。作業(yè)：1、簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理。2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由哪兩部分組成?請(qǐng)分別說(shuō)明。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的類型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按功能及結(jié)構(gòu)大致可以分為以下幾種典型的形式。1、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OperationalInformationSystem,簡(jiǎn)稱OIS)圖1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)不僅具有數(shù)據(jù)采集和處理的功能，而且能夠?yàn)椴僮魅藛T提供反映生產(chǎn)過(guò)程工況的各種數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地給出操作指導(dǎo)信息，供操作人員參考。該控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)一定的控制算法(數(shù)學(xué)模型),依賴測(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)。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)是要山人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl,簡(jiǎn)稱DDC)圖2直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)首先通過(guò)模擬量輸入通道(AI)和開關(guān)量輸入通道(DI)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)出控制信息，并通過(guò)模擬量輸出通道(AO)和開關(guān)量輸出通道(DO)直接控制生產(chǎn)過(guò)程。DDC系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用方式。山于DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，所以要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的利用率，一臺(tái)計(jì)算機(jī)通常要控制幾個(gè)或幾十個(gè)回路，那就要合理地設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，使之不失時(shí)機(jī)地完成所有功能。3、監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC(SupervisoryComputerControl)計(jì)算機(jī)根據(jù)原始工藝信息和其他參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型或其他方法，自動(dòng)地改變模擬/數(shù)字調(diào)節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的計(jì)算機(jī)中的給定值，從而使生產(chǎn)過(guò)程始終處于最優(yōu)工況(如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本等等)。從這個(gè)角度上說(shuō)，它的作用是改變給定值，所以又稱設(shè)定值控制SPC(SetPointControl)o

監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。(1)SCC+模擬/數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)圖3SCC+模擬/數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng)該系統(tǒng)是由計(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)模型對(duì)生產(chǎn)工況進(jìn)行分析、計(jì)算后得出控制對(duì)象各參數(shù)最優(yōu)給定值送給調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬/數(shù)字調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作。(2)、SCC+DDC的分級(jí)控制系統(tǒng)圖4SCC+DDC系統(tǒng)這實(shí)際上是一個(gè)二級(jí)控制系統(tǒng)，SCC可采用高檔計(jì)算機(jī)，它與DDC之間通過(guò)通信接口進(jìn)行通信聯(lián)系。SCC計(jì)算機(jī)可完成工段、車間高一級(jí)的最優(yōu)化分析和計(jì)算，并給出最優(yōu)給定值，送給DDC級(jí)執(zhí)行過(guò)程控制。當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能，使系統(tǒng)可靠性得到提高。4、集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,簡(jiǎn)稱DCS)該系統(tǒng)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，山多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)通信網(wǎng)互相連接而成的控制系統(tǒng)，因而它具有網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)。DCS采用分散控制、集中管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)思想，將工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制、監(jiān)督、協(xié)調(diào)與各項(xiàng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理工作融為一體，由DCS中各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)管理、控制一體化。系統(tǒng)功能自下而上分為過(guò)程控制級(jí)(或裝置級(jí))、控制管理級(jí)(或車間級(jí))、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)(或企業(yè)級(jí))等，每級(jí)由一臺(tái)或數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，各級(jí)之間通過(guò)通信網(wǎng)連接。圖5DCS控制系統(tǒng)其中過(guò)程控制級(jí)由若干現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)(又稱現(xiàn)場(chǎng)控制單元/站)對(duì)各個(gè)生產(chǎn)裝置直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和DDC功能；控制管理級(jí)對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)的工作進(jìn)行監(jiān)督、協(xié)調(diào)和優(yōu)化；生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)執(zhí)行對(duì)全廠各個(gè)生產(chǎn)管理部門監(jiān)督、協(xié)調(diào)和綜合優(yōu)化管理，主要包括生產(chǎn)調(diào)度、各種計(jì)劃管理、輔助決策以及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和綜合分析等。DCS具有整體安全性，可靠性高；系統(tǒng)功能豐富多樣；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)、擴(kuò)展方便靈活；生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的信息數(shù)據(jù)獲取、傳遞和處理快捷及時(shí)；操作、監(jiān)視簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)管理、控制一體化，提高工業(yè)企業(yè)的綜合自動(dòng)化水平，增強(qiáng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的靈活性和綜合管理的動(dòng)態(tài)優(yōu)化能力，從而可以使工業(yè)企業(yè)獲取更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。DCS自20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)以來(lái)，其技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展很快，如今已成為計(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)的主流，也代表了今后工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化的發(fā)展方向。5、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem,簡(jiǎn)稱FCS)是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的DCS,其結(jié)構(gòu)模式為“操作站——控制站一現(xiàn)場(chǎng)儀表”三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本較高，且各廠商的DCS有各自的標(biāo)準(zhǔn)，不能互聯(lián)。FCS與DCS不同，它的結(jié)構(gòu)模式為“工作站一現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CS用二層結(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，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。6、PLC+上位機(jī)系統(tǒng)可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,簡(jiǎn)稱PLC)最初是用計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算功能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接線邏輯(或稱繼電器邏輯)而設(shè)計(jì)的一種小型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。但是嚴(yán)格來(lái)講，PLC并不能稱作是系統(tǒng)，因?yàn)樗谶\(yùn)行時(shí)并不需要人工的干預(yù)，因此也沒有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常都包括的人機(jī)界面設(shè)備，最多只有一些狀態(tài)指示燈，以表示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，供現(xiàn)場(chǎng)維修、診斷用。PLC所完成的是邏輯控制，它根據(jù)各種輸入狀態(tài)，經(jīng)過(guò)邏輯判斷和邏輯運(yùn)算，得出控制輸出，并進(jìn)行輸出實(shí)施控制。另外，PLC還可以通過(guò)預(yù)先編制控制程序?qū)崿F(xiàn)順序控制，用PLC代替繼電器邏輯，大大提高了控制實(shí)現(xiàn)的靈活性和功能，并使控制的可靠性提高了，因?yàn)樗秒娮釉倪\(yùn)行代替了機(jī)械的動(dòng)作，免除了機(jī)械的磨損和機(jī)械動(dòng)作部分的材料疲勞?，F(xiàn)在出現(xiàn)了用數(shù)據(jù)高速公路(DataHighway,DH)將眾多PLC互聯(lián)起來(lái)，而形成的較大控制系統(tǒng)。僅有邏輯的功能J不能滿足要求，而需要擴(kuò)充數(shù)值控制的功能。為了滿足上述要求，各PLC廠家做了大量工作，分別推出自己的以PLC為主的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)與單個(gè)的PLC相比有幾點(diǎn)重大的改變。①、在數(shù)據(jù)高速公路上掛接了在線的通用計(jì)算機(jī)，其作用一是可以實(shí)現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下載，二是可以在線地監(jiān)視被控過(guò)程的狀態(tài)，這樣一個(gè)具有現(xiàn)場(chǎng)控制層和協(xié)調(diào)控制層的DCS雛形就出現(xiàn)了。②、在PLC中增加了數(shù)值量的I/O接口和數(shù)值處理計(jì)算功能，這樣，PLC就不僅可以完成邏輯控制功能，也可以完成數(shù)值控制功能和混合控制功能。③、越來(lái)越多的PLC廠家把專用的數(shù)據(jù)高速公路改成為通用的網(wǎng)絡(luò)，并逐步將PLC之間的通信規(guī)約向通用的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約靠攏，這樣就使PLC有條件和其他各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)。在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到可與傳統(tǒng)的DCS相競(jìng)爭(zhēng)的水平。7、現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)是以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)，以生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理為核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線成本的預(yù)測(cè)、控制和反饋校正，以形成生產(chǎn)成本控制中心，保證生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化運(yùn)行；實(shí)施生產(chǎn)全過(guò)程的優(yōu)化調(diào)度、統(tǒng)一指揮，以形成生產(chǎn)指揮中心，保證生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控，以形成質(zhì)量管理體系和設(shè)備保證體系，保證生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化管理。因此，現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)是一個(gè)多層次遞階的集成系統(tǒng)，通常分為如圖6所示的ERP/MES/PCS/三層模型結(jié)構(gòu)，即劃分為考慮牛.產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題的生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)PCS(ProcessControlSystem)；考慮企業(yè)層面經(jīng)營(yíng)管理問(wèn)題的企業(yè)資源計(jì)劃ERP(EnterpriseResourcePlanning)系統(tǒng)以及同時(shí)考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問(wèn)題的中間層生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES(ManufacturingExecutionSystem,又稱制造執(zhí)行系統(tǒng))三個(gè)層次。業(yè)資源計(jì)劃ERP(.(EnterpriseResourcePlanning).)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES(ManufacturingExecutionSystem)過(guò)程控制系統(tǒng)CPS

(ProcessControlSystem)圖6現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)分層模型(1)、ERP企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)ERP企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)包括人力資源管理、財(cái)務(wù)管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、生

產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃管理等企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理功能，對(duì)企業(yè)各種資源進(jìn)行有效管理。（2）,MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)是處于計(jì)劃層與控制層之間的執(zhí)行層，起到對(duì)由生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的信息以及由經(jīng)營(yíng)管理和生產(chǎn)管理活動(dòng)中產(chǎn)生的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工、傳遞的作用，是生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息集成的重要橋梁和紐帶。ERP層ERPERP層生產(chǎn)管理資產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理中間庫(kù)中間產(chǎn)存管理品管理物流計(jì)劃生產(chǎn)成本計(jì)劃生產(chǎn)計(jì)劃物流控制與管理生產(chǎn)成本控制與管理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)/計(jì)劃調(diào)度生產(chǎn)過(guò)程管理實(shí)時(shí)

調(diào)度MESJS設(shè)備維護(hù)管理質(zhì)量管理I生產(chǎn)流程模擬I生產(chǎn)過(guò)程模型化運(yùn)行操作支持I安全控制與管理基于工藝目標(biāo)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)

指標(biāo)過(guò)程優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程支持

知識(shí)|信息控制接口與信息界面|傳統(tǒng)APCFCS系統(tǒng)/ PCS層DCS系統(tǒng)工|lECS系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、在線分析儀圖7現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)的典型體系結(jié)構(gòu)1）、生產(chǎn)過(guò)程模型化這是現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)與該模塊相連的其它模塊所提供的信息與知識(shí)，構(gòu)造這些模塊所代表的企業(yè)生產(chǎn)控制與管理活動(dòng)所需要的各種類型的模型，主要包括物料流、資金流、信息流和工作流模型。2）、生產(chǎn)過(guò)程管理包括物流控制與管理、生產(chǎn)成本控制與管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)/生產(chǎn)調(diào)度等功能,是與企業(yè)資源管理層的生產(chǎn)計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的功能模塊。它實(shí)際上是現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)架構(gòu)中承上啟下的關(guān)鍵模塊。該模塊一方面負(fù)責(zé)將經(jīng)營(yíng)決策層的經(jīng)營(yíng)目標(biāo)（如：生產(chǎn)計(jì)劃、成本、勞動(dòng)生產(chǎn)率等目標(biāo)）通過(guò)合理的生產(chǎn)調(diào)度方案加以實(shí)現(xiàn)；另一方面，通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的生產(chǎn)過(guò)程績(jī)效分析和監(jiān)測(cè),并與計(jì)劃的目標(biāo)相比較，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、成本的閉環(huán)控制和管理。3）、生產(chǎn)過(guò)程支持提供基于知識(shí)和基于信息的支持，將其它模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)進(jìn)行加工、處理，形成相應(yīng)的方法、算法或軟件，為現(xiàn)代集成控制系統(tǒng)各功能模塊提供支持。

4）、基于工藝目標(biāo)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的過(guò)程優(yōu)化建立過(guò)程參數(shù)與工藝目標(biāo)或技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的聯(lián)系。提供以保證工藝目標(biāo)或技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為前提的過(guò)程參數(shù)優(yōu)化支持，并通過(guò)接口向先進(jìn)控制層提供最佳的操作條件。5）、先進(jìn)控制包括用于過(guò)程優(yōu)化控制的多變量先進(jìn)控制（MAPC）、智能控制方法和算法等。先進(jìn)控制是對(duì)那些不同于常規(guī)單.回路PID控制，并具有比常規(guī)PID控制更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計(jì)算機(jī)控制算法。這些控制策略的先進(jìn)性在于其目前在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中尚很少使用。先進(jìn)控制的任務(wù)是明確的，即用來(lái)處理那些采用常規(guī)控制效果不好，甚至無(wú)法控制的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制的問(wèn)題。6）、控制接口與信息界面與過(guò)程控制層的各個(gè)軟硬件相連接，調(diào)用PLC、DCS、FCS、IECS或其它過(guò)程控制裝備中的過(guò)程信息，并發(fā)出MES層根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際狀況做出的控制策略。目前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控軟件平臺(tái)已成為MES層控制接口與信息界面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)配置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)流程查看、實(shí)時(shí)趨勢(shì)瀏覽、報(bào)警記錄與查看、開關(guān)量變位記錄與查看、報(bào)表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史趨勢(shì)存儲(chǔ)與查看、生產(chǎn)過(guò)程報(bào)表生成、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成以及標(biāo)準(zhǔn)ODBC/SQL過(guò)程數(shù)據(jù)接口等功能，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成和綜合管理。7）、實(shí)時(shí)調(diào)度包括基于模型、基于數(shù)據(jù)和基于知識(shí)的多種動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，利用流程模擬模型，針對(duì)供需變動(dòng)、工藝切換、資源波動(dòng)、設(shè)備故障變化等裝置狀況，實(shí)時(shí)地做出生產(chǎn)方案、工藝路線和資源分配，進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的優(yōu)化調(diào)度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產(chǎn)品效益，確定各個(gè)生產(chǎn)裝置的負(fù)荷。實(shí)時(shí)調(diào)度其實(shí)是一類特殊的在線、多段、多目標(biāo)、實(shí)時(shí)優(yōu)化問(wèn)題，由于企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，目前實(shí)時(shí)調(diào)度尚未有廣泛的應(yīng)用。8）、質(zhì)量管理管理生產(chǎn)過(guò)程中所有與質(zhì)量有關(guān)的信息，包括從過(guò)程控制系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)過(guò)程信息和質(zhì)檢部門的化驗(yàn)質(zhì)檢信息：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)。9）、安全控制與管理提供基于數(shù)據(jù)、模型和知識(shí)的生產(chǎn)過(guò)程故障診斷和預(yù)報(bào)、過(guò)程故障狀態(tài)下運(yùn)行模式的調(diào)整組態(tài)以及基于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)支持的安全事故處理等支持。10）、運(yùn)行操作支持提供流程生產(chǎn)過(guò)程中頻繁發(fā)生的設(shè)備、過(guò)程啟停操作支持，包括在線操作指導(dǎo)電子手冊(cè)、關(guān)鍵操作語(yǔ)音提示、操作結(jié)構(gòu)模擬預(yù)測(cè)、基于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)咨詢等支持。11）、設(shè)備維護(hù)管理提供重要設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備故障預(yù)測(cè)、基于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備技術(shù)咨詢和備品采購(gòu)等支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備備件的庫(kù)存管理.12）、生產(chǎn)流程模擬以生產(chǎn)過(guò)程各類模塊化模型為基礎(chǔ)，提供MES中各個(gè)功能模塊運(yùn)行的可視化流程模擬支持。13）、資產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理

與企業(yè)資源管理中靜態(tài)的資產(chǎn)管理相連接，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的中間庫(kù)存和中間產(chǎn)品動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行管理，提供動(dòng)態(tài)成本和物流控制與管理的信息支持。（3）、過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)處理的對(duì)象是與生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)的局部系統(tǒng)，包括生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)過(guò)程的控制和優(yōu)化、生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)度等，其目標(biāo)是在總體指標(biāo)的約束下，使某局部生產(chǎn)過(guò)程處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。它包括集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）、工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)（IECS）、傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)（APC）以及傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、在線分析儀等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。作業(yè)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按功能及結(jié)構(gòu)可分為幾種典型形式？請(qǐng)分別說(shuō)明。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類、特點(diǎn)及工業(yè)計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按照控制規(guī)律分類：1、程序和順序控制在程序控制中，被控制量按照一定的、預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)間的函數(shù)。順序控制可以看作是程序控制的擴(kuò)展，在各個(gè)時(shí)期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。2、比例積分微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制）調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID控制是當(dāng)前應(yīng)用最廣、最為廣大工程技術(shù)人員熟悉的技術(shù)。PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，因此，無(wú)論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)使用P1D控制規(guī)律。3、最少拍控制最少拍控制的性能指標(biāo)是要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間里完成調(diào)節(jié)過(guò)程。最少拍控制通常用在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。4、復(fù)雜規(guī)律的控制生產(chǎn)實(shí)踐中控制系統(tǒng)除了給定值的輸入外，還存在大量的隨機(jī)擾動(dòng)。另外，性能指標(biāo)也不單是過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)，而且包括能耗最小、產(chǎn)量最高、質(zhì)量最好等綜合性指標(biāo)。對(duì)于存在隨機(jī)擾動(dòng)的系統(tǒng)，僅用PID控制時(shí)難以達(dá)到滿意的性能指標(biāo)的，因此，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際，可以引進(jìn)各種復(fù)雜規(guī)律的控制。例如：串級(jí)控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)償控制、多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制等。5、智能控制智能控制理論是一種把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問(wèn)題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來(lái)的學(xué)科。智能控制理論可以看作是三個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或匯合，這三個(gè)理論領(lǐng)域是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制理論。智能控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大系統(tǒng)，是綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)。二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按照控制方式分類按照控制方式的不同，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，這種分類方法是和連續(xù)系統(tǒng)一樣的。三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比，主要有以下特點(diǎn)：1、數(shù)字模擬混合的系統(tǒng)在連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處的信號(hào)是連續(xù)模擬信號(hào)。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除仍有連續(xù)模擬信號(hào)外，還有離散信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等多種信號(hào)。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。2、靈活方便、適應(yīng)性強(qiáng)一般的模擬控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由硬件電路實(shí)現(xiàn)的，控制規(guī)律越復(fù)雜，所需要的模擬電路往往越多，如果要改變控制規(guī)律，一般就必須更改硬件電路：而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)執(zhí)行預(yù)定的控制程序，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制，需要改變控制規(guī)律時(shí)，一般不對(duì)硬件電路做改動(dòng)，只要改變控制程序就可以了。3、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律計(jì)算機(jī)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強(qiáng)的邏輯判斷功能，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。

4,離散控制在連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進(jìn)行的，控制器對(duì)產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調(diào)節(jié)的。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)每隔一定時(shí)間間隔，向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，并對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣獲得離散時(shí)間信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，產(chǎn)生的控制時(shí)間信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)時(shí)間信號(hào)輸出，作用于被控對(duì)象。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。4、可以采用分時(shí)控制在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個(gè)控制器控制一個(gè)回路。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)具有高速的計(jì)算處理能力，一個(gè)數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r(shí)控制的方式，同時(shí)控制多個(gè)回路。5、易于實(shí)現(xiàn)管控一體化采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制信息的全數(shù)字化，易于建立集成企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)管理和過(guò)程控制于一體的管控一體化系統(tǒng)。即建立集成了生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)PCS、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。四、工業(yè)計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介1、工業(yè)控制機(jī)特點(diǎn)工業(yè)控制機(jī)也稱工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC（IndustrialPersonalComputer,以下簡(jiǎn)稱工控機(jī)）。它主要用于工業(yè)過(guò)程測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。與通用的計(jì)算機(jī)相比有許多不同點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如下：①、可靠性高：工控機(jī)通常用于控制不間斷的生產(chǎn)過(guò)程，在運(yùn)行期間不允許停機(jī)檢修，一旦發(fā)生故障將會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量事故，甚至生產(chǎn)事故.因此要求工控機(jī)具有很高的可靠性，也就是說(shuō)要有許多提高安全可靠性的措施，以確保平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)，同時(shí)盡量縮短故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）,以達(dá)到很高的運(yùn)行效率。②、實(shí)時(shí)性好：工控機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制于監(jiān)測(cè)，因此要求它必須實(shí)時(shí)地響應(yīng)控制對(duì)象各種參數(shù)的變化。當(dāng)過(guò)程參數(shù)出現(xiàn)偏差或故障時(shí)，工控機(jī)能及時(shí)響應(yīng)，并能實(shí)時(shí)地進(jìn)行報(bào)警和處理。為此工控機(jī)需配有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTDOS）。③、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴(yán)重，供電系統(tǒng)也常受大負(fù)荷設(shè)備起停的干擾，其接“地”系統(tǒng)復(fù)雜，共模及串模干擾大。因此要求工控機(jī)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，如對(duì)溫度/濕度變化范圍要求高；要具有防塵、防腐蝕、防振動(dòng)沖擊的能力；要具有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力以及高共模抑制的能力。④、過(guò)程輸入和輸出配套較好：工控機(jī)要具有豐富的多種功能的過(guò)程輸入和輸出配套模板，如模擬量、開關(guān)量、脈沖量、頻率量等輸入輸出模板。具有多種類型的信號(hào)調(diào)理功能，如隔離型和非隔離型信號(hào)調(diào)理；各類熱電偶，熱電阻信號(hào)輸入調(diào)理；電壓/電流信號(hào)輸入和輸出信號(hào)的調(diào)理等。⑤、系統(tǒng)擴(kuò)充性好隨著工廠自動(dòng)化水平的提高，控制規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，因此要求工控機(jī)具

有靈活的擴(kuò)充性。⑥、系統(tǒng)開放性要求工控機(jī)具有開放性體系結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)在主機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件兼容及升級(jí)等方面遵守開放性原則，以便于系統(tǒng)擴(kuò)充、異機(jī)種連接、軟件的可移植和互換。⑦、控制軟件包功能強(qiáng)工控軟件包要具備人機(jī)交互方便、畫面豐富、實(shí)時(shí)性好等性能；具有系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)生成功能；具有實(shí)時(shí)及歷史的趨勢(shì)記錄與顯示功能；具有實(shí)時(shí)報(bào)警及事故追憶等功能。此外尚需具有豐富的控制算法，除了常規(guī)PID（比例、積分、微分）控制算法外，還應(yīng)具有一些高級(jí)控制算法，如模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化，自適應(yīng)，自整定等算法，并具有在線自診斷功能。目前一個(gè)優(yōu)秀的控制軟件包往往將連續(xù)控制功能與斷續(xù)控制功能相結(jié)合。⑧、系統(tǒng)通信功能強(qiáng)具有串行通信、網(wǎng)絡(luò)通信功能。由于實(shí)時(shí)性要求高，因此要求工控機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)速度高，并且符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議；有了強(qiáng)有力的通信功能，工控機(jī)可構(gòu)成更大的控制系統(tǒng)。⑨、后備措施齊全：包括供電后備、存儲(chǔ)器信息保護(hù)、手動(dòng)/自動(dòng)操作后備、緊急事故切換裝置等。⑩、具有冗余性在可靠性要求更高的場(chǎng)合，要求有雙機(jī)工作及冗余系統(tǒng)，包括雙控制站、雙操作站、雙網(wǎng)通信、雙供電系統(tǒng)、雙電源等，具有雙機(jī)切換功能、雙機(jī)監(jiān)視軟件等，以確保系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷地運(yùn)行。2、工業(yè)控制機(jī)的分類依賴于某種標(biāo)準(zhǔn)總線，按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，由主機(jī)板以及各種I/O模板等組成，用于工業(yè)控制等目的的微型計(jì)算機(jī)稱為總線式工控機(jī)?？偩€式工控機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)并行底板總線，其特點(diǎn)是能以簡(jiǎn)單的硬件支持高速的數(shù)據(jù)傳送和處理，且使系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化的開放式結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)各種不同的控制對(duì)象，應(yīng)用極為廣泛。按照所采用的總線標(biāo)準(zhǔn)類型可將工業(yè)控制機(jī)分成下列四類：①、PC總線工控機(jī)：有ISA總線、VESA局部總線（VL-BUS）、PC1總線、PC104總線等幾種類型工控機(jī)，主機(jī)CPU類型有80386、80486、Pentium笛"VJO②、STD總線工控機(jī)：它采用STD總線，主機(jī)CPU類型有80386、80486、Pentium等，另外與STD總線相類似的尚有STE總線工控機(jī)。③、VME總線工控機(jī)：它采用VME總線，主機(jī)CPU類型以Motorola公司的M68000、M68020,和M68030為主。④、多總線工控機(jī)：它采用MULTIbus總線，以INTEL工控機(jī)為代表，主機(jī)CPU類型有80386、80486和Pentium等。廣義而言，工控機(jī)的類型更廣些，主要有IPC工控機(jī)、PLC可編程控制器、專用控制機(jī)以及其他類型的工控機(jī)，如單回路或多回路智能控制器等。3、總線式工控機(jī)⑴、STD總線①、總線標(biāo)準(zhǔn)

STD總線最早由PRO—LOG公司在1978年推出，正式標(biāo)準(zhǔn)為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。②、支持的處理機(jī)系統(tǒng)發(fā)明STD總線的H的在于推廣一個(gè)面向工業(yè)控制的8位機(jī)總線系統(tǒng)。STD標(biāo)準(zhǔn)可以支持幾乎所有的8位處理機(jī)。在16位處理機(jī)大量生產(chǎn)之后，利用總線周期竊取和復(fù)用技術(shù)，改進(jìn)型的STD總線可支持16位處理機(jī)。為了進(jìn)一步提高STD總線系統(tǒng)的性能，新推出了STD32位處理機(jī)。③、總線的基本組成STD總線由56根線組成。56根線按功能分為4組。最早的STD總線定義為：8根雙向數(shù)據(jù)線、16根地址線、兩根控制線和10根電源和地線。支持16位處理機(jī)的STD總線利用了總線復(fù)用技術(shù)，使原來(lái)的8根數(shù)據(jù)總線D0~D7與高位的8根地址線復(fù)用，從而形成24根地址線，而把原來(lái)的高8位地址線A8-A15與高8位數(shù)據(jù)總線復(fù)用，形成D8~D15,從而行成16位的數(shù)據(jù)總線?？刂菩盘?hào)又分為6個(gè)部分：存儲(chǔ)器和I/O控制線、外圍設(shè)備定時(shí)、時(shí)鐘和復(fù)位、中斷和總線控制、串行優(yōu)先鏈和CPU狀態(tài)。④、總線的數(shù)據(jù)傳輸控制方式STD總線采用同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。⑤、支持中斷能力原始的STD總線只有兩條中斷控制線，對(duì)中斷的控制能力很差。但是后來(lái)改進(jìn)的STD產(chǎn)品如系統(tǒng)n,是與PC/XT總線兼容的，增加了中斷能力。⑥、支持多主的能力原始的STD總線只有兩條總線控制信號(hào)線，因此，支持多主的能力是很差的。改進(jìn)的STD總線支持多主的能力也不很強(qiáng)。⑦、總線STD的電源總線由±5V、±12V和地幾種信號(hào)線組成。⑧、模板尺寸11.4cmX16.5cm(4.5inX6.5in)⑨、連接器的形式原始的STD總線采用56線的雙面邊緣連接器。⑩、系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況STD總線系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：a.小板結(jié)構(gòu)STD總線模板只有4.5inX6.5in,因此，它的機(jī)械強(qiáng)度大，抗振動(dòng)、沖擊能力強(qiáng)。此外，小板結(jié)構(gòu)成本低，易于被中小用戶接受。小板結(jié)構(gòu)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗小、散熱容易，而且機(jī)柜尺寸小。隨著芯片集成度的不斷提高，STD產(chǎn)品的性能也可以達(dá)到很高。b.嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)STD總線模板設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，總線定義中無(wú)剩余信號(hào)線，使得不同廠家的產(chǎn)品容易兼容。同時(shí)，這種標(biāo)準(zhǔn)化的開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了產(chǎn)品的模塊化。每塊STD模板一般功能較為單一，生產(chǎn)容易，組成系統(tǒng)也較規(guī)范化，只要根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的功能要求選購(gòu)不同的模板就可以容易地集成一個(gè)系統(tǒng)。C.可靠性高STD一開始就是作為一種工業(yè)控制總線而推出的。因此，該總線從各方面考慮總線產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題。而且，采用工業(yè)機(jī)籠側(cè)面直接插拔模塊，維修性

也很好。(2)、PC總線①、PC總線工業(yè)控制機(jī)主要特點(diǎn)a.兼容性好、升級(jí)容易由于采用ISA標(biāo)準(zhǔn)總線，兼容性好，而且升級(jí)容易。b.性能價(jià)格比高PC總線工控機(jī)的性能比其他機(jī)種高，但其價(jià)格卻比其他機(jī)種便宜。C.豐富的軟件支持工控機(jī)軟件包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信、工控軟件包等。這些軟件有許多公司的產(chǎn)品支持，并可應(yīng)用商用PC機(jī)軟件。d.通信功能強(qiáng)工控機(jī)具有多種通信網(wǎng)卡和通信支持軟件，因而極易成分散型控制系統(tǒng)(DCS).e.可靠性高抗沖擊振動(dòng)能力、抗塵埃性能、抗電涌沖擊能力、抗腐蝕性氣體能力以及適應(yīng)寬的溫度能力等方面，工業(yè)PC均比普通PC提高2~3倍。(3)、MULTIbus總線①M(fèi)ULTIbus(多總線)最早是由Intel公司的微機(jī)系統(tǒng)組于1975年開發(fā)設(shè)計(jì)的。1982年完成標(biāo)準(zhǔn)化工作，MULTIbus為IEEE796標(biāo)準(zhǔn)。②支持的處理機(jī)多總線幾乎支持所有的8位到32位的處理機(jī),它是一種非常靈活的總線。③總線的基本組成多總線底板上有兩排連接器：P1和P2。P1有86條線，P2有60條線。IEEE796標(biāo)準(zhǔn)定義了P1的86根線和P2的4根線。這90條信號(hào)線可以分成以下幾類：25條地址線、2條禁止線、16條數(shù)據(jù)線、9條控制線、9條中斷線、5條總線交換線、24條電源線。④總線的數(shù)據(jù)傳輸控制方式異步方式。⑤支持中斷能力多總線定義了8條中斷請(qǐng)求線和一條中斷應(yīng)答信號(hào)線，它支持總線向量中斷和非總線向量中斷?？梢哉f(shuō)多總線的中斷支持能力是很強(qiáng)的。⑥支持多主能力多總線上可以支持16個(gè)主設(shè)備，具有可靠的和方便的總線優(yōu)先級(jí)判別以及總線交換設(shè)施。⑦電源電壓多總線中提供了數(shù)目很大的電源線和地線，包括±5V、±12V的電壓，地線則定義了電源地和信號(hào)地兩種，所以，工業(yè)控制應(yīng)用極為方便。⑧板子尺寸304.8cmx171.5cm(12inx6.75in)o⑨總線連接器的形式MULTIbus自推出以來(lái)，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。MULTIbus具有以下特點(diǎn)：a.支持各種體系結(jié)構(gòu)，包括單處理機(jī)和多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)，使其應(yīng)用配置靈活，功能很強(qiáng)。b.結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單。c.可迅速采用新型的VLSI技術(shù)，支持的處理機(jī)范圍很廣，從8位到32位。讓結(jié)構(gòu)可靠且經(jīng)濟(jì)。e.標(biāo)準(zhǔn)的定義明確，文件齊全，便于管理。f.具有功能強(qiáng)且應(yīng)用方便的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RMX86系列的支持。作業(yè)：1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按照控制規(guī)律分幾類？請(qǐng)分別說(shuō)明。2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比，主要有哪些特點(diǎn)?3、工業(yè)計(jì)算機(jī)與通用計(jì)算機(jī)相比有哪些特點(diǎn)？4、PC總線工業(yè)控制機(jī)的主要特點(diǎn)是什么？5、MULTIbus的主要特點(diǎn)有哪些？數(shù)字控制器設(shè)計(jì)一、概述前面介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、組成分類和理論基礎(chǔ)。下面我們闡述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容——數(shù)字控制器設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，各種控制指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)一般都是通過(guò)計(jì)算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的控制算法來(lái)達(dá)到的，計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)中主要是充當(dāng)數(shù)字控制器的作用。當(dāng)被控對(duì)象也是用脈沖傳遞函數(shù)表達(dá)的數(shù)字環(huán)節(jié)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就可以看成是一個(gè)“純粹”的數(shù)字系統(tǒng)。對(duì)于這種系統(tǒng)可以用離散系統(tǒng)(或采樣系統(tǒng))的理論進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。但工程上多數(shù)情況下的被控對(duì)象是由模擬(或聯(lián)續(xù))環(huán)節(jié)組成的，而計(jì)算機(jī)是數(shù)字的，整個(gè)系統(tǒng)嚴(yán)格地說(shuō)屬于數(shù)字模擬混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中不同形式的兩部分可通過(guò)模數(shù)(A/D)、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器連接起來(lái)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1數(shù)字模擬混合系統(tǒng)示意圖對(duì)于這種混合系統(tǒng)通常采用兩種等效的設(shè)計(jì)方法：一種等效方法是把B'看成是控制器的輸入，B看作控制器輸出，從B'——B兩端來(lái)觀察系統(tǒng)的控制部分，則控制器輸入輸出均為模擬量，控制器就可視為是模擬控制器，這樣，一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬混合系統(tǒng)就完全等效為一個(gè)模擬系統(tǒng)了。等效后的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬化結(jié)構(gòu)圖示于圖2中。，(s)圖2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬化結(jié)構(gòu)圖圖中D(z)為數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，Gh(s)為零階保持器傳遞函數(shù)，G￡s)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。D(s)為等效后的控制器傳遞函數(shù)。對(duì)該系統(tǒng)可按模擬系統(tǒng)的校正方法(如時(shí)域法、頻域法或根軌跡法等)設(shè)計(jì)控制器D(s),然后再將D(s)經(jīng)離散化得到對(duì)應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)D(z).這種間接得到數(shù)字控制器脈沖傳遞D(z)的方法稱之為數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)法。另外一種等效設(shè)計(jì)方法是把圖1的A點(diǎn)當(dāng)作被控對(duì)象的輸入，A'點(diǎn)當(dāng)作被控對(duì)象的輸出，被控對(duì)象輸入輸出均為數(shù)字量，故被控對(duì)象可視為數(shù)字環(huán)節(jié)G(z),G(z)為被控對(duì)象的等效脈沖傳遞函數(shù)。等效后的計(jì)算機(jī)捽制系統(tǒng)可視為純數(shù)字控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)該系統(tǒng)可利用采樣系統(tǒng)的分析方法和數(shù)字指標(biāo)要求，直接設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。這種控制器的設(shè)計(jì)方法通常稱為數(shù)字控制器的直接解析設(shè)計(jì)法。下面將分別討論這兩種等效設(shè)計(jì)方法，并著重討論工業(yè)上應(yīng)用較廣的PID控制器間接設(shè)計(jì)法。圖3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化結(jié)構(gòu)圖二、數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)法如前所述，數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)法是將工程上的數(shù)字模擬混合系統(tǒng)等效成圖2所示的模擬結(jié)構(gòu)以后，首先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)出模擬控制器的傳遞函數(shù)D(s),然后再將D(s)離散化后間接得到數(shù)字控制器D(z)的一種方法。關(guān)于D(s)的設(shè)計(jì)在自動(dòng)控制理論中已經(jīng)闡述，這里只介紹由D(s)求D(z)的幾種常用離散化近似方法。1、差分近似法模擬控制器若用微分方程的形式表示，其導(dǎo)數(shù)可用差分近似，常用的差分近似方法有兩種，即后向差分和前向差分。⑴、后向差分用增量近似代替微分，則一階導(dǎo)數(shù)采用近似式du(t)u(k)-u(k-l)TOC\o"1-5"\h\z = (1)dt T同理二階導(dǎo)數(shù)可采用近似式u(k)-u(k_l)u(k_l)_u(k-2)d2u(t)t Tdt2- T ……(2)u(k)-2u(k-l)+u(k-2)(2)、前向差分在前向差分中，一階導(dǎo)數(shù)可用下式近似表示：du(t)u(k+l)-u(k) ? ⑶同理二階導(dǎo)數(shù)近似為u(k+2)—u(k+l)u(k+l)-u(k)d2u(t) t Tdt2? T (4)u(k+2)-2u(k+l)+u(k)―前向差分和后向差分的幾何意義分別示于圖4中Uh0(k-l)TkT(k+l)T圖4前向差分與后向差分的幾何意義當(dāng)模擬控制器為傳遞函數(shù)形式時(shí)，也可利用(1)式和(3)式的差分關(guān)系得到脈沖傳遞函數(shù)。因?yàn)楹笙虿罘质?1)中，等號(hào)左邊的拉氏變換為SU(s),等號(hào)右邊的Z變換為上N_U(z),因此只要將U(s)中的s換成上就可得到U(z)。按這一變換規(guī)則，當(dāng)已知模擬控制器的傳遞函數(shù)D(s)時(shí)可直接得到D(z)，即D(z)=D(S)|s=l-Z-'。TZ—1同理，前向差分式(3)中，等號(hào)右邊的Z變換為一U(z),左邊的拉T7—1氏變換仍為SU(s),只要將U(s)中的s換成三產(chǎn)就可得到U(z),因此對(duì)模擬控制器D(s)進(jìn)行差分變換時(shí)可進(jìn)行如下變換：D(z)=D(s)[=5

T例題：已知模擬控制器D(s)=—士一，試分別利用前向和后向差分規(guī)則對(duì)其s+a離散化。解：按前向差分規(guī)則

D(z)=——s+a-ts- D(z)=——s+a-ts- Tz+(aT—1)1+(aT—l)z1]_z>1]_z>1+aT—z1D(z)=——s+a.①T2、雙線性變換雙線性變換又稱塔斯廷(Tustin)變換法，它是s與z關(guān)系的另一種近似式。由Z變換的定義和級(jí)數(shù)展開式可知T,TT22,T孑S 1+—S+^-S+.......1+s,3e- 2 22? 2(5)-s,TT22Te2 1 SH——S4"....1——s2 222nn 2z-1 (6)Tz+1利用⑹式，當(dāng)已知D(s)時(shí)，可直接得到D(z)即 D(Z)=D(S)|.2z-iZ+1實(shí)際上雙線性變換法就是微分方程中的梯型積分法，前面討論的差分近似法是矩形積分法，前者的精度高于后者。例題用雙線性變換法求D(s)= 的脈沖傳遞函數(shù)D(z)及其s?+0.4s+0.68極點(diǎn)。設(shè)采樣周期T=1秒。解：由雙線性變換規(guī)則得D(z)=D(s)1_uTz+12(z-l)

(z2(z-l)

(z+1)+04誓+0.68(z-0.606-j0.584)(z-0.606+j0.584)極點(diǎn)z=0.606±j0.584下面比較前向差分、后向差分和雙線性變換三種離散近似法中s平面與z平面的映射關(guān)系。圖5(a)陰影部分為s平面的穩(wěn)定域。按前向差分規(guī)則離散化后，7—1由5=—［「知，Z=1+sT?可以看出，S平面內(nèi)的j&軸反映在Z平面內(nèi)將右移1,映射后的陰影部分示于圖5(b)中。由于陰影線標(biāo)明的區(qū)域已超出了單位圓，故在s域內(nèi)穩(wěn)定的D(s)在z域內(nèi)有可能變成不穩(wěn)定的D(z)。在使用該

近似法時(shí)應(yīng)特別注意這一點(diǎn)。近似法時(shí)應(yīng)特別注意這一點(diǎn)。TOC\o"1-5"\h\z(a) (b) (c) (d)圖5 s平面的穩(wěn)定域在z平面的映射(a)s域穩(wěn)定區(qū)(b)前向差分規(guī)則(c)后向差分規(guī)則(d)雙線性變換規(guī)則1-Z-1 1按后向差分近似時(shí)，由s=>一知z= ,將其變形為T 1-Ts (8)1, 1 1 1,(1+ (8)21-Ts222(1-Ts)由(8)式-(1+Ts)=],映射到z平面上的圖形為圓心在點(diǎn),

22(1-Ts) 2 <2由(8)式半徑為，的圓，陰影部分示于圖5(c)中。由于該圓在單位圓內(nèi),所以變換前D(s)2如果是穩(wěn)定的，那么經(jīng)過(guò)后向差分變換后D(z)也一定是穩(wěn)定的。當(dāng)然變換后極點(diǎn)分布范圍變小了。2z-1雙線性變換由s=-*—知，Tz+11 =1,在z平面上圖形為單位圓，示于圖5(d)中?？?見雙線性變換在變換前后穩(wěn)定區(qū)域不變，且邊界條件均為單位圓。因此雙線性變換在工程上應(yīng)用較多。3,階躍響應(yīng)不變法與脈沖響應(yīng)不變法階躍響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器階躍響應(yīng)序列必須與模擬控制器的階躍響應(yīng)在采樣時(shí)刻值是一樣的。即 —!-i-D(z)=Z-D(s)1-z s或 D(z)=(l-z-,)Z-D(s)_s_它相當(dāng)于模擬控制器串接零階保持器后再離散的結(jié)果。同理，脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器脈沖響應(yīng)序列必須與模擬控制器的脈沖采樣值?致。即 1?D(z)=Z[1?D(s)]或 D(z)=Z[D(s)]例題：用階躍響應(yīng)不變法和脈沖響應(yīng)不變法分別求D(s)=Kp[l 的離散近似式。解：由階躍響應(yīng)不變法的規(guī)則，D(z)=(l-z-1)Z-D(s)sKp[r+(T-r)z-']同理，由脈沖響應(yīng)不變法的規(guī)則，D(z)=Z[D(s)]=KpZ(l+- 1 ] K(1+r-rz-1)r(l-z-1)Jr(l-z-1)4、零極點(diǎn)匹配法在傳遞函數(shù)D(s)的離散近似中，若直接利用映射關(guān)系將D(s)的零極點(diǎn)全部對(duì)應(yīng)映射到z平面中去，就可以直接得到D(z)。但如果用2=，叮關(guān)系(即s='lnz)直接代入，就會(huì)得到關(guān)于Inz的多項(xiàng)式之比形式，給以后的分析帶T來(lái)困難。另外D(s)的極點(diǎn)數(shù)目通常多于零點(diǎn)數(shù)目，這時(shí)應(yīng)把所差的零點(diǎn)看作在無(wú)窮遠(yuǎn)處，映射到z平面時(shí)相當(dāng)于z=-l。零極點(diǎn)匹配法的轉(zhuǎn)換規(guī)則概括如下：(1)、通過(guò)因式分解將D(s)的零極點(diǎn)寫為n(S+ajfJ[(s+bj)2+Cj]形式。i=l j=l(2)、將零極點(diǎn)分別映射到z平面中去，轉(zhuǎn)換關(guān)系為

s+a；fz-e5(s+bjf+c：-?z2-2e-b,TzcoscjT+e_2b,T(3)、在z=l處加上足夠的零點(diǎn)，使極點(diǎn)數(shù)等于零點(diǎn)數(shù)。(4)、在其轉(zhuǎn)折頻率處，使兩種濾波器的增益匹配。通常取穩(wěn)態(tài)增益相等，即D(s)L=o=D(z)LiS4-1例題：已知某模擬控制器D(s)=- ，試用零極點(diǎn)匹配法求s2+0.2S+1D(z),(T=l秒)。解：對(duì)D(s)的零極點(diǎn)做等效變換零點(diǎn)s+1—>z-e-T=z-0.368極點(diǎn)s2+0.2s+l=(s+0.1)2+0.9952=z2-2e-0,x,zcos0.995x1+e-2x01xl=z2-0.985z+0.819補(bǔ)充零點(diǎn)z+1根據(jù)零極點(diǎn)變換規(guī)則得D(z)=詈_0368)(z+Dz2-0.985z+0.819k為待定的增益，由D(s)Lo=D(z)L,[ Kx0.632x2 “rT,知1= 解得K=0.6621-0.985+0.819代入上式得D(z)=°662(z-0?368)(z+Dz2-0.985z+0.8195、各種設(shè)計(jì)方法的比較：前面分別介紹了模擬調(diào)節(jié)器D⑸的幾種近似離散化方法，現(xiàn)對(duì)其特點(diǎn)作一-比較：(1)、從上述各方法的原理看，除了前向矩形規(guī)則外，只要原有的連續(xù)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則變換以后得到的離散系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。(2)、采樣頻率對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有影響，當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的截止頻率時(shí)(100倍以上)，用任何一種設(shè)計(jì)方法所構(gòu)成的系統(tǒng)特性與連續(xù)系統(tǒng)相差不大。隨著采樣頻率的降低，各種方法就有差別。按設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行排序，以雙線性變換法為最好，即使在采樣頻率較低時(shí)，所得的結(jié)果還是穩(wěn)定的。其次是零極點(diǎn)匹配法和后向矩形規(guī)則。再次是階躍響應(yīng)不變法和脈沖響應(yīng)不變法。(3)、上述各種設(shè)計(jì)方法都有自己的特點(diǎn)，階躍響應(yīng)不變法和脈沖響應(yīng)不變法可以保證離散系統(tǒng)的響應(yīng)與連續(xù)系統(tǒng)相同。零極點(diǎn)匹配法能保證變換前后直流增益相同。雙線性變換法可以保證變換前后特征頻率不變。以上各種設(shè)計(jì)方法在實(shí)際工程中都有應(yīng)用，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

數(shù)字控制器的直接解析法設(shè)計(jì)前面所述的數(shù)字控制器間接設(shè)計(jì)法，實(shí)際上就是一開始把系統(tǒng)看成是純模擬系統(tǒng)，先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定控制器的傳遞函數(shù)D(s),然后再按相應(yīng)的離散規(guī)則求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)o前提是采樣周期相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)比較小，否則會(huì)帶來(lái)很大的誤差。針對(duì)這種情況，50年代發(fā)展起來(lái)一種新的設(shè)計(jì)方法，即一開始把系統(tǒng)看成是純離散系統(tǒng)(或數(shù)字系統(tǒng))，然后按一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以Z變換為工具，以脈沖傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，直接設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求的數(shù)字控制器D(z),這就是所謂的直接解析法設(shè)計(jì)。一、解析法設(shè)計(jì)原理設(shè)系統(tǒng)如圖1所示，X(z)H 0(z) **! rG(z) :玄(EE)x(t)+?TD(z)U(z)|JX—TseGrf(s)k—T(z)1 >111-Tsr(t)圖11-e-Ts圖中GKs)為被控對(duì)象，Gh(s)= 為零階保持器，G(z)是Gh(s)S和G￡s)相乘后的等效脈沖傳遞函數(shù)，D(z)是需要設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器。該系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)m、Y(z) D(z)G(z)①(z)= = (1)X(z)l+D(z)G(z)Oe(z)=E(z)=X(z)-Y(z)誤差脈沖傳遞函數(shù) X(z) X(z) ⑵=1-①(z)= l+DG^)G(z)解析法的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是根據(jù)預(yù)期的控制指標(biāo)，直接設(shè)計(jì)滿足要求的數(shù)字控制器D(z)o預(yù)期的控制指標(biāo)通常是由理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或誤差脈沖傳遞函數(shù)來(lái)體現(xiàn)。當(dāng)設(shè)計(jì)要求一旦確定，相應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或誤差脈沖傳遞函數(shù)等于已經(jīng)知道。當(dāng)被控對(duì)象的零階保持器的脈沖傳遞函數(shù)也已給出時(shí)，由⑴式得 D(z)=——建一i ……(3)

或由(2)式得 D(z)=1—3=_①⑵ ……(4)G(z)①e(z)G(z)①/z)以上兩式說(shuō)明，只要選擇好①(z)或①c(z),就可直接求得數(shù)字控制器D(z)。二、最少拍系統(tǒng)的解析法設(shè)計(jì)所謂最少拍系統(tǒng)就是指該系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)作用下，經(jīng)過(guò)最少個(gè)采樣周期實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤。因此最少拍系統(tǒng)實(shí)際包含最少拍和無(wú)靜差兩層意思。1、最少拍系統(tǒng)D(z)的設(shè)計(jì)為了設(shè)計(jì)最少拍系統(tǒng)的數(shù)字控制器D(z),先要研究如何根據(jù)上述性能要求，構(gòu)造一個(gè)理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或誤差傳遞函數(shù)。由誤差表達(dá)式E(z)=O\(z)?X(z)=eo+e|Z"+e2Z-2+……可知，要實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差、最少拍，E(z)應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)趨近于零。因此，在輸入X(z)一定的情況下，必須對(duì)①c(Z)提出要求。典型的輸入信號(hào)有以下幾種：?jiǎn)挝浑A躍輸入：x(t)=l(t),X(z)=—……(5)1-Z單位速度輸入：x(t)=t,X(z)=Tz：: ……(6)(1-ZI T27-1n□_7-i)單位加速度輸入：x(t)=-t2,X(z)= ./ ……(7)2 2(1-z-1)3輸入信號(hào)的一般表達(dá)式為：X(z)=A(Z,)N ……(8)(1-z)將(8)式代入誤差表達(dá)式得E(z)=①e(z)X(z)=①?),(? …(9)(1-Z)要使(9)式中E(z)為有限項(xiàng)多項(xiàng)式，①e(Z)應(yīng)能被(1一Z-l)N整除，即中e(z)應(yīng)取(l-zT)NF(z)形式。要實(shí)現(xiàn)最少拍、E(z)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，故取F(z)=l。這樣在不同輸入下的誤差傳遞函數(shù)①e(Z)應(yīng)?。?jiǎn)挝浑A躍輸入：N=l,①e(Z)=(l-zT) ……(10)單位速度輸入：N=2,①c(z)=(l—zT)2 ……(11)

單位加速度輸入：N=3,①e(z)=(l-Z-|)3 ……(12)將以上三式分別代入(4)式中,就得到了不同輸入下的數(shù)字控制器D(z)的表達(dá)式：Z-1單位階躍輸入：D(z)= -G(z)(l-z-')單位速度輸入：D(z)=%'(2-z：)G(z)(l-z-')2單位加速度輸入：Wz)=z(3-3z:z)G(z)(l-z-')3這時(shí)，對(duì)應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)可由(10)、(11),(12)三式代入①(Z)=l-①e(Z)直接求得：?jiǎn)挝浑A躍輸入：①(Z)=ZT單位速度輸入：①(z)=2z-|-z-2單位加速度輸入：①(z)=3z-1-3z<+z-32、最少拍系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間通過(guò)分析最少拍系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間，更能說(shuō)明最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)的物理意義。將(10)、(11)、(12)三式分別代入E(z)=0\(z)X(z)中，就可分別求出在不同輸入下E(z)的表達(dá)式：?jiǎn)挝浑A躍輸入：E(z)=①0(z)X(z)=(1-zT)?—i-r=1—zt7-1單位速度輸入：E(z)=①e(z)X(z)=(1-z-1)2? -=1(l-z)單位加速度輸入：E⑵f(z)X(z)="zT)3?在崢工ZT+--2e 2(1-z-1)3 2 2由此可見，系統(tǒng)在三種不同輸入的作用下，分別經(jīng)過(guò)一拍(T)兩拍(2T)和三拍(3T)的調(diào)整時(shí)間后，系統(tǒng)偏差就可消失，且過(guò)渡時(shí)間最短。上述討論可匯總于表1如下表1最少拍系統(tǒng)在不同輸入下的各種表達(dá)式x(t)①e⑵①(z)D(z)ts(過(guò)渡時(shí)間)l(t)1-z-'z-1z-1G(z)(l-z-')Tt(1-z-')22z_,-z-2zT(2-zT)G(z)(l-z-')22TIt22(1-Z廳3z-1-3z-2+z-3zT(3-3zT+z-)G(z)(l-z-')33T例題：在圖2所示系統(tǒng)中，設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)Gd(s)=—^―,采樣周s(s+1)期T=1秒，試對(duì)單位斜坡輸入下設(shè)計(jì)一個(gè)最少拍數(shù)字控制器D(z)o解：被控對(duì)象與零階保持器的等效傳遞函數(shù)G(s)=I：；；：；,，對(duì)應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)G(z)=Z[G(s)]=ZG(z)=Z[G(s)]=Z10(1-s2(s+l)=10(1-2*')Z-4--+

ss=10(l-z')(1—=10(l-z')(1—ZT)2\ -i -i1-z 1-ez3.68zT(1+0.718zT)(l-z-1)(l-0,368z-,)根據(jù)最少拍系統(tǒng)的要求，對(duì)于單位斜坡輸入應(yīng)選①e(Z)=(l-ZT)2,代入(4)式得D(z)=心⑵=_l-(l-z-)2 G⑵①e(z) 3.68zT(1+0.718zT).lx2 .~,(1-z)(1-Z-,)(l-0.368z-')0.543(1-0.5zT)(1-0.368zT)(1-z-1)(1+0.718z-1)此時(shí)輸出Y(z)=①(z)?X(z)=[1—①e(z)]x(z)7T=(2z-i-z-2) -=2z-2+3z、+4z-4+......(1.)2誤差E(z)=①.(z)X(z)=(l-z-')2--~~—=z-'(1-z)輸出和誤差變化的波形如圖2所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了兩個(gè)采樣周期以后，輸出完全跟蹤了輸入，穩(wěn)態(tài)誤差為零。y(n)圖2單位斜坡輸入下輸出和誤差變化波形該系統(tǒng)是針對(duì)斜坡信號(hào)輸入下設(shè)計(jì)的最少拍系統(tǒng)，那么這個(gè)系統(tǒng)對(duì)其它輸入下是否還能成為最少拍呢？下面就單位階躍和拋物線函數(shù)作用卜進(jìn)行討論。在單位階躍函數(shù)輸入時(shí)，輸出量的Z變換為Y(z)=①(z)X(z)=(2z-1-z-2)?―J—=2z-1+z-2+z-3+z-4+……1-z-1輸出數(shù)值序列為y(0)=0,y(l)=2,y(2)=y(3)=...=1輸出響應(yīng)如圖3所示，從圖中可以看出，該系統(tǒng)在單位階躍輸入下，經(jīng)過(guò)兩個(gè)采樣周期T就穩(wěn)定在設(shè)定值上。但在第一個(gè)采樣點(diǎn)上有100%的超調(diào)量。單位加速度函數(shù)輸入時(shí)，輸出量的Z變換為T27Th+丫⑵=①(z)?X(z)=(2z-'-z-2)?―/\J2(f)=z=+3.5Z-3+7z-4+11.5Z-5+......輸出序列y(0)=0,y(l)=0,y(2)=l,y(3)=3.5,y(4)=7,y(5)=11.5

此時(shí)輸入拋物線函數(shù)Lt?的采樣函數(shù)x(kT)=-(kT)2,輸入序列2 2x(0)=0,x(l)=0.5,x(2)=2,x(3)=4.5,x(4)=8,x(5)=12.5.......。從第二拍開始，輸出與輸入的誤差為1,跟蹤波形如圖4所示?？梢缘贸鼋Y(jié)論:按照某種典型輸入函數(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的最少拍系統(tǒng)，對(duì)其它輸入函數(shù)的響應(yīng)并不是最少拍系統(tǒng)，可見最少拍系統(tǒng)對(duì)輸入函數(shù)的適應(yīng)性很差。另外，前面討論的最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒有考慮到被控對(duì)象在單位圓外有零極點(diǎn)情況及純滯后的影響和D(z)在物理上的可實(shí)現(xiàn)性問(wèn)題。圖3圖3單位階躍輸入下輸出響應(yīng)圖4單位拋物線輸入卜輸出響應(yīng)三、數(shù)字控制器D(z)的限制條件在用解析法設(shè)計(jì)D(z)時(shí)，要考慮到數(shù)字控制器D(z)在物理上的可實(shí)現(xiàn)性和穩(wěn)定性問(wèn)題。.物理上的可實(shí)現(xiàn)性數(shù)字控制器D(z)的輸出信號(hào)u(n),是系統(tǒng)在運(yùn)行中山計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)在線計(jì)算得到的。因此u(n)只能與當(dāng)前時(shí)刻的偏差信號(hào)e(n)、e(n-l)、…e(n-k)和以前的輸出控制信號(hào)u(n-l)、u(n-2)、…u(n-l)有關(guān)。而與將來(lái)的偏差信號(hào)和控制信號(hào)無(wú)關(guān).這就要求對(duì)D(z)的形式有所限制。D(z)的一般表達(dá)式為U(z)bozk+b/k/+??,+bkD(z)= = ； □ E(z)a0z+a[z+,,,+3[在該式中要求12k,這是因?yàn)槿鏻<k,則上式會(huì)出現(xiàn)正次靠。如k=l+l,則boz4-b1Z°4-b2z''+??+bl+1kz-1.1 -2a0+ajZ+aboz4-b1Z°4-b2z''+??+bl+1kz-1.1 -2a0+ajZ+a2z+…+a]E(z)aoz+a〕z+???+a〕

〃/、 1%^z)+仇E(z)+Az-'E(z)+…+々+也”⑵交叉相乘：(/(z)=— , , ,%「OozTU⑵_A2z~2U(z) %z〃U(z)1bne(n+1)+"e(〃)+b7e(n-1)+…兩邊取Z反變換得“〃)=」?° c ,a。I—〃]〃(〃-1)-a2u(n—2) atu(n—/)這里u(n)的計(jì)算與e(n+l)有關(guān)，即u(n)要由未來(lái)的輸入偏差計(jì)算，這顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此12k就是對(duì)D(z)得一個(gè)限制條件。.穩(wěn)定性分析由式D(z)=由式D(z)=①(z)

G(z)[l-①(z)]可知，最少拍系統(tǒng)得數(shù)字控制器D⑵= ①⑵ =①⑵z)—G(z)[l-①(z)]-G(z)①,(z)即①(z)=O(z)?G(z)?①，(z)為了保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)①⑵的極點(diǎn)應(yīng)全部位于單位圓內(nèi)。如果被控對(duì)象G(z)中有不穩(wěn)定的極點(diǎn)，它就應(yīng)該被數(shù)字控制器的D(z)或誤差傳遞函數(shù)①e(z)的相同零點(diǎn)所抵消。用D(z)得零點(diǎn)取抵消G(z)得不穩(wěn)定極點(diǎn)是不妥當(dāng)?shù)?，因?yàn)镈(z)一旦選擇后，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行中各參數(shù)是不變的，而被控對(duì)象由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化或影響，參數(shù)會(huì)隨時(shí)變化，這樣兩者有時(shí)就不可能全部抵消，從而不穩(wěn)定的極點(diǎn)就會(huì)反