計算機控制技術總結課件

計算機控制技術總結第1章緒論

計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機)來實現(xiàn)控制對象（通常為生產過程）自動控制的系統(tǒng)。

換句話說：計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來代替原來的常規(guī)自控部件或電路，實現(xiàn)對控制對象自動控制的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的概念計算機控制系統(tǒng)的工作原理①實時數(shù)據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入?？蓺w納為以下三個步驟：②實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按預定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。③實時控制輸出：根據控制決策，實時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質指標進行工作，并對被控量和設備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理。計算機控制系統(tǒng)的組成計算機D/A通道A/D通道A/D通道給定值反饋值輸出控制值?A/D通道?D/A通道?計算機構成了計算機控制系統(tǒng)的三大基本要素。計算機控制系統(tǒng)的主要特點1）系統(tǒng)結構特點:此外，由于多數(shù)系統(tǒng)的被控對象及執(zhí)行部件、測量部件是連續(xù)模擬式的，因此，還必須加入信號變換裝置(如A／D及D／A變換器)。

所以，計算機控制系統(tǒng)通常是模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。

計算機控制系統(tǒng)必須包括有計算機，它是一個數(shù)字式離散處理器。2）信號形式上的特點控制對象中各點信號一般均為連續(xù)模擬信號，由于計算機是串行工作的，必須按一定的采樣間隔(稱為采樣周期)對連續(xù)信號進行采樣，將其變成時間上是斷續(xù)的信號才能進入計算機。所以，它除有連續(xù)模擬信號外，還有離散模擬、離散數(shù)字、連續(xù)數(shù)字等信號形式，是一種混合信號形式系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下

幾種典型的形式：?操作指導控制系統(tǒng)?直接數(shù)字控制系統(tǒng)?監(jiān)督控制系統(tǒng)?集散控制系統(tǒng)?現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?工業(yè)以太網控制系統(tǒng)模擬量輸入接口概述

在計算機控制系統(tǒng)中，模擬量輸入接口是實現(xiàn)數(shù)據采集的關鍵，它的任務是工業(yè)生產控制現(xiàn)場送來的模擬信號轉換成計算機能接收的數(shù)字信號，完成現(xiàn)場信號的采集與轉換功能。模擬量輸入接口一般由接口電路、控制電路、模／數(shù)轉換器和電流／電壓(I／V)變換器等構成，其核心是模／數(shù)轉換器，簡稱A/D；通常也把模擬量輸入接口簡稱為A／D通道。第2章輸入輸出接口與過程通道技術傳感器的作用：主要是將物理信號轉變?yōu)殡娦盘枴９I(yè)過程中主要的物理參數(shù)有：溫度壓力流量物位（液位）機械量成分

信號調理的作用：主要是將傳感器送來的非標準電信號轉變?yōu)闃藴实碾娦盘?，即變送器所做的工作。常見的標準信號?~10V

0~5V4~20mA1~5VA／D轉換器的主要技術指標①轉換時間

②分辨率

③線性誤差

④量程

⑤對基準電源的要求多路轉換器又稱多路開關，多路開關是用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。利用多路開關可將各個輸入信號依次地或隨機地連接到公用放大器或A／D轉換器上。為了提高過程參數(shù)的測量精度，對多路開關提出了較高的要求。

理想的多路開關其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

由于通用數(shù)據采集系統(tǒng)均支持多個模擬通道，但是因為每個模擬通道不一致，所以需要引入可編程放大器。可編程放大器的放大倍數(shù)隨時可由一組數(shù)字序列控制，這樣，在MUX改變其通道序號時，放大電路也由相應的一組數(shù)字序列控制改變放大倍數(shù)，即為每個模擬通道提供最合適的放大倍數(shù)。采樣／保持器的作用

①穩(wěn)定地保持模擬信號以便能夠完成A／D轉換。②在測量中同時對若干個模擬輸入量采樣(每個輸入需要一個采樣／保持電路)。

③消除A／D轉換器的輸出瞬變，如限制輸出電壓的尖峰。 模擬量輸出接口一般由接口電路、控制電路、數(shù)／模轉換器和電壓／電流(V／I)變換器等構成，其核心是數(shù)／模轉換器，簡稱D／A或DAC；通常也把模擬量輸出接口簡稱為D／A通道。D／A轉換器的主要性能參數(shù)：①分辨率②轉換時間③精度④線性度

模擬量輸出通道是計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制輸出的關鍵，它的任務是把計算機輸出的數(shù)字量轉換成模擬電壓或電流信號，以便驅動相應的執(zhí)行機構，達到控制的目的。

模擬量輸出通道一般由接口電路、D／A轉換器、V／I變換等組成。

用兩種狀態(tài)來表示的量稱為開關量。數(shù)字量的輸入輸出同樣稱為開關量。

開關量輸入/輸出通道一般由三部分組成：CPU接口邏輯、輸入緩沖器和輸出鎖存器、輸入／輸出電氣接口亦即開關量輸入信號調理和輸出信號驅動電路。一般情況下，各種開關量輸入/輸出通道的前兩部分往往大同小異，所不同的主要在于輸入/輸出(I／0)電氣接口。從結構形式上，工業(yè)控制計算機可分為如下幾種：●通用工業(yè)控制計算機——即“工業(yè)PC機（IPC）”●DCS工控機——即“現(xiàn)場工作站”●嵌入式工控機PC/104總線工控機ARM嵌入式單片機●PLC●單片機第3章工業(yè)控制計算機第5章數(shù)字PID控制算法第6章復雜控制算法模糊（子）集的表示模糊集An一般可表示為An=(,,…,)還可表示成如下的形式

An=，An=注：式中的符號是借用的隸屬度關系表現(xiàn)符號,并不具備其本身的數(shù)學含義。6.6模糊控制3.變量的模糊化即將基本論域E,EC,U中的精確值轉化成模糊集論域X、Y、Z上的模糊值 某個變量變化的實際范圍稱為該變量的基本論域。記誤差的基本論域為[-xe,xe

],誤差變化的基本論域為[-xc,xc

],模糊控制器的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域為[-yu,yu]。

比較實用的模糊化方法時將基本論域分為n個檔次，即取變量的模糊子集論域為：{-n,-n+1,…,0,…,n-1,n}

從基本論域[a,b]到模糊子集論域[-n,n]的轉換公式為：模糊論域中元素的個數(shù)的選取

增加元素個數(shù)可提高控制精度，但增大了計算量，而且模糊控制效果的改善并不顯著。在典型模糊控制系統(tǒng)中，模糊語言值的個數(shù)為2～10個，而論域元素個數(shù)一般為5～30個，例如在上述輸入輸出均為七個語言詞匯的情況下，可選擇E和EC的論域均為：{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

輸出變量U的模糊論域為：{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}例如，已知當輸入的模糊集合A和輸出的模糊集合B分別為 這里采用模糊集合的Zadeh表示法，其中ai、bi表示模糊集合所對應的論域中的元素，而μi表示相應的隸屬度。則當輸入模糊控制向量的模糊判決－“清晰化”模糊決策包含兩個步驟先由控制量的模糊集C判決出模糊論域元素z*；

再將其轉換到基本論域上精確量u,以實際輸出。由C到u的判決常采用三種方法最大隸屬度法即取隸屬度最大的元素作為控制量。加權平均判決法(重心法)

疊加在被測信號上的干擾信號稱為串模干擾(也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等)一般情況下，被測信號的變化比較緩慢，而串模干擾信號的主要成分是50Hz的工頻和特殊的高次諧波，且通過電磁耦合和漏電等傳輸形式疊加到信號或引線上形成干擾。共模干擾產生的主要原因是不同“地”之間存在共模電壓以及模擬信號系統(tǒng)對地存在漏阻抗。共模干擾通過過程通道串入主機。

計算機系統(tǒng)接地的目的有兩個：一是抑制干擾，使計算機穩(wěn)定地工作；二是保護計算機、電器設備和操作人員的安全。但不恰當?shù)慕拥夭坏荒芤种聘蓴_，反而會造成極其嚴重的干擾，因此，正確的接地對計算機控制系統(tǒng)極為重要。通常接地可分為工作接地和保護接地兩大類。保護接地主要是為了避免操作人員因絕緣層的損壞而發(fā)生觸電危險以及保證設備的安全；工作接地則主要是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行，防止地形成環(huán)路引起干擾。由于計算機控制系統(tǒng)中的“地”有多種，故接地線主要分為以下幾類：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地、交流地。

模擬地是系統(tǒng)中的傳感器、變送器、放大器、A／D和D／A轉換器中模擬電路的零電位。由于模擬信號往往有精度要求，有時信號比較小且直接與生產現(xiàn)場相連接，所以必須認真地對待。

數(shù)字地，也叫邏輯地，是計算機中各種數(shù)字電路的零電位，為避免對模擬信號造成數(shù)字脈沖的干擾，數(shù)字地應與模擬地分開。

安全地又稱為保護地或機殼地，其目的是讓設備機殼(包括機架、外殼、屏蔽罩等)與大地等電位，以免因機殼帶電而影響人身及設備安全。

系統(tǒng)地是上述幾類地的最終回流點，直接與大地相連。由于地球是體積非常大的導體，其靜電容量也非常大，電位比較恒定，所以人們將它的電位作為基準電位，即零電位。

交流地是計算機交流供電電源地，即動力線地，其地電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點之間往往很容易就有幾伏至幾十伏的電位差存在，還容易帶來各種干擾。因此，交流電絕對不允許與上述幾類地相連，并且交流電源變壓器的絕緣性能要好，以絕對避免漏電現(xiàn)象。模擬地和數(shù)字地的連接

數(shù)字地主要是指TTL或CMOS芯片、I/O接口芯片、CPU芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及A/D、D/A轉換器的數(shù)字地。模擬地主要是指放大器、采樣/保持器和A/D、D/A中模擬信號的接地端。在控制系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地必須分別接地，然后僅在一點處把兩種地連接起來。否則，數(shù)字回路通過模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會對模擬信號產生影響。采用Watchdog的抗干擾措施

監(jiān)控定時器(監(jiān)督定時器)，也稱為看門狗定時器(Watchdog)。使用Watchdog技術是一種防止尖峰脈沖干擾的有效方法。當侵入的尖峰脈沖干擾使程序編碼的某一位(或數(shù)位)發(fā)生改變時，程序所呈現(xiàn)的外在表現(xiàn)可能為“飛掉”、“死機”、“死循環(huán)”。此時，利用監(jiān)控定時器Watchdog技術可以幫助系統(tǒng)自動地恢復正常運行。軟件抗干擾措施工業(yè)控制計算機的抗干擾性能根本在硬件結構。硬件的設計應當盡可能的完善，而軟件的編制則要處處考慮到硬件可能的失效，可能受到的干擾等種種問題，在保證實時性、控制精度和控制功能的前提下，盡力提高系統(tǒng)的抗干擾性能。軟件抗干擾措施是硬件抗干擾措施的補充，把硬件和軟件有機的結合起來，一個經得起長期現(xiàn)場考驗的盡可能完善的工業(yè)控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)。

數(shù)字濾波開關量(數(shù)字量)輸入/輸出抗干擾措施軟件冗余技術（數(shù)據冗余、指令冗余）設置軟件陷阱、設置監(jiān)控定時器Watchdog常用軟件抗干擾措施：提高計算機控制系統(tǒng)軟件可靠性的措施提高計算機控制系統(tǒng)軟件可靠性可從下述幾方面著手。(1)分散結構設計把整體的軟件設計分散成各子系統(tǒng)的設計，各自獨立，又共享資源。這種分散結構的軟件設計既有利于設計工作的開展也有利于軟件的調試。如把整體設計分為控制器模件、歷史數(shù)據模件、打印模件、報警事件模件等子系統(tǒng)的軟件設計。(2)容錯技術在軟件設計中的容錯技術是指在軟件設計時，對誤操作不予響應的技術。這里的不予響應是指對于操作人員的誤操作，如不按設計順序則軟件不會去輸出操作指令，或者輸出有關提示操作出錯的信息。要防止軟件出錯，首先應當嚴格按照軟件工程的要求進行軟件開發(fā)，然后弄清軟件失效的機理并采取相應的措施。(3)指令冗余

(4)信息冗余計算機控制系統(tǒng)中的信息偏差一般發(fā)生在：數(shù)據的傳遞；數(shù)據對存儲器的讀寫；數(shù)據的運算等場合。信息冗余就是利用增加信息的多余度來提高可靠性，具體做法是在數(shù)據(信息)中附加檢錯碼或糾錯碼以檢查數(shù)據是否發(fā)生偏差，并在有偏差時糾正偏差。常用的檢錯碼有奇偶校驗碼、循環(huán)碼、定比傳輸碼等。常用的糾錯碼有海明碼、循環(huán)碼等。(5)標準化采用標準化的軟件可以提高軟件運行的可靠性。它還為其他軟件公司的軟件產品移植、應用提供條件。目前，計算機控制系統(tǒng)在軟件上大多采用著名的多用戶分時操作系統(tǒng)，如UNIX、XENIX，采用Windows編輯技術軟件和關系數(shù)據庫，如Informix、Oracle等。監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據采集(SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA)的軟件平臺工具，具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。第7章計算機控制系統(tǒng)的軟件設計工控組態(tài)軟件組態(tài)軟件的特點組態(tài)軟件最突出的特點是實時多任務。例如，數(shù)據采集與輸出、數(shù)據處理與算法實現(xiàn)、圖形顯示及人機對話、實時數(shù)據的存儲、檢索管理、實時通信等多個任務要在同一臺計算機上同時運行。組態(tài)軟件具有 實時多任務 接口開放 使用靈活 功能多樣 運行可靠的特點。一般的組態(tài)軟件都由下列組件組成：圖形界面系統(tǒng)實時數(shù)據庫系統(tǒng)第三方程序接口組件控制功能組件在圖形畫面生成方面，構成現(xiàn)場各過程圖形的畫面被劃分成3類簡單的對象：線、填充形狀和文本。每個簡單的對象均有影響其外觀的屬性。對象的基本屬性包括：線的顏色、填充顏色、高度、寬度、取向、位置移動等。這些屬性可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的。實時數(shù)據庫是更為重要的一個組件。因為PC的處理能力很強，因此實時數(shù)據庫更加充分地表現(xiàn)出了組態(tài)軟件的長處。實時數(shù)據庫可以存儲每個工藝點的多年數(shù)據，用戶既可瀏覽工廠當前的生產情況，又可回顧過去的生產情況。工廠的歷史數(shù)據是很有價值的，實時數(shù)據庫具備數(shù)據檔案管理功能。從實踐可知：現(xiàn)在很難知道將來進行分析時哪些數(shù)據是必需的。因此，保存所有的數(shù)據是防止丟失信息的最好的方法。通信及第三方程序接口組件是開放系統(tǒng)的標志，是組態(tài)軟件與第三方程序交互及實現(xiàn)遠程數(shù)據訪問的重要手段之一。它有下面3個主要作用。①用于雙機冗余系統(tǒng)中，主機與從機間的通信。②用于構建分布式HMI／SCADA應用時多機間的通信。③在基于Internet或Browser／Server(B／S)應用中實現(xiàn)通信功能?？刂乒δ芙M件以基于PC的策略編輯／生成組件(也有人稱之為軟邏輯或軟PLC)為代