計算機控制系統(tǒng)-1課件

1開課目的和任務(wù)

(1/2)工業(yè)控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機控制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù)。它主要研究如何將計算機技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機控制系統(tǒng)。目的在于使學(xué)生了解和掌握以微型機為核心組成的控制系統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)知識和基本應(yīng)用技術(shù)。7/23/20231第一章緒論1開課目的和任務(wù)

(2/2)本課程是自動化和測控專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)主干課程之一。哪幾門？自動控制理論，現(xiàn)代控制理論，微機原理及接口技術(shù)，微機控制技術(shù)，運動控制系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)。該加系統(tǒng)工程理論?+管理?7/23/20232第一章緒論2主要的參考文獻作者書名出版社年張德江等計算機控制系統(tǒng)

機械工業(yè)出版社2008劉士榮等計算機控制系統(tǒng)機械工業(yè)出版社2009王慧等計算機控制系統(tǒng)化學(xué)工業(yè)出版社2005于海生等微型計算機控制技術(shù)機械工業(yè)出版社2008孫增圻等計算機控制理論及應(yīng)用清華大學(xué)出版社7/23/20233第一章緒論第一章緒論

IntroductionAutomationResearchInstitute,BUCT7/23/20234本章主要內(nèi)容計算機控制系統(tǒng)的一般概念計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與趨勢7/23/20235第一章緒論第一節(jié)Unit1計算機控制系統(tǒng)的一般概念I(lǐng)ntroductionofComputerControlSystem7/23/20236本節(jié)主要內(nèi)容計算機控制系統(tǒng)的概述計算機控制系統(tǒng)的信號特點計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的經(jīng)濟效益7/23/20237第一章緒論“一些自動化實驗實驗裝置圖片”7/23/20238

實驗

裝置

-1水處理生產(chǎn)線裝置7/23/20239第一章緒論實驗裝置

-2填料塔換熱裝置7/23/202310第一章緒論

實驗裝置

-3加熱反應(yīng)器開環(huán)不穩(wěn)定的對象7/23/202311第一章緒論

實驗

裝置

-4非線性液位對象7/23/202312第一章緒論

實驗

裝置

機房7/23/202313第一章緒論1-1-1概述（1）常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)被控對象測量變送器設(shè)定值reu被調(diào)參數(shù)y圖a

單回路常規(guī)控制系統(tǒng)示意圖ym按偏差e進行控制，目的是減少或消除偏差。7/23/202314第一章緒論1-1-1概述（2）計算機控制系統(tǒng)的工作原理u計算機保持器廣義對象測量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)y圖b

單回路計算機控制系統(tǒng)示意圖ym采樣器A/DD/A計算機系統(tǒng)設(shè)定值r7/23/202315第一章緒論計算機控制系統(tǒng)的組成框圖7/23/202316第一章緒論從本質(zhì)上看，計算機控制系統(tǒng)的作用如下三個方面：

①實時數(shù)據(jù)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。

②實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。

③實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。7/23/202317第一章緒論（2）幾個概念①在線方式和離線方式：on-line/off-line

生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機方式。②實時：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。

！而且這個時間范圍的大小跟被空對象聯(lián)系非常的緊密！不同的被控對象，對時間范圍的要求不同：發(fā)酵過程和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的對比！7/23/202318第一章緒論思考兩個問題一.在線系統(tǒng)是否一定是實時系統(tǒng)？二.實時系統(tǒng)是否一定是在線系統(tǒng)？一.不一定。在線采集的數(shù)據(jù)不一定在當時就進行處理，只要把數(shù)據(jù)采集來就可以！二.是。不在線肯定不能滿足實時性。7/23/202319第一章緒論1-1-1概述（3）計算機控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點組成方式靈活能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律獲取更大的經(jīng)濟效益為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化打下了良好的基礎(chǔ)7/23/202320第一章緒論1-1-2信號特點（1）計算機控制系統(tǒng)的信號形式連續(xù)模擬信號:時間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時間是離散的，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)連續(xù)數(shù)字信號:時間是連續(xù)的，幅值上已是數(shù)字量，計算機內(nèi)部存儲和處理信號離散數(shù)字信號:時間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器

A/D計算機D/A保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)7/23/202321第一章緒論1-1-2信號特點（2）計算機控制系統(tǒng)中的量化將離散模擬信號用二進制代碼逼近為數(shù)字信號的過程（如采樣值y*(t)量化為y(kT)的過程）量化單位qq=M/2n，M為被轉(zhuǎn)換的模擬量電信號滿量程，

n為A/D的轉(zhuǎn)換位數(shù)量化誤差

e=±q/27/23/202322第一章緒論1-1-2信號特點（3）計算機控制系統(tǒng)的采樣過程y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始過程信號信號通過采樣器采樣后的信號過程信號采樣過程示意圖7/23/202323第一章緒論1-1-2信號特點（4）計算機控制系統(tǒng)的采樣的合理性采樣器接通時間τ遠小于采樣周期T理想采樣器（接通電阻R0，開路電阻R）采樣信號y*(t)復(fù)現(xiàn)原信號在采樣瞬間的值y(t)A/D轉(zhuǎn)換后，

y*(t)y(kT),k=1，2，……采樣周期T須滿足香農(nóng)定理采樣頻率大于2倍原始信號頻率當滿足上述條件時，

y*(t)與y(kT)只相差量化誤差7/23/202324第一章緒論1-1-2信號特點（5）

設(shè)δ(t-kT)是t=kT時刻的理想采樣脈沖，則采樣周期T的選擇相當重要。因為y*(t)只與y(t)在脈沖出現(xiàn)瞬間的值y(kT)有關(guān)，故采樣信號可用下式表示：7/23/202325第一章緒論1-1-2信號特點（6）

信號的保持目的：是將離散采樣信號恢復(fù)為被控對象能夠感知的連續(xù)模擬信號方法：采用保持器，由現(xiàn)在或過去時刻的采樣值,用某種函數(shù)去逼近2個采樣時刻間的原信號常用的保持器：零階、一階及高階

（常數(shù)、線性函數(shù)、拋物線）7/23/202326第一章緒論1-1-2信號特點（7）

零階保持器恢復(fù)信號的示意圖

6T

4T

2Tt

y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復(fù)信號yh(t)零階保持器算式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是簡單地外推，故只有當T足夠小時，零階保持器才能較好地恢復(fù)原信號。7/23/202327第一章緒論

1-1-3計算機控制系統(tǒng)的組成及作用軟件部分計算機控制系統(tǒng)硬件部分控制計算機主機、外設(shè)、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道人—機聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備

現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等）

操作系統(tǒng)匯編或高級語言、過程控制語言通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等

系統(tǒng)軟件

應(yīng)用軟件

過程輸入/輸出程序、過程控制程序人機接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫計算機控制系統(tǒng)的組成示意圖7/23/202328第一章緒論

1-1-4經(jīng)濟效益（1）可計算效益部分增加產(chǎn)量或可處理量改善產(chǎn)品的質(zhì)量降低能源消耗與原料消耗,減少成本提高設(shè)備的利用率,維修要求降低節(jié)省勞動力投資的回收周期：1~2年或幾個月7/23/202329第一章緒論

1-1-4經(jīng)濟效益（2）不可計算效益部分企業(yè)的知名度和操作人員的整體素質(zhì)得到提高操作人員的安全得到更有效的保障生產(chǎn)和管理的有關(guān)信息能及時獲得并加以利用對工況改變的適應(yīng)性增強能及時地預(yù)報與較好地處理過程與設(shè)備的事故減少對環(huán)境產(chǎn)生的污染7/23/202330第一章緒論第二節(jié)

Unit2計算機控制系統(tǒng)的分類ClassificationofComputerControlSystem北京化工大學(xué)自動化研究所7/23/202331本節(jié)主要內(nèi)容計算機巡回檢測和操作指導(dǎo)系統(tǒng)計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)（流程CIMS）7/23/202332第一章緒論計算機巡回檢測和操作指導(dǎo)系統(tǒng)1-2-1計算機控制系統(tǒng)的分類

……數(shù)

字計算機CRT打印機報警過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程執(zhí)行機構(gòu)

人

……優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。7/23/202333第一章緒論計算機直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)1-2-2計算機控制系統(tǒng)的分類直接數(shù)字控制(DDC)計算機CRT打印機報警操作臺過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)

……

…………

計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。可完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID控制，而且只要改變程序就可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。

7/23/202334第一章緒論計算機監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)1-2-3

計算機控制系統(tǒng)的分類監(jiān)督控制計算機(SCC)CRT打印機報警DDC計算機或調(diào)節(jié)器輸入通道輸出通道被控生產(chǎn)過程操作臺輸入通道

其作用是改變給定值，又稱設(shè)定值控制。它的任務(wù)著重在控制規(guī)律的修正與實現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。7/23/202335第一章緒論1-2-4

計算機控制系統(tǒng)的分類計算機集散控制系統(tǒng)（DCS）

采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，形成分級分布式控制。7/23/202336第一章緒論1-2-5

計算機控制系統(tǒng)的分類現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工作站—現(xiàn)場智能儀表-變送器智能部件FCS的核心是現(xiàn)場總線，是一種數(shù)字通信協(xié)議，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，是控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三者結(jié)合。7/23/202337第一章緒論1-2-5

計算機控制系統(tǒng)的分類現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工作站—現(xiàn)場智能儀表-智能電磁流量計結(jié)構(gòu)模式為：“工作站一現(xiàn)場總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了可靠性，并且在統(tǒng)一國際標準下可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

7/23/202338第一章緒論7/23/202339第一章緒論1-2-6

計算機控制系統(tǒng)的分類計算機集成控制系統(tǒng)（CIMS/CIPS）

經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷,財務(wù),計劃,管理等第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進控制，過程優(yōu)化第一層：單元自動化,簡單控制生產(chǎn)過程

流程CIMS的遞階控制示意圖7/23/202340第一章緒論1-2-7

計算機控制系統(tǒng)的分類根據(jù)計算機的硬件不同分類基于單片機的簡單系統(tǒng)基于工控機(IPC)基于可編程邏輯控制器(PLC)基于各種類型DCS基于現(xiàn)場總線儀表的FCS7/23/202341第一章緒論（1）程序和順序控制（2）比例積分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）復(fù)雜規(guī)律的控制（5）智能控制1-2-8計算機控制系統(tǒng)的分類按照控制規(guī)律分類7/23/202342第一章緒論（1）程序和順序控制定義：程序控制是被控制量按照一定的、預(yù)先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間函數(shù)的變化。順序控制是程序控制的擴展，在各個時期所給出設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。7/23/202343第一章緒論（2）比例積分微分控制（PID控制）定義：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。

PID控制是現(xiàn)在應(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)簡單、參數(shù)容易調(diào)整，因此，無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)使用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。這同樣是我們學(xué)習(xí)的一個重點內(nèi)容。7/23/202344第一章緒論（3）最小拍控制最小拍控制的性能指標是要求設(shè)計的系統(tǒng)在盡可能短的時間內(nèi)完成調(diào)節(jié)過程。最小拍控制通常用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設(shè)計中。最小拍控制是我們本書內(nèi)容的重點和難點，是直接離散控制系統(tǒng)設(shè)計！7/23/202345第一章緒論（4）復(fù)雜規(guī)律的控制在PID控制的基礎(chǔ)上，引進了各種復(fù)雜規(guī)律的控制，比如串級控制、前饋控制、純滯后補償、解偶控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。目的：是為了解決隨機擾動問題，使系統(tǒng)控制達到滿意的性能指標。7/23/202346第一章緒論（5）智能控制智能控制把先進的方法學(xué)理論與解決當前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科。可以看成三個主要理論領(lǐng)域的交叉或會合，即：人工智能運籌學(xué)控制理論7/23/202347第一章緒論第三節(jié)Unit3計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)DesignandImplementationofComputerControlSystem北京化工大學(xué)自動化研究所7/23/202348本節(jié)主要內(nèi)容設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的一般步驟計算機控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法7/23/202349第一章緒論1-3-1

計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的一般步驟總體設(shè)計建立數(shù)學(xué)模型

控制系統(tǒng)綜合計算機硬件與控制系統(tǒng)工程化設(shè)計計算機軟件設(shè)計系統(tǒng)仿真、調(diào)試與完善建立整個系統(tǒng)的技術(shù)文檔7/23/202350第一章緒論1-3-2

計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的方法基于連續(xù)系統(tǒng)進行分析與設(shè)計按連續(xù)控制器設(shè)計離散化性能指標？———————————N基于離散系統(tǒng)進行分析與設(shè)計連續(xù)數(shù)學(xué)模型離散化設(shè)計離散的控制器性能？————————N7/23/202351第一章緒論1-3-3計算機控制系統(tǒng)性能及其指標

1.計算機控制系統(tǒng)性能指標計算機控制系統(tǒng)的性能分析和要求與連續(xù)控制系統(tǒng)相似，可用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀性、動態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性（精度）來表征，衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的指標通常用穩(wěn)定裕量、動態(tài)指標、穩(wěn)態(tài)指標和綜合指標等。7/23/202352第一章緒論2.控制對象對控制性能的影響7/23/202353第一章緒論第四節(jié)Unit4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢DevelopmentandTendencyofComputerControlSystem

北京化工大學(xué)自動化研究所7/23/2023541-4

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢50年代的起步期60年代的試驗期70年代以來的推廣期80年代的成熟期90年代的進一步發(fā)展期7/23/202355第一章緒論第五節(jié)Unit5典型工程實例介紹IntroductionofEngineeringSystems7/23/202356第一章緒論循環(huán)流化床干法煙氣脫硫控制系統(tǒng)子系統(tǒng)吸收劑制備煙氣系統(tǒng)吸收塔注水系統(tǒng)吸收劑定量給料電除塵器物料循環(huán)副產(chǎn)品排放7/23/202357干法脫硫除塵控制系統(tǒng)規(guī)模應(yīng)用于2×300MW機組，共采用兩套脫硫除塵島系統(tǒng)采用分布式IO配置，在現(xiàn)場共安裝18個工業(yè)控制柜板卡點數(shù)近千點：包含DI、DO、AI、AO、RTD、PI等多種類型信號7/23/202358第一章緒論主機鍋爐和預(yù)除塵7/23/202359第一章緒論吸收塔和脫硫除塵島俯視7/23/202360第一章緒論預(yù)除塵灰斗和倉泵俯視7/23/202361第一章緒論生石灰倉7/23/202362第一章緒論下料秤重計量閥7/23/202363第一章緒論灰斗出料倉泵7/23/202364第一章緒論中央控制樓7/23/202365第一章緒論中控室控制柜7/23/202366第一章緒論干法煙氣脫硫控制系統(tǒng)平臺OS站/WinCC機組1

OSM工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換器S7400417H

帶工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器OS站/WinCC機組2Y-LINK用于連接吸收劑制備子系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)PCS7