第九章計算機(jī)控制系統(tǒng)

第九章計算機(jī)控制系統(tǒng)第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月●掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成原理?知識點(diǎn)：●了解計算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用類型●掌握集散控制系統(tǒng)的基本組成●掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的信號處理原理●掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道的組成第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成?計算機(jī)控制系統(tǒng)是用計算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制計算機(jī))來實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程自動控制的系統(tǒng)。什么是自動控制?自動控制系統(tǒng)由哪些部分組成?1.1.1基本概念第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)定值控制器D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象A/D計算機(jī)被控變量+計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理(1)實(shí)時數(shù)據(jù)采集對測量變送裝置輸出的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理。(2)實(shí)時控制決策

對被控變量的測量值進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，并按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。(3)實(shí)時控制輸出實(shí)時地輸出運(yùn)算后的控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制任務(wù)。上述過程不斷重復(fù)，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上?？蓺w納為以下三個步驟：什么是實(shí)時控制?第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月生產(chǎn)過程工業(yè)控制機(jī)圖1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖生產(chǎn)過程指按生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計的計算機(jī)它包括硬件和軟件兩部分。包括被控對象，測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。1.1.2硬件系統(tǒng)第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月接收輸入的指令和工業(yè)對象的信息，向系統(tǒng)各部分發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。包括顯示操作臺、屏幕顯示器(CRT)或數(shù)碼顯示器、鍵盤、打印機(jī)、記錄儀等。從被控對象采集的模擬量或數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠接收的數(shù)字量生產(chǎn)過程包括被控對象，測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。圖1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖包括磁盤、光盤、磁帶，主要用于存儲大量的程序和數(shù)據(jù)。將計算機(jī)的處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以對被控對象進(jìn)行控制的信號。第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

工業(yè)控制機(jī)硬件：硬件是指計算機(jī)本身及外圍設(shè)備。

計算機(jī)硬件過程輸出接口計算機(jī)過程輸入接口存儲器人機(jī)接口第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月軟件是指能完成各種功能的計算機(jī)程序的總和.軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件是專門用來使用和管理計算機(jī)的程序，包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程序、語言處理程序和故障診斷程序等。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問題而編寫的各種程序。1.1.3軟件系統(tǒng)第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機(jī)控制系統(tǒng)分級控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用類型計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計算機(jī)控制系統(tǒng)主要分為六種類型第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集和處理工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對生產(chǎn)過程各種工藝變量進(jìn)行巡回檢測、處理、記錄以及變量的超限報警。同時對變量進(jìn)行累計和實(shí)時分析。第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月 采用計算機(jī)代替模擬儀表控制，只要改變程序就可以對控制對象進(jìn)行控制，因此計算機(jī)可以控制幾百個回路，并可以對上下限進(jìn)行監(jiān)視和報警。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計算機(jī)的可靠運(yùn)行。因此，必須采取抗干擾措施。1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）（a）（b）第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機(jī)通過過程輸入通道對變量作巡回檢測1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）根據(jù)變量，按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算其結(jié)果經(jīng)過輸出通道，作用到控制對象。模擬量輸入微型計算機(jī)模擬量輸出生產(chǎn)過程數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出顯示打印磁盤磁盤第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月儲酒罐測控裝置

一、概述

儲酒罐測控裝置可滿足大多數(shù)葡萄酒廠的陳釀工藝。該裝置以智能儀表為核心，隨時對儲酒罐進(jìn)行監(jiān)測，儀表支持RS485總線通訊，方便組成基于計算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。

二、功能與特點(diǎn)

該裝置以公司開發(fā)的DMC智能儀表為核心，配以傳感器、控制器等組成。各酒罐被視為獨(dú)立測控對象，一罐一表，具有相對獨(dú)立的可靠性。DMC智能儀表還具有傳感器開路檢測、故障報警等功能，使其更具可靠性主要功能：

1、酒罐溫度測量功能；

2、液位/重量測量功能；(可附加液位/重量超限報警功能)。

3、定量輸入/輸出功能；

4、數(shù)據(jù)通訊功能；DDC智能儀表可支持RS485總線通訊。若擴(kuò)展通訊，十分簡單方便，便于組成更高級的測控系統(tǒng)。

第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月空氣處理機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)圖第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月供熱站系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)分析熱源用戶端第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)DDC級微機(jī)完成生產(chǎn)過程的直接數(shù)字控制；SCC級微機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析計算，產(chǎn)生最優(yōu)化設(shè)定值。用數(shù)字控制儀器代替，再配以輸入采樣器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器、輸出掃描器，便是SCC加數(shù)字控制器的SCC系統(tǒng)。當(dāng)SCC計算機(jī)出現(xiàn)故障時，由數(shù)字控制器獨(dú)立完成控制任務(wù)，比較安全可靠。第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4分級控制系統(tǒng)

生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也存在大量的管理問題。

由若干臺微處理器或微機(jī)分別承擔(dān)部分控制任務(wù)，代替了集中控制的計算機(jī)。

這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是將控制功能分散，用多臺計算機(jī)分別完成不同的控制功能，管理則采用集中管理。第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)工廠集中控制級它可根據(jù)上級下達(dá)的任務(wù)和本廠情況，制定生產(chǎn)計劃、安排本廠工作、進(jìn)行人員調(diào)配及各車間的協(xié)調(diào)，并及時向上級報告。(4)企業(yè)管理級制定長期發(fā)展現(xiàn)劃、生產(chǎn)銷計劃，發(fā)命令至各工廠，并接受反饋信息，實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的總調(diào)度。（2)車間監(jiān)督級(SCC級)它根據(jù)廠級計算機(jī)下達(dá)的命令和通過裝置控制級獲得的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行最優(yōu)化控制。

(1)裝置控制級(DDC級)對生產(chǎn)過程進(jìn)行直接控制，使所控制的生產(chǎn)過程在最優(yōu)工作狀況下工作。第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月5集散控制系統(tǒng)

協(xié)調(diào)各控制站的工作達(dá)到過程的動態(tài)最優(yōu)化人機(jī)接口裝置，完成操作、顯示和監(jiān)視任務(wù)集散控制系統(tǒng)是分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。完成過程的現(xiàn)場控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)了地理上和功能上分散的控制，將各個分散的信息集中起來，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作。采集非控制過程信息第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月?集散控制系統(tǒng)是一種典型的分級分布式控制結(jié)構(gòu)。?集散控制系統(tǒng)有計算機(jī)控制系統(tǒng)控制算法先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)．又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。?集散控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，系統(tǒng)是積木式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可大可小，易于擴(kuò)展。第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)，是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)，采用工作站-現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式?，F(xiàn)場數(shù)字執(zhí)行器現(xiàn)場數(shù)字控制功能模塊服務(wù)器工作站現(xiàn)場數(shù)字傳感器第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3信號處理在連續(xù)量控制系統(tǒng)中，控制信號、反饋信號和偏差信號都是連續(xù)型的時間信號；而在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，計算機(jī)的輸入、輸出都是離散型的時間函數(shù)。CPUD/A執(zhí)行器對象采樣器A/D第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1輸入信號處理?為了實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對生產(chǎn)過程的控制，需要將被控對象的各種測、控變量按要求的方式送入計算機(jī)，以便運(yùn)算和處理。?被控對象所提供的信息是紛繁復(fù)雜的，其種類、性質(zhì)及大小等各不相同，因此需要通過某種裝置將生產(chǎn)過程中的各種被測變量轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠接受的信號，這種在計算機(jī)與生產(chǎn)過程之間，起著信號轉(zhuǎn)換并向計算機(jī)傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信號處理包括數(shù)字量輸入信號處理和模擬量輸入信號處理。第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖1．?dāng)?shù)字量輸入信號處理信號變換電路整形電路信號和接口電路電平變換電路計算機(jī)不能直接接受生產(chǎn)現(xiàn)場的狀態(tài)量因此，必須通過輸入通道將狀態(tài)信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送入計算機(jī)。數(shù)字量通道第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2．模擬量輸入信號處理檢測各種非電量過程變量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。將多路模擬信號按要求分時輸出放大器將傳感器輸出的微弱電信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器所需要的電平采樣保持器對模擬信號進(jìn)行采樣，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換期間對采樣信號進(jìn)行保持將模擬信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號接口電路提供模擬量輸入通道與計算機(jī)之間的控制信號和數(shù)據(jù)傳送通路第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3．模擬量輸入信號采樣過程計算機(jī)對某個隨時間變化的模擬量進(jìn)行采樣，是利用定時器控制的開關(guān)，每隔一定時間使開關(guān)閉合而完成一次采樣。開關(guān)重復(fù)閉合的時間間隔T稱為采樣周期，其倒數(shù)?s=1/T稱為采樣頻率。采樣過程，是指將一個連續(xù)的輸入信號經(jīng)開關(guān)采樣后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生在采樣開關(guān)閉合瞬時0、T、2T…nT的一連串脈沖輸出信號?*(t)，如圖1.11所示。式中

?*(t)——輸出脈沖序列

?(kT)——輸出脈沖數(shù)值序列；

δ(t-kT)——發(fā)生在t=kT時刻上的單位脈沖（1-1）第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月單位脈沖函數(shù)的定義為

（1-2）根據(jù)理想單位脈沖函數(shù)的定義式(1-2)，在采樣開關(guān)閉合時，?(kT)與?(t)的瞬時值相等，式(1-1)還可改寫成如下形式式(1-3)說明，數(shù)字控制系統(tǒng)中的采樣過程可以理解為脈沖調(diào)制過程。在這里，采樣開關(guān)只起著理想脈沖發(fā)生器的作用，通過它將連續(xù)信號?(t)調(diào)制成脈沖序列?*(t)。（1-3）第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4．香農(nóng)采樣定理采樣后的離散信號?*(t)才能夠無失真地復(fù)現(xiàn)?(t)一個連續(xù)時間信號?(t)，設(shè)其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為?max，如果在等間隔點(diǎn)上對該信號?(t)進(jìn)行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號?*(t)能包含原信號?(t)的全部信息量，則采樣頻率只有滿足下面的關(guān)系 ?s≥2?max（1-4） 式中?s——采樣頻率； ?max——?(t)最高頻率。 在實(shí)際工程中采樣頻率的選擇還跟采樣回路數(shù)和采樣時間有關(guān)，一般根據(jù)具體情況選用。?s≥（5~10）?max采樣定理表明，采樣頻率?s的選擇至少要比?max高二倍，對于連續(xù)模擬信號?(t)，我們并不需要有無限多個連續(xù)的時間點(diǎn)上的瞬時值來決定其變化規(guī)律，而只需要有各個等間隔點(diǎn)上的離散抽樣值就夠了。為了不失真地恢復(fù)模擬信號，采樣頻率應(yīng)該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。

第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月5．?dāng)?shù)字濾波數(shù)字濾波優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要硬件設(shè)備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。②數(shù)字濾波可以濾除頻率很低的干擾，這一點(diǎn)是模擬濾波難以實(shí)現(xiàn)的。③數(shù)字濾波可以根據(jù)不同的信號采用不同的濾波方法，使用靈活、方便。數(shù)字濾波是通過編制一定的計算或判斷程序，減少干擾在有用信號中的比重，提高信號真實(shí)性的濾波方法。第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的數(shù)字濾波方法有：數(shù)字濾波方法平均濾波程序判斷濾遞推中位值法濾波一階滯后濾波加權(quán)遞推平均濾波程序判斷濾波的具體方法是通過比較相鄰的兩個采樣值，如果它們的差值過大，超出了變量可能的變化范圍，則認(rèn)為后一次采樣值是虛假的，應(yīng)予以廢除，而用前一次采樣值送入計算機(jī)。中位值法濾波就是將某個被測變量在輪到它采樣的時刻，連續(xù)采3次(或3次以上)值，從中選擇大小居中的那個值作為有效測量信號。第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月管道中的流量、壓力或沸騰狀液面的上下波動，會使其變送器輸出信號出現(xiàn)頻繁的振蕩現(xiàn)象。若將此信號直接送入計算機(jī)，會導(dǎo)致控制算式輸出紊亂，造成控制動作極其頻繁。甚至執(zhí)行器根本來不及響應(yīng)，還會使控制閥因過分磨損而影響使用壽命，嚴(yán)重影響控制品質(zhì)。(3)遞推平均濾波如圖1.12所示。圖中的黑點(diǎn)表示各個采樣值。對于這類信號，僅僅依靠一次采樣值作為控制依據(jù)是不正確的，通常采用遞推平均的方法，即第n次采樣的N項(xiàng)遞推平均值是n，(n-1)，…，(n-N+1)次采樣值的算術(shù)平均。第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月N值的選擇對采樣平均值的平滑程度與反應(yīng)靈敏度均有影響。遞推平均算式為：（1-6）式中——第n次N項(xiàng)的遞推平均值；——往前遞推第i項(xiàng)的測量值；——遞推平均的項(xiàng)數(shù)。也就是說，第n次采樣的N項(xiàng)遞推平均值的計算，應(yīng)該由n次采樣往前遞推(N-1)項(xiàng)。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過觀察不同N值下遞推平均的輸出響應(yīng)來決定N值的大小。目前在工程上，流量常用12項(xiàng)平均，壓力取4項(xiàng)平均，溫度沒有顯著噪聲時可以不加平均。第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2輸出信號處理過程輸出通道:計算機(jī)和執(zhí)行器之間進(jìn)行信息傳遞和變換的裝置.1．?dāng)?shù)字輸出信號的處理數(shù)字信號的輸出必須通過數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計算機(jī)輸出的數(shù)字信號去控制接點(diǎn)的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等，簡稱DO(Digitaloutput)通道。根據(jù)被控對象的不同，其輸出的數(shù)字控制信號的形態(tài)及相應(yīng)的配置也不相同。其中最為常用的數(shù)字控制信號是開關(guān)量和脈沖量信號第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月隔離器一般采用光電隔離器，如TLP521系列；輸出驅(qū)動器將計算機(jī)輸出的信號進(jìn)行功率放大，以滿足被控對象要求。繼電器、晶閘管(或大功率晶體管)、TTL電平輸出等為需要開關(guān)量控制信號的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過這些開關(guān)器件的通、斷去控制被控對象。第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2．模擬輸出信號的處理

模擬信號的輸出必須通過模擬量輸出通道來完成。模擬量輸出通道是計算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵。它的任務(wù)是把計算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號。以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、達(dá)到控制的目的。模擬量輸出通道—般由輸出接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換等組成。（1）一個通路設(shè)置一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器:微處理器和通路之間通過獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器有故障也不會影響其它通路的工作。缺點(diǎn)是使用了使用硬件較多，成本高。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這個缺點(diǎn)正在逐步得到克服。這種方案較易實(shí)現(xiàn)。第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月多路信號共用一個數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。（2）多個通路共用一個數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的形式

因此它必須在微型機(jī)控制下分時工作。即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓(或電流)，通過多路模擬開關(guān)傳送到下一級電路。這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，但因是分時工作，只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合。

因多路共用一個D/A轉(zhuǎn)換器，所以可靠性較差。第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月單回路可編程序控制器概述單回路控制器是以微處理器為基礎(chǔ)的多功能控制儀表。具有多路模擬輸入、多路開關(guān)量輸入/輸出、通信及診斷功能，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算、控制。原則上只有一路模擬量輸出信號---單回路控制器。與模擬調(diào)節(jié)器在功能上的區(qū)別：是自控、計算機(jī)、通信技術(shù)組合，不僅是調(diào)節(jié)控制。第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月SLPC型可編程序控制器的電路RF-P86FIG2-30SLPC控制器的電路方框圖代表機(jī)種：YS-80系列的SLPC(SingleLoopProgrammableController)

組成示意圖第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月主要組成部分

（1）CPU采用8位微處理器8085A，10MHZ、0.2s控制周期（最多可運(yùn)行240步）。（2）系統(tǒng)軟件和用戶程序存入內(nèi)部32KEPROM。（3）現(xiàn)場設(shè)定數(shù)據(jù)及中間結(jié)果存入內(nèi)部2KRAM。（4）5個模擬輸入端，可以同時接受5路1~5V直流電平信號。（5）3個模擬輸出端，1路4~20mA電流輸出驅(qū)動執(zhí)行器，2路1~5V聯(lián)絡(luò)信號。（6）6個開關(guān)量輸入/輸出端，利用三態(tài)門電路切換輸入、輸出方式。第43頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年