《自動控制原理及其應用》課件第5章

第5章計算機控制系統(tǒng)概述5.1計算機控制系統(tǒng)的組成5.2計算機控制系統(tǒng)及工控機的特點5.3計算機控制系統(tǒng)的主要結構類型5.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展小結

5.1計算機控制系統(tǒng)的組成

計算機控制系統(tǒng)是由計算機和被控對象兩大部分組成的。在工業(yè)領域中，自動控制技術已獲得了廣泛的應用。

圖5-1(a)是按偏差進行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖，測量元件對被控對象的被控參數(shù)(如溫度、壓力、流量、轉速、位移等)進行測量；變送單元將被測參數(shù)變成電壓(或電流)信號，反饋給控制器；控制器將反饋回來的信號與給定值進行比較，得到偏差；控制器就根據(jù)偏差產(chǎn)生控制信號驅動執(zhí)行機構工作，使被控參數(shù)的值達到預定的要求。圖5-1典型閉環(huán)、開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖(a)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖；(b)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如果把圖5-1中的控制器用計算機來代替，這樣就可以構成計算機控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖5-2所示。圖5-2計算機控制系統(tǒng)方框圖

1.計算機控制系統(tǒng)的硬件組成

計算機控制系統(tǒng)的硬件一般是由主機、輸入輸出通道、外部設備、檢測與執(zhí)行機構和被控對象等組成，如圖5-3所示。圖5-3計算機控制系統(tǒng)的基本組成

1)主機

主機是計算機控制系統(tǒng)的核心，它可以通過接口向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種命令，同時對被控對象的被控參數(shù)進行實時檢測及處理。主機的主要功能是控制整個生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進行各種控制運算(如PID調節(jié)規(guī)律運算、最優(yōu)化計算等)和操作，根據(jù)運算結果作出控制決策；對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督，使之處于最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預測和報警；編制生產(chǎn)技術報告和打印制表等。

2)輸入輸出通道

輸入輸出通道是計算機和生產(chǎn)過程之間信息傳遞和變換的連接通道，它的作用有：一方面將工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)取出，經(jīng)傳感器(一次儀表)、變送器、A/D轉換器等變換成計算機能夠接收和識別的代碼；另一方面將計算機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)過變換后作為操作執(zhí)行機構的控制信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

3)外部設備

外部設備是實現(xiàn)計算機和外界進行信息交換的設備(簡稱外設)。外部設備包括人機聯(lián)絡設備(操作臺)、輸入/輸出設備和外存儲器等。

操作臺應具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯示所要求的內容；還應有按鈕，完成系統(tǒng)的啟停等功能；還要保證即使操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應有保護功能。

4)檢測與執(zhí)行機構

·變送單元

·執(zhí)行機構

5)被控對象

被控對象一般是指系統(tǒng)中被控制的設備或過程。深入研究和掌握被控對象的特性和數(shù)學描述方法是設計高質量控制系統(tǒng)的前提和技術關鍵。

2.計算機控制系統(tǒng)的軟件

軟件是指計算機控制系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應用軟件。

5.2計算機控制系統(tǒng)及工控機的特點

1.計算機控制系統(tǒng)的特點

計算機控制系統(tǒng)與常規(guī)的模擬式自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點：

(1)控制規(guī)律靈活多樣，修改控制方案方便。

(2)控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)分時控制。

(3)能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高。

(4)控制與管理一體化，進一步提高自動化程度。

2.工控機的特點

計算機的運算和邏輯功能，可以有效地滿足當代復雜生產(chǎn)過程的控制要求。專門用于生產(chǎn)過程控制的數(shù)字計算機，通常稱為生產(chǎn)過程控制用計算機系統(tǒng)，也稱為工業(yè)控制計算機(簡稱工控機)。工業(yè)控制計算機一般有以下特點：

(1)可靠性和可維修性高。

(2)環(huán)境的適應性強。

(3)控制的實時性。

(4)較完善的輸入輸出通道。

(5)較豐富的軟件。

(6)適當?shù)挠嬎憔群瓦\算速度。

5.3計算機控制系統(tǒng)的主要結構類型

1.集散型控制系統(tǒng)(DCS)

集散型控制系統(tǒng)，也叫分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)，簡稱DCS。它是采用積木式結構，以一臺主計算機和兩臺或多臺從計算機為基礎的一種結構體系，所以也叫主從結構或樹形結構。從機絕大部分時間都是并行工作的，只有必要時才與主機通信。該系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調的設計原則，把系統(tǒng)從下到上分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級等若干級，形成分級分布式控制，其結構如圖5-4所示。圖5-4DCS的組成結構圖分布式控制系統(tǒng)代替了原來的中小型計算機集中控制系統(tǒng)，它具有如下特點：

(1)可靠性高。

(2)速度快。

(3)通信功能強。

(4)結構靈活，易于擴展。

(5)設計、開發(fā)、維護簡便。

2.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem)，簡稱FCS，是繼集散控制系統(tǒng)后的新一代分布式控制系統(tǒng)。圖5-5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結構圖

3.計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)

計算機集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystems)，簡稱CIMS。隨著工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模的日益復雜化與大型化，現(xiàn)代化工業(yè)要求計算機系統(tǒng)不僅要完成直接面向過程的控制和優(yōu)化任務，而且要在獲取盡可能多的生產(chǎn)全部過程信息的基礎上，進行整個生產(chǎn)過程的綜合管理、指揮調度和經(jīng)營管理。由于自動化技術、計算機技術、數(shù)據(jù)通信技術等的迅速發(fā)展，滿足這些要求已經(jīng)不再是夢想，能實現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)稱為計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。當CIMS用于流程工業(yè)時，簡稱為流程CIMS。圖5-6流程工業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)結構示意圖

5.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

1.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程

自1946年世界上第一臺電子計算機問世以來，計算機在世界各國得到了極大的重視和迅速的發(fā)展。20世紀70年代微型計算機的推廣，標志著計算機的發(fā)展和應用進入了新的階段。

2.計算機控制系統(tǒng)在我國的發(fā)展趨勢

計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展是與組成該控制系統(tǒng)的核心部分——微型計算機的發(fā)展緊密相連的。

1)以工業(yè)PC為基礎的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流

從20世紀60年代開始，西方國家就依靠技術進步(即新設備、新工藝以及計算機應用)開始對傳統(tǒng)工業(yè)進行改造，使工業(yè)得到飛速發(fā)展。然而這種自動化需要投入大量的資金，是一種高投資、高效益、高風險的發(fā)展模式，很難為大多數(shù)中小企業(yè)所采用。在我國，中小型企業(yè)以及準大型企業(yè)走的還是低成本工業(yè)控制自動化的道路。工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。

2)PLC在向微型化、網(wǎng)絡化、PC化和開放性的方向發(fā)展

長期以來，PLC始終處于工業(yè)控制自動化領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供非?？煽康目刂品桨福cDCS和工業(yè)PC形成了三足鼎立之勢。同時，PLC也承受著來自其他技術產(chǎn)品的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。

3)DCS系統(tǒng)向測控管一體化發(fā)展

集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem)問世于1975年，生產(chǎn)廠家主要集中在美、日、德等國。我國從20世紀70年代中后期起，首先由大型進口設備成套引入國外的DCS。20世紀80年代初期在引進、消化和吸收的同時，開始了研制國產(chǎn)化DCS的技術攻關。

4)控制系統(tǒng)正在向現(xiàn)場總線(FCS)的方向發(fā)展

由于3C(Computer，Control，Communication)技術的發(fā)展，過程控制系統(tǒng)將由DCS發(fā)展到FCS(FieldbusControlSystem)。FCS可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場設備中。基于現(xiàn)場總線的FCS又是全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的新一代生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場一對一的4～20mA模擬信號線，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)體系結構帶來革命性的變化。

5)儀器儀表技術在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、微型化的方向發(fā)展

經(jīng)過五十年的發(fā)展，我國儀器儀表工業(yè)已有相當?shù)幕A，初步形成了門類比較齊全的生產(chǎn)、科研、營銷體系。但目前我國儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品大多屬于中低檔水平，隨著國際上數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、微型化的產(chǎn)品逐漸成為主流，差距還將進一步加大。目前，我國高檔、大型儀器設備大多依賴進口。中檔產(chǎn)品以及許多關鍵零部件，國外產(chǎn)品占有我國市場60%以上的份額，而國產(chǎn)分析儀器占全球市場不到千分之二的份額。

6)工業(yè)控制網(wǎng)絡將向有線和無線相結合的方向發(fā)展

自從1977年第一個民用網(wǎng)系統(tǒng)ARCnet投入運行以來，有線局域網(wǎng)以其廣泛的適用性和技術價格方面的優(yōu)勢，獲得了成功并得到了迅速發(fā)展。然而，在工業(yè)現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜，有線局域網(wǎng)很難發(fā)揮作用，因此無線局域網(wǎng)技術得到了發(fā)展和應用。隨著微電子技術的不斷發(fā)展，無線局域網(wǎng)技術將在工業(yè)控制網(wǎng)絡中發(fā)揮越來越大的作用。

7)工業(yè)控制軟件正向先進控制的方向發(fā)展

自20世紀80年代初期誕生至今，工業(yè)控制軟件已有20年的發(fā)展歷史。工業(yè)控制軟件作為一種應用軟件，是隨著PC機的興起而不斷發(fā)展的。工業(yè)控制軟件主要包括人機界面軟件(HMI)，基于PC的控制軟件以及生產(chǎn)管理軟件等。目前，我國已開發(fā)出一批具有自主知識產(chǎn)權的實時監(jiān)控軟件平臺、先進控制軟件、過程優(yōu)化控制軟件等成套應用軟件，工程化、產(chǎn)品化有了一定的突破，打破了國外同類應用軟件的壟斷格局。通過在化工、石化、造紙等行業(yè)的應用，促進了企業(yè)的技術改造，提高了生產(chǎn)過程控制水平和產(chǎn)品質量，為企業(yè)創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟效益。小結

1.計算機控制系統(tǒng)是以計算機為控制核心的自動控制系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)。計算機控制技術是關于計算機控制系統(tǒng)方面的技術，是計算機、控制、網(wǎng)絡通信等多學科內容的集成。

2.計算機控制系統(tǒng)的硬件一般由主機、輸入輸出通道、外部設備、檢測與執(zhí)行機構和被控對象等組成。

3.軟件是指計算機控制系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應用軟件。

4.計算機控制系統(tǒng)主要結構類型有：

(1)集散型控制系統(tǒng)(DCS)；

(2)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)；

(3)工業(yè)過程計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。

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