工程科技數(shù)字技術(shù)控制概論

1、開課目的和任務(wù)開課目的和任務(wù) ?工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工 業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 ?目的在于使學(xué)生了解和掌握以微機(jī)為核心組成的控制系 統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)知識(shí)和基本應(yīng)用技術(shù)。 開課目的和任務(wù)開課目的和任務(wù) ?本課程是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)主干課程之一。 ?自動(dòng)控制理論，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制 理論，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)。 自動(dòng)控制 在無人直接參與的情況下， 利用控制裝置，使工作機(jī)械、或 生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）的某一個(gè) 物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)

2、律 （給定量）運(yùn)行。 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史 經(jīng)典控制理論( 19世紀(jì)初 ) 專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法 時(shí)域法復(fù)域法 (根軌跡法) 頻域法 現(xiàn)代控制理論( 20世紀(jì)60年代 ) 線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制 最優(yōu)控制魯棒控制 最佳估計(jì)容錯(cuò)控制 系統(tǒng)辨識(shí)集散控制 大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng) 智能控制理論( 20世紀(jì)70年代 ) 基本控制方式 1. 開環(huán)控制 2. 閉環(huán)控制 3. 復(fù)合控制 （1）閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)-閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)量變送器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)， 把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再反饋到控制器中，控制器將 此測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng) 的控制信

3、號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對(duì)象的被控量跟 蹤趨近給定值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號(hào)傳遞形成了閉 合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 euqy 控制器執(zhí)行器被控對(duì)象 測(cè)量變送器 偏差給定值控制作用操縱變量被控量 測(cè)量值 r+ _ z f 干擾 圖1-1 閉環(huán)控制系統(tǒng) （2）開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)-不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對(duì) 象的測(cè)量反饋信號(hào)，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動(dòng)執(zhí)行 器去控制被控對(duì)象，所以這種信號(hào)的傳遞是單方向的。 開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)消除被控量與給定值之間的偏 差，其控制性能不如閉環(huán)系統(tǒng)。 uqy 控制器執(zhí)行器被控對(duì)象 給定值控制作

4、用操縱變量被控量 r (b) 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制與閉環(huán)控制各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)有所了解。本課主要討 論和研究閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)消除被控參數(shù)偏離給定值所帶來的誤差。控制系 統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差全部反映在被控參數(shù)上。與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，它的控制 性能較差。 開環(huán)控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低。缺點(diǎn)是控制精度不高，抑 制干擾能力差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。一般用于可以不考慮外界 影響或精度要求不高的場(chǎng)合，如洗衣機(jī)、交通燈的控制等。 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)控制系統(tǒng)：不論是輸入信號(hào)的變化，或者干擾的影響，或者系統(tǒng) 內(nèi)部的變化，只要是被控量偏離了規(guī)定值，都會(huì)產(chǎn)生相

5、應(yīng)的作用去消除 偏差。因此，閉環(huán)控制抑制干擾能力強(qiáng)，與開環(huán)控制相比，系統(tǒng)對(duì)參數(shù) 變化不敏感，可以選用不太精密的元件構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)，獲得 滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。但是采用反饋裝置需要添加元部件，造價(jià) 較高，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不適當(dāng)， 控制過程可能變得很差，甚至出現(xiàn)振蕩或發(fā)散等不穩(wěn)定的情況，因此， 如何分析系統(tǒng)，合理選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而獲得滿意的系統(tǒng)性能， 是自動(dòng)控制理論必須研究解決的問題。 ? 反饋控制只有在外部作用(輸入信號(hào)或干擾)對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生 影響之后才能做出相應(yīng)的控制。尤其當(dāng)控制對(duì)象具有較大延遲 時(shí)間時(shí)，反饋控制不能及時(shí)地影響輸出的變化，會(huì)影響

6、系統(tǒng)輸 出的平穩(wěn)性。前饋控制能使系統(tǒng)及時(shí)感受輸入信號(hào)，使系統(tǒng)在 偏差即將產(chǎn)生之前就注意糾正偏差。將前饋控制和反饋控制結(jié) 合起來，構(gòu)成復(fù)合控制，可以有效提高系統(tǒng)的控制精度。 復(fù)合控制 ？ 例 1 爐溫控制系統(tǒng) 爐溫控制系統(tǒng)方框圖 爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖 方框圖中各符號(hào)的意義 元部件 方框（塊）圖信號(hào)（物理量）及傳遞方向 中的符號(hào)比較點(diǎn) 引出點(diǎn) 表示負(fù)反饋 例 2 函數(shù)記錄儀 函數(shù)記錄儀方框圖 水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) ? 水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖 ? ? 工作原理：溫度傳感器不斷測(cè)量交換器出口處的實(shí)際水溫，并在溫 度控制器中與給定溫度相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥 門開大，進(jìn)入熱交換器

7、的蒸汽量加大，熱水溫度升高，直至偏差為零 。如果由于某種原因，冷水流量加大，則流量值由流量計(jì)測(cè)得，通過 溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加， 提前進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)按冷水 流量進(jìn)行順饋補(bǔ)償，保證熱交換器出口的水溫不發(fā)生大的波動(dòng)。 其中，熱交換器是被控對(duì)象，實(shí)際熱水溫度為被控量，給定量（希 望溫度）在控制器中設(shè)定；冷水流量是干擾量。 這是一個(gè)按干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的組成 (1) 被控對(duì)象 控制系統(tǒng)測(cè)量元件 比較元件 控制裝置放大元件 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 校正裝置 給定元件 控制系統(tǒng)的組成 (2) 控制系統(tǒng)的分類 1. 按給定信號(hào)的形式 2. 按系統(tǒng)是否滿足疊加原理 3. 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化

8、 4. 按信號(hào)傳遞的形式 5. 按輸入輸出變量的多少 恒值系統(tǒng)/ 隨動(dòng)系統(tǒng) 線性系統(tǒng)/ 非線性系統(tǒng) 定常系統(tǒng)/ 時(shí)變系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)/ 離散系統(tǒng) 單變量系統(tǒng) / 多變量系統(tǒng) ? ? 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 ?1. 穩(wěn)：（基本要求） ?要求系統(tǒng)要穩(wěn)定 ?2. 準(zhǔn)：（穩(wěn)態(tài)要求） ?系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)， 輸出跟蹤精度要高 ?3. 快：（動(dòng)態(tài)要求） ?系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡 過程要快速 第一章 計(jì)算機(jī)控制概述 本章要點(diǎn) 1.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理 2.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。 3. 初步認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類與裝置種類 本章主要內(nèi)容 ?引言 ?1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成 ?1.2 計(jì)算機(jī)

9、控制系統(tǒng)分類 ?1.3 計(jì)算機(jī)控制裝置種類 ?本章小結(jié) ?思考題 引言引言 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)-是把計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)融為一體的一 門綜合性學(xué)問，是以計(jì)算機(jī)為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)。從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，自動(dòng)化控制工程是其重要的一個(gè) 應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動(dòng)化控制工程來看，計(jì)算機(jī)技術(shù)又是一個(gè)主要的 實(shí)現(xiàn)手段。本課程立足于工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域，討論這種不同于普通 計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、相關(guān)技術(shù)及其工程應(yīng)用。下 圖為一個(gè)制藥車間的自動(dòng)化生產(chǎn)流程。 1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 主要知識(shí)點(diǎn): 1.1.1 控制系統(tǒng)概念 1.1.2 硬件組成 1.1.3 軟件組成 1.1.1 1

10、.1.1 控制系統(tǒng)概念控制系統(tǒng)概念 ?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而 來的; ?常規(guī)儀表組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制 要求，一般分成 閉環(huán)控制 (圖1-1所示)與開環(huán) 控制(圖1-2所示)兩種結(jié)構(gòu)形式; ?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理組成 用計(jì)算機(jī)代替圖 1- 1的控制器，如圖1-3所示； （1）計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理組成 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理組成-是把圖1-1中的控制器用 微型計(jì)算機(jī)及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口與D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換 接口代替，由于計(jì)算機(jī)采用的是數(shù)字信號(hào)傳遞，而一次儀表 多采用模擬信號(hào)傳遞，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換 為數(shù)字量作為其輸入信號(hào)，以及D/A轉(zhuǎn)換器將

11、數(shù)字量轉(zhuǎn)換為 模擬量作為其輸出信號(hào)。 +re 偏差 計(jì)算機(jī) D/A 執(zhí)行器被控對(duì)象 uqy A/D 測(cè)量變送器 z 測(cè)量值 給定值 控制計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程 控制 作用 操縱 變量 被控量 圖1-3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 - 圖1-3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行 檢測(cè)和輸入； 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，并按已 定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。 實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(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)。 實(shí)時(shí)：信號(hào)的輸入、處理和輸出都必須在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完 成。實(shí)時(shí)性與具體生產(chǎn)過程密切相關(guān)，一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必

12、定 是在線的，但一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是實(shí)時(shí)的。 ? ? （2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程步驟 （3） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程 度進(jìn)一步提高。 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來講，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由模擬部件及 數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)； 從信號(hào)形式上來講，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中存在多種信號(hào) 形式的變換，是一種模擬和數(shù)字混合信號(hào)系統(tǒng)； 控制規(guī)律通過軟件實(shí)現(xiàn)（數(shù)字控制器），具有更大的 靈活性和適應(yīng)性，能方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，并且 修改方便； 它是離散控制系統(tǒng)，一個(gè)數(shù)字控制器可采用分時(shí)控制 的方式控制多個(gè)回路； 1.1.2 1.1.2 硬件組成硬件組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件一般包括：

13、 ?主機(jī)-CPU RAMROM系統(tǒng)總線 ?常規(guī)外部設(shè)備-輸入/輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器等 ?過程輸入輸出通道AI、AO、DI、DO ?操作臺(tái)CRT、LED、LCD等 ?通信設(shè)備交換機(jī)、modem、集線器等 ?圖 1-4所示硬件組成框圖 圖1-4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成原理圖 要控制的生產(chǎn)裝置或設(shè)備 系統(tǒng)硬件主要由以下幾部分構(gòu)成： （1）主機(jī) 作用:是系統(tǒng)核心，檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、判斷、計(jì)算、控制、報(bào)警等。 選型：STD總線機(jī)、工業(yè)PC機(jī)、8位、16位或32位單片機(jī)、PLC等。 （2）輸入/輸出通道（過程通道） 作用:在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間架設(shè)信息傳遞和變換的連接橋梁。 種類：模擬量輸入通道、模擬量輸出通

14、道、開關(guān)量輸入通道、開關(guān)量輸出 通道 I/O接口包括： 并行接口8255或8155串行接口8251 直接數(shù)據(jù)傳輸控制器8237 中斷控制器8259 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8254 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809等D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 等 （3）通用外部設(shè)備 作用：顯示、打印、存儲(chǔ)、傳輸數(shù)據(jù)。 （4）檢測(cè)元件 作用：對(duì)各種信息進(jìn)行采集，將非電信號(hào)、非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào) （0-5V或4-20mA）。 器件：各種傳感器、變送器 （5）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 作用：根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，如改變轉(zhuǎn)速、流量、溫度等。 設(shè)備：電動(dòng)的、氣動(dòng)的、液壓傳動(dòng)的等。 （6）操作臺(tái) 作用：實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話，進(jìn)行各種操作 組成：功能鍵、

15、數(shù)字鍵、開關(guān)、按鈕、LED數(shù)碼管或CRT顯示器。 1.1.3 1.1.3 軟件組成軟件組成 ?硬件僅為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軀體。要使計(jì)算機(jī)正確地 運(yùn)行解決各種問題，必須為它編制軟件。 ?所謂軟件是指完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，它 是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是 在軟件程序指揮下協(xié)調(diào)工作的。 ?軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類；系統(tǒng)軟件 一般由計(jì)算機(jī)廠家提供，專門用來使用和管理計(jì)算機(jī) 本身的程序；應(yīng)用軟件是用戶針對(duì)生產(chǎn)過程要求而編 制的各種應(yīng)用程序。 ?應(yīng)用軟件，是控制計(jì)算機(jī)在特定環(huán)境中完成某種控制功能 及相關(guān)任務(wù)所必需的程序，一般分為以下幾類： （1）過程監(jiān)控 包括的程序有

16、：巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警、操作面板服務(wù)、數(shù)字 濾波、標(biāo)度變換、判斷、過程分析等。 （2）過程控制計(jì)算 包括的程序有：控制算法（PID算法、最優(yōu)控制、串級(jí)調(diào)節(jié)、比值 調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)、系統(tǒng)辯識(shí)等）、事故處理、信息管理（信息生成與 管理、文件管理、輸出、打印、顯示等）。 （3）公共服務(wù) 包括的程序有：基本運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式編輯等。 Editor fr Erfahrenen Anwender Editor fr Erfahrenen Anwender 1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類 主要知識(shí)點(diǎn) 1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS） 1.2.2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC) 1.2.3 直接數(shù)字控制

17、系統(tǒng)（ DDC） 1.2.4 監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（ SCC） 1.2.5 分散控制系統(tǒng)（DCS） 1.2.6 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（ FCS） 1.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS） 計(jì) 算 機(jī) 工 業(yè) 對(duì) 象 器 換 轉(zhuǎn) D/A 采 樣 器 測(cè) 量 元 件 統(tǒng)系集采據(jù)數(shù)1圖5- 顯示終端 打印機(jī) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Acquisition System)-是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制最早、 也是最基本的一種類型，如圖1-5所示。生產(chǎn)過程中被控對(duì)象的大量參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送 儀表發(fā)送和AI通道或DI通道巡回采集后送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 和處理，并按操作要求進(jìn)行屏幕顯示、制表打印和越限報(bào)警。

18、1.2.2 1.2.2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)(OGC) 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) -是基于數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)的一種開環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1-6 所示。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以 及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算 出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出 控制被控對(duì)象，而是顯示或打印出 來，操作人員據(jù)此去改變各個(gè)控制 器的給定值或操作執(zhí)行器，以達(dá)到 操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀 表控制系統(tǒng)的手動(dòng)與半自動(dòng)工作狀 態(tài)。OGC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)是要由人工 操作，速度受到限制，不能同時(shí)控 制多個(gè)回路。 計(jì) 算 機(jī) 工 業(yè) 對(duì) 象 器 換 轉(zhuǎn) D/A 采 樣 器 測(cè) 量 元 件 顯示終端

19、打印機(jī) 控 制 儀 表 圖1-6 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 1.2.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC） 圖1-7 DDC控制系統(tǒng)原理圖 管理命令 DDC微型機(jī) 報(bào)告 人工監(jiān)管 給定值測(cè)量值 A/D 多路開關(guān) 檢測(cè)元件 D/A 反多路開關(guān) 生產(chǎn)過程 DDC（Direct Digital Control ）是用一臺(tái)微機(jī)對(duì)多 個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，檢 測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再 按PID規(guī)律或直接數(shù)字控制方 法進(jìn)行控制運(yùn)算，然后輸出到 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在 給定值上。 DDC控制的特點(diǎn)：可一機(jī)多 控，經(jīng)濟(jì)、靈活、可靠?？蓪?shí) 現(xiàn)各種復(fù)雜控制，如串級(jí)、前 饋、自適應(yīng)控制、大滯后控制 等。 監(jiān)督

20、控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Control）簡(jiǎn)稱為SCC。 (1)監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC 在SCC系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)按照生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定 值，將其值送給模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程。 (2)SCC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與問題 優(yōu)點(diǎn)：可以進(jìn)行給定值控制、順序控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制 等。是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。 問題：由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，因 此該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較困難。 (3)SCC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)（一般模擬調(diào)節(jié)器其給定值不變） SCC+DDC的控制系統(tǒng)（比一般DDC系統(tǒng)靈活方便） 1.2.4

21、1.2.4監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（SCCSCC） 圖1-8(a) SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖 圖1-8(b) SCC+DDC控制系統(tǒng)原理圖 管理命令管理命令報(bào)告報(bào)告 SCC監(jiān)督控制計(jì)算機(jī) 給定值測(cè)量值測(cè)量值 A/D 多路開關(guān)多路開關(guān) 檢測(cè)元件 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程 管理命令管理命令報(bào)告報(bào)告 給定值給定值測(cè)量值測(cè)量值 A/D 多路開關(guān)多路開關(guān) 檢測(cè)元件檢測(cè)元件 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程 DDC計(jì)算機(jī) D/A 反多路開關(guān)反多路開關(guān) . . . . . . . . SCC監(jiān)督控制計(jì)算機(jī) 1.2.5 集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System） (1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由三級(jí)組

22、成：底層的分散過程控制級(jí)（DDC）、中間層的監(jiān)督控制 級(jí)（SCC）、上層的生產(chǎn)管理級(jí)（MIC）。是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理 技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。 企業(yè)級(jí) 經(jīng)營(yíng)管理計(jì)算機(jī) 工廠級(jí) 集中控制計(jì)算機(jī) 車間級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（SCC）車間級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（SCC） 裝置控制級(jí)（DDC）裝置控制級(jí)（DDC）裝置控制級(jí)（DDC） 工廠對(duì)象A工廠對(duì)象B工廠對(duì)象C工廠對(duì)象D 至其它工廠至其它工廠 裝置控制級(jí)（DDC） 圖1-9 集散控制系統(tǒng)原理圖 (2)各級(jí)功能 分散過程控制級(jí)DDC，用于直接生產(chǎn)控制，完成數(shù)據(jù)采集、順序控 制或某一閉環(huán)控制，向監(jiān)控級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)，并接受監(jiān)控級(jí)來的信息。該級(jí) 由多個(gè)

23、以計(jì)算機(jī)為核心的工作站組成。 監(jiān)督控制級(jí)SCC，任務(wù)是對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視與操作，向管理級(jí)、 分散控制級(jí)傳送數(shù)據(jù)和指令。 管理級(jí)MIC（Manage information Control ），是整個(gè)系統(tǒng)的中 樞，接受管理者的指令；對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)與管理；給管理者提供各種信 息與報(bào)表；根據(jù)下級(jí)提供的信息及生產(chǎn)任務(wù)要求，選擇數(shù)學(xué)模型和控制 策略，對(duì)下一級(jí)下達(dá)指令等。 DCS以微型計(jì)算機(jī)為核心，把微型機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系 統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入 /輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來，采 用組合組裝式結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條 件。 DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品的發(fā)展及典型產(chǎn)

24、品 ?DCS的開創(chuàng)期(1975年1980年) ?DCS的組成 ?現(xiàn)場(chǎng)控制站 ?現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站 ?CRT操作站 ?數(shù)據(jù)高速公路 ?監(jiān)控計(jì)算機(jī) CRT操作站監(jiān)控計(jì)算機(jī) 數(shù) 據(jù) 高 速 公 路HW 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)控制站 第一代DCS基本結(jié)構(gòu) DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品的發(fā)展及典型產(chǎn)品 ?DCS的成長(zhǎng)與完善時(shí)期(1980年1985年) ?以局部網(wǎng)絡(luò)LAN為主干 ?其它各單元都是掛在它上面的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作 站 ?主要組成部分 ?局部網(wǎng)絡(luò)、多功能現(xiàn)場(chǎng)控制站、增強(qiáng)型操作站、 通用型操作站、網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)管理模塊、主計(jì)算機(jī) DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品的發(fā)展及典型產(chǎn)品 ?第二代DCS 基本結(jié)構(gòu)示意圖 局 部 網(wǎng) 絡(luò) LAN 其

25、它 網(wǎng)絡(luò) D H W 網(wǎng)關(guān)多功能控制器網(wǎng)關(guān) 系統(tǒng)管理模塊 通用操作站主計(jì)算機(jī) 增強(qiáng)型 操作站 DCS的發(fā)展及典型產(chǎn)品的發(fā)展及典型產(chǎn)品 ?DCS的擴(kuò)展期（1985年以后） ?典型產(chǎn)品有 ?Honeywell 公司的TDC 3000/PM ?YOKAGAWA 公司的Centum-XL ?Foxboro 公司的I/A Series ?TAILOR Instruments 公司的Mod 300 ?Bailey Control公司的INFI-90等 1.2.6. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系現(xiàn)場(chǎng)總線控制系 統(tǒng)（FCS） 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS （Fieldbus Control System ） 是分布控制系統(tǒng)（DC

26、S）的更新 換代產(chǎn)品。現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80 年代末、90年代初發(fā)展形成的用 于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓 宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備 互連通訊網(wǎng)絡(luò)。開放性、分散性 與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯 著的特征。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)至今尚未形成完 整統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，影響較大的 是Foundation Fieldbus 、 LonWorks 、Profibus 、HART 、 CAN、Dupline等。 (1)結(jié)構(gòu) FCS是一種用數(shù)字通信協(xié)議連接智能 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分 散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。 簡(jiǎn)言之，是一種用數(shù)字局域網(wǎng)絡(luò)連接 起來的分布式控制系統(tǒng)。 M S SS L A N

27、 操 作 站 控 制 站 PLC 420mA plus digital proprietary Traditional Analog ?采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、 順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字 式、模擬式的輸入和輸出； ?應(yīng)用廣泛-不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢(shì)，而且 在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色； ?PLC具有系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，編程簡(jiǎn)單，調(diào)試容 易，抗干擾能力強(qiáng)； 1.3.21.3.2可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器 可編程調(diào)節(jié)器-又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字 調(diào)節(jié)器。它主要由微處理單元、過程IO（輸入/輸出） 單元、面板單

28、元、通信單元、硬手操單元和編程單元等 組成。外觀如圖所示。 可編程調(diào)節(jié)器特點(diǎn)： ?一種儀表化了的微型控制計(jì)算機(jī) ?易操作，易編程、方便靈活 ?設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮接口、通訊的硬件設(shè)計(jì) ?軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態(tài)語言 ?具有斷電保護(hù)、自診斷功能、通信等功能 ?可以組成多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)控 制和管理 ?大型分散控制系統(tǒng)中最基層的控制單元 ?適用于連續(xù)過程中模擬量信號(hào)的控制系統(tǒng)中 1.3.3 1.3.3 總線式工控機(jī)總線式工控機(jī) 總線式工控機(jī)，是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種 專用于工業(yè)控制的通用性計(jì)算機(jī)，一般稱為工業(yè)控制計(jì) 算機(jī)，簡(jiǎn)稱為工業(yè)控制機(jī)或工控機(jī)。通常，計(jì)算機(jī)的生 產(chǎn)

29、廠家是按照某個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造出若干符合總線 標(biāo)準(zhǔn)、具有各種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人 員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過程與技術(shù)要求，選用相應(yīng)的功能 模板組合成自己所需的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？偩€式工控機(jī) 的外形類似普通計(jì)算機(jī)，如圖所示。 不同的是它的外殼采用全鋼標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)加固型機(jī) 架機(jī)箱，機(jī)箱密封并加正壓送風(fēng)散熱，機(jī)箱內(nèi)的原普 通計(jì)算機(jī)的大主板變成通用的底板總線插座系統(tǒng)，將主 板分解成幾塊PC插件，采用工業(yè)級(jí)抗干擾電源和工業(yè)級(jí) 芯片，并配以相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用軟件。 總線式工控機(jī)具有小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn) 化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能滿足不同層次、不同控制對(duì)象的需要， 又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運(yùn)行。因而，它廣泛應(yīng) 用于各種控制場(chǎng)合，尤其是十幾到幾