計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

1、WUSTWUST1:031WUSTWUST1:032 1.1 1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 1.2 1.2 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概述過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概述 1.3 1.3 軋制過(guò)程計(jì)算機(jī)控制概述軋制過(guò)程計(jì)算機(jī)控制概述 1.4 1.4 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本類過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本類型型WUSTWUST1:033本節(jié)內(nèi)容一一 硬件組成硬件組成 （一）主機(jī)（一）主機(jī) 1.1.中央處理器中央處理器 2.2.內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器 （二）外部設(shè)備（二）外部設(shè)備 1.1.輸入設(shè)備輸入設(shè)備 2.2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備 3.3.外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器 （三）過(guò)程輸入輸出設(shè)備（三）

2、過(guò)程輸入輸出設(shè)備 （四）通訊設(shè)備（四）通訊設(shè)備二二 軟件組成軟件組成 （一）系統(tǒng)軟件（一）系統(tǒng)軟件 （二）應(yīng)用軟件（二）應(yīng)用軟件三三 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)四四 人機(jī)接口人機(jī)接口WUSTWUST1:0341.1.1 1.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)加熱爐爐溫控制系統(tǒng)加熱爐爐溫控制系統(tǒng) Furnace Temperature control systemq人工控制系統(tǒng)中人起到了檢測(cè)儀表、人工控制系統(tǒng)中人起到了檢測(cè)儀表、控制器、執(zhí)行器三重作用?？刂破?、執(zhí)行器三重作用。q控制的好壞主要靠操作工人的經(jīng)驗(yàn)?？刂频暮脡闹饕坎僮鞴と说慕?jīng)驗(yàn)。q人工控制不能控制太多的被控量。人工控制不能

3、控制太多的被控量。q 人工控制不能進(jìn)行快速的控制。人工控制不能進(jìn)行快速的控制。q人工控制也不能始終如一，產(chǎn)品的一人工控制也不能始終如一，產(chǎn)品的一 致性很差。致性很差。煤煤氣氣管管被被控控對(duì)對(duì)象象T燃?xì)鉄烊細(xì)鉄炝髁髁苛空{(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥WUSTWUST1:035 q采用模擬量運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)自采用模擬量運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能（如動(dòng)控制功能（如PID)。q而模擬系統(tǒng)中，改變控制方法而模擬系統(tǒng)中，改變控制方法就必須改變硬件。就必須改變硬件。q線路接點(diǎn)較多，出現(xiàn)故障不易線路接點(diǎn)較多，出現(xiàn)故障不易排除。排除。q一個(gè)模擬調(diào)節(jié)器只能控制一個(gè)一個(gè)模擬調(diào)節(jié)器只能控制一個(gè)被控量，多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器之間不被控量，多個(gè)模

4、擬調(diào)節(jié)器之間不能進(jìn)行信息交換。能進(jìn)行信息交換。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器熱熱電電偶偶爐爐溫溫TWUSTWUST1:036 計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制q用程序進(jìn)行控制運(yùn)算。用程序進(jìn)行控制運(yùn)算。q控制方法的改變很容易?？刂品椒ǖ母淖兒苋菀?。q可以控制幾百個(gè)回路可以控制幾百個(gè)回路.并可以并可以對(duì)上限、下限進(jìn)行監(jiān)視和報(bào)警。對(duì)上限、下限進(jìn)行監(jiān)視和報(bào)警。q信號(hào)的傳送需要數(shù)信號(hào)的傳送需要數(shù)/模和模模和模/數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥熱熱電電偶偶爐溫爐溫TWUSTWUST1:037被被控控對(duì)對(duì)象象輸入通道輸入通道/設(shè)備設(shè)備電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥熱熱電電偶偶輸出通道輸出通道/設(shè)備設(shè)備TWUSTWUST1:

5、038（1 1）測(cè)量變送裝置）測(cè)量變送裝置 Measure DeviceMeasure Device壓力傳感器壓力傳感器熱電偶熱電偶光電碼盤(pán)光電碼盤(pán)矯直機(jī)上矯直機(jī)上的輥縫儀的輥縫儀 WUSTWUST1:039（2 2）輸入輸出（）輸入輸出（I/OI/O）設(shè)備）設(shè)備 Input/Output DeviceInput/Output Device定義：定義：完成信息傳遞和交換的裝置。完成信息傳遞和交換的裝置。作用：作用：在計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間進(jìn)行信息傳遞的通道，起到紐在計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間進(jìn)行信息傳遞的通道，起到紐帶和橋梁的作用。帶和橋梁的作用。輸入通道輸入通道/ /設(shè)備設(shè)備開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸入

6、通道模擬量輸入通道模擬量輸入通道Analog/Digital(A/D)Analog/Digital(A/D)Digital Input(DI)Digital Input(DI)輸出通道輸出通道/ /設(shè)備設(shè)備開(kāi)關(guān)量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸出通道模擬量輸出通道模擬量輸出通道Digital/Analog (A/D)Digital/Analog (A/D)Digital Output(DO)Digital Output(DO)WUSTWUST1:0310I/O模塊模塊PCI-720012MB/s高速高速32通道數(shù)字輸入、通道數(shù)字輸入、32通道數(shù)字輸出卡通道數(shù)字輸出卡 康?？岛X8-L 8個(gè)個(gè)RS-232串口

7、串口 DAQ-220564通道，通道，500K/s高速高速多功能多功能A/D采集卡采集卡WUSTWUST1:0311（3 3）控制器）控制器 ControllerController 控制器：控制器：是實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律的核心器件?？刂破骺梢允菍?shí)現(xiàn)控制規(guī)律的核心器件。控制器可以是各種類型智能設(shè)備。是各種類型智能設(shè)備。西門(mén)子西門(mén)子S7400 PLC模擬調(diào)模擬調(diào)節(jié)器節(jié)器微型計(jì)微型計(jì)算機(jī)算機(jī)Honeywell數(shù)數(shù)字調(diào)節(jié)器字調(diào)節(jié)器研華研華 IPC-610WUSTWUST1:0312根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。（4 4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行機(jī)構(gòu) ActuatorA

8、ctuator 變頻泵變頻泵同步電機(jī)同步電機(jī)繼電器繼電器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥電磁閥電磁閥WUSTWUST1:0313工作過(guò)程：工作過(guò)程：數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)自于測(cè)量變送裝置的被控變量瞬時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)自于測(cè)量變送裝置的被控變量瞬時(shí)值；經(jīng)過(guò)值；經(jīng)過(guò)D/AD/A轉(zhuǎn)換后送入控制器。轉(zhuǎn)換后送入控制器。 控制決策：控制決策：將測(cè)量值將測(cè)量值mvmv與系統(tǒng)的給定值與系統(tǒng)的給定值spsp相比較，產(chǎn)生相比較，產(chǎn)生一定的偏差信號(hào)一定的偏差信號(hào)e e，對(duì)該偏差信號(hào)按照某種控，對(duì)該偏差信號(hào)按照某種控制規(guī)律（算法）進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，如常規(guī)制規(guī)律（算法）進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，如常規(guī)PIDPID算算法、自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法等，

9、最后法、自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法等，最后產(chǎn)生控制信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)u u。 控制輸出：控制輸出： 對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)u u進(jìn)行進(jìn)行D/AD/A轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換后，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。 SP通常安裝通常安裝于控制室于控制室通常安裝通常安裝于于 現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)-控制器控制器 D/A 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象被控對(duì)象測(cè)量變送測(cè)量變送 A/D +y被控量被控量eu4 420mA20mA4 420mA20mAcomparisonSensorActuatorProcessControllervariablemvfeedbackI/O

10、 DeviceI/O DeviceWUSTWUST1:03141.1.2 1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一些概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一些概念 自動(dòng)控制自動(dòng)控制：在沒(méi)有人直接參在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)與的情況下，通過(guò)控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)：利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。WUSTWUST1:0315輸出通道輸出通道 D/A輸入通道輸入通道 A/D對(duì)象對(duì)象被控變量被控變量y輸輸 入入通通 道道計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)給定給定1 1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工

11、作原理WUSTWUST1:0316實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)控制決策：實(shí)時(shí)控制決策：實(shí)時(shí)控制輸出：實(shí)時(shí)控制輸出：工作原理：工作原理：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控變量的瞬時(shí)值對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控變量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。進(jìn)行檢測(cè)和輸入。對(duì)采集到的被控變量進(jìn)行分析和處理，并對(duì)采集到的被控變量進(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按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。行為。根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控根據(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)。制信號(hào)，完成控制任務(wù)。WUSTWUST1:03172 2）在線方式和離線方式）在線方式和離線方式 在線在線方

12、式或聯(lián)機(jī)方式：方式或聯(lián)機(jī)方式：生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式。計(jì)算機(jī)控制的方式。 離線方式或脫機(jī)方式：離線方式或脫機(jī)方式：生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。相應(yīng)操作的方式。3 3）實(shí)時(shí)的含義）實(shí)時(shí)的含義 實(shí)時(shí)：實(shí)時(shí)：是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成。圍內(nèi)完成。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和管理。并能根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程工計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和管理。并能根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程工況的變化及時(shí)

13、地進(jìn)行處理。實(shí)時(shí)性不僅取決于計(jì)算機(jī)硬件指標(biāo)，而且還主要依賴況的變化及時(shí)地進(jìn)行處理。實(shí)時(shí)性不僅取決于計(jì)算機(jī)硬件指標(biāo)，而且還主要依賴于系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。（于系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。（P8） 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。WUSTWUST1:0318一一 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成 硬件組成硬件組成 ( (一）一）主機(jī)、（二）外部設(shè)備（三）過(guò)程主機(jī)、（二）外部設(shè)備（三）過(guò)程輸入輸入/ /輸出通道（四）通訊設(shè)備輸出通道（四）通訊設(shè)備WUSTWUST1:0319 （一）（一） 主機(jī)主機(jī)中央處理器（中央處理器（CPU）內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和和ROM)（三）

14、（三）過(guò)程輸入過(guò)程輸入/ /輸出通道輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道模擬量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸出通道（二）（二）外部設(shè)備外部設(shè)備 操作臺(tái)操作臺(tái)輸入設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀輸出設(shè)備輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、繪圖儀顯示器、打印機(jī)、繪圖儀外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器硬盤(pán)、軟盤(pán)、光盤(pán)硬盤(pán)、軟盤(pán)、光盤(pán)（CRT）顯示器或）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器數(shù)碼顯示器 鍵盤(pán)（功能鍵和數(shù)字鍵）鍵盤(pán)（功能鍵和數(shù)字鍵）（四）通訊設(shè)備（四）通訊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)適配器、路由器、集線器、雙絞線網(wǎng)絡(luò)適配器、路由器、集線器、雙絞線運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器只讀存

15、儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ROM)(ROM)隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)(RAM)WUSTWUST1:0320二二 軟件組成軟件組成軟件一般由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成軟件一般由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成 計(jì)算機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)研制系統(tǒng)軟件，而過(guò)程計(jì)計(jì)算機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)研制系統(tǒng)軟件，而過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員則要了解系統(tǒng)軟件，從而算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員則要了解系統(tǒng)軟件，從而更好地編制應(yīng)用軟件。更好地編制應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程而編制應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程而編制的控制和管理程序，它的優(yōu)劣直接影響控制品質(zhì)的控制和管理程序，它的優(yōu)劣直接影響控制品質(zhì)和管理水平。和管理水平。W

16、USTWUST1:0321軟件軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件服務(wù)程序裝配程序、編輯程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言、算法語(yǔ)言，如BasicAlgol，F(xiàn)rotran，Pascal，Cobol，C，PLM等語(yǔ)言處理程序匯編程序、解釋程序、編譯程序操作系統(tǒng)-管理程序、磁盤(pán)操作系統(tǒng)程序等診斷程序-調(diào)節(jié)程序、診斷程序等數(shù)據(jù)管理程序信息處理-文字翻譯、資料檢索、企業(yè)管理應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件通訊系統(tǒng)二二 軟件組成軟件組成WUSTWUST1:0322應(yīng)用軟應(yīng)用軟件件過(guò)程監(jiān)控過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理程序巡回檢測(cè)程序巡回檢測(cè)程序上下限檢查及報(bào)警程序上下限檢查及報(bào)警程序操作面板服務(wù)程序操作面板服務(wù)程序過(guò)程計(jì)算機(jī)控制過(guò)程計(jì)算機(jī)控制控制

17、算法程序控制算法程序事故處理程序事故處理程序PIDPID、最優(yōu)化控制、串級(jí)調(diào)、最優(yōu)化控制、串級(jí)調(diào)節(jié)、比例調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)節(jié)、比例調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)辨識(shí)、其他系統(tǒng)辨識(shí)、其他信息管理程序信息管理程序數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序判斷程序判斷程序過(guò)程分析程序過(guò)程分析程序公共服務(wù)程序公共服務(wù)程序基本運(yùn)算程序基本運(yùn)算程序函數(shù)運(yùn)算程序函數(shù)運(yùn)算程序數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序格式編輯程序格式編輯程序信息生成調(diào)度、文件管理、信息生成調(diào)度、文件管理、輸出、打印、顯示輸出、打印、顯示W(wǎng)USTWUST1:0323三 操作系統(tǒng)E Eniacniac和早期的計(jì)算機(jī)使用起來(lái)很困難的原因和早期的計(jì)算機(jī)使用起來(lái)很困難

18、的原因裸機(jī)，只提裸機(jī)，只提供機(jī)器指令。供機(jī)器指令。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)OSOS使得用戶可以不必了解具體的機(jī)器指令、信號(hào)使得用戶可以不必了解具體的機(jī)器指令、信號(hào)的傳輸過(guò)程，而通過(guò)操作系統(tǒng)充分地使用計(jì)算機(jī)的硬件的傳輸過(guò)程，而通過(guò)操作系統(tǒng)充分地使用計(jì)算機(jī)的硬件資源和軟件資源。資源和軟件資源。操作系統(tǒng)可以視作計(jì)算機(jī)資源管理程序操作系統(tǒng)可以視作計(jì)算機(jī)資源管理程序。只有在操作系統(tǒng)。只有在操作系統(tǒng)的管理之下，才能充分利用資源，提高系統(tǒng)的可靠性和的管理之下，才能充分利用資源，提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，方便用戶的操作和使用。操作系統(tǒng)的管理功能實(shí)時(shí)性，方便用戶的操作和使用。操作系統(tǒng)的管理功能可以歸納為四種：處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和可以歸納為四種：處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件管理。詳細(xì)論述見(jiàn)第六章。文件管理。詳細(xì)論述見(jiàn)第六章。WUSTWUST1:0324四四 人機(jī)接口人機(jī)接口 計(jì)算機(jī)和操作人員之間常常要互通信息。比如，計(jì)算機(jī)實(shí)計(jì)算機(jī)和操作人員之間常常要互通信息。比如，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地顯示生產(chǎn)過(guò)程狀況和控制信息，而操作人員為了配時(shí)地顯示生產(chǎn)過(guò)程狀況和控制信息，而操作人員為了配合計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制往往要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時(shí)合計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制往往要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時(shí)地向計(jì)算機(jī)發(fā)出各種操作控制命令。為此，計(jì)算機(jī)和操地向計(jì)算機(jī)發(fā)出各種操作控制命令。為此，計(jì)算機(jī)和操作人員之間應(yīng)設(shè)置作人員之間應(yīng)設(shè)置