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文檔簡介

引言

計算機控制技術(shù)及工程應(yīng)用--是把計算機技術(shù)與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問,是以計算機為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。從計算機應(yīng)用的角度出發(fā),自動化控制工程是其重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域;而從自動化控制工程來看,計算機技術(shù)又是一個主要的實現(xiàn)手段。下圖為一個制藥車間的自動化生產(chǎn)流程。

例工業(yè)爐控制工業(yè)爐控制的典型情況。為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒,必須保持燃料和空氣的比值恒定。它可以防止空氣太多時,過剩空氣帶走大量熱量;也可防止當(dāng)空氣太少時,由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧化碳或碳黑。為了保持所需的爐溫,將測得的爐溫送入計算機計算,進而控制燃料和空氣閥門的開度。為了保持爐膛壓力恒定,避免在壓力過低時從爐墻的縫隙處吸入大量過??諝?,或在壓力過高時大量燃料通過縫隙逸出爐外,必須采用壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計算機,進而控制煙道出口擋板的開度。為了提高爐子的熱效率,還須對爐子排出的廢氣進行分析,一般是用氧化鋯傳感器測量煙氣中的微量氧,通過計算而得出其熱效率,并用以指導(dǎo)燃燒控制。觀點:沒有計算機就無所謂自動化前續(xù)課程:電子技術(shù)、微機原理與應(yīng)用、單片機、自動控制理論等特點:綜合性強——能夠?qū)⒆詣踊瘜I(yè)的大部分課程聯(lián)系起來

第一章微型計算機控制系統(tǒng)概述本章要點1.了解計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理2.了解計算機控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。3.初步認識微型計算機控制系統(tǒng)分類與裝置種類

本章主要內(nèi)容

1.1計算機控制系統(tǒng)的一般概念

1.2計算機控制系統(tǒng)的組成

1.3微型計算機控制系統(tǒng)的分類

1.4微型計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.5控制裝置種類1.1計算機控制系統(tǒng)的一般概念主要知識點:

控制系統(tǒng)概念一、控制系統(tǒng)概念計算機控制系統(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1-1a所示)與開環(huán)控制(圖1-1b所示)兩種結(jié)構(gòu)形式;計算機控制系統(tǒng)原理組成—用控制計算機代替圖1-1的控制器,如圖1-2所示;(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,測量變送器對被控對象進行檢測,把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號再反饋到控制器中,控制器將此測量值與給定值進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)的控制信號驅(qū)動執(zhí)行器工作,執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值,從而實現(xiàn)自動控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路,所以稱此為按偏差進行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。euqy控制器執(zhí)行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量

測量值r+_zf干擾圖1-1(a)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),它不需要被控對象的測量反饋信號,控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行器去控制被控對象,所以這種信號的傳遞是單方向的。環(huán)控制系統(tǒng)不能自動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)行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r(b)開環(huán)控制系統(tǒng)(3)計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)原理組成

計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計算機即微型計算機及A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換接口與D/A(數(shù)/模)轉(zhuǎn)換接口代替,由于計算機采用的是數(shù)字信號傳遞,而一次儀表多采用模擬信號傳遞,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,以及D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量作為其輸出信號。

圖1-2計算機控制系統(tǒng)原理圖

(4)計算機控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程步驟a.實時數(shù)據(jù)采集--對來自測量變送器的被控量的瞬時值進行采集和輸入;b.實時數(shù)據(jù)處理--對采集到的被控量進行分析、比較和處理,按一定的控制規(guī)律運算,進行控制決策;

c.實時輸出控制--根據(jù)控制決策,適時地對執(zhí)行器發(fā)出控制信號,完成監(jiān)控任務(wù);實時:指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間內(nèi)完成1.2計算機控制系統(tǒng)的組成一、計算機控制系統(tǒng)硬件一般包括:主機--CPU+RAM+ROM+系統(tǒng)總線

常規(guī)外部設(shè)備--輸入/輸出設(shè)備、外存儲器等過程輸入輸出通道—AI、AO、DI、DO操作臺—CRT、LED、LCD

等通信設(shè)備—交換機、modem、集線器等圖1-3所示硬件組成框圖

圖1-3計算機控制系統(tǒng)硬件組成框圖

二、軟件組成硬件僅為計算機控制系統(tǒng)的軀體。要使計算機正確地運行解決各種問題,必須為它編制軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和,它是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,整個系統(tǒng)的動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)軟件一般由計算機廠家提供,專門用來使用和管理計算機本身的程序;應(yīng)用軟件是用戶針對生產(chǎn)過程要求而編制的各種應(yīng)用程序。

1.3控制系統(tǒng)分類

主要知識點1.3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)1.3.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)1.3.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC)1.3.4監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)SCC)1.3.5分散控制系統(tǒng)(DCS)1.3.6現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)1.3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem)--是計算機應(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)過程中被控對象的大量參數(shù)經(jīng)測量變送儀表發(fā)送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入計算機,由計算機對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理,并按操作要求進行屏幕顯示、制表打印和越限報警。

1.3.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(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。計算機根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進行最優(yōu)化計算,計算出的最優(yōu)操作條件,并不直接輸出控制被控對象,而是顯示或打印出來,操作人員據(jù)此去改變各個控制器的給定值或操作執(zhí)行器,以達到操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動與半自動工作狀態(tài)。OGC系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,控制靈活和安全。缺點是要由人工操作,速度受到限制,不能同時控制多個回路。

1.3.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC)DDC系統(tǒng)--是用一臺計算機不僅完成對多個被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,而且能按一定的控制規(guī)律進行實時決策,并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號,實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制,為了操作方便,DDC系統(tǒng)還配置一個包括給定、顯示、報警等功能的操作控制臺。DDC系統(tǒng)中的一臺計算機不僅完全取代了多個模擬調(diào)節(jié)器,而且在各個回路的控制方案上,不改變硬件只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜控制。計算機生產(chǎn)過程顯示打印機報警操作臺)ID,D/A(入輸程過)OD,A/D(出輸程過圖1-7直接數(shù)字控制系統(tǒng)1.3.4監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)SCC)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)即SCC--是OGC系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)或與DDC系統(tǒng)綜合而成的兩級系統(tǒng),如圖1-8所示。顯然,這屬于計算機在線最優(yōu)控制的一種形式。當(dāng)上位機出現(xiàn)故障時,可由下位機獨立完成控制。下位機直接參與生產(chǎn)過程控制,要求其實時性好,可靠性高和抗干擾能力強;而上位機承擔(dān)高級控制與管理任務(wù),應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理能力強,存儲容量大的高檔計算機。1.3.5分散控制系統(tǒng)(DCS)分散控制系統(tǒng)--是以微處理器為基礎(chǔ),借助于計算機網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)過程進行集中管理和分散控制的先進計算機控制系統(tǒng)。由于早期開發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征,因此國外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng),國內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng),或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡稱為DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則。它的結(jié)構(gòu)組成如圖1-9所示。集中操作監(jiān)控級管理計算機網(wǎng)間聯(lián)接器工程師操作站操作員操作站監(jiān)控計算機網(wǎng)間聯(lián)接器現(xiàn)場控制站

PLC智能調(diào)節(jié)器其它測控裝置至其它局域網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)通信聯(lián)絡(luò)綜合信息管理級分級過程控制級1.3.6現(xiàn)場總線控制系(FCS)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)即FCS--是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標準不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點,采用集管理控制功能于一身的工作站與現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式,把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去,形成一個徹底的分散控制模式。它的結(jié)構(gòu)組成如圖1-11所示。每個現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個智能節(jié)點,都帶CPU單元,可分別獨立完成測量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能,靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。1.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢

1946年世界上第一臺電子計算機ENICA正式使用以來,電子計算機在世界各國得到了極大的重視和迅速的發(fā)展。計算機控制技術(shù)的發(fā)展離不開自動控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展,本節(jié)回顧一下計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況,并討論計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1.4.1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

1.計算機控制技術(shù)的發(fā)展過程計算機技術(shù)的發(fā)展,我們可按以下四個階段來描述其發(fā)展過程:(1)開創(chuàng)時期(1955~1962年)(2)直接數(shù)字控制時期(1962~1967年)(3)小型計算機時期(1967~1972年)(4)微型計算機時期(1972年~至今)

2.計算機控制理論的發(fā)展過程

(1)采樣定理(2)差分方程(3)Z變換法(4)狀態(tài)空間理論(5)最優(yōu)控制與隨機控制(6)代數(shù)系統(tǒng)理論(7)系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制1.4.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.推廣應(yīng)用成熟的先進技術(shù)(1)普及應(yīng)用可編程序控制器(PLC)(2)廣泛使用智能調(diào)節(jié)器(3)采用新型的DCS和FCS2.大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

當(dāng)前最流行的控制系統(tǒng)有:(1)分級遞階智能控制系統(tǒng)(2)模糊控制系統(tǒng)(3)專家控制系統(tǒng)(4)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)(5)神經(jīng)控制系統(tǒng)隨著多媒體計算機和人工智能計算機的發(fā)展,應(yīng)用自動控制理論和智能控制技術(shù)來實現(xiàn)先進的計算機控制系統(tǒng),必將大大推動科學(xué)技術(shù)的進步和提高工業(yè)自動化系統(tǒng)的水平。1.5控制裝置種類

主要知識點1.5.1可編程控制器1.5.2可編程調(diào)節(jié)器1.5.3總線式工控機1.5.4單片微型計算機1.5.5其他控制裝置1.5.1可編程控制器可編程邏輯控制器--簡稱可編程控制器或PLC,是計算機技術(shù)與繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物,其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置,而高端為一種高性能的工業(yè)控制計算機。它主要由CPU、存儲器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示??删幊炭刂破鳎≒LC)特點:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)

境下應(yīng)用而設(shè)定;采用可編程序的存儲器,在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(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,而且在運動控制、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,擴展容易,編程簡單,調(diào)試容易,抗干擾能力強;1.5.2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I/O(輸入/輸出)單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖所示??删幊陶{(diào)節(jié)器特點:一種儀表化了的微型控制計算機易操作,易編程、方便靈活設(shè)計時無需考慮接口、通訊的硬件設(shè)計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、自診斷功能、通信等功能可以組成多級計算機控制系統(tǒng),實現(xiàn)各種高級控制和管理

大型分散控制系統(tǒng)中最基層的控制單元適用于連續(xù)過程中模擬量信號的控制系統(tǒng)中1.5.3總線式工控機總線式工控機,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)控制的通用性計算機,一般稱為工業(yè)控制計算機,簡稱為工業(yè)控制機或工控機。通常,計算機的生產(chǎn)廠家是按照某個總線標準,設(shè)計制造出若干符合總線標準、具有各種功能的各式模板,而控制系統(tǒng)的設(shè)計人員則根據(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算機控制系統(tǒng)??偩€式工控機的外形類似普通計算機,如圖所示。

不同的是它的外殼采用全鋼標準的工業(yè)加固型機架機箱,機箱密封并加正壓送風(fēng)散熱,機箱內(nèi)的原普通計算機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)級抗干擾電源和工業(yè)級芯片,并配以相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用軟件??偩€式工控機具有小型化、模板化、組合化、標準化的設(shè)計特點,能滿足不同層次、不同控制對象的需要,又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運行。因而,它廣泛應(yīng)用于各種控制場合,尤其是十幾到幾十個回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。1.5.4單片微型計算機

隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展,計算機技術(shù)的另一個分支──超小型化的單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機誕生了。它是將CPU、存儲器、串并行I/O口、定時/計數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上,構(gòu)成了一個完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。單片機的應(yīng)用軟件可以采用面向機器的匯編語言,但這需要較深的計算機軟硬件知識,而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語言的發(fā)展,其軟件開發(fā)環(huán)境正在逐步改善。目前,市場上已推出面向單片

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