2010《控制系统计算机接口技术》-Chapter01-Final.ppt

赵海文,河北工业大学机械工程学院2010.10,控制系统计算机接口技术,机械电子工程系,zhw,第1章计算机控制系统概述Chapter1TheIntroductiontoComputerControlSystem,1.1计算机控制系统的组成1.2计算机控制系统的主要特征1.3计算机控制系统的分类1.4计算机控制系统的主要研究内容,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,一、自动控制,引言（Introduction）,是指在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行1。,二、计算机控制,1.计算机控制是自动控制技术、计算机技术、通信与网络技术、微电子技术等多学科结合的综合性工程技术学科2。2.随着4C技术（Control，Computer，Communication，CRT）的发展和网络技术的日趋成熟，控制、计算机、通信和网络一体化使自动控制的方法和技术不断取得新的突破，功能越来越多、可靠性越来越高、灵活性越来越强3。3.过程自动化（PA）、工厂自动化（FA）、计算机集成过程控制（CIPS）、工厂综合自动化系统（FIAS）和企业资源综合规划（ERP），正在成为工业控制高效节能的重要手段3。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,三、自动控制系统总体分类1,工业生产中应用的自动控制系统，随着被控对象、控制规律和采用的控制器结构不同而有很大的差别，但总体上可分为：开环控制系统闭环控制系统,1.开环控制系统,引言（Introduction）,图1.1开环控制系统框图,注：开环系统中，控制系统只按照给定的输入信号对被控对象进行单向控制，在整个控制过程中系统不对控制量进行测量和反馈。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,三、自动控制系统总体分类1,2.闭环控制系统,引言（Introduction）,注：在闭环系统中，被控制量由检测装置检测并反馈到输入端，与输入量进行比较后得到偏差，控制系统通过控制逐步消除偏差，是被控量达到期望值。,图1.2闭环控制系统框图,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.1计算机控制系统的组成,1.1.1计算机控制系统硬件组成,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.1计算机控制系统的组成,1.1.1计算机控制系统硬件组成,1.主机(1)采用一台或多台计算机，是计算机控制系统的核心；(2)通过接口和输入/输出(I/O)通道，接收检测设备传来的信息，并向控制系统的各部件发出命令；(3)对系统的各个参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、分析报警、逻辑报警等。,2.接口和输入/输出通道(1)是主机和被控对象之间进行信息交换的纽带；(2)接口按功能分：并行接口、串行接口、D/A和A/D接口；(3)通道按处理信息分：模拟量I/O通道、数字量I/O通道、开关量I/O通道。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.1计算机控制系统的组成,1.1.1计算机控制系统硬件组成,3.通用外部设备(1)是计算机系统与操作人员交换界面，通常用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传输等功能；(2)常用通用设备包括：显示器、打印机、键盘、鼠标、磁盘驱动器、大屏幕等。,4.检测元件、仪表(1)检测元件、仪表用于测量生产对象中的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量表示；(2)检测元件和仪表的精度直接影响计算机控制系统的精度；(3)执行机构接收CPU的命令使被控对象完成规定的控制动作。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.1计算机控制系统的组成,1.1.1计算机控制系统硬件组成,5.操作台(1)用来实现人机之间的交互功能；(2)功能：向计算机输入程序，修改、发送数据，输出操作命令；通过显示器显示控制系统的状态；监视整个生产过程及各个回路的实时参数和工作状态。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.1计算机控制系统的组成,1.1.2计算机控制系统软件组成,1.软件(1)是指用计算机语言编写的用于完成各种功能的程序；(2)计算机控制系统必须设置完善的软件，才能按要求完成工作。,2.分类,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.2计算机控制系统的主要特征,1.实时性,实时性是指系统在限定时间内对外部事物最初反应的特性，限定时间的长短因生产过程不同而变化，主要考虑一下两方面因素：（1）生产过程只能够出现的事件持续时间；（2）计算机控制系统在这段时间能否对出现的事件作出必要的及时的反应。为了取得较好的实时性，应当选用速度高的计算机和配套的外部通道与接口。,2.良好的输入/输出能力,（1）计算机控制系统控制量：模拟量、数字量和开关量；（2）计算机控制系统需要与多种仪器仪表、执行机构、传输接口、各种外设相联系；（3）计算机控制系统应当有很强的I/O能力，足够多的I/O通道和扩充能力。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.2计算机控制系统的主要特征,3.标准化和系列化,（1）应尽量采用国际上通用的计算机、总线、接口和各种器件；（2）标准化和系列化的器件可降低成本、提高系统的性能，避免低层次重复性开发，缩短设计、制造、调试和生产的周期。,4.模块化的系统结构,计算机各部分按功能可划分成若干模块，对不同的控制系统采用不同的模块进行组合和设计。这样，可大大提高系统的开发效率和系统的可靠性，主要体现在：（1）用现成的功能模块可迅速配套组成各种不同类型的系统；（2）功能模块由企业成批生产，可使产品质量稳定、价格低廉；（3）系统的结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.2计算机控制系统的主要特征,5.可靠性,计算机控制系统的工作环境往往十分恶劣，控制现场存在着温度、湿度、粉尘、震动、电磁干扰、电压不稳定等干扰因素，因此必须采取一系列措施防止干扰，提高系统的可靠性。计算机控制系统应当符合一下要求：（1）平均无故障时间（MeanTimeBeforeFailures,MTBF）长可利用冗余技术来提高控制系统的可靠性。（2）抗干扰能力强应当采用抗干扰能力强的工业级电源、底线隔离、屏蔽地线、浮空等技术，防止电网波动带来的脉冲干扰和由传感器、执行器引入的地线干扰。（3）具有定时自动启动和硬件自检功能应配有自检和自诊断电路，应能在运行中定时对主机和I/O通道进行自检，当系统硬件发生故障或收到干扰使控制程序偏离时，能报警和重新启动。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,数据采集系统操作指导控制系统直接数字控制系统监督计算机控制系统分散控制系统现场总线控制系统以太控制网络系统,1.3计算机控制系统的分类,1.3.1按功能及结构分类2,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.3.1数据采集系统（DAS,DataAcquisionSystem）,(1)是计算机应用于生产过程控制最早、最基本的一种类型2；(2)计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，并将处理后的数据输出；(3)操作人员根据输出的数据，对生产过程中出现的问题进行处理。,图1.4数据采集系统,该系统可以代替大量的常规显示、记录报警仪表，对整个生产过程进行集中监视。对指导生产以及建立或改善生产过程的数学模型，具有重要的作用。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.3.1数据采集系统（DAS,DataAcquisionSystem）,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,图1.5操作指导控制系统,1.3计算机控制系统的分类,1.3.2操作指导控制系统(OGC,OperationGuideControl),(1)是基于数据采集系统的一种开环控制系统；(2)计算机根据采集到的数据进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制生产过程，而是显示或打印出来；(3)操作人员根据输出的结果去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作的目的。,属于计算机离线最优控制的一种形式。优点：结构简单、控制灵活和安全。缺点：由人工操作，速度受限，不能同时控制多个回路。应用场合：计算机控制系统设置的初级阶段，或用于试验新的数学模型、调试新的控制程序等场合。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.3.3直接数字控制系统(DDC,DirectDigitalControl),(1)可完成对多个被控参数的数据采集；(2)能按一定控制规律进行实时决策；(3)通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制；(4)还可配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。,是计算机在工业生产控制中最普遍的一种形式。一台计算机可以取代多个模拟调节器，且可在各个回路的控制方案上，可以不改变硬件而只东通过改变软件程序，就能有效地实现各种复杂控制。,图1.6直接数字控制系统,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,图1.7监督计算机控制系统,1.3计算机控制系统的分类,1.3.4监督计算机控制系统(SCC,SupervisoryComputerControl),(1)是OGC系统与常规仪表控制系统或DDC系统综合而成的两级系统；(2)有两种不同的结构形式；(3)作为上位机的SCC计算机按照描述生产过程的数学模型，根据原始工艺数据与实时采集的现场变了计算出最佳动态给定值，发送给作为下位机的模拟调节器或DDC计算机，有下位机控制生产过程；(4)这样，系统就可以根据生产工况的变化，不断地修正给定值，使生产过程始终处于最优工况。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,图1.7监督计算机控制系统,1.3计算机控制系统的分类,(5)显然，该种控制系统属于计算机在线最优控制一种形式；(6)当上位机出现故障时，系统要求下位机可以独立完成控制功能：下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好、可靠性高和抗干扰能力强；上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强、存储容量大的高档计算机。,1.3.4监督计算机控制系统(SCC,SupervisoryComputerControl),ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.3.5分散控制系统(DCS,DistributedControlSystem),图1.7分散控制系统的典型结构,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,(1)现代工业企业中需要测控的对象种类多、数量大，被测点不集中。除需要对生产过程进行自动控制外，有些部门希望在更高的层次上实现对生产过程的调度和管理的自动化；(2)控制分散，管理集中：,(3)特点：可靠性高控制功能分散，单台计算机控制任务减少，功能明确速度快各级计算机并行工作，数据采集、处理和控制分散到个子系统系统模块化控制分散、功能重复，便于采用模块化结构成本低不同场合可选用不同档次计算机和外设(4)别名：集散控制系统、分布式控制系统,1.3.5分散控制系统(DCS,DistributedControlSystem),ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,实例：,MTPL-2000生产线控制系统结构,1.3.5分散控制系统(DCS,DistributedControlSystem),ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,实例：,南京科远自动化集团股份有限公司产品,1.3.5分散控制系统(DCS,DistributedControlSystem),ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,实例：,1.3.5分散控制系统(DCS,DistributedControlSystem),浙江威盛自动化有限公司产品,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.什么是现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络。现场总线概念是20世纪80年代提出的，发展至今，已经形成了多种多样的现场总线。市场上流行的主要有：CAN（控制局域网络）、LonWorks（局部操作网络）、Profibus（过程现场总线）、HART（可寻址远程传感器数据通路）、FF（现场总线基金会）现场总线等。现场总线不仅仅是一个通信协议，也不仅仅是用智能仪表代替传统模拟仪表，而是一个完整的控制系统框架，代替了传统的集散控制系统DCS，实现了现场通信网络与控制系统的集成。,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点FCS是由DCS发展而来的，如下图所示。,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),DCS和FCS结构示意图,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),(1)全数字通信传统的DCS采用420mA模拟信号传输方式。该种传输方式是一对一方式（一对传输电缆只能传送一路信号），因此中央控制主机就不能得到除测量或控制信号以外的其他控制信息。而且，模拟信号在传输过程中很容易被其他信号或环境噪声所干扰，传输精度不高，经常成为改善控制性能的一块拦路石，即使控制器再好，控制效果总不太理想。现场总线采用完全的数字信号传输。该种传输方式使得信号的检错、纠错机制得以实现，因此它的抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度明显提高。全数字通信使得多参数传输得以实现。现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息，如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何设备，如中央控制器等，从而消除了模拟信号的传输瓶颈。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),鲁棒性鲁棒是Robust的音译，也就是健壮和强壮的意思。鲁棒性（robustness）就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),鲁棒性鲁棒性原是统计学中的一个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。在实际问题中，系统特性或参数的摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面，一个是由于量测的不精确使特性或参数的实际值会偏离它的设计值（标称值），另一个是系统运行过程中受环境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此，鲁棒性已成为控制理论中的一个重要的研究课题，也是一切类型的控制系统的设计中所必须考虑的一个基本问题。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),鲁棒性对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统，所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性（频率域内表征控制系统稳定性裕量的一种性能指标）和不变性原理（自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论）有着密切的联系，内模原理（把外部作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理）的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。当系统中存在模型摄动或随机干扰等不确定性因素时能保持其满意功能品质的控制理论和方法称为鲁棒控制。早期的鲁棒控制主要研究单回路系统频率特性的某些特征，或基于小摄动分析上的灵敏度问题。现代鲁棒控制则着重研究控制系统中非微有界摄动下的分析与设计的理论和方法。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),鲁棒性控制系统的一个鲁棒性是指控制系统在某种类型的扰动作用下，包括自身模型的扰动下，系统某个性能指标保持不变的能力。对于实际工程系统，人们最关心的问题是一个控制系统当其模型参数发生大幅度变化或其结构发生变化时能否仍保持渐近稳定，这叫稳定鲁棒性。进而还要求在模型扰动下系统的品质指标仍然保持在某个许可范围内，这称为品质鲁棒性。鲁棒性理论目前正致力于研究多变量系统具有稳定鲁棒性和品质鲁棒性的各种条件。它的进一步发展和应用，将是控制系统最终能否成功应用于实践的关键。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),(2)多分支结构网络拓扑可分为：总线型、星型、树型等多种形式。该结构不仅大大节约了布线电缆，而且是布线简单、工程安装周期短，维护也方便。具有系统扩展性，如增加新的设备只需并行挂接即可，无需架设新的电缆，也无需系统停机。,(3)现场设备状态可控通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加：功能模块组态、参数状况、诊断和验证数据、设备材质和过程条件等。操作人员可在控制室对上述信息进行管理和利用：对现场设备进行预防性维护，对现场设备进行参数调整和标定等。系统会自动探测到新的设备，也能及时识别失效设备。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),(4)互操作性和互换性现场总线是开放的协议，不同厂商生产的符合同一现场总线协议的设备可以连接在一起，统一组态和协同工作。来自不同厂家的相同类型设备还可以互换，而无需专用的驱动程序，彻底地改变了传统控制系统控制层的封闭性和专用性。因此，用户可以选用不同厂家的最好的设备和系统，而不必担心兼容性，也不必为集成不同品牌的产品而增加额外的投资。,(5)控制分散现场总线采用完全分散式控制。现场设备既有检测、变换、工程量处理和补偿工，也有运算和控制功能。通过现场总线，将传统DCS、PLC等控制系统复杂的控制任务进行分解，分散于现场设备中，由现场变送器或执行机构构成控制回路，并行实现各部分的控制。同时也简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,2.现场总线的特点,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),(6)统一组态由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所以制造商都使用相同的功能块，这样就是组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同带来组态方法的不同而进行培训或学习组态方法及编程语言。,(7)系统开放现场总线标准实现了完全开放，无专利许可要求，面向世界上任何一个制造商和用户。不同制造商生产的设备之间可实现完全的信息交换，用户可以按自己的需要和考虑，自由集成来自不同厂商的产品，规模可大可小，既可以与同层网络互联，也可以与不同层网络互联。系统集成的主动权完全掌握在用户而不是供应商或集成商手中。,一个全数字化、全分散式、可互操作、开放式互联网络的现场总线控制系统是自动控制系统的发展趋势。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,3.实例,1.3.6现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem),ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.3.7以太控制网络系统,(1)是一种基于以太控制网络技术的多总线集成控制系统。(2)特点：开放性采用公开的标准和协议。平台无关性可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务。信息服务能提供E-mail、WWW、FTP等服务,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.3.7以太控制网络系统,(2)特点：图形用户界面具有统一、友好、规范化的图形界面，操作简单、易学易用。信息传递速度信息传递速度快、准确。多现场总线的集成能力能够相互包容，易于集成多种现场总线协同完成测控任务。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.3计算机控制系统的分类,1.3.7以太控制网络系统,(2)特点：多系统集成能力实现现场总线控制系统与传统控制系统的集成、各种现场总线控制系统之间的集成；以太控制网络易与信息网络集成，组成统一的企业网络。多技术集成能力OPC(OLEforProcesscontrol)、TCP/IP技术、Web技术、现场设备管理技术和和无需通信技术的集成。,ResearchInstituteofRoboticsandAutomation(RIRA),HEBUT,1.4计算机控制系统的主要研究内容,1.4.1输入数据处理,1.数据的采样按系统的不同需要，采取不同的扫描采样频率，进行模数转换(A/D)。2.增益最佳化模拟量信号在A/D转换之前要进行前置放大，以使被转换量在转换线性范围之内，以提高通道的相对测量精度。3.信号的规格化模拟量信号的规格化是指15V的模拟量信号经A/D转换后变成规格化的数字量。4.合理性检查A/D故障检查