计算机控制技术概述ppt课件.ppt

微型计算机控制技术MicrocomputerControlTechnology 李曦华中科技大学控制科学与工程系2010年9月 1 联系方式 办公地点 东二楼219联系电话 mail lixi lixi wh ldarmy 2 什么是计算机控制 课程的目的和任务学什么 怎么学 教学计划教材与参考书考核方式 引言 3 1计算机控制 工业控制是计算机的一个重要应用领域 计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术 它主要研究如何将计算机技术和控制理论应用于工业生产过程 并设计出所需要的计算机控制系统 4 2开课目的和任务 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件 软件基础知识和基本应用技术 典型工程实例作为整个课程教学的 向导 返回本节 5 3主要的参考文献和考核方式 考核方式 书面考试 平时作业 出勤 6 第一章计算机控制系统概述 计算机控制系统的概念计算机控制系统的组成计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的特点计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制系统的应用实例介绍 7 1计算机控制系统的概念 受控对象基本单元结构控制过程的基本步骤常用术语控制目的 8 连续过程 不间断的生产过程如 焦炉煤气生产回收过程 火电厂的锅炉燃烧过程 该过程中典型的控制量有 温度 时间 压力 流量 速度 成分等随时间变化的量 本课程主要讲述该过程的控制技术离散过程 典型工业受控对象 9 自动控制在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 使机器 设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行 控制器 被控对象的参数 工业对象 10 图1 1闭环控制系统框图 11 计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统 图1 2计算机控制系统结构框图 换句话说 计算机控制系统就是利用计算机来代替原来的常规自控部件或电路 实现对控制对象自动控制的系统 12 13 雷达天线位置伺服控制系统 缺点 1 当系统复杂时 校正电路会很复杂 由于校正电路往往是由模拟电路为主构成 稳定性 抗干扰差 2 校正电路一旦建立 修改就很困难 14 雷达天线位置计算机控制系统 15 计算机控制系统的工作步骤 实时数据采集 实时控制决策 实时控制输出 对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入 对采集到的被控变量进行分析和处理 并按预定的控制规律 决定将要采取的控制行为 根据控制决策 适时地对执行机构发出控制信号 完成控制任务 信息的管理 协调和通讯等等 上述过程不断重复 使整个系统按照一定的品质指标进行工作 并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理 16 计算机控制系统的常用术语 几个常用术语 在线 Online 计算机控制系统与生产设备直接相连 并受计算机控制的方式 离线 Offline 与在线方式相反 实时 Realtime 计算机输入 输出和计算都在规定时间内完成 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性 2个要素 其一 根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间 其二 该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应 在线与实时的关系 一个在线的系统不一定是一个实时系统 但一个实时控制系统必定是在线系统 17 18 太阳能路灯控制系统 19 计算机控制系统的目的 1 降低原材料的消耗2 提高产品的质量3 提高劳动生产力4 减轻劳动强度5 实现其他要求 如环保 返回本节 20 了解工艺过程入手 按照控制要求 正确制定控制策略实现控制 要有恰当的控制算法要有实现检测与控制的正确手段要选择可靠有效的计算机控制系统 从焦炉控制系统得到的启发 返回本节 21 2计算机控制系统的组成 计算机控制系统由计算机硬件设备和控制软件组成 硬件是指计算机本身及其外围设备 是计算机控制系统的基础 软件是管理计算机的程序以及过程控制的应用程序 是计算机控制系统的灵魂 22 计算机控制系统的硬件 硬件组成计算机控制系统的硬件一般是由计算机 外部设备 输入输出通道和操作台等组成 如图1 3所示 主机 CPU RAM ROM 常规外设 输入 输出和存贮设备 输入输出通道 AI AO DI DO 运行操作台 显示屏 功能键 数字键 23 计算机控制系统的硬件 图1 3计算机控制系统硬件组成框图 24 计算机控制系统的软件 系统软件应用软件 1 数据采集与监视 2 控制计算与输出 3 公共服务程序 25 计算机控制系统的构成 返回本节 26 3计算机控制系统的形式 操作指导控制系统直接数字控制系统计算机监督控制系统集散控制系统现场总线控制系统PLC十上位机系统 返回本节 27 操作指导控制系统 数据采集和监视系统 计算机不直接参与控制过程 图1 4操作指导控制系统组成框图 28 它主要是侧重数据采集 处理 并为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据以及操作指导信息 这种系统主要是完成 数据采集与处理 不需要完成 控制 功能 所以 严格地讲 这种形式的系统不能算是 计算机控制系统 29 所以 通常这种系统也称为 数据采集系统DAS DataAcquisitionSystem 或称为 计算机辅助测试系统CAT ComputerAssistantTesting 这种系统特点是原系统不需作大的改造 只需在原系统上独立地加一套测试系统即可 因此 结构简单 实施方便 返回本节 30 直接数字控制系统 直接数字控制 DirectDigitalControl DDC 计算机参与闭环控制过程 图1 5直接数字控制系统组成框图 31 计算机首先通过模拟量输入通道 AI 和开关量输入通道 DI 实时采集数据 然后按照一定的控制规律进行计算 最后发出控制信息 并通过模拟量输出通道 AO 和开关量输出通道 DO 直接控制生产过程 在该系统中计算机参与了对数据的采集 控制决策 控制输出三个基本功能 同时还负责报警 打印 显示和接收操作指令 DDC系统属于计算机闭环控制系统 是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式 32 由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务 所以要求实时性好 可靠性高和适应性强 为了充分发挥计算机的利用率 一台计算机通常要控制几个或几十个回路 那就要合理地设计应用软件 使之不失时机地完成所有功能 需要注意的是 对一些关键的控制回路 往往设计为计算机控制与仪表控制相结合的形式 以提高整个系统的可靠性 返回本节 33 计算机监督控制系统 监督控制系统 SupervisoryComputerControl SCC 给定值控制 效果取决于数学模型的精度 两种不同的结构 SCC 模拟调节器 SCC DDC 34 图1 6 a 监督控制系统的结构形式框图 a SCC 模拟 数字调节器系统 35 该系统是由计算机系统对各物理量进行巡回检测 并按一定的数学模型对生产工况进行分析 计算后得出控制对象各参数最优给定值 如保持高质量 高效率 低消耗 低成本等等 送给调节器 使工况保持在最优状态 当SCC计算机出现故障时 可由模拟 数字调节器独立完成操作 该系统与 操作指导控制系统OIS的 区别是 后者计算机系统主要完成数据采集与处理 一般不需要对数据进行复杂的工艺分析与计算 而前者主要完成工艺分析与计算 并给出给定值 36 b SCC DDC系统 图1 6 b 监督控制系统的结构形式框图 37 这实际上是一个二级控制系统 SCC可采用高档计算机 它与DDC之间通过通信接口进行通信联系 SCC计算机可完成工段 车间高一级的最优化分析和计算 并给出最优给定值 送给DDC级执行过程控制 当DDC级计算机出现故障时 可由SCC计算机完成DDC的控制功能 使系统可靠性得到提高 作为SCC的计算机一般均采用高档计算机或工作站 要求数据处理功能强 存储容量大 对工业现场的抗干扰能力倒不一定很强 返回本节 38 集散控制系统 分布式控制系统 DistributedControlSystem DCS 是一个四级系统 各级计算机的功能如图1 7所示 装置控制级 DDC级 车间监督级 SCC级 工厂集中控制级 MIS 企业管理级 MIS 39 分布式控制系统 DistributedControlSystem DCS 图1 7分布式控制系统 系统分为三个层次进行控制 系统的设计原则 40 41 特点 功能强大 性能优越 技术成熟 软件支持广泛 但系统复杂 成本高 一般适合于大型测控系统 42 DCS系统的实物 43 DCS集计算机技术 控制技术 通讯网络技术 生产工艺为一体 是综合技术集成 从某种意义上说 已不是单纯的计算机控制技术 或者说是广义的计算机控制技术 DCS最明显的特征是 DCS计算机系统 网络分级结构 专用软件平台 返回本节 44 现场总线控制系统 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 新一代分布式控制结构 以 工作站 现场总线仪表 的二层结构完成DCS三层结构的功能 可以降低成本 提高可靠性 实现真正的开放式互连系统结构 45 46 47 FCS系统的实物 48 FCS系统出现的理由 1 虽然DCS系统功能强大 但由于分散过程级仍使用传统的模拟量 4 20mA电流或0 5V电压 传送 抗干扰能力差 2 所有的变送器均要将信号集中到控制器或控制站 当控制采样点较多时 接线工作量很大 而且不利于检修和调试 3 DCS系统采用三层结构 系统成本较高 且各厂商的DCS有各自的标准 不能互联 49 FCS系统的特点 1 一对通信线可连接多台仪表 安装调试方便 而且电缆本身供电 2 从根本上突破了传统的 点对点 式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性 构成一种全分散 全数字化 智能 双向 互连 多变量 多接点的通信与控制系统 可靠性高 3 现场设备的高度智能化现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备 仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能 如数据采集与补偿 PID运算和控制 设备自校验和自诊断等功能 50 5 对环境的高度适应性现场总线是专为工业现场设计的 它可以使用双绞线 同轴电缆 光缆 电力线和无线的方式来传送数据 具有很强的抗干扰能力 7 很强的扩展性 8 传输速度高 可达1MbPs 9 传输距离长 可达几公里 10 节点数多 可达几万个 6 互换性很强 同一标准的仪表均可以在系统中实现 即接即用 4 各仪表 功能模块可以分散安装 统一组态功能模块的参数也可以通过软件进行调整 51 FCS常用标准 1 FF 现场总线基金标准 2 CAN 控制器局域网络 德国 3 LONWORKS 局部操作网络 美国 4 PROFIBUS 过程现场总线 德国 5 HART 可寻址远程传感器数据通路 美国 目前FCS的标准有200多种 其中在我国使用较多的有如下几种 52 FCS的出现对自动控制领域来说是一次巨大的变革 也对现有控制系统的结构 控制策略等方面产生深远的影响 由于各集团 国家在技术和市场利益上的冲突 目前仍存在多种标准 尚未统一 因此阻碍了现场总线技术的发展 返回本节 53 PLC十上位机系统 PLC控制系统的构成如图1 8所示 54 PLC控制系统 55 PLC的实物 研华PLC 和利时PLC 西门子PLC 三菱PLC 56 PLC ProgrammableLogicController 是可编程逻辑控制器的简称 最初是为代替 继电器 而设计的一种控制器 一般来说 PLC是一种局部的控制器 例如一个工位 一道工序的控制 但随着PLC应用的数量不断扩大 特别是由于PLC在控制的可靠性 控制的实时性和重新组态的方便性等方面比传统继电器方法有无法比拟的优越性 因此其应用越来越广泛 其控制范围也随之扩大 并出现了用数据高速公路 DataHighway DH 将众多PLC互联起来 而形成的较大控制系统 57 要构成一个完整的计算机控制系统 仅有逻辑的功能已不能满足要求 而需要扩充数值控制的功能 为了满足上述要求 各PLC厂家做了大量工作 分别推出了自己的以PLC为主的控制系统 这种系统与单个的PLC相比有几点重大的改变 在数据高速公路上挂接了在线的通用计算机其作用 1 可以实现在线组态 编程和下载 2 可以在线地监视被控过程的状态 这样一个具有现场控制层和协调控制层的DCS雏形就出现了 58 在PLC中增加了数值量的I 0接口和数值处理计算功能 这样 PLC就不仅可以完成逻辑控制功能 也可以完成数值控制功能和混合控制功能 越来越多的PLC厂家把专用的数据高速公路改成为通用的网络 并逐步将PLC之间的通信规约向通用的网络通信规约靠拢 这样就使PLC有条件和其他各种计算机系统和设备实现集成 以组成大型的控制系统 59 上述几点改变使得PLC组成的系统具备了DCS的形态 特别是由于PLC已经以产品的形态在市场上销售了多年 其I O接口 编程方法 网络通信都趋于标准化和适应开放系统的要求 加上PLC在价格上的优势 使得PLC在控制系统中的重要性越来越明显 在很多应用领域已经达到可与传统的DCS相竞争的水平 返回本节 60 1 系统结构特点 此外 由于多数系统的被控对象及执行部件 测量部件是连续模拟式的 因此 还必须加入信号变换装置 如A D及D A变换器 所以 计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统 计算机控制系统必须包括有计算机 它是一个数字式离散处理器 4计算机控制系统的特点 61 2 信号形式上的特点 控制对象中各点信号一般均为连续模拟信号 由于计算机是串行工作的 必须按一定的采样间隔 称为采样周期 对连续信号进行采样 将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机 62 3 系统工作方式上的特点 在连续控制系统中 控制器通常都是由不同的电路构成 并且一台控制器仅为一个控制回路服务 在计算机控制系统中 一台计算机可同时控制多个被控量或被控对象 即可为多个控制回路服务 每个控制回路的控制方式由软件来形成 同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制 63 4 控制品质高 由于计算机的运算速度快 精度高 具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力 因此 能实现复杂的控制规律 如最优控制 自适应控制及自学习等 从而可达到较高的控制质量 这些均是常规仪表组成的连续控制系统难于实现的 64 5 功能价格比值高 尽管一台计算机最初投资较大 但增加一个控制回路的费用却很少 一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路 对于连续系统 模拟硬件的成本几乎与控制规律复杂程度 控制回路多少成正比 65 6 适应性强 灵活性高 计算机本身是一种可编程的智能元件 易于修改系统功能和特性 构成了一种柔性 弹性 系统 由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实现的 并且计算机具有强大的记忆和判断功能 所以 极易实现工作状态的转换 实现不同的控制功能 66 7 缺点 随着微电子技术的发展 大规模集成电路的出现 计算机体积减小 重量轻 成本下降 随着对自动控制系统功能要求的不断提高 计算机控制系统的优越性表现得越来越突出 由于系统中插入数字部件 信号复杂 给设计实现带来一定困难 初期投资大 返回本节 67 5计算机控制系统的发展概况 世界上第一台电子计算机于1946年问世 经历了十多年的研究 1959年世界上第一台过程控制计算机在美国得克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行 68 60年代前 由于计算