计算机控制系统x

4mA输入000000000000,20mA输入111111111111,计算机控制,典型单回路控制系统方块图,第六章计算机控制系统,6.1概述,工作过程,工作过程：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值；控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。,计算机控制系统的基本组成,硬件组成,系统软件支持软件应用软件,系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。如：Windows操作系统、Unix操作系统等都属于系统软件。,它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同,应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。,软件组成,计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,2.可维护性,3.实时性,4.性能价格比,定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用概率来表示,可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。,计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。,一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。一般我们要掌握以下两个原则：一是系统设计的性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能低。,数字PID的主要组成,下面来看看各个组成部分,6.2信号采集与处理,信号采集采样速率,几乎没有信号丢失,连续信号,发生了什么？,快速采样,慢速采样,信号采集采样速率,连续信号,发生了什么？失真,慢速采样,失真：当采样速率与信号的变化相比太慢会造成失真。Shannon定理：采样频率必须大于等于信号最高频率的两倍。,信号采集信号保持,保持会改变动态吗？,连续信号,零阶保持后的信号,在执行控制期间信号保持为上次采样的值,信号采集信号保持,连续信号,保持后的近似连续信号,与原始信号有约半个采样周期的纯滞后,A/D转换,硬件实现,02N1,测量值,软件实现,A/D转换,温度变送器的量程为50150，输出为420mA。假设采用12位的A/D，当采样值为100000000000b时，实际的测量值是多少？,数据处理与滤波,什么是噪声？如何去除噪声？,数据有效性检查信号补偿线性化处理,滤波,信号？,噪声？,信号噪声,噪声：测量中不可再现的部分称为噪声。,很难得到如此明确地区分！,滤波,模拟滤波电路(RC),程序判断滤波中值滤波递推平均滤波加权递推平均滤波一阶滞后滤波,如何实现？,数字滤波,程序判断滤波中值滤波递推平均滤波加权递推平均滤波一阶滞后滤波,连续三次采样的中间值作为有效信号,数字PID,微分,比例,积分,数字PID中对应的各项应为怎样呢？,6.3数字PID控制算法,数字PID比例作用,微分,比例,积分,控制器每执行一次就计算一次,数字PID积分作用,微分,比例,积分,控制器每执行一次就计算一次Ts是控制周期，一个常量,数字PID微分作用,微分,比例,积分,控制器每执行一次就计算一次,Ts是控制周期，一个常量,数字PID位置式,数字PID，位置式计算到终端执行器的输出,将三种作用汇集起来,数字PID增量式,数字PID，增量式计算到达终端执行器的变化量,位置式和增量式的比较,位置式需由外部引入初始阀位值，增量式不需要位置式需防积分饱和，增量式不会产生积分饱和只有存在偏差时，增量式才会有输出增量式容易实现从手动到自动的切换,PID基本算法有两路：理想PID和实际PID，这两种PID算法的比例积分运算相同，区别主要是微分项不同。,增量式PID的优点：a位置式PID算法中的积分项包含了过去误差的累积值，容易产生累积误差，当该项累积值很大时，使输出控制量难以减小，调节缓慢，发生积分饱和，对控制调节不利。由于计算机字长的限制，当该项值超过字长时，又引起积分丢失现象，增式PID则没有这种缺点。b系统进行手动和自动切换时，增量式PID由于执行元件保存了过去的位置，因此冲击较小。即使发生故障时，也由于执行元件的寄存作用。,（2）DDC的实际PID算法,理想PID难以得到满意控制效果的主要原因：一是由于理想PID算法本身存在不足，如位置式PID积分饱和现象严重，增量式PID算法在给定值发生跃变时，可能出现比例和微分的饱和，且动态过程慢等；另一个原因是由于具体工业过程控制的特殊性，理想PID算法无法满足。而有的过程希望控制动作不要过于频率，有的过程对象具有很大的纯滞后特性，理想PID算法难于胜任。由于实际DDC的采样回路可能存在高频干扰，因此几乎在所有数字控制回路都设置了一级低通滤波器来限制高频干扰的影响。其体做法是：将理想PID算式与一阶惯性滤波串联，这样即构成实际的PID算式。,PID改进方法不完全微分,PID改进方法其它,微分先行,积分分离,不灵敏区,为何采用数字控制,可实现高级控制算法可对过程进行监视可实现过程优化可实现诊断,6.4计算机控制系统的发展过程,1.直接数字量控制（DirectDigitalControlDDC）,2.集中型计算机控制系统,3.集散控制系统（DistributedControlSystemDCS）,4.现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）,直接数字量控制,本质用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。,起始于50年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代,优点计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。,拓展一、集中型计算机控制系统,出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。,优越性：从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。,问题：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载，而且控制的集中也直接导致危险的集中，高度的集中使系统变得十分“脆弱”。,在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。,拓展二、集散控制系统,出发点（2个方面）：(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,拓展三、现场总线控制系统,结构示意图,传统计算机控制系统的结构示意图,朴素意义上的FCS结构示意图,计算机控制系统的发展特征,随着局域网、Internet、IT技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势,概述,集散控制系统DCS是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。DistributedControlSystemDCSDCS可直译为“分布式控制系统”“集散控制系统”是按中国人习惯理解而称谓的。DCS的主要特征是它的集中管理和分散控制它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式DCS在电力、冶金、石油、化工、制药等各种领域都得到了极其广泛的应用。,集散控制系统,DCS的特点,经营管理级,生产管理级,控制管理级,过程控制级,根本：管理集中和控制分散,具体表现在：分级递阶结构,现场仪表，各种检测仪表、执行器,DCS必不可少的两级,(集散控制系统DCS）：分散过程控制级,(集散控制系统DCS）集中操作监控级,向开放式系统发展智能变送器、远程I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控功能下移分散DCS、PLC、PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、网络化的分布式控制系统现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势现场总线于DCS系统I/O总线上的集成现场总线于DCS系统网络层的集成现场总线通过网关与DCS系统并行集成,DCS的发展趋势,未来的DCS将采用智能化仪表和现场总线技术，从而彻底实现分散控制，并可节约大量的布线费用，提高系统的易展性。OPC标准的出现从根本上解决了控制系统的共享问题，使系统的集成更加方便，从而导致控制系统价格的下降。基于PC机的解决方案将使控制系统更具有开放性。Internet技术在控制系统中的应用，将使操作界面更加友好、数据访问更加方便，并且WindowNT将成为控制系统的优秀平台。总之，DCS通过不断采用新技术将向标准化、开放化、通用化的方向发展。,DCS的层次结构中，最低级是与生产过程直接相连的过程控制级。在不同的DCS中，过程控制级所采用的装置结构形式大致相同，但名称各异，如过程控制单元、现场控制站、过程监测站、基本控制器、过程接口单元等，在这里，我们统称现场控制单元FCU(或控制站）。FCU实现了DCS的分散控制功能，是DCS的核心部分。生产过程的各种参量由传感器接受并转换送给现场控制单元作为控制和监测的依据，而各种操作通过现场控制单元送到各执行机构。有关信号的转换、各类基本控制算法都在现场控制单元中完成。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机和显示装置组成直接完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。DCS的生产管理级、经营管理级是由功能强大的计算机来实现，没有更多的硬件构成，这里不作阐述。,DCS的硬件体系结构,以典型的中小型DCSCENTUM-XL为例论述FCU和操作站的硬件构成,DCS的软件系统,6.5提高计算机控制系统可靠性的措施,6.5.1提高元器件的可靠性6.5.2冗余技术6.5.3采取抗干扰措施,6.5提高计算机控制系统可靠性的措施,随着计算机控制系统应用的日益广泛，对系统的可靠性提出了很高的要求。可靠性的概念有两个含义：一是系统的无故障运行时间尽可能长；二是系统发生故障时能迅速检修和排除。一个计算机控制系统，影响其可靠性的主要因素有：元器件，物理设备的可靠性；系统结构的合理性及制作工艺水平；电源系统与接地技术的质量；系统掏和随外界干扰的能力。因此，为了提高计算机控制系统的可靠性和可维护性，常采用提高元器件的可靠性、设计系统的冗余技术、采取搞干扰措施、采用故障诊断和系统恢复技术以及软件可靠性技术等。6.5.1提高元器件的可靠性这主要是计算机控制系统及元器件生产厂家的责任，属于“先天性”问题。产品在出厂前已经决定了质量的优劣。对于控制系统设计人员来说，所能做的只能是一些事后的补救措施，包括认真选型、老化、筛选、考核等。对元件采用筛选、老化的简便方法,是高温贮存和功率电老炼。高温贮存是在高温（如半导体的最高结温）下贮存24168h；功率电老炼是在额定功率或略高于额定功率的条件下老炼一定时间（最长可达168h）。6.5.2冗余技术所谓冗余，是指在系统中增设额外的附加成分，来保证整个控制系统的可靠性。常用的冗余系统，按其结构形式可分为并联系统、备用系统和表决系统三种。（1）并联系统在并联系统中，冗余的方法是使若干同样装置并联运行。只要其中一个装置正常工作，系统就能维持正常运行。只有当并联装置的每个单元都失效时，系统才不能工作。其结构如图23所示。,（2）备用系统其逻辑结构图如图24所示。图中A1和A2是工作单元，B为备用单元，S1、S2为转换器。一旦检测到工作单元出现故障，即通过转换器S1和S2把备用单元投入运行。（3）表决系统其逻辑结构图如图25所示。图中A1，A2，An为n个工作单元，m为表决器。每,个单元的信息输入表决器中，与其余信号比较。只有当有效单元数超过失效单元数时，才能作出输入为正确的判断。一般而言，并联系统和备用系统的可靠程度高于单个设备。备用系统的可靠程度高于并联系统。表决系统仅在一定时间范围内，可靠程度优于单个设备。选择冗余结构时，除了考虑可靠程度以外，还要考虑性能价格比、可维护性、应用场合、扩展性能以及冗余结构本身的控制性能等综合作出决定。,无论采用何种冗余结构，当系统发生故障时，必须采取措施，如更换或切离故障装置、重新组合系统等。实施这种故障排除措施，称为冗余结构控制。结构控制有逻辑结构控制与物理结构控制两种。所谓逻辑结构控制就是当二重化路径的一路出现故障时，由另一种取代。这种结构控制并不变更系统的物理连接关系；而物理结构控制则是变更系统物理结构连接关系，如变更输入输出设备的连接关系等。冗余结构控制有手动控制和自动控制两种方式。6.5.3采取搞干扰措施在影响系统可靠性的诸多因素中，除了系统自身的内在因素外，另一类因素则来自外界对系统的干扰，包括空间电磁效应干扰、电网冲击波从电源系统空间感应进入控制系统带来的干扰等。对这一类因素的干扰必须采取措施抑制。外界干扰进入系统的途径示意如图26所示。图中类干扰是空间感应干扰，它以电磁感应形式进入系统的任何部件和线路。类干扰是通过对通道的感应、传输耦合、地线联系进入通道部分的干扰。类干扰是电网的冲击波通过变压器耦合系统进入电源系统而传到各个部分的。,针对不同的干扰有多种不同的抑制干扰措施，主要有屏蔽、滤波、隔离和吸收等。（1）电磁干扰的屏蔽主要是利用金属网、板、盒等物体把电磁场限制在一定空间内，或阻止电磁场进入一定空间。屏蔽的效果主要取决于屏蔽体结构的接缝和接触电阻。接缝和接触电阻会导致磁场或电场的泄漏。屏蔽可以直接利用设备的机壳实现。机壳可采用铝材料制成。（2）隔离技术常用的有隔离变压器和光电耦合器，如图27所示。光电耦合器的利用光传递信息，它由输入端的发光元件与,输出端的受光元件组成。由于输入与输出的电气上是完全隔离的，避免了地环路的形成。因而在计算机控制系统中得到了广泛的应用。,（3）共模输入法在计算机控制系统中，由于对象、通道装置比较分散，通道与被测信号之间往往要长线连接，由此造成了被测信号地线和主机地线之间存在一定的电位差，它作为干扰，同时施加在通道的两个输入端上，称为共模干扰。共模干扰的影响如图28所示。共模干扰的抑制措施，常用的方法是：采用高共模抑制比的差动放大器；采用浮地输入双层屏蔽放大器；光电隔离；使用,隔离放大器等。例如，将输入信号的屏蔽层和芯线分别接到差动放大器的两个输入端，构成共模输入。这时因地线间的干扰电压不能进入差动输入端，因而有效地抑制了干扰。图29是其等效电路图，其中Vs是信号源，Vg是干扰源。,（4）电源系统的干扰抑制由电源引入的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰源。干扰有从交流侧来的，也有从直流侧来的。例如，由交流电网我的负荷变化引入的50Hz正弦波的畸变；由交流输入电线接收的空间高频信号；交流电网的电压波动；由于数字电路的脉冲信号通过电源传输引起的交叉干扰等。对于不同的干扰需要采取相应的措施抑制。交流侧干扰的抑制对于交流侧的干扰主要采取以下一些方法抑制之。滤波交流电源用的滤波器是一低通滤波器，一般采用集中参数的型滤波器。滤波器的电容耐压应两倍于电源电压的峰值。有时敢将数个具有不同截止频率的低通滤波器串联，以获得好的效果。对于这类滤波器，必须加装屏蔽盒，且滤波器的输入和输出端要严格隔离，防止耦合。屏蔽变压器绕组加屏蔽后，初次级间的耦合电容可以大大减速少。变压器屏蔽层要接地，初级绕组的屏蔽层接地是与交流“地”相接。而次级绕组的屏蔽层和中间隔离层都与直流侧的工作,数小的电源外，还要克服因脉冲电路运行时引起的交叉干扰。主要使用去耦法，即在各主要的集成电路芯片的电源输入端，或在印刷电路板电源布线的一些关键点与地之间接入一个110F的电容。同时为了滤除高频干扰，可再并联一个0.01F左右的小电容。（5）布线的防干扰原则在控制设备的布线中要注意以下几点基本原则。强、弱信号线要分开；交流、直流线要分开；输入、输出线要,“地”相连，如图30所示。稳压对于交流电压的波动，可采用交流稳压器。对于大多数计算机控制系统布景方都应有交流稳压器。另外，为了吸收高频的短暂过电压，可用压变电阻并接在交流进线处。直流侧干扰的抑制抑制直流侧的电源干扰，除了选择稳压性能好、纹波系,分开。电路间的连线要短，弱电的信号线不宜平等，应变成辫子线或双绞线。信号线应尽量覆盖印刷板。在双面印刷板上，正反面的走线要垂直，走线应短，尽量少设对穿孔。对容易串扰的两条线要尽量不使它们相邻和平行敷设。（6）接地设计接地问题在计算机实时控制系统搞干扰中占有重要地位。可以说，如果把接地与屏蔽问题处理品行好，就可以解决实时计算机控制系统中大部分干扰问题。当接地不当时，将引入干扰。接地的含义可以理解为一个等电位点或等电位面。它是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。保护地线必须在大地电位上；信号地线依据设计可以是大地电位，也可以不是大地电位。接地设计目的在于消除各电路电流流经一个公共地线阴搞时所产生的噪声电压；避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形,形成地环路；使屏蔽和滤波有环路；确保系统安全。不同的地线有不同的处理技术。下面介绍一些实时控制系统中应该遵循的接地处理原则与技术，供实际应用时参考。消除地环路在低频电子线路（小于1MHz）中，为了避免地线造成地环路，应采用一点接地原则，如图31所示。将信号源的地和接收设备的地接在一点，消除两个地之间的电位差及其所引起的地环路。,在一点接地法中，共地点选在信号侧还是接收侧，要依实际情况而定。对于高频电子线路来说，电感的影响将显得突出，因而增加了地线的阴搞并导致各电线间的电感耦合。因此在高于10MHz时应采用多点接地。当频率处于110MHz之间时，若采用一点接地，其地线长度不应超出波长的1/20，否则应考虑多点接地。对于使用屏蔽线的输入回路，当信号频率低于1MHz时，屏蔽层也应一点接地。屏蔽层的接地点与电路的接地点一致。避免交流地与信号地公用由于在电源地线的两点间可形成毫伏量级，甚至数伏的电压，这对于小信号电路而言，是一个很严重的干扰。因此，必须把交流地与信号地隔离开来，绝不能混用。浮动接地与真正接地的比较浮动接地是指系统的各个接地端与大地不相连接，这种接地方法简单。但是对于与地的绝缘电阻要求较高，一般要求大于50M，否则由于绝缘的下降，会导致干扰。此外，浮动容易引起静电干扰。目前多数微型计算机系统采用浮动接地方式。,真正接地是指系统的接地端与大地直接相连。只要接地良好，这种方式的搞干扰能力就比较强，但接地工艺比较复杂。而且，一旦接地不良，反而会引起不必要的干扰。数字地即逻辑地，主要是指TTL或CMOS印刷电路板的地端，作为数字逻辑的零位。在印刷电路板中，地线应呈网状，而线要避免形成环路，以减少干扰。此外，地线也应考虑具有一定宽度，一般不要小于3mm。模拟地作为A/D转换、前置放大器、比较器等模拟信号传递电路的零电位。当模拟测量信号在毫伏级（050mV）时，模拟地的接法是相当重要的。主要考虑搞共模干扰的能力。功率地作为大电流网络部件的零电位，如打印机电磁铁驱动电流、存储器的驱动电流等。功率地因流经电流较大，故线径比较粗。功率地应该与小信号地线分开，且与直流地相接。信号地即传感器的低电位端。一般应以小于5接地电阻一点接地，是不浮动的地。小信号地即小信号放大器（如前置放大器、功放线路等）的地端。由于输入信号一般是毫伏级甚至是微伏量级，所以,接地应仔细。放大器本身的地端应采用一点入