计算机控制系统的组成

1、WUSTWUST 19:121 WUSTWUST 19:122 1.1 1.1 计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构 1.2 1.2 过程计算机控制系统的发展概述过程计算机控制系统的发展概述 1.3 1.3 轧制过程计算机控制概述轧制过程计算机控制概述 1.4 1.4 过程计算机控制系统的基本类过程计算机控制系统的基本类 型型 WUSTWUST 19:123 本节内容 一一 硬件组成硬件组成 （一）主机（一）主机 1.1.中央处理器中央处理器 2.2.内存储器内存储器 （二）外部设备（二）外部设备 1.1.输入设备输入设备 2.2.输出设备输出设备 3.3.外存储器外存储器 （三）

2、过程输入输出设备（三）过程输入输出设备 （四）通讯设备（四）通讯设备 二二 软件组成软件组成 （一）系统软件（一）系统软件 （二）应用软件（二）应用软件 三三 操作系统操作系统 四四 人机接口人机接口 WUSTWUST 19:124 1.1.1 1.1.1 计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构 加热炉炉温控制系统加热炉炉温控制系统 Furnace Temperature control system q人工控制系统中人起到了检测仪表、人工控制系统中人起到了检测仪表、 控制器、执行器三重作用。控制器、执行器三重作用。 q控制的好坏主要靠操作工人的经验。控制的好坏主要靠操作工人的经验。

3、 q人工控制不能控制太多的被控量。人工控制不能控制太多的被控量。 q 人工控制不能进行快速的控制。人工控制不能进行快速的控制。 q人工控制也不能始终如一，产品的一人工控制也不能始终如一，产品的一 致性很差。致性很差。 煤煤 气气 管管 被被 控控 对对 象象 T 燃气烧嘴燃气烧嘴 流流 量量 调调 节节 阀阀 WUSTWUST 19:125 q采用模拟量运算电路来实现自采用模拟量运算电路来实现自 动控制功能（如动控制功能（如PID)。 q而模拟系统中，改变控制方法而模拟系统中，改变控制方法 就必须改变硬件。就必须改变硬件。 q线路接点较多，出现故障不易线路接点较多，出现故障不易 排除。排除。

4、q一个模拟调节器只能控制一个一个模拟调节器只能控制一个 被控量，多个模拟调节器之间不被控量，多个模拟调节器之间不 能进行信息交换。能进行信息交换。 电动调节阀电动调节阀 调调 节节 器器 热热 电电 偶偶 炉炉 温温T WUSTWUST 19:126 计算机控制计算机控制 q用程序进行控制运算。用程序进行控制运算。 q控制方法的改变很容易。控制方法的改变很容易。 q可以控制几百个回路可以控制几百个回路.并可以并可以 对上限、下限进行监视和报警。对上限、下限进行监视和报警。 q信号的传送需要数信号的传送需要数/模和模模和模/数数 转换。转换。 电动调节阀电动调节阀 热热 电电 偶偶 炉温炉温 T

5、 WUSTWUST 19:127 被被 控控 对对 象象 输入通道输入通道/设备设备 电动调节阀电动调节阀 热热 电电 偶偶 输出通道输出通道/设备设备 T WUSTWUST 19:128 （1 1）测量变送装置）测量变送装置 Measure DeviceMeasure Device 压力传感器压力传感器 热电偶热电偶 光电码盘光电码盘 矫直机上矫直机上 的辊缝仪的辊缝仪 WUSTWUST 19:129 （2 2）输入输出（）输入输出（I/OI/O）设备）设备 Input/Output DeviceInput/Output Device 定义：定义：完成信息传递和交换的装置。完成信息传递和交换

6、的装置。 作用：作用：在计算机与生产过程之间进行信息传递的通道，起到纽在计算机与生产过程之间进行信息传递的通道，起到纽 带和桥梁的作用。带和桥梁的作用。 输入通道输入通道/ /设备设备 开关量输入通道开关量输入通道 模拟量输入通道模拟量输入通道Analog/Digital(A/D)Analog/Digital(A/D) Digital Input(DI)Digital Input(DI) 输出通道输出通道/ /设备设备 开关量输出通道开关量输出通道 模拟量输出通道模拟量输出通道Digital/Analog (A/D)Digital/Analog (A/D) Digital Output(DO)

7、Digital Output(DO) WUSTWUST 19:1210 I/O模块模块 PCI-7200 12MB/s高速高速32通道数字输入、通道数字输入、 32通道数字输出卡通道数字输出卡 康海康海PX8-L 8个个RS-232串口串口 DAQ-2205 64通道，通道，500K/s高速高速 多功能多功能A/D采集卡采集卡 WUSTWUST 19:1211 （3 3）控制器）控制器 ControllerController 控制器：控制器：是实现控制规律的核心器件。控制器可以是实现控制规律的核心器件。控制器可以 是各种类型智能设备。是各种类型智能设备。 西门子西门子S7400 PLC 模拟

8、调模拟调 节器节器 微型计微型计 算机算机 Honeywell数数 字调节器字调节器 研华研华 IPC-610 WUSTWUST 19:1212 根据控制器送来的信号对被控对象进行调节。根据控制器送来的信号对被控对象进行调节。 （4 4）执行机构）执行机构 ActuatorActuator 变频泵变频泵 同步电机同步电机 继电器继电器 调节阀调节阀 电磁阀电磁阀 WUSTWUST 19:1213 工作过程：工作过程：数据采集：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时 值；经过值；经过D/AD/A转换后送入控制器。转换后送入控制器。 控制决策：控

9、制决策：将测量值将测量值mvmv与系统的给定值与系统的给定值spsp相比较，产生相比较，产生 一定的偏差信号一定的偏差信号e e，对该偏差信号按照某种控，对该偏差信号按照某种控 制规律（算法）进行数学运算，如常规制规律（算法）进行数学运算，如常规PIDPID算算 法、自适应控制算法、模糊控制算法等，最后法、自适应控制算法、模糊控制算法等，最后 产生控制信号产生控制信号u u。 控制输出：控制输出： 对计算机输出的控制信号对计算机输出的控制信号u u进行进行D/AD/A转换后，转换后， 向执行机构发出控制信号，完成控制任务。向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 SP 通常安装通常安装 于控制室

10、于控制室 通常安装通常安装 于于 现场现场 - 控制器控制器 D/A 执行机构执行机构被控对象被控对象 测量变送测量变送 A/D + y 被控量被控量 e u 4 420mA20mA 4 420mA20mA comparison Sensor Actuator Process Controller variable mv feedback I/O Device I/O Device WUSTWUST 19:1214 1.1.2 1.1.2 计算机控制系统一些概念计算机控制系统一些概念 自动控制自动控制：在没有人直接参在没有人直接参与的情况下，通过与的情况下，通过 控制器使生产过程自动地按照预定

11、的规律运行。控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。 计算机控制系统计算机控制系统：利用计算机来实：利用计算机来实现生产过现生产过 程自动控制的系统。程自动控制的系统。 WUSTWUST 19:1215 输出通道输出通道 D/A 输入通道输入通道 A/D 对象对象 被控变量被控变量 y 输输 入入 通通 道道 计算机计算机 给定给定 1 1）计算机控制系统的工作原理）计算机控制系统的工作原理 WUSTWUST 19:1216 实时数据采集：实时数据采集： 实时控制决策：实时控制决策： 实时控制输出：实时控制输出： 工作原理：工作原理： 对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值对来自测量变送装置的

12、被控变量的瞬时值 进行检测和输入。进行检测和输入。 对采集到的被控变量进行分析和处理，并对采集到的被控变量进行分析和处理，并 按已定的控制规律，决定将要采取的控制按已定的控制规律，决定将要采取的控制 行为。行为。 根据控制决策，适时地对执行机构发出控根据控制决策，适时地对执行机构发出控 制信号，完成控制任务。制信号，完成控制任务。 WUSTWUST 19:1217 2 2）在线方式和离线方式）在线方式和离线方式 在线在线方式或联机方式：方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受生产过程和计算机直接连接，并受 计算机控制的方式。计算机控制的方式。 离线方式或脱机方式：离线方式或脱机方式：生产

13、过程不和计算机相连，且不受生产过程不和计算机相连，且不受 计算机控制，而是靠人进行联系并作计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。相应操作的方式。 3 3）实时的含义）实时的含义 实时：实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范 围内完成。围内完成。计算机实时地对生产过程进行控制和管理。并能根据生产过程工计算机实时地对生产过程进行控制和管理。并能根据生产过程工 况的变化及时地进行处理。实时性不仅取决于计算机硬件指标，而且还主要依赖况的变化及时地进行处理。实时性不仅取决于计算机硬件指标，而且还主要依赖 于系统软件和应用软件。（于系统软件

14、和应用软件。（P8） 实时控制系统必定是在线系统。实时控制系统必定是在线系统。 WUSTWUST 19:1218 一一 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 硬件组成硬件组成 ( (一）一）主机、（二）外部设备（三）过程主机、（二）外部设备（三）过程 输入输入/ /输出通道（四）通讯设备输出通道（四）通讯设备 WUSTWUST 19:1219 （一）（一） 主机主机 中央处理器（中央处理器（CPU） 内存储器内存储器(RAM和和ROM) （三）（三）过程输入过程输入/ /输出通道输出通道 模拟量输入通道模拟量输入通道 模拟量输出通道模拟量输出通道 开关量输入通道开关量输入通道 开关

15、量输出通道开关量输出通道 （二）（二）外部设备外部设备 操作台操作台 输入设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪键盘、鼠标、光笔、扫描仪 输出设备输出设备显示器、打印机、绘图仪显示器、打印机、绘图仪 外存储器外存储器硬盘、软盘、光盘硬盘、软盘、光盘 （CRT）显示器或）显示器或(LED)数码显示器数码显示器 键盘（功能键和数字键）键盘（功能键和数字键） （四）通讯设备（四）通讯设备网络适配器、路由器、集线器、双绞线网络适配器、路由器、集线器、双绞线 运算器运算器 控制器控制器 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM) 随机存储器随机存储器(RAM)(RAM) WUSTWUST 19:1220 二

16、二 软件组成软件组成 软件一般由系统软件和应用软件组成软件一般由系统软件和应用软件组成 计算机专业设计人员负责研制系统软件，而过程计计算机专业设计人员负责研制系统软件，而过程计 算机控制系统设计人员则要了解系统软件，从而算机控制系统设计人员则要了解系统软件，从而 更好地编制应用软件。更好地编制应用软件。 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制 的控制和管理程序，它的优劣直接影响控制品质的控制和管理程序，它的优劣直接影响控制品质 和管理水平。和管理水平。 WUSTWUST 19:1221 软件软件 系统软件系统软件 服务程序装配程序、编辑程序 开

17、发系统 程序设计语言 汇编语言、算法语言，如Basic Algol，Frotran，Pascal，Cobol，C，PLM等 语言处理程序汇编程序、解释程序、编译程序 操作系统-管理程序、磁盘操作系统程序等 诊断程序-调节程序、诊断程序等 数据管理程序 信息处理-文字翻译、资料检索、企业管理 应用软件应用软件 通讯系统 二二 软件组成软件组成 WUSTWUST 19:1222 应用软应用软 件件 过程监控过程监控 数据处理程序 巡回检测程序巡回检测程序 上下限检查及报警程序上下限检查及报警程序 操作面板服务程序操作面板服务程序 过程计算机控制过程计算机控制 控制算法程序控制算法程序 事故处理程序

18、事故处理程序 PIDPID、最优化控制、串级调、最优化控制、串级调 节、比例调节、前馈调节节、比例调节、前馈调节 系统辨识、其他系统辨识、其他 信息管理程序信息管理程序 数字滤波及标度变换程序数字滤波及标度变换程序 判断程序判断程序 过程分析程序过程分析程序 公共服务程序公共服务程序 基本运算程序基本运算程序 函数运算程序函数运算程序 数码转换程序数码转换程序 格式编辑程序格式编辑程序 信息生成调度、文件管理、信息生成调度、文件管理、 输出、打印、显示输出、打印、显示 WUSTWUST 19:1223 三 操作系统 E Eniacniac和早期的计算机使用起来很困难的原因和早期的计算机使用起来

19、很困难的原因裸机，只提裸机，只提 供机器指令。供机器指令。 操作系统操作系统OSOS使得用户可以不必了解具体的机器指令、信号使得用户可以不必了解具体的机器指令、信号 的传输过程，而通过操作系统充分地使用计算机的硬件的传输过程，而通过操作系统充分地使用计算机的硬件 资源和软件资源。资源和软件资源。 操作系统可以视作计算机资源管理程序操作系统可以视作计算机资源管理程序。只有在操作系统。只有在操作系统 的管理之下，才能充分利用资源，提高系统的可靠性和的管理之下，才能充分利用资源，提高系统的可靠性和 实时性，方便用户的操作和使用。操作系统的管理功能实时性，方便用户的操作和使用。操作系统的管理功能 可以

20、归纳为四种：处理机管理、存储管理、设备管理和可以归纳为四种：处理机管理、存储管理、设备管理和 文件管理。详细论述见第六章。文件管理。详细论述见第六章。 WUSTWUST 19:1224 四四 人机接口人机接口 计算机和操作人员之间常常要互通信息。比如，计算机实计算机和操作人员之间常常要互通信息。比如，计算机实 时地显示生产过程状况和控制信息，而操作人员为了配时地显示生产过程状况和控制信息，而操作人员为了配 合计算机对生产过程的控制往往要根据生产状况及时合计算机对生产过程的控制往往要根据生产状况及时 地向计算机发出各种操作控制命令。为此，计算机和操地向计算机发出各种操作控制命令。为此，计算机和操 作人员之间应设置作人员之间应设置显示器