计算机控制系统-第1章-王万成

1、1计算机控制理论与应用计算机控制理论与应用河海大学：王万成河海大学：王万成2教材：教材：侯进，计算机控制系统，电子工业出版社侯进，计算机控制系统，电子工业出版社3第第1章章 计算机控制系统概论计算机控制系统概论 本章内容: 本章介绍计算机控制系统的定义、特点、分类以及计算机控制系统的发展趋势。 课时数：2学时。4第第1章章 目录目录 1.1 计算机控制系统定义 1.2 计算机控制系统特点 1.3 计算机控制系统分类 1.3.1 直接数字控制系统 1.3.2 计算机监督控制系统 1.3.3 分布式控制系统 1.3.4 现场总线控制系统 1.3.5 计算机集成制造系统 1.4 计算机控制系统发展趋

2、势51.1 计算机控制系统定义计算机控制系统定义 计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)就是以计算机为中心，同时借助一些辅助部件，对被控对象进行控制的系统。 这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。 辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。部件与被控对象的联系以及部件之间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。 6 计算机控制系统由控制部分和被控对象组成。 控制部分主要有计算机系统、执行机构和反馈装置。因为进出计算机的信号

3、都是数字信号，所以必须有模数(A/D)转换器将输入的连续模拟信号转换为数字二进制信号，还要有数模（D/A）转换器将数字指令信号转换为连续模拟信号，然后发送给执行机构。7图图1-1计算机控制系统基本结构图计算机控制系统基本结构图8 控制部分既有硬件又有软件。 软件由系统软件和应用软件组成。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套提供，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等，它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。 9 被控对象的范围很广

4、，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。 控制目的是：使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。10 前面的图1-1表示的是一个闭环控制系统。反馈装置通过测量元件对被控对象的参数，如温度、压力、流量、转速、位移等进行测量，然后把测量值反馈到输入端。 该控制系统如果去掉反馈环节就是一个开环控制系统。开环控制系统因为不能消除控制系统中产生的误差，因此它的控制性能不如闭环控制系统。111.2 计算机控制系统特点计算机控制系统特点1. 容易实现高级复杂的控制算法。因为计算机的运算速度快、精度高，具有丰富的逻

5、辑判断功能及大容量的存储单元，所以容易实现高级复杂的控制算法，如最优控制、自适应控制及各种智能控制方法，从而达到常规模拟控制系统难以实现的控制质量，极大地提高系统的性能。122. 性价比较高。对于模拟控制系统，控制规律越复杂、控制回路越多，则硬件越复杂、系统成本越高。而一台计算机可以代替多台控制仪器，同时控制多个控制回路，即实现群控。因此对于计算机控制系统，增加一个控制回路的费用很少，并且控制规律的改变和复杂程度的提高可以由编程软件来实现，不需要改变硬件而增加成本，所以计算机控制系统有很高的性价比。 133. 灵活性强。由于计算机控制系统硬件的模块化、标准化，使得硬件配置上的可装配性、可扩充性

6、好。因为计算机控制系统的控制算法是由软件编程实现的，所以通过修改软件就可以方便地使系统具有不同的性能，而不必像模拟控制系统那样需要改变控制器硬件结构或参数。所以计算机控制系统具有很高的灵活性。144. 可靠性高。模拟控制系统难以实现自动检测和故障诊断，而计算机控制系统则比较方便，并且通过采用各种抗干扰、去噪声的方法，使得计算机控制系统有很强的可靠性和容错能力。155. 易于监控。由于计算机有自诊断功能，一旦系统出现故障，计算机可以立即发出声或光的报警信号，方便维护人员迅速地找到故障点，及时进行修复。因此计算机控制系统容易实现实时监控和高层次的自动化管理。6. 计算机控制系统还有灵敏度高、操作简

7、便等优点。随着对自动控制系统要求的不断提高，计算机控制系统的优势越来越明显，现代的控制系统几乎都是计算机控制系统。161.3 计算机控制系统分类计算机控制系统分类计算机控制系统的分类方法很多,如果按计算机参与系统的控制方式来分类,可以分为以下几种类型。171.3.1 直接数字控制系统直接数字控制系统直接数字控制（Direct Digital Control, 简称DDC）系统是指由计算机直接对被控对象进行控制的系统，其原理图如下图所示。18计算机通过测量元件对被控对象的一个或多个物理量进行巡回检测, 然后经采样、A/D转换等过程把模拟量转换为数字量输入到计算机，计算机根据规定的控制规律进行运算

8、，向执行机构发出控制指令，从而直接控制被控对象。同时，还可以对结果进行处理：显示、打印、监控、操作等19优点：DDC系统中计算机直接参与闭环控制过程，它不仅能完全替代模拟控制器，实现多回路控制，而且在不改变硬件的条件下，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制规律，比如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。要求：由于计算机直接参与控制，而且现场环境比较恶劣，干扰多，所以要求DDC系统的计算机实时性好、可靠性高、抗干扰能力强，一般选用微型机或工控机作为DDC系统的计算机。应用：DDC系统灵活性强，价格便宜，是目前的主流计算机控制系统之一，在各个领域都得到了广泛的应用。201.3.2 计算

9、机监督控制系统计算机监督控制系统计算机监督控制(Supervisory Computer Control, 简称SCC)系统如下图所示21SCC计算机针对被控对象的状态和参数，按照既定的数学模型进行优化计算，以得到最优的给定值并赋给作为执行级的DDC计算机，然后由DDC实现控制。 类似于“调度员”。22优点：在直接数字控制方式中，对生产过程产生直接影响的被控参数的给定值是预先设定且无法改变的量，而SCC系统能够根据工作状态的变化来改变给定值，实现最优控制，能够使生产过程达到最优的状态。SCC计算机故障时可用DDC计算机工作，或者DDC计算机故障时，也可用SCC计算机代替，所以系统可靠性好。23

10、要求：在SCC系统中，由于SCC级计算机承担了先进控制、过程优化及管理任务，信息存储量大，计算任务重，要求有较大的内存与外存和较为丰富的软件，因此一般选用高档的微型计算机作为SCC级计算机。监督控制方式的控制效果，主要取决于数学模型的优劣。这个数学模型一般是针对某一个目标函数设计的，如果该数学模型能使目标函数达到最优状态，那么这种控制方式就能实现最优控制。当数学模型不理想时，控制效果也不会理想。24应用：SCC+DDC系统较单纯的DDC系统更接近生产变化的实际情况，不仅可以进行给定值控制，还可以实现顺序控制和自适应控制等，因此在实际中得到了广泛的应用。可以把SCC+DDC控制系统看成是一个两级

11、计算机控制系统，上级为SCC监控级，下级为DDC控制级，两级计算机之间通过接口进行信息交流。251.3.3 分布式控制系统分布式控制系统分布式控制系统(Distributed Control System，简称DCS)也称为集散控制系统，其原理图如下图所示。26分布式控制系统本着“分散控制、集中管理”的模式，自上而下由综合信息管理级、计算机监督控制级和分散控制级三级组成。分散控制级是DCS的基础，直接控制生产过程。它基本上属于DDC系统的形式，但由各个工作站组成，每一个工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一个被控制量的闭环控制等。 27分散控制级收集的数据提供给计算机监督控制级，而分散控制级的

12、各个工作站接收计算机监督控制级发送的信息，并依此来工作；计算机监督控制级的任务是对生产过程进行监视与操作，根据综合信息管理级的技术要求，确定分散控制级的最佳给定值，它能全面反映各工作站的情况，提供充分的信息，本级的操作人员可以直接干预系统运行；综合信息管理级的任务是根据计算机监督控制级提供的信息及任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数学模型，制订最优控制策略并下达命令。28优点：DCS综合应用了计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术，对系统进行集中管理、分散控制，具有通用性强、组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面

13、友好、安装简单、调试方便、运行安全可靠等优点，能够适应工业生产过程的多种需要。另外，由于DDC系统的工作任务由各工作站分别完成，局部的故障不会影响整个系统的工作，从而避免了集中控制系统危险集中的缺点。29要求：在DCS中，分散的各设备独立并行工作，只有必要的信息才传到上一级计算机或中央控制室。应用：由于微型计算机的出现与发展，为实现分布式控制提供了物质和技术基础。近年来，分布式控制系统获得了异乎寻常的发展，是目前国际上公认的最好的控制方式之一，已成为计算机控制系统发展的重要趋势。301.3.4 现场总线控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统(Field-bus Control System,

14、 简称FCS)是利用现场总线把现场智能设备与控制室相连的系统。现场总线是全数字式、双向、多站的互联通信网络。现在国际上流行的通信网络有CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART和FF等。现场总线的节点是现场设备或具有综合功能的智能仪表，如传感器、变送器和执行器等。现场总线系统是一种全分布式的控制系统，它以现场总线为纽带，把挂接在总线上的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能。 31优点：现场总线技术用数字信号取代模拟信号，提高了系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，并延长了信息传输的距离；FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，

15、由现场设备或现场仪表取代，现场设备具有互换性和互操作性，改变了DCS控制层的封闭性和专用性，不同厂家的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态；通信网络为开放式互连网络，可极方便地实现数据共享；与DCS相比，FCS能充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，并且将降低系统投资成本和减少运行费用，如果系统各部分分别选用合适的总线类型，会更有效地降低成本。32要求：现场设备或仪表不是传统的单功能仪表，而是具有综合功能的智能仪表，比如温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID 控制（Proportion-Integration-Differentiation Control）和运算功能。

16、应用：现场总线控制始于在20世纪80年代末，应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域，它将计算机网络通信与管理引入了控制领域。 331.3.5 计算机集成制造系统计算机集成制造系统计 算 机 集 成 制 造 系 统 ( C o m p u t e r I n t e g r a t e d Manufacturing System，简称 CIMS)将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，以得到生产活动的最优化。CIMS一般由集成工程设计系统、集成管理信息系统、生产过程实时信息系统、柔性制造工程系统及数据库、通

17、信网络等组成。CIMS采用多任务分层体系结构，其基本控制思想是递阶控制（Hierarchical Control），即把所需任务按层次分级为层状或树状的命令或反馈，由高一级去控制较低一级。34优点：CIMS体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新理念，统一考虑各种因素以实现优化决策。对于大规模复杂系统，想逐个单元地解决优化和控制问题是很困难的，而在递阶结构中，各级分担不同工作，同级中还可并行工作，级间协调通信比各单元相互通信有效得多。要求：通常对于大系统，总是先实现低级具体设备的控制，然后随着要求的提高及系统的扩充，可以逐步增添高层控制决策单元。应用：计算机集成制造系统采用递阶控制，非常符合实际需要，因为在许多管理控制系统中，本身就是按照递阶形式组织的。351.4 计算机控制系统发展趋势计算机控制系统发展趋势计算机控制系统是自动控制理论与计算机技术相结合的产物, 计算机相关技术包括多媒体技术、人工智能技术、网络与通信技术、微电子技术、虚拟现实技术等技术的发展都势必会促进计算机控制系统向前发展。计算机本身也从大型机发展成小型机、微型机，可靠性得到提高，成本也降低很多。目前，计算机控制技术主要向智能化、网络化、集成化方面发展。36智能化人工智能技术的出现和发展使自动控制