计算机控制技术及应用

计算机控制技术及应用计算机控制技术及应用计算机控制技术及应用xxx公司计算机控制技术及应用文件编号：文件日期：修订次数：第1.0次更改批准审核制定方案设计，管理制度10电气（2）班姓名：陆继赟学号：01计算机控制技术及应用一、计算机控制技术应用和发展在近10多年里，计算机技术得到了极大的发展和完善；无论是在系统硬件成本，还是在计算速度和存贮容量方面都取得了很大的进步。特别是面向用户的编程语言也大大简化了。同时，由于采用了更多的可靠元件、尖端的设计工艺，增加了容错技术、冗余诊断程序，系统的可靠性也得到较大的提高；传统的过程控制功能与诸如生产计划、调度、优化及操作控制等实时信息处理和决策应用的不断渗透、融合，使通过高级计算机控制实现各种过程高性能目标的手段变得越来越可靠和更为强劲有力；功能价格比也日趋合理。因而，使计算机控制在工业中的应用得到了迅猛的发展，而且正越来越广泛地应用于石油、化工、钢铁、造纸、电力等工业部门，并在提高设备处理能力和生产效率、产品质量；有效利用能源(水、人力、材料等资源)，满足环保、人身安全等严格要求及在日益激烈的国内外市场竞争中，发挥着举足轻重的作用。二、（一）、计算机控制技术的概述1、计算机控制的概念（1）开环控制系统若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。（2）闭环控制系统凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。2、计算机控制系统采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为数字控制系统。若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。进一步，若将连续的控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统的理论基础。3、计算机控制系统的控制过程（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行数据分析和处理，并按已定的控制规律决定进一步的的控制过程。（3）实时控制：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。4、计算机控制系统的特点（1）结构上。计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其执行控制功能的核心部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。（2）计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。（3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。（4）计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统具有很大灵活性和适应性。（5）计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算能力，一个控制器（控制计算机）经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路。（6）采用计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。5、计算机控制系统的组成计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成，而一个完整的计算机系统应由下列几部分组成：被控对象、主机、外部设备、外围设备、自动化仪表和软件系统。（1）硬件：a)由中央处理器，时钟电路，内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分。b)通用外围设备按功能可分为输入设备、输出设备和外存储器三类。c)过程Ｉ／Ｏ通道，又称过程通道。d)通用接口电路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中断管理、直接存取DMA管理、计数/定时等）。e)传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机借口使用的标准的电信号（如０～１０ＭＡＤＣ）。f)计算机控制系统一般要有一套专供运行操作人员使用的控制台称为运行操作台，操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声信器、数字显示器或ＣＲＴ显示器等。（2）软件：软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。（二）集成系统控制计算机技术的不断发展，使计算机系统的数据采集、处理、存贮、高速执行复杂计算任务、调整系统需求等能力得到了充实和加强。计算机控制系统已能实现如信息处理、数据采集、过程控制、在线优化、甚至实时调度、生产计划等操作控制功能，这使集成系统控制的引入成为可能。这样，就可将影响工厂生产效能的所有因素(包括耦合交互作用、系统复合反馈回路选择等)纳入系统的一体化考虑之中，从而取得全厂最优总体性能效果。集成系统控制最早是应用在日本的钢铁工业上，并且获得了极大的成功、表现在：•提高了处理机的工作效率和全厂生产率•提高了对能源、稀有材料、人力的有效利用，•有效地满足了各种苛求技术要求和环保需求；•有较好的时变适应性；•能安全地适应各种突发事件；•能有效、及时地更新系统状态。（三）、递阶控制或称多级控制和分层控制随着生产处理过程的日趋复杂，集成系统控制已无法满足如非线性、时变动态特性等要求；而递阶控制却能通过提供合理的系统程序，有效地解决这些问题。具体讲，它是超过将控制总体问题(大问题)分解成若干个易于解决的子问题(小问题)；并通过一个较为高级的控制器来进行子问题的协调处理、以保证与总体目标和需求的一致性。由此，可以从理论上推出以下两种控制结构，即：多层控制(分层控制)结构(垂直分解式)和多级(分级)控制结构(水平分解式)多层控制方式具有直接控制、监督控制、适应控制和自组织控制四大控制功能。第一层，直接控制层：主要包括数据采集，事件监督和直接控制三个子功能。第二层：监督控制层：负责对第一层执行的立即目标或任务进行定义。通常情况下，根据假定的算术模型去实现对各目标的控制；在紧急情况下，则是通过特定的应急程序去完成对不同目标的有序处理第三层，适应控制层：主要对第一、二层采用的各种算法进行更新处理。第四层，自组织控制层：负责对下层相关的算法抉择进行处理。以上决策都是围绕着性能总体目标这一中心进行的。在分级控制方式中，总体规划系统则被分解成若干个子系统，每一个子系统都配置一个独立的局部控制器，其中：①一级控制器负责对局部扰动进行补偿；②二级控制器则负责对一级控制器的判据或限制需求进行修正，以响应系统变化，保证局部控制器动作与系统总体目标一致。实际上，子系统问题是在一级控制中解决的。但是，由于子系统是耦合的，且交互作用的，因此，除非所有交互作用需求能同时得到满足，否则，这些控制方案都是毫无意义的，这将由二级控制协调解决。四、基于微处理器的分散控制分散控制系统正越来越广泛地应用于过程工业，其中，FoxboroSPECTRUM、HoneyweilTDC3000、Baileynetwork90、SiemensSIMATAC和ToshibaTOSDIC等分散型控制系统是较为典型的产品。这些系统具有以下共同技术特点：•采用基于微处理器元件的模块化和积木式设计工艺，具有设计灵活、修正方便等特点。•具有彩色图形以及集中显示功能的操作员接口，能对工厂操作过程、从单个回路操作到全面运行状态进行访问。•能为处理单元和微处理控制器，控制器单元之间的通信提供高速数据公路。•通过采用冗余元件、故障检测技术和自诊断技术，实现系统的高可靠性。目前，事务系统仍处于不断发展之中，其主要趋势有：•继电功能与逻辑功能，包括可编程逻辑控制器PLC技术与传统的过程控制技术的结合；•通信网络进一步扩展，针对工厂控制体系的上层决策用全局数据库已经引入；•通用微机(如IBMPC)与专用系统的结合。现代分散型控制系统的应用，能简化和加速新型控制系统的设计与实施，更利于系统操作和系统维护，通过更为有效的人机联系，能为操作员提供更多的系统命令，能进一步提高系统可靠性。（四）、过程诊断计算机控制和系统集成技术的发展，使控制系统规模越来越庞大而且复杂，因此，也更易受到突发事件，比如处理条件的异常变化，控制计算机的故障或者通信链路及传感器的失效等的影响。因而，如何使系统设计更为可靠和耐用就显得尤其重要了。对于这些问题，传统的方法是通过来用超可靠性元件、关键系统部件冗余技术和保留设计工艺来解决的。但随着工厂集成化的进展，这些方法已显得无能为力、且成本开销也相当高。因此，将系统设计成为一个能有效地保证可靠性、安全性、故障弱化的运行机构是相当重要的。过程诊断能为操作员提供故障检测、故障诊断等手段，以便能及时进行故障维修。因此，今后发展的一个方向就是如何使计算机能自动完成各种必要的修正动作。过程诊断技术目前主要应用于电力和化工工业。（五）、传感器开发系统的控制能力原则上要受到控制系统信息质量的限制。目前，已经开发出了各种类型的传感器，应用于工业过程通用物理量、如压力、流通、温度、速度的在线测量；但是，在进行化学成分，产品质量检测分析时，传感器则会受到过程环境的测量费用、精度、响应速度、适用性等各因素的限制。因此，新型传感器的开发，则成了生产厂家和用户致力于的一项研究活动。归纳起来，这类开发工作主要集中于以下三方面：（1)新兴物理原理和物理特性的应用。如：化学浓度测量用离散固态元件的开发。(2)智能传感器的开发，指带一个或多个传感元件的微处理器。它主要应用于过程变量值的计算；对输出数据进行筛选、线性化及离散处理；自动校验处理，提高测量精度及可靠性。(3)测量系统：是智能传感器的发展，但增加了计算机、多个传感器及传感器定位伺服机构。目前这种系统正越来越广泛地用于产品质量检测与控制等方面。（六）、高级控制技术现在，已经应用于工业领域的一些高级控制方式有：（1)建立于内在模型基础上的内模控制(IMC)，根据控制过程的动态模型，对系统控制动作的响应情况进行预测和控制，选择出最优处理手段，以满足目标需求；以此为基础，还可推出如应用于化学、石油工业过程的动态矩阵控制、推断控制等其它高级控制方式。(2)状态反馈控制和卡尔曼滤波控制。(3)自适应及自整定控制：它通过更新控制器参数，改变过程特性，能有效扩大直接控制功能的应用范围。（七）、制造系统同过程类控制系统一样，制造系统的发展也是令人可喜的，以前所提及的如：问题、目标和控制概念基本上都是直接应用到制造系统的，更广泛地说，是应用到离散事件类控制系统。但值得注意的是，由于引入了自动化制造工具、柔性制造工艺、适时策略及少量的在线存贮设备和机器人，现在的制造系统已经具备了进行更高级操作处理的能力。但是，这也使其操作处理更依附于计算机控制系统，因为唯有这样，才能实现全厂系统的有效集中控制。这个问题已经成了今后面临的又一大新研究课题。（八）、专家系统专家系统作为一种新兴的控制技术，已引起人们广泛的兴趣和关注，它能相当大程度地扩大工业系统控制计算机的有效性及适用方面，可应用于自适应控制、过程诊断、生产调度、计算机辅助设计、智能传感器／自动检测以及批量过程处理等诸多方面。具有以下特点和属性:•能提高控制系统的有效度•扩大自动控制应用领域；•利于系统设计、启动、新知识、新条件、更新处理；•能提高系统的总体可靠性。专家系统也被称为是一种机器或计算机程序，因为它能模拟技术专家思维，灵活地进行各种规定动作的处理。它由一个知识库(