计算机控制系统-1绪论(1).ppt

1、重点：计算机控制系统组成及原理 计算机控制系统分类 计算机控制系统的发展趋势 控制信号处理理论基础 控制系统网络通信基础,第1章 绪论,难点：计算机控制系统的控制理论基础,主要内容： 计算机控制系统的一般概念、系统分类 计算机控制系统的发展概况和趋势 计算机控制系统的控制理论基础,计算机控制与哪些知识内容有关？ 或 做好一个计算机控制系统需要解决些问题？,第1章. 绪论：计算机控制的基本知识,1.1 计算机控制概述 1.2 计算机控制系统的基本组成与发展 1.3 计算机控制系统的主要设计思想 1.4 计算机控制系统的分类 1.5 网络通信基础 1.6 控制典型环节与传递函数,内 涵：控制自动化

2、 信息化,作 用：是实现安全、高效、优质、低耗生产与生活的前提 是现代工业生产不可缺少的神经中枢,相关技术：自动控制技术、检测和传感技术、计算机技术、网络通信技术、先进控制技术、智能仪表技术,发展过程：直接数字量控制（DDC） 集中型计算机控制 分布式计算机控制（DCS） 总线（工业以太网）控制 ？,两化融合,1.1 计算机控制概述,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。,计算机控制系统体系结构抽象

3、图,5,水温的手动控制,图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度， 并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。,同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方向旋 转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。,控制系统实例,6,水温的自动控制,采用自动控制时，水温的手动控制的功能，由各 种传感器、仪表、执行器来代替。,传感器 测温计：感测水的温度； 执行器 调节阀：打开或关闭蒸汽阀； 控制器 调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱 动调节阀。,7,生产过程数据采集与控制系统,控制量,输出信号,传感器,数据采集,控制信号,计算机控制系统实例1,硬件组成,1.2 计算机控制系统的基本组成

4、与发展, 系统软件 支持软件 应用软件,操作系统,用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、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,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,系统开发最主要的两个方面： 根据控制要求，开发硬件系统 基于支持软件，开发应用软件,典型的计算机控制系统结构示意图,数据服务器,高级控制器,变送器,“我”来控制,执行器,调节器,仪表控制,显示仪表,计算机控制系统现场设备层构成与发展,控制室仪表,现场仪表,变送器,执行器,

5、调节器,仪表控制,显示仪表,安装在哪里？,执行器有哪些？,阀门,电动调节阀、气动调节阀 电动开关阀（电磁）、气动开关阀,泵（电机）,变频 开关,检测仪表有哪些？,连续信号：变送器（如T、P、L、F、A，通常输出420mA、15V等标准信号） 传感器（热电阻、热电偶） 开关信号：液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号) ,计算机控制系统现场设备层构成与发展,控制室仪表,现场仪表,变送器,执行器,调节器,仪表控制,计算机控制系统现场设备层构成与发展,显示仪表,安装在哪里？,*执行器* 口径 流量特性 安装方式 材质(耐压/防腐） 供电和防爆 信号类型 ,现场仪表选型要注意哪些因素

6、？,*检测仪表* 量程 安装方式 材质(耐压/防腐） 供电和防爆 信号类型 ,变送器,执行器,调节器,仪表控制,计算机控制系统现场设备层构成与发展,PLC、数字调节器 可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备,变送器,执行器,调节器,仪表控制,计算机控制系统现场设备层构成与发展构成与发展,？,最常见的IO接口： AI模/数转换(模拟量输入) DI 开关量输入(数字量输入) AO数/模转换(模拟量输出) DO 开关量输出(数字量输出),计算机控制系统现场设备层构成与发展,420mA等信号,二进制信号,IO接口,？,计算机控制站,AI(A/D),AO(D/A),现场仪表,DI,DO,计算机控制系统

7、体系构成示意图,分为：一体化式和模块式结构,计算机控制系统的发展历程,价格昂贵，功能极其有限，可靠性低,1.直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）,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，可分时处理多个控制回路，DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题 :,出发点：,外 设,过程控制 计算机,AI/DI 输入子系统,优越性：,问 题：,AO/DO 输出子系统,（从表面上看）信息集中，便于实现各种更复杂控制、优化

8、控制功能,由于当时计算机总体性能低，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱”。,2.集中型计算机控制,企图用一台计算机来控制尽可能多的回路,昂贵,和仪表系统竞争,3.集散控制系统（Distributed Control System, DCS）,出发点（2个方面）： (1) 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) 各控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,DCS的两种含义：,是一种分布式计算机控制系统结构 是一种具有分布式结构的特定计算机控制系统,被控过程（对象）,控制分散、危险分散,信息集中、管理集中,分布式计算机控制

9、的分解示意,管理层网络,远程节点,Web服务器,现场控制层,操作站 OS,DCS的物理层次示意,控制管理层,工程师站ES,网络冗余,DCS的功能层次示意,从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。,居于系统最高层，负责广泛的工程、经济、商务、人事以及其它工作。,主要包括回路组态、优化、监控、故障诊断、记录、报警,根据订单、库存、能耗约束等进行生产规划、调度。通常为最高层。,现场数据采集、控制、安全性能和冗余性能的实施,常常将2个或多个功能层上的(部分)任务压缩到一个物理层上实现，简化DCS。 最常见的为2级DCS,DCS的发展过程,4.总线控制系统（Fieldbus Con

10、trol SystemFCS）,半数字、半分散,朴素意义上的 FCS结构示意图,传统计算机控制系统的结构示意图,全数字、全分散,定义,是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。,支持双向、多节点、总线式的全数字通讯,双向数据通信能力避免了反复进行A/D、D/A的转换,把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 全分散,本质,特点,评价,已成为全世界范围自动化技术发展的热点 涉及整个自动化和仪表的工业“革命”,现场总线,1. 可靠性,2. 可维护性,3. 实时性,4. 性能价格比,1.3 计算机控制系统的主要设计思想,1.可靠性,产品在规定条件下和规定时间内完成

11、规定功能的能力。,衡量可靠性的几个指标：,可靠度 平均无故障工作时间 (Mean Time Between Failures，简称MTBF) 平均故障修复时间 (Mean Time To Repair，简称MTTR ) （本质上这是一个可维护性指标） 无维修使用期 (Maintenance Free Operating Period ，简称MFOP),可靠度通常用于表示单个零件、设备的可靠程度 在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能的概率。,系统的可靠度：除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关。,The

12、 reliability of every unit of the specific equipment is 90%, the reliability of this equipment is 90%。,No!,误差、可靠度都是会传递的,(1)可靠度 R,常规的可靠性理论：著名的浴盆曲线（本质）,结构对可靠度的影响,一个失效，系统失效 全部故障，系统故障,系统冗余的概念,(1)可靠度 R,串联系统中，可靠性最差的单元对系统可靠性影响最大。 并联系统中，1:1系统的冗余对系统可靠性的贡献最显著。,R1=R2=0.9， R并0.99 R1=R2=0.99，R并0.9999,MTBF指设备在相邻两

13、次故障的间隔内正常工作的平均时间,无维修使用期MFOP(Maintenance Free Operating Period ),1995年国际上开始对传统可靠性定义提出了质疑，在欧洲开始提出了无维修使用期(MFOP)的概念。MTBF认为随机故障是不可避免的，只要仍低于许可数是可接受的。MFOP认为“要设计出不存在随机失效的产品是有可能”。,MFOP在本质上就是可靠性设计思路的改变，是指产品能完成所有规定任务的工作期，在该期间内不需要对其进行任何维修。每个MFOP之后就有一个维修修复期(Maintenance Recovery Period，MRP)，在此期间通过适当的计划性或修复性维修使系统完

14、全恢复到可使用状态，以使其能完成下一个MFOP期间的工作。,(2) MTBF(*) 和 MFOP,提高系统可靠性的主要措施, 选用高可靠性的控制设备；重视自控设备的自诊断功能。, 设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。, 采用分散控制思想/增加后备手操或后备仪表控制系统/设计冗余系统。, 采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。还有防潮、防震、防鼠等, 提高软件可靠性【要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行】,设备可靠,方案可靠,结构可靠,环境可靠,软件可靠,故障发生后通过维修使系统恢复的能力。 本质：易于查找故障，易于排除故障。,选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备。,设计合理的系统结构。例如采用模块化结构，便于更换故障模块。,系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。,软硬件具有自诊断功能，便于快速定位、快速排除故障。,平均故障修复时间MTTR (mean time to repair