1、计算机控制Computer Control薛美盛中国科学技术大学自动化系 642本章学习要求n掌握n计算机控制系统的组成n计算机控制系统的类型和特点n了解n计算机控制的发展概况643Home Workn1.1 控制计算机在结构和技术性能要求方面跟一般信息处理计算机有何不同？n1.2 计算机控制系统按其功能特点分类主要有哪几种类型？计算机控制相对模拟控制有何优点？n1.3 说明并比较名词DCS、FCS、PAC和PLC。n1.4 列举若干种关于计算机控制的专著。644Question:n自动化专业现在设有那些专业基础课？为什么这样设置？n简单说明负反馈控制系统的构成645646第1章 计算机控制系
2、统概述1.1 计算机控制系统的组成1.2 计算机控制系统的类型和特点1.3 计算机控制的发展概况6471.1 计算机控制系统组成 n计算机反馈控制系统n计算机控制系统的组成648一、计算机反馈控制系统 649二、计算机控制系统的组成 计算机控制系统就是计算机系统。广义被控对象可以看作计算机外部设备 计算机控制系统和一般计算机系统一样，由硬件和软件两部分组成6410硬件组成6411n主机：CPU+内存储器（RAM和ROM）n外部设备：n输入/输出设备、外存储器和通信设备n过程输入输出设备：nPIO=AI+AO+DI+DOn广义被控对象：n执行装置+被控对象+测量仪表6412典型模拟式火炮位置控制
3、系统的原理结构图6413典型火炮位置计算机控制系统的原理结构图6414软件组成n硬件系统必须配备相应的软件系统才能实现预期的各种自动化功能 n软件系统亦即程序系统，是实现预期信息处理功能的各种程序的集合n软件系统通常由系统软件和应用软件两大类软件组成6415工业控制计算机n必须具有实时响应能力n必须具有很强的抗干扰能力n必须具有很高的可靠性：nMTBF-平均故障间隔时间nMean Time Between FailuresnMTTR-平均修复时间nMean Time To be Repaired64161.2 计算机控制系统的类型和特点 n监测与操作指导系统n直接数字控制系统n顺序控制系统n监
4、督控制系统n集散控制系统n现场总线控制系统n控制管理集成系统（CIMS，CIPS）6417一、监测与操作指导系统6418二、直接数字控制系统直接数字控制（直接数字控制（DDC）计算机）计算机CRT打印机打印机报报 警警操作台操作台过程输入通道过程输入通道 测量变送测量变送 测量变送测量变送被被 控控 生生 产产 过过 程程过程输出通道过程输出通道 执行机构执行机构 执行机构执行机构 6419三、顺序控制系统n按预定的时间顺序或逻辑顺序产生操作命令，使被控对象按照预定的规则或顺序协调动作，完成任务n常用于机械加工过程和连续生产过程中的设备的启动、停止以及故障联锁保护n数控机床-典型的计算机顺序控
5、制系统nPLC（Programmable Logical Controller）nSiemens的S7系列PLC（S7-200，S7-300，S7-400）6420PAChttp:/ 监督控制计算机监督控制计算机CRT操作站操作站基本调节器基本调节器基本调节器基本调节器 被控对象被控对象被控对象被控对象高高 速速 数数 据据 通通 道道6426六、现场总线控制系统H1树型树型菊花链型菊花链型总线型总线型点对点点对点H1H1H2H2H1H1H1网桥网桥6427NCS-PilotPlant 现场总线实验系统6428NCS-PilotPlant 现场总线实验系统6429七、控制管理集成系统6430A
6、ccountingFinanicalPersonnelSupply and DistributionSales and MarketingPLANTWIDE SYSTEMSMaintenance&WarehouseLaboratoryManagementPlanning&SchedulingUtilityManagementOffsitesManagementPerformanceReportingBusinessSystemsPlantwideAREAOptimizationOptimizationAdvancedControlAdvancedControlUnitOptimizationA
7、dvancedControlAdvancedControlAdvancedControlBasicRegulatoryControlBasic InstrumentationBasic InstrumentationONSITESOFFSITESPROCESS6431计算机控制的主要特点（1）n实现模拟变送器、控制器、指示器、手操器以及记录仪等多种模拟仪表的功能，便于集中监视和操作n利用计算机快速运算能力，通过分时工作用一台计算机同时控制多个回路；可同时实现DDC、顺序控制、监督控制等多种控制功能6432计算机控制的主要特点（2）n可实现各种先进控制策略，获得更好的控制性能，还可实现对各种复杂
8、被控对象的有效控制n系统调试、整定灵活方便，控制方案、控制算法及其参数的改变和整定，只需修改软件即可实现，勿需更换或变动任何硬件6433计算机控制的主要特点（3）n利用网络分布结构可以构成计算机控制管理集成系统，实现工业生产与经营的控制管理一体化，提高工业企业的综合自动化水平n系统中同时存在连续型和离散型信号，必须有A/D和D/A转换器实现转换n连续系统控制理论不能直接用于计算机控制系统分析和设计 64341.3 计算机控制的发展概况n计算机控制的发展同计算机的发展紧密联系n计算机每更新换代一次，计算机控制技术就前进一步，上一个新台阶n但通常都存在滞后6435n1946年，世界上第一台电子计算
9、机问世（ENIAC：Electronic Numerical Integrator and Computer）n人们萌生了将计算机用于导弹和飞机控制系统的想法，但当时的计算机体积、功耗太大，可靠性太差，用于控制系统不可能n在以后较长的一段时间里，计算机主要用于科学计算和数据处理 6436E N I A C6437E N I A C6438IBM MARK I6439n1950年代中期，美国人开始进行化工过程计算机控制系统的可行性研究n1959年3月，世界上第一个过程计算机控制系统在德州的Port Arthur炼油厂正式投入运行，取得成功。控制26个流量，72个温度，3 个压力和3 个成份n这一
10、开创性工作，使计算机厂家看到了新的市场，使工业界看到了新的自动化工具，使学术界发现了新的研究课题。有力地推动了计算机控制的进一步发展 6440n早期的计算机是电子管（vacuum tube）计算机，性能/价格比很低，体积大，可靠性差。1958年前后计算机的MTBF为50100小时n当时计算机控制系统主要用来执行数据处理、操作指导和为模拟控制器提供最优设定值的监督控制等简单控制功能，实际应用的计算机控制系统为数非常少6441n1960年代初，随着半导体技术的兴起，半导体计算机取代了电子管计算机，计算机的可靠性和其它性能指标都有较大的提高，计算机的MTBF大约为1000小时n计算机控制系统开始采用
11、直接数字控制（DDC：Direct Digital Control）6442n1962年英国帝国化学工业公司（ICI）成功地实现了一个DDC系统，其中数据采集量为244个，并控制129个阀门。DDC系统可以较好地发挥计算机控制的优势，是计算机控制系统的一大进步n但是计算机的价格仍然太贵，可靠性仍然不能满足很多部门和生产过程控制的要求，因此，计算机控制的推广应用仍然要受到很大的限制 6443n到了1960年代的后期，已出现中小规模集成电路的小型计算机。小型计算机的出现加快了计算机控制系统的发展，此后小型过程控制计算机的产量逐年成倍递增n但小型计算机的价格还是比较贵，只有规模较大的控制项目才有可能
12、采用，而对大量中、小规模控制项目而言，计算机控制仍然可望不可及6444n计算机控制的大发展是从70年代初出现微型计算机开始的。微机于1971年问世n微机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。由于运算速度快、可靠性高、价格低廉并且体积小，消除了长期阻碍计算机控制发展的造价昂贵和可靠性低两大问题，为计算机分布控制系统出现创造了条件6445n1975年美国的Honeywell（霍尼威尔）公司和日本的Yokogawa（横河）公司等几乎同时推出了各自的集散控制系统产品，并立即得到了广泛的工业应用n1970年代末开始，一些石化、冶金、电力等大企业陆续引进了一批DCS，用于生产过程控制，提高了我国生
13、产过程的自动化水平，也为计算机控制推广应用发挥了重要的示范和借鉴作用，有力地推动了我国计算机控制技术的发展6446n1980年代以后，随着超大规模集成电路技术的飞速发展，计算机朝着超小型化、软件固化方向发展，同时测量仪表、执行装置等自动化仪表也向智能化方向发展n前期DCS中的每个现场控制器一般要控制至少8个回路n1980年代中后期又推出了将DCS低层控制级的现场控制器和智能化仪表设备用现场通信总线互联构成新型分散控制系统，称为现场总线控制系统，简称FCS6447644864496450计算机控制的发展n不仅同计算机技术发展关系密切，而且与控制理论的应用与发展也有密切关系n随着计算机技术的发展，
14、计算机控制系统及其技术虽然已经取得了巨大进步和发展，亦已得到广泛应用。但现在大多数计算机控制系统的控制功能并没有得到充分的发挥，其应用水平仍然较低n绝大多数工业过程计算机控制系统至今仍然沿用传统的PID控制律（大约90%的控制回路采用PID控制类的控制律），以致控制系统的性能提高和功能的发挥受到较大的限制6451原因（一）n虽然自60年代以来，在计算机控制推动下，控制理论也有了很大发展，先后形成了最优控制、多变量控制、自适应控制、鲁棒控制、预测控制以及智能控制等一系列先进控制理论和方法n然而这些先进控制理论和方法大多附加的应用条件，在工程上难以满足，因而实际应用受到很大限制6452原因（二）n
15、80年代兴起的智能控制，其前景虽然诱人，但是至今尚处于可行性研究阶段，并没有形成系统的应用技术n这些先进控制理论和方法涉及较多数学知识，工程应用时，控制律设计、软件实现以及参数调整通常都较复杂，其专业性很强，一般工程技术人员难以掌握6453解决方案n未来发展主要依赖控制理论及应用的进步与发展，不断提高控制水平，发挥计算机控制系统的更大潜在功能n需要进一步加强先进控制理论研究，发展各种使用简便的先进控制策略n加强计算机控制理论与技术教育，培养更多从事计算机控制的研究、开发和应用工作的专业人才6454计算机控制系统的理论问题n若被控对象是时不变线性系统，通常所形成的连续控制系统也是时不变系统。但当
16、将其改造成计算机控制系统后，它的时间响应与外作用的作用时刻和采样时刻是否同步有关采样系统的时变特性6455计算机控制系统的理论问题n连续系统在正弦输入信号的激励下，稳态输出为同频率的正弦信号，但计算机控制系统的稳态正弦响应与输入信号频率和采样周期有关计算机控制系统的正弦激励响应 频率为4.9 Hz的输入信号 连续系统的输出采样间隔时间为0.1s时，则会发生振荡周期为10s的差拍现象6456计算机控制系统的理论问题n尽管计算机控制系统特性可以用连续控制系统理论解释，但还有很多现象是不能用连续系统理论加以解释的n一个连续系统是可控可观的，将其变成计算机控制系统时，若采样间隔时间选取得不合适，则可能
17、会变得不可控6457计算机控制系统的理论问题n一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无限的，因为它的响应是多个指数函数之和。计算机控制系统，通过设计却可以实现在有限的采样间隔内（即有限时间内）达到稳态值，从而可以获得比连续系统更好的性能有限调节时间系统 实线连续系统，虚线是同一被控对象的计算机控制系统 6458计算机控制系统的理论问题n系统的稳定性也是值得关注的问题n对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的n从以后有关章节的分析可以看到，当采样周期一定时，计算机控制系统的开环放大系数仅处于一定范围时，系统才能稳定6459计算机控制系统的理论问题n计算
18、机控制系统中还存在字长有限的问题nA/D或D/A变换器、计算机内存及运算器的字长有限字长有限引起的极限环6460计算机实际工程设计的设计方法n连续域设计-离散化方法n将计算机控制系统看成是连续系统，在连续域上设计得到连续控制器。由于它要在数字计算机上实现，因此，采用不同方法将其数字化（离散化）n直接数字域（离散域）设计n把系统看成是纯离散信号系统，直接在离散域进行设计，得到数字控制器，并在计算机里实现 6461两种设计方法流程计算机实际工程设计的设计方法6462Home Workn1.1 控制计算机在结构和技术性能要求方面跟一般信息处理计算机有何不同？n1.2 计算机控制系统按其功能特点分类主要有哪几种类型？计算机控制相对模拟控制有何优点？n1.3 说明并比较名词DCS、FCS、PAC和PLC。n1.4 列举若干种关于计算机控制的专著。6463本章学习要求n掌握n计算机控制系统的组成n计算机控制系统的类型和特点n了解n计算机控制的发展概况6464The End
