第14章计算机控制系筑 第一节概述 计算机控制 典型单回路控制系统方块图 4~20m 调节器 执行器 被控对象 4~20m 测量变送装置 4~20m 控制器 DIA 执行器 被控对象 SP 4~20m D 测量变送装置 数字信号—例如4~20mA信号经12 位AD转换以后的结果为0~4095 4mA输入—000000020mA输入—111 12mA输入—?
调节器 被控对象 测量变送装置 + － SP 执行器 4～20mA 4～20mA 控制器 被控对象 测量变送装置 + － SP 执行器 4～20mA 4～20mA D/A A/D 数字信号——例如 4～20mA 信号经12 位A/D转换以后的结果为0～4095 4 mA输入——0000 0000 0000 20mA输入——1111 1111 1111 12mA输入——？ 计算机控制 典型单回路控制系统方块图 第14章 计算机控制系统 第一节 概述
工作过程 sB ○控制器 DIA 执行器 被控对象 220y AD 测量变送装置 工作过程:①数据采集:实肘检测来自于测量变送装置的被控变 量瞬肘值; ②控制决策:根据豕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 ③控制输出:根据控制决策实肘地句执行机构发出 控制信号,完成控制任务
工作过程 控制器 被控对象 测量变送装置 + － SP 执行器 4～20mA 4～20mA D/A A/D 工作过程：①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； ②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 ③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
第二节计算机控制系统的基本组成 件组成 主机系统 CPU RAM 模拟量输入(AI) 测量变送器 ROM 模拟量输出(AO)匚执行器 外 通讯接口 系统总线 被控生产对象 部 设L人机接口 开关量输入(DI) 电气开关 备打印机 开关量输入(DO) 电气开关 CRT 「其它 过程输入输出设备 常规计算机条统 I/O统 氵觋场仪表氵被控 (模块或卡件) 对象
第二节 计算机控制系统的基本组成 过程输入输出设备 外 部 设 备 主 机 系 统 CPU RAM ROM CRT 通讯接口 人机接口 打印机 其它 系 统 总 线 模拟量输入（AI） 模拟量输出（AO） 开关量输入（DI） 开关量输入（DO） 测量变送器 执行器 电气开关 电气开关 被 控 生 产 对 象 常规计算机系统 I/O系统 （模块或卡件） 现场仪表 被控 对象 硬件组成
软件组成 系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等,它是 支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。 如: Windows操作系统、Unⅸ操作系统等都属于系统软件。 糸统软件 它运行在系统软件的平台上,是用于开发应用软件的软件。 支持软件 例如:汇编语言、高级语言、通信网络软件、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 应用软件持软件会有所不同 应用软件是系统设计人员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
系统软件 支持软件 应用软件 系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是 支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。 如：Windows操作系统、Unix操作系统等都属于系统软件。 它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。 例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、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 应用软件是系统设计人员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
计算机控制系统的主要设计思想 1.可靠性定义:产品在规定的条件下和蚬定的肘间内完成规定功能的能力。 它通常用概率亲表示 2.可维护性可维护性是指故障发生后通过维修使糸统恢复的能力。 宅主要体现在曷子臺找敏摩,易于排除故摩。 3.实时性 计算机控制糸统的实肘性是指被控倌号的輪入、运算和輪出都要在一定的肘 间内究成,养能报据生产工况的`化进行及肘的处狸,亦即糸统对被控信号 的变化具有足够快的响应速度,不丢头信息,不延误操作。 4.性能价格比 一个良好的计算机控制無统,在兖分考虑糸统性能的同时,也需要分析糸统应诚帶 来的经济效益,即糸统性能和投入之间的头糸以及糸统投入与产出之间的头糸。 一般我们要拿提以下两个原则: 是泉谩计的性能价格此要尽可能高; 二是投入产出此要尽可能低
计算机控制系统的主要设计思想 1. 可靠性 2. 可维护性 3. 实时性 4. 性能价格比 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 它通常用概率来表示 可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。 它主要体现在易于查找故障，易于排除故障。 计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时 间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号 的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。 一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带 来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。 一般我们要掌握以下两个原则： 一是系统设计的性能价格比要尽可能高； 二是投入产出比要尽可能低
第三节计算机控制系统的发展过程 1.直接数字量控制( Direct digital control-DDC) 2.集中型计算机控制条统 3.集散控制糸统( Distributed Control System-DCS) 4.现场恿线控制糸统( Fieldbus Control System-FCS)
第三节 计算机控制系统的发展过程 1. 直接数字量控制（Direct Digital Control－DDC） 2. 集中型计算机控制系统 3. 集散控制系统（Distributed Control System－DCS） 4. 现场总线控制系统（Fieldbus Control System－FCS）
第四节直接数字量控制 起始于50年代水期,开辟了一个轰 SP 过程控制计算机 轰烈烈的计算机工业应用时代 AI、DI AO、DO 本喷——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「检测仪表 执行器 被控过程(对象) 控制技术简单地取代模拟控制技 术 优点——计算灵活,精度高,它不仅能实现典型的PID控制规律,还可 以分时处理多个控制回路。此外,此DC也很快发展到PID以 外的多种复杂控制。 问题——当时的计算机系统的价格昂贵,计算机运算速度不能满足快速 过程实时控制的需求
第四节 直接数字量控制 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。 SP 过程控制计算机 AI、DI AO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象） 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，它不仅能实现典型的PID控制规律，还可 以分时处理多个控制回路。此外，此DDC也很快发展到PID以 外的多种复杂控制。 问题 —— 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速 过程实时控制的需求
拓展一、集中型计算机控制系统 出发点:由于当肘的计算机糸统的体积庞大,价格非常昂贵,为了使计 算机控制能与常规仪表相竞争,企图用一台计算机来控制 尽可能多的控制回路。 输入子系统[CRT、键盘 输出子系统 AO DI 过程控制计算机卜 DO 被控变量 操作变量 被控过程(对象) 集中型计算机控制系统原理图
拓展一、 集中型计算机控制系统 出发点：由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计 算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制 尽可能多的控制回路。 CRT、键盘…… 过程控制计算机 AI DI AO DO 被控过程（对象） 被控变量 操作变量 { …… …… } 输入子系统 输出子系统 集中型计算机控制系统原理图
优趟性:从表面上看—信息纂中,纂中型计算机控制可以实现 先进控制、联锁控恻等各种更复杂控制功能;便于实现 优化控制和优化生产。 闷题:由于当肘计算机总体性能低,运算速度慢,容量小,刑 用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载,而 且控喇的纂中也直接导致危险的集中,高度的篡中使糸 统变得十分“脆弱”。 在当肘,纂中型计算机控制糸统不仅没有给工北生产帶来明显的 好处,反而可能严重影响正常生产,因此这种危险集中的糸统结 构很难为生产过程所接受,曾一度陷入因境
优越性： 从表面上看——信息集中，集中型计算机控制可以实现 先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现 优化控制和优化生产。 问 题：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利 用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载，而 且控制的集中也直接导致危险的集中，高度的集中使系 统变得十分“脆弱” 。 在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的 好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结 构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境
拓展二、集散控制系统 出发点(2个方面): (1)不能采取控制回路高度篡中的设计思想,需要把控制功能分 散到若干个控制站实现,以提高亲统的可靠性; (2)考虑到整个生产过程的整体性,各个控制糸统(回路)的运 行应当服从工业生产管理的总体目标 根本特征:控的分散性和管理的慕中性
拓展二、 集散控制系统 出发点（2个方面）： (1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分 散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性； (2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运 行应当服从工业生产管理的总体目标。 根本特征:控制的分散性和管理的集中性