计算机控制技术第一章.docx
《计算机控制技术第一章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制技术第一章.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
计算机控制技术第一章
第1章绪论
计算机机控制系统是以微机作为控制器的过程自动控制系统。
计算机控制系统不但实现了被控参数的数字采集、数字显示和数字记录等功能，而且信息的分析、控制量的计算以及系统的管理等均实现了软件化。
微机控制技术是一门集控制理论与技术、计算机科学与技术、电子科学与技术和网络通信技术等于一体的综合型应用学科，已普及于工业生产过程、智能家电、智能仪器仪表、机器人、航空航天、智能医疗设备等诸多领域。
计算机一问世就与控制学科结下了不解之缘。
1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生的人类第一台电子计算机主要用于军事领域的科学计算，由人根据计算结果对相应的军事装备和技术等进行干预。
这种工作方式在某种程度上和现代计算机离线控制工作方式相似。
计算机技术的发展，为控制系统的发展开辟了新的途径，控制理论与计算机结合，出现了计算机控制系统。
在国外，20世纪50年代初期化工领域出现了计算机自动测量与数据处理方法，中期出现了计算机开环控制系统，后期美国一个炼油厂建起了第一台生产过程闭环计算机控制装置。
60年代初期美国的一个氨厂用Rw－300计算机实现了计算机监控功能，英国的一个碱厂建成了一个直接数字控制系统（DDC）系统。
60年代中后期，计算机控制进入普及阶段。
小型计算机的出现，使可靠性不断提高，成本逐年下降，计算机在生产控制中的应用得到很大的发展，但这个阶段仍然主要是集中式的计算机控制系统。
在高度集中控制的情况下，如果计算机出现故障将给整个生产过程带来严重影响。
70年代以来，针对一些工业的高度连续化、大型化的特点，加上高可靠性、高性能、可远程通信、价格便宜、使用方便灵活的微型计算机的出现，集散式微机控制系统得以发展，从而可使用系统工程的方法实现最优控制和综合管理。
70年代后期掀起的单片微型计算机热为微机控制技术的应用注入了新的活力。
单片机体积小、功能多、性能稳定可靠、环境适用性好、价格低廉。
20多年的实践表明，以单片机为主机的微机控制系统，在实现面向生产过程的控制功能方面可以取得和其它类型计算机作主机时的同等控制效果，而以软件代替硬件方面则有更强的优势和功效，由此，计算机控制系统产生了新的设计思想和方法。
1.1计算机控制系统概述
1.1.1微机控制系统特征
从模拟控制系统过渡到微机控制系统，控制器结构、控制器中的信号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念等均发生了重大变化。
微机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容；在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势；在工作过程与方式等方面存在其必须遵循的规则。
因此，通过了解微机控制系统的这些特征可以建立起微机控制系统的基本概念。
l.结构特征
控制器和执行机构是任何控制系统都不可缺少的内容。
执行机构是系统用来操作、改变、管理被控对象的工具，而控制器为执行机构提供执行方式和执行量值等。
模拟控制系统的控制器通过以运算放大器为基本运算电路的模拟电路计算执行量值，决策执行方式。
通常一套决策方案，一种计算方法对应一组专用生成电路，改变决策方案和计算方法就必须改变生成电路。
计算机控制系统用计算机作为控制器，执行量值的计算，执行方式的决策等都是通过计算机程序来实现。
将控制器用微型计算机来代替，便构成了微机控制系统，即其结构特征主要表现为系统控制器由微型计算机担当，系统参数分析和控制量值计算等均由微机完成。
微机控制系统的抽象结构和作用在本质上与其它控制系统没有什么区别，因此，同样存在微机开环控制系统、微机闭环控制系统等不同类型的微机控制系统。
模拟系统控制器中的信号形式是连续量，微机作为控制器只能处理离散量，当微机要给模拟执行机构提供控制量时，要将离散量或数字量转换为连续量或模拟量，即要进行D／A（数字／模拟）转换；为了将被控制的模拟量变为计算机能接受，并可进行处理的数字信号形式，在闭环反馈通道上要设置A／D（模拟／数字）转换环节。
因此，以微型计算机为控制器的闭环控制系统抽象结构如图1.1.1所示。
图1.1.1微机闭环控制系统结构图
按微机控制系统中信息的传输方向，系统包含三条基本信息通道。
第一条是含D／A转换环节的通道，称之为后向通道或输出过程通道；第二条是含有A／D转换环节的通道，称之为前向通道或输入过程通道；第三条通道是人机对话或交互通道。
微机通过输出过程通道向被控对象或工业现场提供控制量；通过输入过程通道获取被控对象或工业现场信息；系统操作者通过人机交互通道向微机控制系统发布相关命令，提供操作参数，修改设置内容等，微机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对象控制效果等。
当微机控制系统没有输入过程通道时，称之为微机开环控制系统。
在微机开环控制系统中，微机的输出只随给定值变化，不受被控参数影响，通过调整给定值达到调整被控参数的目的。
但当被控对象出现扰动时，微机无法自动获得扰动信息，因而无法消除扰动，导致控制性能较差。
当微机控制系统仅有输入过程通道时，称之为微机数据采集系统。
在微机数据采集系统中，微机的作用是对采集来的数据进行处理、归类、分析、储存、显示与打印等，而微机的输出与系统的输入过程通道参数输出有关，但不影响或改变生产过程的参数，所以这样的系统可认为是开环系统，但不是开环控制系统。
2.功能特征
与模拟控制系统比较，微机控制系统的重要功能特征表现为：
．
（1）以软件代替硬件
以软件代替硬件的功能主要体现在两个方面，一方面是改变控制对象，微机及其相应的过程通道硬件只需作少量的变化，甚至不需作任何变化，而面向新对象重新设计一套新控制软件便可；另一方面是可以用软件来代替逻辑部件的功能实现，从而降低系统成本，减小设备体积。
（2）数据保存
现代微机已具备多种数据保持方式，如脱机保持方式有软盘、U盘、移动硬盘、磁带、光盘、纸质打印、纸质绘图等；联机保持方式有固定硬盘、EEPROM、RAM休眠等，工作特点是系统断电不会丢失数据。
正是由于有了这些数据保护措施，使得人们在研制微机控制系统中，可以从容对付突发问题；在分析解决问题时可以大量减少盲目性，从而提高了系统的研发效率，缩短研发周期。
（3）状态、数据显示
微机具有强大的显示功能。
显示设备类型有CRT显示器、LED数码管、LED矩阵
块、LCD显示器、LCD模块、LCD数码管、各种类型打印机、各种类型绘图仪等；显示模式包括数字、字母、符号、图形、图像、虚拟设备面板等；显示方式有静态、动态、二维、三维等；显示内容涵盖给定值、当前值、历史值、修改值、状态值、系统工作波形、系统工作轨迹仿真图等。
人们通过显示内容可以及时了解系统的工作状态、被控对象的变化情况、控制算法的控制效果等。
（4）联网管理
一般微机都具有串行通信或联网功能，利用这些功能可实现多套微机控制系统的联网管理，资源共享，优势互补；可构成分级分布式集散控制系统，以满足生产规模不断扩大，生产工艺日趋复杂，可靠性要求更高，灵活性希望更好，操作需更简易的大系统综合控制的要求；实现生产进行过程（动态）的最优化和生产规划、组织、决策、管理（静态）的最优化的有机结合。
3.工作过程特征
图1.1.1表明在微机闭环控制系统在工作过程中，由检测装置将被控对象的模拟参数送至A／D转换环节，微型计算机把从A／D转换环节获得的数据与给定值r（t）比较，然后对其偏差按某种控制算法进行计算，得出新的控制量数据，经D／A转换驱动执行机构改变被控对象。
整个过程可归纳为三个步骤，即数据采集、数据处理与决策、控制输出。
当被控对象处于动态状态时，如果不能及时获得信息，及时做出决策，及时调整输出，就有可能失去控制效果和意义。
而微机控制系统控制过程的三个步骤都是通过程序来实现的，因此微机控制系统的工作过程特征表现在对三个步骤都有实时性要求。
所谓“实时”，是指在规定的时间内完成规定的任务。
实时又有及时、即时、适时的意思。
就微机控制系统而言，要求微机能够在规定的时间内以足够快的速度进行数据采集、分析处理、对被控对象做出相应的控制操作，否则就会失去控制机会，微机在控制系统中也就没有存在的任何实际意义。
不同的对象实时时间是不相同的，如炼钢的炉温控制，由于时间惯性很大，输出延迟几秒仍然是实时的；而轧钢机的拖动电机控制，一般需在几毫秒或更短的时间内完成对电流的调节，否则电流失控将造成事故。
（1）实时数据采集
检测装置将被控对象（温度、湿度、黏度、压力、流量、速度、位移等）的信息转换成相应的模拟电信号，送到A／D环节输入端，微机按规定的时间启动A／D转换进行对被控对象采样，并在规定的时间内完成采样，以数字信号形式将采样结果存入存储器。
（2）实时控制决策
采样数据反映被控对象的状态信息，微机必须在规定的时间内完成对它的前置处理（如有效性检查、数字滤波等），然后进行数据分析，判断被控参数是否偏离预定值，是否达到或超过安全极限值，如果被控参数处于可调范围，则按选定的控制算法程序进行控制量值计算。
总之是按预定控制规律进行运算作出控制决策。
（3）实时控制输出
实时控制输出有两个方面的内容，一是被控对象参数处于可调节范围，微机将决策结果（新的控制量值）及时送至执行机构调整被控对象的被控参数；二是在决策环节分析出被控对象参数达到或超过安全极限值，这时候应在最短的时间内启动报警装置，即进行实时报警。
系统的实时报警除了来自被控对象的辨析结果外，系统设备出现异常情况，微机也应能及时发出声光报警信号，并自动地或由人工进行必要的处理。
数据采样、运算决策、输出控制三个阶段占用时间之和满足实时性要求，则该系统具有实时性。
而系统是否满足实时性，最终是体现在不影响系统的控制正确性。
运算决策在三个阶段中占用时间最长，因此，要缩短控制的延时，应从合理选择控制算法、优化控制程序、选用运算速度较高的微机等方面加以解决。
此外，在微机硬件方面应具备实时时钟和优先级中断信息处理电路；在软件方面应具备完善时钟管理、中断处理程序。
实时时钟和优先级中断系统是保证微机控制系统实时性的必要条件。
4.工作方式特征
微机用两种方式与通道、被控对象结合组成微机控制系统，一种是在线工作方式，另一种是离线工作方式。
在线工作方式：
又称“联机”工作方式。
微机在控制系统中直接参与控制或交换信息，而不通过其它中间记录介质，如磁盘、U盘、光盘、磁带等。
离线工作方式：
又称“脱机”工作方式。
微机不直接参与对被控对象的控制，或不直接与被控对象交换信息，而仅是将有关控制信息记录或打印出来，再由人来联系，按照微机提供的信息完成相应的控制操作。
离线工作方式元实时性可谈。
要使系统具有实时性，微机必须按在线方式工作。
但在线不一定就具有实时性。
比如微机水温测试系统与微机水温测试控制系统，前者微机可以在线也可以离线，后者微机必须在线。
对于前者，微机在线也不一定要具有实时性，因为微机仅采集水温，不调节水温，从而对采集时间不需进行严格要求；微机离线工作时，微机根据其它水温记录装置提供的数据进行分析，得出控制参数，然后由人依据微机提供的控制参数来实施调节水温。
对于后者，由于存在自动控制目标，微机必须对水温的变化作精确采集，及时调节，因此微机不但要在线，而且微机水温测试控制系统一定要具有实时性，否则达不到控制目标。
1.1.2微机控制系统硬件组成
被控对象千差万别，控制任务和控制要求随被控对象的不同而不同，即便是同一个被控对象也可提出多种多样的控制任务或控制要求，因此，微机控制系统的具体组成是因事而变的。
尽管如此，根据微机控制系统的结构特征，不同任务的微机控制系统有着相同的抽象结构。
图1.1.2所示是具有一定综合性的微机控制系统硬件结构示意图，它不但包括了模拟信息的输入输出过程通道，还含有开关量输入输出通道、操作控制台与接口、微机I／O设备与接口等，因而更具一般性。
由图1.2可知微机控制系统的硬件体系由工业生产过程（也可以是非工业生产过程，如家庭的温度、湿度测控）、过程通道、接口、主机、操作控制台、微机I／0设备等组成。
1.工业生产过程
工业生产过程是指在生产现场把原材料变成成品或半成品，或通过原材料获得某些所需参数的工作规范。
这种工作规范包括工艺流程、参与设备、人员数量与作用、结果指标等。
被控对象来源于工业生产过程。
在工业生产过程中，被控对象可以是一个，也可以是多个。
如数控钻床的被控对象主要是钻头的定位，而炼钢过程的被控对象包括炉温、配料计量、加料传送等。
被控对象的信息通过在生产现场的适当位置安设相应的传感器
获得。
2.过程通道
过程通道包括模拟输入、输出通道，开关量输入、输出通道。
过程通道处于工业生产过程与主机接口之间，担负着生产过程与主机交换信息的任务。
当被控对象为模拟对象时，由变送器将被控对象的能量存在形式转变为采样装置所能接收的电能形式，然后由采样装置规范成A／D转换器所能接收的电量，最后由A／D转换器变成微机能够接收的数据送接口。
如果被控参数是非电物理量，则变送器为传感器；如果被控参数为电量，则变送器或为放大器，或为衰减器。
工业生产过程的被控参数以连续变化的非电物理量居多。
如果执行机构需要连续的模拟量操纵，则微机输出的数字控制量必须进行D／A转换；当用一个D／A转换器为多个控制点提供控制信号时要设置保持器。
当工业生产过程有数字数据信号或数字状态信号要送主机时，可通过开关输入通道传送；主机有数字数据信号或数字控制信号等要送工业生产过程时，可通过开关输出通道传送。
3.接口
接口是主机与过程通道连接的数字中介装置。
主机通过接口可连接不同类型、不同数量的通道，也可连接各种外设以及操作控制台等。
接口种类主要分为并行、串行两大类。
接口是数字中介装置的集合，其中的元素是端口。
主机给每个端口分配一个地址。
当端口地址与主机的I／O输出控制信号配合时，对应的端口称为输出端口；与主机的I／0输入控制信号配合时，对应的端口称为输入端口。
同一个端口地址与不同的I／O控制信号配合既可作为输入通道端口也可作为输出通道端口。
按迄今已出现的接口硬件结构情况，可将接口分为三大类，一类是单独的通用可编程接口芯片，一类是与CPU集成在一起可编程接口，再一类是用基本逻辑部件根据需要搭接的可编程接口。
图1.1.2微机控制系统硬件的组成图
4.主机
主机采用微型计算机，是微机控制系统的标志性内容。
主机由CPU、ROM、RAM及
系统总线等组成。
开发者将系统的相关程序存人ROM，系统启动后，通过输入通道从生产现场获得过程参数，并由控制程序进行处理、分析、运算、决策等得出相应的控制信息，又经输出通道把控制信息回送生产过程，进而调节被控参数，使之达到并维持预计目标。
控制程序是依据控制算法，结合主机的指令系统和通道端口地址而设计的，不但要反映控制参数与被控参数之间的数学关系，还要满足控制的实时性要求。
在工业生产过程中，处于在线的主机又称为工业控制计算机，简称工业控制机或工控机，其特点表现为可靠性高，可维修性好，环境适用性强，控制实时性，输入输出通道完善，软件丰富等。
本书中的主机均指工控机。
5.操作控制台
操作控制台是人与微机控制系统交换信息的中介设备，对于工业生产过程的微机控制系统是不可缺少的。
通常，微机的I／O设备摆放在控制台上或周围，这样一来，在操作台上工作人员既可看到来自工业现场的运行状态及被控参数的直接显示和记录，也可观察到由计算机提供的显示内容。
当系统出现故障报警时，操作人员可在控制台上及时获得信息，及时进行处理，如根据操作台提供的故障信息对现场设备进行快速处理、检修，或在控制台对计算机程序、控制参数、试验参数等进行修改和调整等。
就一般而言操作控制台应具有以下功能。
（1）显示
显示范围应尽量涵盖工业生产过程中各重要环节、过程通道各关键部位、辅助及供电设备等：
显示装置根据具体情况选用，如希望有图文显示，可配置CRT、LCD显示器等；如只需显示参数，可配置LED、LCD数码管等；如果希望脱机分析数据，可配置打印机、记录仪等；如需及时显示状态或报警，可配置相应的指示灯及发声器。
（2）操作
在操作台除了微机键盘外，还应配有相应的可直接操作控制系统的开关、按钮、扳键等，遇到紧急情况可在操作台直接强制处理，或在控制台可对系统相关部分进行直接操作、实验。
（3）数据保存
如果微机控制系统的数据量大，控制台可增设光盘刻录机、磁带机、u盘口、移动硬盘口等用于扩展存储容量的设备。
（4）远程信息交换
随着计算机网络技术的普及，对微机控制系统实行联网管理的技术渐趋成熟，因此，操作控制台应设置远程信息交换口，随时可使本系统加入到大规模集散系统中。
1.1.3微机控制系统软件
微机控制系统的软件可分为两大类，一类是系统软件，一类是应用软件。
系统软件根据参与控制的微机类型及在系统中的层次不同而不同。
如果工业控制微机为单片机，其系统软件最小结构为监控程序，此外，根据情况可增加系统诊断软件、系统加密软件以及系统的其它管理软件，鉴于这类微机系统容量的局限性，系统程序不宜过大；如果工业控制微机采用PC机，则PC机的系统软件资源只要是对控制系统有利的均可使用，如BIOS、wINDOwS、EDIT、相关语言的编译或解释器等。
工业控制微机以上层次的微机一般通过串行通信或网络通信与下层微机交换信息，它们的系统软件无特殊之处。
应用软件是根据被控对象及系统功能要求来设置的，种类繁多。
从程序的功能看，应用程序可分为监测软件、控制算法程序、控制执行软件、人一机联系程序、外设管理服务程序等类别。
应用程序的设计涉及对被控对象、生产工艺、生产设备、控制要求、控制工具、控制规律等的深人理解。
首先，以工业生产过程中的环节关系、被控对象的变化规律、控制量的计算模型以及控制要求等为依据，综合各种因素和参数确定控制算法与控制功能，然后，根据控制算法和控制功能编写相应的应用软件。
应用统实时性要求。
为了加快系统的开发速度，应尽可能地选用已有的成熟的功能软件模块及软件技术，特别是应用软件要充分使用系统软件中的功能模块。
另外，在不影响系统实时性要求及系统结构的前提下，应尽可能以软件代替实现硬件功能，以降低系统硬件成本开销和缩小系统体积。
只有软件和硬件相互配合，相互促进，才能充分发挥计算机的优势。
1.2计算机控制系统的典型形式
尽管不同被控对象的微机控制系统在原理上有着共同的抽象结构和相似的基本工作过程，但面临不同的被控对象、不同的功能要求、不同复杂程度的生产过程、不同的系统管理方法等，微机控制的应用方法、微机控制系统的结构是不同的。
以下简介几种微机控制的典型应用系统。
1.2.1操作指导控制系统
这种系统每隔一定时问，把测得的生产过程中的某些参数值送入计算机，计算机按生产要求计算出应该采用的控制动作，并显示或打印出来，供操作人员参考。
操作人员根据这些数据，并结合自己的实践经验，采取相应的动作。
在这种系统中，计算机不直接干预生产，只是提供参考数据。
图1.2.1所示为操作指导系统的一般结构。
图1.2.1操作指导系统典型结构图
1.2.2直接式数字控制系统
将计算机得出的控制量直接用于调节生产过程中的被控参数称之为直接数字控制（DirectDigitalControl）系统，简称DDC系统，一般为在线实时闭环控制系统，基本结构如图1.2.2所示。
生产过程中的被控参数或状态信息经检测环节进入输入通道，主机通过接口从输入通道接收这些数字信息，并用既定的方法对数字信息进行处理、加工，按选用的控制规律进行运算决策，将决策结果经接口、输出通道送执行机构调节生产过
图1.2.2DDC系统结构
程中的被控参数或进行控制操作。
在控制过程中控制操作台在主机的控制下进行规定的跟踪显示。
系统的检测、决策及执行必须是实时性的。
检测可以是单路，也可以是多路；可以是模拟对象，也可以是开关对象；可以是非电物理量，也可以是电磁类物理量。
执行对象可以是单个，也可以是多个。
调节参数可以是模拟量，也可以是开关量。
DDC系统的功能可分为四大类，一类是检测输入功能，这类功能与数据采集与处理系统基本相同；二类是运算决策功能，即微机可将采集到的相关数据进行预定控制规律的运算、决策；三类是调节被控参数的执行功能，多体现在功率驱动及其控制方面；四类是操作控制台功能，主要体现于调整被控参数的给定值，工业现场紧急情况的直接处置以及显示、保存和打印采样值，声光报警等。
DDC系统是工业生产计算机控制系统中用得最广泛的一种系统应用形式。
1.2.3监督式计算机控制系统
将DDC系统的被控参数给定值用另外一台计算机根据对工业生产过程相关参数进行检测、分析来产生，这类计算机控制系统称为监督式计算机控制（SupervisoryComputerControl）系统，简称SCC系统，其结构如图1.2.3所示。
由图可知，这类系统为两级微机控制系统。
第一级是DDC系统，微机完成生产过程的直接数字控制。
第二级为SCC系统，微机根据生产过程的工艺信息和预定的给定值计算方法，进行优化分析，产生最优化给定值，送给DDC系统。
SCC级微机承担高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般采用较高档微机。
一台SCC微机可监督控制多台DDC系统，这类系统具有较高的运行性能和可靠性。
有时DDC系统也可用模拟调节器代替，其给定值由SCC计算机提供，详细内容请参阅相关资料。
图1.2.3SCC系统基本结构
1.2.4集散计算机控制系统
集散计算机控制系统是20世纪70年代中期出现的一种综合分散型控制系统TDC（TotalDistributedControlSystem），也称为分级分布式控制系统，简称集散系统，它是计算机、控制、通信和显示等多种技术相结合的产物。
这类系统的设计原则为分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调；系统的一般结构从下到上分为过程控制级、监督控制级、生产管理级和经营管理级等。
图1.2.4为一般性TDC系统基本结构图，控制和管理共分四个层次。
第一层：
DDC系统层，又称装置控制级。
通常一台DDC级微机对应工业生产过程中一个对象控制，因此，这类系统的I）DC级微机多采用单片机系统。
第二层：
SCC系统层，又称车间监控级。
DDC级的控制目标值或给定值由SCC级微机根据生产管理级的命令和通过DDC级获得的生产过程数据进行最优化控制提供，同时SCC级微机还担负着车间内各工作环节的协调任务。
这类系统的SCC级微机一般采用较高性能的PC机，用串行通信方式与DDC级微机交换信息。
图1.2.4一般性TDC系统基本结构
第三层：
生产管理层，又称工厂管理级。
根据经营管理层下达的任务和本厂的情况，制定生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车间的协调，从而可使整条生产线或整个车间达到全自动化的目的。
此外，还要及时将SCC级和DDC级情况向经营管理级汇报。
生产管理层微机与SCC级微机、经营管理层微机采用网络联系。
第四层：
经营管理层，又称企业管理级。
制定长期规划、生产计划、销售计划，发命令到各工厂，并接受各工厂、各部门发回来的信息，实行全企业的总调度。
本级计算机通过网络与厂级计算机联系。
1.2.5现场总线控制系统
（待定）
1.3就算机控制系统的发展概况及趋势
（待定）
升级会员 