工业计算机控制技术.docx
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工业计算机控制技术
第1章计算机控制系统概述
随着科学技术的进步和发展，计算机在自动控制领域中得到了广泛的应用。
计算机控制是计算机技术与自动控制理论及自动化技术紧密结合并应用于实际的结果。
它在现代化的工、农、医、国防等领域发挥着越来越重要的作用。
本书将侧重应用的角度讨论计算机控制系统的基本工作原理、基本工作方式以及总线技术、输入输出接口技术、数据采集技术、控制策略、软件技术、系统的工程实现以及计算机集散控制系统等。
为使读者拓宽知识面，本书还介绍了近年来新发展起来的与计算机控制有关的一些先进技术，如现场总线技术以及计算机集成制造系统等。
（是否其中一个改为顿号，这样两个连在一起不太好，请根据关系的远近修改）
1.1计算机控制系统的概念、组成与特点
1.1.1计算机控制系统概述
人们用计算机取代了常规的控制设备，从而形成了计算机控制系统。
所以，计算机控制系统的基础是自动控制技术和计算机技术，应当从自动控制技术的发展情况和计算机技术向控制领域的渗透两个方面进行了解。
（第一段删除了开头的“如前所述”）
在古代，中国和外国都出现过一些自动控制装置的雏形。
（此处删了一句话，即由于介绍这方面情况的材料很多，不必赘述。
）真正得到广泛应用的是18世纪的锅炉供水的水位调节装置和蒸汽机转速调节器。
19世纪初，人们设计出一些自动控制系统，但这些成就主要依靠直观的创造发明，缺少理论的分析和描述。
19世纪中后期，人们才开始用微分方程描述控制系统的运动情况。
第二次世界大战期间及其战后，由于工业和军事的需要，自动控制理论和实践得到了飞速发展，飞机自动驾驶仪、大炮位置控制系统、雷达天线控制系统和其他一些以反馈控制方法为基础的军用装备系统得到了发展。
在工业上，出现了各种用于控制生产过程的基地式调节仪表，并逐步发展成单元组合式仪表，由气动、液压仪表过渡到大量使用电动调节仪表，这些都是实现计算机控制的良好基础。
世界上第一台电子计算机于1946年在美国问世，经过10多年的研究，到20世纪50年代末已经将计算机用于过程控制。
例如，美国德克萨斯州的一个炼油厂，从1956年开始与美国的航天工业公司TRW合作进行计算机控制的研究。
到1959年，已经将RW－300计算机用于控制聚合装置。
该系统控制26个流量、72个温度、3个压力、3种成分。
其功能是使反应器压力最小，确定5个反应器进料量的最优分配，根据催化作用控制热水流量和确定最优循环。
（超过4以上包括4，都要阿拉伯数字，下同）
由于计算机控制方面的上述开创性工作，使计算机逐步渗入到各行各业中。
在渗入过程中，既有高潮，也有由于某些失败项目的阴影，而进入低潮。
但是，最终还是逐步进入成熟期，从理论分析、系统设计，到工程实践都有一整套方法。
从工作性质上来看，计算机逐步由早期的操作指导控制系统转变为直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）。
操作指导控制系统仅仅向操作人员提供反映生产过程的数据，并给出指导信息，而直接数字控制可以完全替代原有的模拟控制仪表，由计算机根据生产过程数据，对生产过程直接发出控制作用。
20世纪60年代，由于集成电路技术的发展，计算机技术也有了很大发展，计算机的体积缩小、运算速度加快、工作可靠、价格便宜。
60年代后期，出现了适合工业生产过程控制的小型计算机（Minicomptuter），使规模较小的过程控制项目也可以考虑采用计算机控制。
70年代，由于大规模集成电路技术的发展，1972年出现了微型计算机。
微型计算机具有价格便宜、体积小、可靠性高等优点，使计算机控制由集中式的控制结构（是否改为有，要不句子不完整），也就是用一台计算机完成许多控制回路的控制任务，转变成分散控制结构。
人们设计出以微型计算机为基础的控制装置。
例如，用于控制8个回路的“现场控制器”，用于控制一个回路的“单回路控制器”等。
它们可以被“分散”安装到更接近于测量和控制点的地方。
这一类控制装置都具有数字通信能力，它们通过高速数据通道和主控制室的计算机相连接，形成分散控制、集中操作和分级管理的布局。
这就是“分散控制系统”（DistributedControlSystems，DCS）。
对DCS的每个关键部位都可以考虑冗余措施，保证在发生故障时不会造成停产检修的严重后果，使可靠性大大提高。
许多国家的计算机和仪表制造厂都推出了自己的DCS，如美国Honeywell公司的TDC一2000和新一代产品TDC一3000，日本横河公司的CENTUM等。
现在，世界上几十家公司生产的DCS产品已有50多个品种，而且有了几代产品。
除了在过程控制方面计算机控制日趋成熟外，在机电控制、航天技术和各种军事装备中，计算机控制也日趋成熟，得到了广泛的应用。
例如，通信卫星的姿态控制，卫星跟踪天线的控制，电气传动装置的计算机控制，计算机数控机床，工业机器人的姿态，力、力矩伺服系统，射电望远镜天线控制，飞行器自动驾驶仪等。
在某些领域，计算机控制已经成为该领域不可缺少的因素。
例如，在工业机器人的控制中，不使用计算机控制是无法完成控制任务的。
在射电望远镜的天线控制系统中，由于使用了计算机控制，引入了自适应控制等先进控制方法而大大提高了控制精度。
从80年代后期到90年代，计算机技术又有了飞速的发展，微处理器已由16位发展到32位，并且进一步向64位过渡。
高分辨率的显示器增强了图形显示功能。
采用多窗口技术和触摸屏调出画面，使操作简单，显示响应速度更快。
多媒体技术使计算机可以显示高速动态图像，并有音乐和语音，增强显示效果。
另一方面，人工智能和知识工程方法在自动控制领域得到应用，模糊控制、专家控制、各种神经元网络算法在自动控制系统中同样得到应用。
在故障诊断、生产计划和调度、过程优化、控制系统的计算机辅助设计、仿真培训和在线维护等方面也愈来愈广泛使用知识库系统（KBS）和专家系统（ES）。
90年代随着分散控制系统的广泛使用和工厂综合自动化的要求，对各种控制设备提出了很强烈的通信需求，要求计算机控制的核心设备，如工业控制计算机、现场控制器、单回路调节器和各种可编程控制器（PLC）之问（应该是之间，您肯定是用五笔输入法，所以其他处，尤其是一些专业等问题，您可以注意）具有较强的通信能力，使它们能很方便地构成一个大系统，实现综合自动化的目标。
这就是在自动化技术、信息技术和各种生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂的全部生产活动所需要的信息和各种分散的自动化系统实现有机集成，形成能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。
这种系统在连续生产过程中被称为计算机集成生产／过程系统（ComputerIntegratedProduction／ProcessSystem，CIPS）。
与此相对应的，在机械制造行业，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）。
可以预见，在计算机技术、自动控制技术、通信技术（Computer、Control、Communication，3C技术）不断发展和紧密结合的驱动下，计算机控制技术将会突飞猛进，以崭新的面貌出现在我们的面前。
1.1.2计算机控制系统组成
计算机在控制领域中的应用，有力地推动了自动控制技术的发展，扩大了控制技术在工业生产中的应用范围，特别是使大规模的工业生产自动化系统发展到了崭新的阶段。
计算机控制系统是由计算机（通常称为工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。
在工业控制领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。
图1.1（a）示出了按偏差进行控制的闭环控制系统。
在控制系统中为了得到控制信号，要将被控参数与给定值进行比较，然后形成误差信号。
控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零，从而达到使被控参数趋于或等于给定值的目的。
在这种控制系统中，被控量是系统的输出，被控量又反馈到输入端，与输入量（给定值）相减，所以称之为按误差进行控制的闭环控制系统。
从图1.1（a）可知，该系统通过测量元件对被控参数（如温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量，由变换发送单元将被测参数变成一定形式的电信号，反馈给控制器。
控制器将反馈回来的信号与给定信号进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号并驱动执行机构工作，使被控参数与给定值保持一致。
图1.1（b）是开环控制系统。
与闭环控制系统不同，它不需要被控对象的反馈信号，控制器直接根据给定值去控制被控对象工作。
这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的误差。
与闭环控制系统相比，其控制性能显然要差。
由图1.1可见，自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工和比较。
这些功能是由检测、变换发送装置、控制器和执行机构来完成的。
其中控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系统的控制性能和应用范围。
若将图1.1中的控制器的功能用计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1.2所示。
如果计算机是微型计算机，就称之为微型机控制系统。
简单说来，计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统。
在一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件电路产生的，要改变控制规律就要更改硬件电路。
而在计算机控制系统中，控制规律是用软件实现的，计算机执行预定的控制程序，就能实现对被控参数的控制。
因此，要改变控制规律，只要改变控制程序就可以了。
这就使控制系统的设计更加灵活方便。
特别是可以利用计算机强大的计算、逻辑判断、记
忆和信息传递能力，实现更为复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控制、自适应控制、自学习控制及智能控制等。
在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字量，因此这样的系统需要将模拟量变成数字量的A／D转换器，以及将数字量转换成模拟量的D／A转换器。
计算机控制系统的控制过程一般可归纳为两个步骤。
①实时数据采集。
对被控参数的瞬时值实时采集，并输入计算机。
②实时决策控制。
对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按已确定的控制规律决定进一步的控制过程，适时地向执行机构发出控制信号。
以上过程不断重复，使整个系统能按照一定的动态品质指标工作。
此外，计算机控制系统还应该能对被控参数和设备本身可能出现的异常状态进行及时监督和处理。
控制过程的两个步骤主要由计算机完成，虽然计算机实际上只进行算术、逻辑操作和数据传递等工作。
下面以啤酒罐计算机温度控制系统为例来说明计算机控制系统的重要组成部分。
在工业生产中，啤酒罐计算机温度控制系统为多点温度控制系统，系统如图1.3所示。
啤酒罐的温度要求多点控制，各点温度由铂电阻、恒流源、放大器等构成的测量电路转换成电压信号，由多路开关、采样保持器巡回检测，各点温度经A／D转换器变成数字量送到计算机与给定值进行比较后，按照一定的规律运算，输出控制量，然后经过A／D转换器、保持器、执行机构分别控制啤酒罐相应各点的温度。
（漏了图1－3了，所以您全书稿交稿之前，一定一一对应检查，图、表都要落实，若是图不好做，您就额外用笔、纸处理，给我邮递过来，但一定要对应。
）
从图1.3可知，在计算机控制系统中，计算机不但要完成原来由模拟调节器完成的控制任务，而且还应充分发挥其优势，完成更多模拟调节器不可能完成的任务，从而使控制系统的功能更趋于完善。
一般地，计算机在控制系统中至少起到以下3个作用。
①实时数据处理。
对来自测量变送装置的被控变量数据的瞬时值进行巡回采集、分析处理、性能计算及显示、记录、制表等。
②实时监督决策。
对系统中的各种数据进行越限报警、事故预报与处理，根据需要进行设备自动启停，对整个系统进行诊断与管理等。
③实时控制及输出。
根据被控生产过程的特点和控制要求，选择合适的控制规律，包括复杂的先进控制策略，然后按照给定的控制策略和实时的生产情况，实现在线、实时控制。
1.1.3计算机控制系统特点及优点
1.计算机控制系统的特点
相对连续控制系统而言，计算机控制系统的主要特点可以归纳为以下几点。
（1）系统结构特点
计算机控制系统必须包括有计算机，它是一个数字式离散处理器。
此外，由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的，因此，还必须加入信号变换环节（如A/D及D/A变换器）。
所以，计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统。
（此字多余，两个动词，包括，有）
（2）信号形式上的特点
连续系统中各点的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统有多种信号形式，由于计算机是串行工作的，必须按一定的采样间隔（称为采样周期）对连续信号进行采样，将其变为在时间上断续的信号才能进入计算机。
所以，它除了有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式，是一种混合信号形式系统。
（3）系统工作方式上的特点
在连续控制系统中，控制器通常都是由不同的电路构成，并且一台控制器仅为一个控制服务。
在计算机控制系统中，一台计算机可同时控制多个被控量或被控对象，即可为多个控制回路服务。
每个控制回路的控制方式由软件来形成。
同一台计算机乐意采用串行或分时并行方式实现控制。
（改成“可以”，不能口语化）
2.计算机控制系统具有的优点
尽管连续控制系统具有可靠、电路简单、维护方便等特点，由其组成的常规仪表在工业生产中已获得了广泛的应用，但随着科学技术的发展，现代工业生产对自动化的要求越来越高，这种常规连续控制系统的应用受到了极大的限制，已难以实现多变量复杂的控制，难于实现自适应控制等。
与连续系统相比，计算机控制系统除了能完成常规连续控制系统的功能外，还表现了如下一些独特的优点。
（1）运算速度快、控制精度高
由于计算机的运算速度快、精度高，具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力，因此能实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及自学习等，从而可达到较高的控制质量。
（2）性能价格比值高
尽管一台计算机最初投资较大，但增加一个控制回路的费用却很少。
对于连续系统，模拟硬件的成本几乎和控制规律复杂程度、控制回路多少成正比；而计算机控制系统中的一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此它的性能价格比值较高。
（3）可实现柔性控制
由于计算机控制系统的控制规律是由软件实现的，并且计算机具有最强大的记忆和判断功能，所以，极易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能，因此它的适应性强，灵活性高。
此外，计算机是一种可编程的智能元件，易于修改系统功能和特性，便于构成一种柔性（弹性）系统。
（4）体积小、重量轻、成本低
随着微电子技术的发展，大规模集成电路的出现，计算机体积减小、重量轻、成本下降。
与连续控制系统相比，计算机控制系统也有一些缺点与不足。
例如，抗干扰能力较低，特别是由于系统中插入数字部件，信号复杂，给设计实现带来一定困难。
但全面比较起来，随着对自动控制系统功能要求的不断提高，计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。
现代的控制系统不管是简单的还是复杂的，几乎都是采用计算机进行控制的。
1.2计算机控制系统的典型结构
计算机应用于工业过程控制有各种各样的结构和形式，实现各自不同的功能。
若只按照计算机参与控制的形式，计算机控制系统可分为开环控制与闭环控制两大类；若根据系统采用的控制规律，可分为顺序控制、常规控制（如PID控制）、高级控制（或称先进控制，如最优控制、自适应控制、预测控制等）、智能控制等若干类；若根据系统的应用及结构特点，则可将计算机控制系统大致分成计算机巡回检测和操作指导系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统及生产集成控制系统等几类。
1.2.1计算机巡回检测和操作指导系统
生产过程中有大量的过程参数需要测量和监视，这些参数并完成必要的数据处理任务便是巡回检测系统的任务。
这是计算机应用于工业生产过程最早和最简单的一类系统。
若在此基础上，系统能根据反映生产过程工况的各种数据，由某种给定的性能指标与控制策略，通过对现场数据的处理、分析与计算，相应地给出操作指导信息供操作人员参考，便称之为操作指导系统，其结构见图1.4。
（此红字对否？
）
从图1.4可见，这种系统是一种开环系统。
操作人员通过控制仪表对生产过程进行控制。
过程参数经测量变送器、过程输入通道，定时地被送入计算机，由计算机对来自现场的数据进行分析和处理后，根据一定的控制规律或管理方法进行计算，然后通过CRT或打印机输出操作指导信息。
这类系统中，计算机的作用是采集大量生产数据，并对这些数据进行处理和复杂的计算，输出计算结果，用于指导人们对生产过程的操作和控制。
这种系统的优点是可以用于试验新方案、新系统。
如在实施计算机闭环控制之前，先进行这种开环控制的试运行，可以考核计算机工作的正误，还可以用于试验新的数学模型和调试新的控制程序。
其缺点是仍需要人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。
1.2.2计算机直接数字控制系统（去掉括号中的DDc系统了，是否此系统两个字多余？
我社规定，尽量不再三级标题以上用括号标注，可以在下面的第一段话中加入，下同）
在计算机直接数字控制系统（DDC）中，计算机通过过程输入通道（模拟量输入通道AI或开关
量输入通道DI）对多个被控生产过程进行巡回检测，根据给定值、该回路实时采集值，按预定的
控制算法计算出相应的输出控制量，经过程输出通道直接去控制执行机构，将各被控变量保持在给定值上。
计算机直接数字控制系统框图如图1.5所示。
在这种系统中，计算机不仅完全取代了模拟调节器而直接参与闭环控制，而且只要通过改变控
制程序即可实现一些较复杂的控制规律：
它还可以与计算机监督控制系统结合起来构成分级控制系统，实现最优控制；同时也可作为计算机集成控制系统的最底层——直接过程控制层，与过程监控层、生产调度层、企业管理层、经营决策层等一起实现工厂综合自动化。
计算机直接数字控制是计算机控制系统的一种最典型的形式，在工业生产过程中得到了非常广泛的应用。
还有一种常见的系统是计算机顺序控制，即计算机按照预先确定的操作顺序和操作方法，根据生产工艺流程的进程（或在满足某些规定的条件时）依次地输出操作信息。
比如发电厂的锅炉、汽轮机、发电机的起动阶段和停止阶段，冶金工业中高炉炼铁、转炉炼钢及各种轧制过程都是十分复杂的顺序操作过程。
1.1.3计算机监督控制系统（括号内移位了）
计算机监督控制系统（（SupervisoryControl，SCC）通常采用两级控制形式，其框图如图1.6所示。
所谓监督控制，指的是根据原始的生产工艺数据和现场采集到的生产工况信息，一方面按照描述被控过程的数字模型和某种最优目标函数，计算出被控过程的最优给定值，输出给下一级DDC系统或模拟调节器；另一方面对生产状况进行分析，作出故障的诊断与预报。
所以SCC系统并不直接控制执行机构，而是给出下一级的最优给定值，由它们去控制执行机构。
当下一级采用DDC系统时，其计算机（称为下位机）完成前面所述的直接数字控制功能。
SCC计算机（称为上位机）则着重于满足某个最优性能指标（包括控制规律和在线优化条件等）的修正与实现，它可以看成是操作指导与DDC系统的综合与发展。
SCC控制系统的主要优点是：
它在计算时可以考虑许多常规调节器不能考虑的因素，如环境温度和湿度对生产过程的影响；可以进行过程操作的在线优化，始终如一地使生产过程在最优状态下运行；可以实现先进复杂的控制规律，满足产品的高质量控制要求；可以进行故障的诊断与预报，可靠性好。
值得注意的是，生产过程的数学模型往往是监督控制系统能否实现及运行好坏的关键之一。
目前，这种控制方式已越来越多地被应用于较为复杂的工业过程及设备的控制中。
由于计算机DDC系统中的计算机直接与生产过程相连并承担控制任务，一台计算机往往要控制几个或几十个回路，而工业现场环境恶劣，干扰多，所以一方面要求DDC计算机可靠性高，实时性好，抗干扰能力强，能独立工作；另一方面必须采取抗干扰措施来提高整个系统的可靠性，使之能适应各种工业环境，并合理设计应用软件。
所以一般选用微型机和工控机作为DDC级的计算机。
而SCC级承担先进控制、过程优化与部分管理的任务，信息存储量大，计算任务繁重，要求有较大的内存与外存和较为丰富的软件，故一般要选用高档微型机或小型机作为SCC级计算机。
1.1.4分级控制系统
工业生产是由分工明确\组织精细的各个生产单位组成的联合体（此处斜杠表示什么意思？
对否？
多余）,它的基层是生产装置。
生产装置的上面有车间、生产工厂、工业公司等各级组织。
它们既能进行生产的控制，也进行各项管理工作。
如市场需求信息的获取，企业经营方面的决策管理，企业内部生产的规划调度，各种原材料的供应等。
人们往往使用不同功能、不同档次的计算机协调工作，组成分级控制系统（HierarchicalControl，HC）。
如图1.7所示。
1.2.4计算机集散控制系统
计算机集散控制系统（DCS），又称分布或分散控制系统，近二十年来发展十分迅速。
它以微处理机为核心，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。
DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
世界上许多国家（包括我国）都已大批量生产各种型号的集散控制系统。
虽然它们型号各异，但其结构和功能大同小异，都是由以微处理机为核心的基本数字控制器、高速数据通道、CRT。
操作站和监督计算机等组成，其结构框图如图1.8所示。
集散控制系统有许多优点，比较突出的一点是提高了系统的可靠性和灵活性。
在计算机控制应用于工业过程控制初期，由于计算机价格高，所以采用的是集中控制方式，以充分利用计算机。
但这种控制方式任务过分集中，一旦计算机出现故障，就要影响全局。
DCS由若干台微机（改成计算机）分别承担任务，从而代替了集中控制的方式，将危险性分散。
并且DCS是积木式结构，构成灵活，易于扩展；系统的可靠性高；采用CRT显示技术和智能操作台，操作、监视方便；采用数据通信技术，处理信息量大；与计算机集中控制方式相比，电缆和敷缆成本较低，便于施工。
1.2.5现场总线控制系统
20世纪80年代发展起来的DCS尽管给工业过程控制带来了许多好处，但由于它们采用了“操作站一控制站一现场仪表”的结构模式，所以系统成本较高，而且各厂家生产的DCS各有标准，不能互连。
现场总线控制系统是近几年才出现的新一代分布式控制系统结构。
它采用了不同于DCS的“工作站一现场总线智能仪表”的结构模式，降低了系统总成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正意义上的开放式互连系统结构，因此它是一种正在发展中的很有前途的控制系统。
1.3计算机控制系统应用举例
如今，在过程控制、机电控制、伺服系统及雷达天线、舰船、飞行器、人造卫星等各种控制系统中都已经使用了计算机控制。
本节介绍一些简单的例子。
由计算机控制的简单回路结构，已在图1.2中介绍了。
反馈控制使用的情况大多相同，所以下面的例题，只需要介绍一下被控对象就行了。
【例1.1】工业炉控制。
图1.9介绍了工业炉控制的典型情况，其燃料为燃料油或瓦斯。
为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。
图中描述了燃料和空气的比值控制过程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。
为了保持所需的炉温，将测得的炉温送人计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。
（入，下同，所以您应该注意五笔输入法输字的正误）
为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，必须采用压力控制回路。
测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度（对否？
）。
此外，为了提高炉子的热效率，还须对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制。
【例1.2】计算机用作顺序控制的例子
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