1、10電氣（2）班 姓名：陸繼赟 學號：01計算機控制技術及應用一、計算機控制技術應用和發展 在近10多年里，計算機技術得到了極大的發展和完善；無論是在系統硬件成本，還是在計算速度和存貯容量方面都取得了很大的進步。特別是面向用戶的編程語言也大大簡化了。同時，由于采用了更多的可靠元件、尖端的設計工藝，增加了容錯技術、冗余診斷程序，系統的可靠性也得到較大的提高；傳統的過程控制功能與諸如生產計劃、調度、優化及操作控制等實時信息處理和決策應用的不斷滲透、融合，使通過高級計算機控制實現各種過程高性能目標的手段變得越來越可靠和更為強勁有力；功能價格比也日趨合理。因而，使計算機控制在工業中的應用得到了迅猛的發

2、展，而且正越來越廣泛地應用于石油、化工、鋼鐵、造紙、電力等工業部門，并在提高設備處理能力和生產效率、產品質量；有效利用能源(水、人力、材料等資源)，滿足環保、人身安全等嚴格要求及在日益激烈的國內外市場競爭中，發揮著舉足輕重的作用。 二、（一）、計算機控制技術的概述1、計算機控制的概念（1）開環控制系統若系統的輸出量對系統的控制作用沒有影響，則稱該系統為開環控制系統。在開環控制系統中，既不需要對系統的輸出量進行測量，也不需要將它反饋到輸入端與輸入量進行比較。（2）閉環控制系統凡是系統的輸出信號對控制作用能有直接影響的系統都叫作閉環控制系統，即閉環系統是一個反饋系統。閉環控制系統中系統的穩定性是一

3、個重要問題。2、計算機控制系統采用計算機進行控制的系統稱為計算機控制系統，也稱它為數字控制系統。若不考慮量化問題，計算機控制系統即為采樣系統。進一步，若將連續的控制對象和保持器一起離散化，那么采樣控制系統即為離散控制系統。所以采樣和離散系統理論是研究計算機控制系統的理論基礎。3、計算機控制系統的控制過程（1）實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行數據分析和處理，并按已定的控制規律決定進一步的的控制過程。（3）實時控制：根據控制決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。4、計算機控制系統的特點（1）結構上。計算機控制系統中

4、除測量裝置、執行機構等常用的模擬部件之外，其執行控制功能的核心部件是數字計算機，所以計算機控制系統是模擬和數字部件的混合系統。（2）計算機控制系統中除仍有連續模擬信號之外，還有離散模擬、離散數字等多種信號形式。（3）由于計算機控制系統中除了包含連續信號外，還包含有數字信號，從而使計算機控制系統與連續控制系統在本質上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設計。（4）計算機控制系統中，修改一個控制規律，只需修改軟件，便于實現復雜的控制規律和對控制方案進行在線修改，使系統具有很大靈活性和適應性。（5）計算機控制系統中，由于計算機具有高速的運算能力，一個控制器（控制計算機）經常可以采用分時控制的方式而同

5、時控制多個回路。（6）采用計算機控制，如分級計算機控制、離散控制系統、微機網絡等，便于實現控制與管理一體化，使工業企業的自動化程度進一步提高 。5、計算機控制系統的組成計算機控制系統主要由硬件和軟件兩大部分組成，而一個完整的計算機系統應由下列幾部分組成：被控對象、主機、外部設備、外圍設備、自動化儀表和軟件系統。（1）硬件：a) 由中央處理器，時鐘電路，內存儲器構成的計算機主機是組成計算機控制系統的核心部分。 b) 通用外圍設備按功能可分為輸入設備、輸出設備和外存儲器三類。 c) 過程通道，又稱過程通道。 d) 通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中斷管理、直接存取DMA管理、

6、計數/定時等）。 e) 傳感器的主要功能是將被檢測的非電學量參數轉變成電學量。變送器的作用是將傳感器得到的電信號轉變成適用于計算機借口使用的標準的電信號（如）。 f) 計算機控制系統一般要有一套專供運行操作人員使用的控制臺稱為運行操作臺，操作臺一般包括各種控制開關、數字鍵、功能鍵、指示燈、聲信器、數字顯示器或顯示器等。（2）軟件：軟件是指計算機控制系統中具有各種功能的計算機程序的總和，如完成操作、監控、管理、控制、計算和自診斷等功能的程序。整個系統在軟件指揮下協調工作。從功能區分，軟件可分為系統軟件和應用軟件。（二）集成系統控制 計算機技術的不斷發展，使計算機系統的數據采集、處理、存貯、高速執

7、行復雜計算任務、調整系統需求等能力得到了充實和加強。計算機控制系統已能實現如信息處理、數據采集、過程控制、在線優化、甚至實時調度、生產計劃等操作控制功能，這使集成系統控制的引入成為可能。這樣，就可將影響工廠生產效能的所有因素(包括耦合交互作用、系統復合反饋回路選擇等)納入系統的一體化考慮之中，從而取得全廠最優總體性能效果。集成系統控制最早是應用在日本的鋼鐵工業上，并且獲得了極大的成功、表現在： 提高了處理機的工作效率和全廠生產率 提高了對能源、稀有材料、人力的有效利用， 有效地滿足了各種苛求技術要求和環保需求； 有較好的時變適應性； 能安全地適應各種突發事件； 能有效、及時地更新系統狀態。（三

8、）、遞階控制或稱多級控制和分層控制 隨著生產處理過程的日趨復雜，集成系統控制已無法滿足如非線性、時變動態特性等要求；而遞階控制卻能通過提供合理的系統程序，有效地解決這些問題。具體講，它是超過將控制總體問題(大問題)分解成若干個易于解決的子問題(小問題)；并通過一個較為高級的控制器來進行子問題的協調處理、以保證與總體目標和需求的一致性。 由此，可以從理論上推出以下兩種控制結構，即：多層控制(分層控制)結構(垂直分解式)和多級(分級)控制結構(水平分解式) 多層控制方式具有直接控制、監督控制、適應控制和自組織控制四大控制功能。 第一層，直接控制層：主要包括數據采集，事件監督和直接控制三個子功能。

9、第二層：監督控制層：負責對第一層執行的立即目標或任務進行定義。通常情況下，根據假定的算術模型去實現對各目標的控制；在緊急情況下，則是通過特定的應急程序去完成對不同目標的有序處理 第三層，適應控制層：主要對第一、二層采用的各種算法進行更新處理。 第四層，自組織控制層：負責對下層相關的算法抉擇進行處理。 以上決策都是圍繞著性能總體目標這一中心進行的。 在分級控制方式中，總體規劃系統則被分解成若干個子系統，每一個子系統都配置一個獨立的局部控制器，其中： 一級控制器負責對局部擾動進行補償； 二級控制器則負責對一級控制器的判據或限制需求進行修正，以響應系統變化，保證局部控制器動作與系統總體目標一致。 實

10、際上，子系統問題是在一級控制中解決的。但是，由于子系統是耦合的，且交互作用的，因此，除非所有交互作用需求能同時得到滿足，否則，這些控制方案都是毫無意義的，這將由二級控制協調解決。 四、基于微處理器的分散控制 分散控制系統正越來越廣泛地應用于過程工業，其中，Foxboro SPECTRUM、Honeyweil TDC3000、Bailey network90、Siemens SIMATAC和Toshiba TOSDIC等分散型控制系統是較為典型的產品。 這些系統具有以下共同技術特點： 采用基于微處理器元件的模塊化和積木式設計工藝，具有設計靈活、修正方便等特點。 具有彩色圖形以及集中顯示功能的操作

11、員接口，能對工廠操作過程、從單個回路操作到全面運行狀態進行訪問。 能為處理單元和微處理控制器，控制器單元之間的通信提供高速數據公路。 通過采用冗余元件、故障檢測技術和自診斷技術，實現系統的高可靠性。 目前，事務系統仍處于不斷發展之中，其主要趨勢有： 繼電功能與邏輯功能，包括可編程邏輯控制器PLC技術與傳統的過程控制技術的結合； 通信網絡進一步擴展，針對工廠控制體系的上層決策用全局數據庫已經引入； 通用微機(如IBM PC)與專用系統的結合。 現代分散型控制系統的應用，能簡化和加速新型控制系統的設計與實施，更利于系統操作和系統維護，通過更為有效的人機聯系，能為操作員提供更多的系統命令，能進一步提

12、高系統可靠性。 （四）、過程診斷 計算機控制和系統集成技術的發展，使控制系統規模越來越龐大而且復雜，因此，也更易受到突發事件，比如處理條件的異常變化，控制計算機的故障或者通信鏈路及傳感器的失效等的影響。因而，如何使系統設計更為可靠和耐用就顯得尤其重要了。對于這些問題，傳統的方法是通過來用超可靠性元件、關鍵系統部件冗余技術和保留設計工藝來解決的。但隨著工廠集成化的進展，這些方法已顯得無能為力、且成本開銷也相當高。因此，將系統設計成為一個能有效地保證可靠性、安全性、故障弱化的運行機構是相當重要的。過程診斷能為操作員提供故障檢測、故障診斷等手段，以便能及時進行故障維修。因此，今后發展的一個方向就是如

13、何使計算機能自動完成各種必要的修正動作。 過程診斷技術目前主要應用于電力和化工工業。 （五）、傳感器開發 系統的控制能力原則上要受到控制系統信息質量的限制。目前，已經開發出了各種類型的傳感器，應用于工業過程通用物理量、如壓力、流通、溫度、速度的在線測量；但是，在進行化學成分，產品質量檢測分析時，傳感器則會受到過程環境的測量費用、精度、響應速度、適用性等各因素的限制。因此，新型傳感器的開發，則成了生產廠家和用戶致力于的一項研究活動。歸納起來，這類開發工作主要集中于以下三方面： （1)新興物理原理和物理特性的應用。如：化學濃度測量用離散固態元件的開發。 (2)智能傳感器的開發，指帶一個或多個傳感元

14、件的微處理器。它主要應用于過程變量值的計算；對輸出數據進行篩選、線性化及離散處理；自動校驗處理，提高測量精度及可靠性。 (3)測量系統：是智能傳感器的發展，但增加了計算機、多個傳感器及傳感器定位伺服機構。 目前這種系統正越來越廣泛地用于產品質量檢測與控制等方面。 （六）、高級控制技術 現在，已經應用于工業領域的一些高級控制方式有： （1)建立于內在模型基礎上的內模控制(IMC)，根據控制過程的動態模型，對系統控制動作的響應情況進行預測和控制，選擇出最優處理手段，以滿足目標需求；以此為基礎，還可推出如應用于化學、石油工業過程的動態矩陣控制、推斷控制等其它高級控制方式。 (2)狀態反饋控制和卡爾曼

15、濾波控制。 (3)自適應及自整定控制：它通過更新控制器參數，改變過程特性，能有效擴大直接控制功能的應用范圍。 （七）、制造系統 同過程類控制系統一樣，制造系統的發展也是令人可喜的，以前所提及的如：問題、目標和控制概念基本上都是直接應用到制造系統的，更廣泛地說，是應用到離散事件類控制系統。但值得注意的是，由于引入了自動化制造工具、柔性制造工藝、適時策略及少量的在線存貯設備和機器人，現在的制造系統已經具備了進行更高級操作處理的能力。但是，這也使其操作處理更依附于計算機控制系統，因為唯有這樣，才能實現全廠系統的有效集中控制。這個問題已經成了今后面臨的又一大新研究課題。 （八）、專家系統 專家系統作為一種新興的控制技術，已引起人們廣泛的興趣和關注，它能相當大程度地擴大工業系統控制計算機的有效性及適用方面，可應用于自適應控制、過程診斷、生產調度、計算機輔助設計、智能傳感器自動檢測以及批量過程處理等諸多方面。具有以下特點和屬性: 能提高控制系統的有效度 擴大自動控制應用領域； 利于系統設計、啟動、新知識、新條件、更新處理； 能提高系統的總體可靠性。 專家系統也被稱為是一種機器或計算機程序，因為它能模擬技術專家思維，靈活地進行各種規定動作的處理。它由一個知識庫(包含決策知識和決策