第九章計算機控制系統第1頁，課件共47頁，創作于2023年2月●掌握計算機控制系統的組成原理?知識點：●了解計算機控制系統的應用類型●掌握集散控制系統的基本組成●掌握計算機控制系統的信號處理原理●掌握計算機控制系統的輸入、輸出通道的組成第2頁，課件共47頁，創作于2023年2月1.1計算機控制系統的組成?計算機控制系統是用計算機(通常稱為工業控制計算機)來實現工業過程自動控制的系統。什么是自動控制?自動控制系統由哪些部分組成?1.1.1基本概念第3頁，課件共47頁，創作于2023年2月設定值控制器D/A執行機構被控對象A/D計算機被控變量+計算機閉環控制系統結構圖執行機構第4頁，課件共47頁，創作于2023年2月計算機控制系統的工作原理(1)實時數據采集對測量變送裝置輸出的信號經A/D轉換后進行處理。(2)實時控制決策

對被控變量的測量值進行分析、運算和處理，并按預定的控制規律進行運算。(3)實時控制輸出實時地輸出運算后的控制信號，經D/A轉換后驅動執行機構，完成控制任務。上述過程不斷重復，使被控變量穩定在設定值上。可歸納為以下三個步驟：什么是實時控制?第5頁，課件共47頁，創作于2023年2月生產過程工業控制機圖1.2計算機控制系統的組成框圖生產過程指按生產過程控制的特點和要求而設計的計算機它包括硬件和軟件兩部分。包括被控對象，測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。1.1.2硬件系統第6頁，課件共47頁，創作于2023年2月接收輸入的指令和工業對象的信息，向系統各部分發送命令和數據。包括顯示操作臺、屏幕顯示器(CRT)或數碼顯示器、鍵盤、打印機、記錄儀等。從被控對象采集的模擬量或數字量信號轉換為計算機能夠接收的數字量生產過程包括被控對象，測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。圖1.2計算機控制系統的組成框圖包括磁盤、光盤、磁帶，主要用于存儲大量的程序和數據。將計算機的處理結果轉換成可以對被控對象進行控制的信號。第7頁，課件共47頁，創作于2023年2月

工業控制機硬件：硬件是指計算機本身及外圍設備。

計算機硬件過程輸出接口計算機過程輸入接口存儲器人機接口第8頁，課件共47頁，創作于2023年2月軟件是指能完成各種功能的計算機程序的總和.軟件系統軟件應用軟件是專門用來使用和管理計算機的程序，包括操作系統、監控管理程序、語言處理程序和故障診斷程序等。應用軟件是用戶根據要解決的實際問題而編寫的各種程序。1.1.3軟件系統第9頁，課件共47頁，創作于2023年2月計算機控制系統分級控制系統數據采集系統直接數字控制系統現場總線控制系統集散型控制系統1.2計算機控制系統的應用類型計算機監督控制系統根據應用特點、控制功能和系統結構，計算機控制系統主要分為六種類型第10頁，課件共47頁，創作于2023年2月1.2.1數據采集系統計算機承擔數據的采集和處理工作。數據采集系統對生產過程各種工藝變量進行巡回檢測、處理、記錄以及變量的超限報警。同時對變量進行累計和實時分析。第11頁，課件共47頁，創作于2023年2月 采用計算機代替模擬儀表控制，只要改變程序就可以對控制對象進行控制，因此計算機可以控制幾百個回路，并可以對上下限進行監視和報警。工業生產現場環境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計算機的可靠運行。因此，必須采取抗干擾措施。1.2.2直接數字控制系統（DDC）第12頁，課件共47頁，創作于2023年2月1.2.2直接數字控制系統（DDC）（a）（b）第13頁，課件共47頁，創作于2023年2月計算機通過過程輸入通道對變量作巡回檢測1.2.2直接數字控制系統（DDC）根據變量，按照一定的控制規律進行運算其結果經過輸出通道，作用到控制對象。模擬量輸入微型計算機模擬量輸出生產過程數字量輸入數字量輸出顯示打印磁盤磁盤第14頁，課件共47頁，創作于2023年2月儲酒罐測控裝置

一、概述

儲酒罐測控裝置可滿足大多數葡萄酒廠的陳釀工藝。該裝置以智能儀表為核心，隨時對儲酒罐進行監測，儀表支持RS485總線通訊，方便組成基于計算機的監控系統。

二、功能與特點

該裝置以公司開發的DMC智能儀表為核心，配以傳感器、控制器等組成。各酒罐被視為獨立測控對象，一罐一表，具有相對獨立的可靠性。DMC智能儀表還具有傳感器開路檢測、故障報警等功能，使其更具可靠性主要功能：

1、酒罐溫度測量功能；

2、液位/重量測量功能；(可附加液位/重量超限報警功能)。

3、定量輸入/輸出功能；

4、數據通訊功能；DDC智能儀表可支持RS485總線通訊。若擴展通訊，十分簡單方便，便于組成更高級的測控系統。

第15頁，課件共47頁，創作于2023年2月空氣處理機組的監控系統圖第16頁，課件共47頁，創作于2023年2月供熱站系統監控系統分析熱源用戶端第17頁，課件共47頁，創作于2023年2月3計算機監督控制系統(SCC)DDC級微機完成生產過程的直接數字控制；SCC級微機進行優化分析計算，產生最優化設定值。用數字控制儀器代替，再配以輸入采樣器、A/D轉換器和D/A轉換器、輸出掃描器，便是SCC加數字控制器的SCC系統。當SCC計算機出現故障時，由數字控制器獨立完成控制任務，比較安全可靠。第18頁，課件共47頁，創作于2023年2月第19頁，課件共47頁，創作于2023年2月4分級控制系統

生產過程中既存在控制問題，也存在大量的管理問題。

由若干臺微處理器或微機分別承擔部分控制任務，代替了集中控制的計算機。

這種系統的特點是將控制功能分散，用多臺計算機分別完成不同的控制功能，管理則采用集中管理。第20頁，課件共47頁，創作于2023年2月(3)工廠集中控制級它可根據上級下達的任務和本廠情況，制定生產計劃、安排本廠工作、進行人員調配及各車間的協調，并及時向上級報告。(4)企業管理級制定長期發展現劃、生產銷計劃，發命令至各工廠，并接受反饋信息，實現全企業的總調度。（2)車間監督級(SCC級)它根據廠級計算機下達的命令和通過裝置控制級獲得的生產過程數據，進行最優化控制。

(1)裝置控制級(DDC級)對生產過程進行直接控制，使所控制的生產過程在最優工作狀況下工作。第21頁，課件共47頁，創作于2023年2月第22頁，課件共47頁，創作于2023年2月5集散控制系統

協調各控制站的工作達到過程的動態最優化人機接口裝置，完成操作、顯示和監視任務集散控制系統是分布式結構系統。完成過程的現場控制任務實現了地理上和功能上分散的控制，將各個分散的信息集中起來，進行集中的監視和操作。采集非控制過程信息第23頁，課件共47頁，創作于2023年2月?集散控制系統是一種典型的分級分布式控制結構。?集散控制系統有計算機控制系統控制算法先進、精度高、響應速度快的優點．又有儀表控制系統安全可靠、維護方便的優點。?集散控制系統容易實現復雜的控制規律，系統是積木式結構，結構靈活，可大可小，易于擴展。第24頁，課件共47頁，創作于2023年2月6現場總線控制系統現場總線控制系統(FCS)，是新一代分布式控制結構，采用工作站-現場總線智能儀表的二層結構模式。現場數字執行器現場數字控制功能模塊服務器工作站現場數字傳感器第25頁，課件共47頁，創作于2023年2月1.3信號處理在連續量控制系統中，控制信號、反饋信號和偏差信號都是連續型的時間信號；而在計算機控制系統中，計算機的輸入、輸出都是離散型的時間函數。CPUD/A執行器對象采樣器A/D第26頁，課件共47頁，創作于2023年2月1.3.1輸入信號處理?為了實現計算機對生產過程的控制，需要將被控對象的各種測、控變量按要求的方式送入計算機，以便運算和處理。?被控對象所提供的信息是紛繁復雜的，其種類、性質及大小等各不相同，因此需要通過某種裝置將生產過程中的各種被測變量轉換成計算機能夠接受的信號，這種在計算機與生產過程之間，起著信號轉換并向計算機傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信號處理包括數字量輸入信號處理和模擬量輸入信號處理。第27頁，課件共47頁，創作于2023年2月圖1.2計算機控制系統的組成框圖1．數字量輸入信號處理信號變換電路整形電路信號和接口電路電平變換電路計算機不能直接接受生產現場的狀態量因此，必須通過輸入通道將狀態信號轉變為數字量送入計算機。數字量通道第28頁，課件共47頁，創作于2023年2月2．模擬量輸入信號處理檢測各種非電量過程變量，并將其轉換為電信號。將多路模擬信號按要求分時輸出放大器將傳感器輸出的微弱電信號放大到A/D轉換器所需要的電平采樣保持器對模擬信號進行采樣，在模/數轉換期間對采樣信號進行保持將模擬信號轉換為二進制數字信號接口電路提供模擬量輸入通道與計算機之間的控制信號和數據傳送通路第29頁，課件共47頁，創作于2023年2月3．模擬量輸入信號采樣過程計算機對某個隨時間變化的模擬量進行采樣，是利用定時器控制的開關，每隔一定時間使開關閉合而完成一次采樣。開關重復閉合的時間間隔T稱為采樣周期，其倒數?s=1/T稱為采樣頻率。采樣過程，是指將一個連續的輸入信號經開關采樣后，轉變為發生在采樣開關閉合瞬時0、T、2T…nT的一連串脈沖輸出信號?*(t)，如圖1.11所示。式中

?*(t)——輸出脈沖序列

?(kT)——輸出脈沖數值序列；

δ(t-kT)——發生在t=kT時刻上的單位脈沖（1-1）第30頁，課件共47頁，創作于2023年2月單位脈沖函數的定義為

（1-2）根據理想單位脈沖函數的定義式(1-2)，在采樣開關閉合時，?(kT)與?(t)的瞬時值相等，式(1-1)還可改寫成如下形式式(1-3)說明，數字控制系統中的采樣過程可以理解為脈沖調制過程。在這里，采樣開關只起著理想脈沖發生器的作用，通過它將連續信號?(t)調制成脈沖序列?*(t)。（1-3）第31頁，課件共47頁，創作于2023年2月4．香農采樣定理采樣后的離散信號?*(t)才能夠無失真地復現?(t)一個連續時間信號?(t)，設其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為?max，如果在等間隔點上對該信號?(t)進行連續采樣，為了使采樣后的離散信號?*(t)能包含原信號?(t)的全部信息量，則采樣頻率只有滿足下面的關系 ?s≥2?max（1-4） 式中?s——采樣頻率； ?max——?(t)最高頻率。 在實際工程中采樣頻率的選擇還跟采樣回路數和采樣時間有關，一般根據具體情況選用。?s≥（5~10）?max采樣定理表明，采樣頻率?s的選擇至少要比?max高二倍，對于連續模擬信號?(t)，我們并不需要有無限多個連續的時間點上的瞬時值來決定其變化規律，而只需要有各個等間隔點上的離散抽樣值就夠了。為了不失真地恢復模擬信號，采樣頻率應該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。

第32頁，課件共47頁，創作于2023年2月5．數字濾波數字濾波優點：①數字濾波是用程序實現的，不需要硬件設備，所以可靠性高、穩定性好。②數字濾波可以濾除頻率很低的干擾，這一點是模擬濾波難以實現的。③數字濾波可以根據不同的信號采用不同的濾波方法，使用靈活、方便。數字濾波是通過編制一定的計算或判斷程序，減少干擾在有用信號中的比重，提高信號真實性的濾波方法。第33頁，課件共47頁，創作于2023年2月常用的數字濾波方法有：數字濾波方法平均濾波程序判斷濾遞推中位值法濾波一階滯后濾波加權遞推平均濾波程序判斷濾波的具體方法是通過比較相鄰的兩個采樣值，如果它們的差值過大，超出了變量可能的變化范圍，則認為后一次采樣值是虛假的，應予以廢除，而用前一次采樣值送入計算機。中位值法濾波就是將某個被測變量在輪到它采樣的時刻，連續采3次(或3次以上)值，從中選擇大小居中的那個值作為有效測量信號。第34頁，課件共47頁，創作于2023年2月管道中的流量、壓力或沸騰狀液面的上下波動，會使其變送器輸出信號出現頻繁的振蕩現象。若將此信號直接送入計算機，會導致控制算式輸出紊亂，造成控制動作極其頻繁。甚至執行器根本來不及響應，還會使控制閥因過分磨損而影響使用壽命，嚴重影響控制品質。(3)遞推平均濾波如圖1.12所示。圖中的黑點表示各個采樣值。對于這類信號，僅僅依靠一次采樣值作為控制依據是不正確的，通常采用遞推平均的方法，即第n次采樣的N項遞推平均值是n，(n-1)，…，(n-N+1)次采樣值的算術平均。第35頁，課件共47頁，創作于2023年2月N值的選擇對采樣平均值的平滑程度與反應靈敏度均有影響。遞推平均算式為：（1-6）式中——第n次N項的遞推平均值；——往前遞推第i項的測量值；——遞推平均的項數。也就是說，第n次采樣的N項遞推平均值的計算，應該由n次采樣往前遞推(N-1)項。在實際應用中，可通過觀察不同N值下遞推平均的輸出響應來決定N值的大小。目前在工程上，流量常用12項平均，壓力取4項平均，溫度沒有顯著噪聲時可以不加平均。第36頁，課件共47頁，創作于2023年2月1.3.2輸出信號處理過程輸出通道:計算機和執行器之間進行信息傳遞和變換的裝置.1．數字輸出信號的處理數字信號的輸出必須通過數字量輸出通道。數字量輸出通道的任務是根據計算機輸出的數字信號去控制接點的通、斷或數字式執行器的啟、停等，簡稱DO(Digitaloutput)通道。根據被控對象的不同，其輸出的數字控制信號的形態及相應的配置也不相同。其中最為常用的數字控制信號是開關量和脈沖量信號第37頁，課件共47頁，創作于2023年2月隔離器一般采用光電隔離器，如TLP521系列；輸出驅動器將計算機輸出的信號進行功率放大，以滿足被控對象要求。繼電器、晶閘管(或大功率晶體管)、TTL電平輸出等為需要開關量控制信號的執行機構，通過這些開關器件的通、斷去控制被控對象。第38頁，課件共47頁，創作于2023年2月2．模擬輸出信號的處理

模擬信號的輸出必須通過模擬量輸出通道來完成。模擬量輸出通道是計算機控制系統實現控制的關鍵。它的任務是把計算機輸出的數字量轉換成模擬電壓或電流信號。以便驅動相應的執行機構、達到控制的目的。模擬量輸出通道—般由輸出接口電路、D/A轉換器、V/I變換等組成。（1）一個通路設置一個數/模轉換器:微處理器和通路之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數字保持的方案。它的優點是轉換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉換器有故障也不會影響其它通路的工作。缺點是使用了使用硬件較多，成本高。但隨著大規模集成電路技術的發展，這個缺點正在逐步得到克服。這種方案較易實現。第39頁，課件共47頁，創作于2023年2月多路信號共用一個數／模轉換器。（2）多個通路共用一個數／模轉換器的形式

因此它必須在微型機控制下分時工作。即依次把D/A轉換器轉換成的模擬電壓(或電流)，通過多路模擬開關傳送到下一級電路。這種結構節省了數／模轉換器，但因是分時工作，只適用于通路數量多且速度要求不高的場合。

因多路共用一個D/A轉換器，所以可靠性較差。第40頁，課件共47頁，創作于2023年2月單回路可編程序控制器概述單回路控制器是以微處理器為基礎的多功能控制儀表。具有多路模擬輸入、多路開關量輸入/輸出、通信及診斷功能，可實現復雜運算、控制。原則上只有一路模擬量輸出信號---單回路控制器。與模擬調節器在功能上的區別：是自控、計算機、通信技術組合，不僅是調節控制。第41頁，課件共47頁，創作于2023年2月SLPC型可編程序控制器的電路RF-P86FIG2-30SLPC控制器的電路方框圖代表機種：YS-80系列的SLPC(SingleLoopProgrammableController)

組成示意圖第42頁，課件共47頁，創作于2023年2月主要組成部分

（1）CPU采用8位微處理器8085A，10MHZ、0.2s控制周期（最多可運行240步）。（2）系統軟件和用戶程序存入內部32KEPROM。（3）現場設定數據及中間結果存入內部2KRAM。（4）5個模擬輸入端，可以同時接受5路1~5V直流電平信號。（5）3個模擬輸出端，1路4~20mA電流輸出驅動執行器，2路1~5V聯絡信號。（6）6個開關量輸入/輸出端，利用三態門電路切換輸入、輸出方式。第43頁，課件共47頁，創作于2023年