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本章概述:
计算机控制系统的组成、类型、特点、任务
以及计算机控制的发展概况及趋势;
了解过程自动化的任务,进一步明确计算机控制系统的类型、特点。
1.1.1计算机控制系统
典型计算机反馈控制系统如图1.1所示。
系统中存在着两种截然不同的信号,即模拟连续信号及数字离散信号。
因而对于计算机控制系统的分析和设计
就不能完全采用连续控制理论,需要有相应的离散控制理论与之相适应。
不同类型信号混合的分析有时是困难的,
r(t)
r(kT)e(kT)
+
u(kT)
u(t)
c(t)
-
计算机系统
被控对象
保持器
检测仪表
D/A
A/D
控制算法
图1.1典型计算机反馈控制系统
然而,在大多数的情况下,描述系统在采样点上的表现就
足够了。
1.1.2计算机控制系统组成
计算机控制系统是由硬件和软件两部分组成的。
1、硬件组成
计算机控制系统的硬件主要由主机、外部设备、过程输入输出设备和被控对象组成,如图1.2所示。
现分述如下:
⑴主机
由中央处理器(CPU)和内存储器(RAM和ROM)通过系统总线连接的主机是计算机的核心,也是整个控制系统
的核心。
⑵外部设备
常用的外部设备有四类:
输入设备、输出设备、外存储器和通信设备。
外部设备
主机 过程输入输出设备
接口
CPURAMROM
系统总
线
开关输出
打印机
CRT
开关输入
键盘
D/A
磁盘
A/D
通信设备
图1.2计算机控制系统的硬件组成框图
输入设备:
常用的是键盘,用来输入(或修改)程序、数据和操作命令。
输出设备:
通常有打印机、CRT显示器等,它们以字符、曲线、表格、图形等形式来反映被控对象的运行工况和有关控制信息。
外存储器:
通常是磁盘(包括硬盘和软盘)。
它们兼有输入和输出两种功能,用来存放程序和数据,作为内存储器的后备存储器。
通信设备:
用来与其它相关计算机控制系统或计算机管理系统进行联网通信,形成规模更大,功能更强的网络分布式计算机控制系统。
⑶过程输入输出设备
过程输入输出(简称I/O)设备是计算机与被控对象之间信息联系的桥梁和纽带,计算机与被控对象之间的信息传递都是通过I/O设备进行的。
I/O设备分为过程输入设备和过程输出设备。
过程输入设备:
包括模拟输入通道(简称A/D通道)和开关量输入通道(简称DI通道),分别用来将测量仪表测得的被控对象各种参数的模拟信号和反映被控对象状态的开关量或数字信号输入计算机。
过程输出设备:
包括模拟输出通道(简称D/A通道)和开关量输出通道(简称DO通道)。
D/A 通道将计算机产生的数字控制信号转换为模拟信号,再经保持器后输出,驱动执行装置对被控对象实施控制;
D0通道将计算机产生的开关量控制命令直接输出驱动相应的开关动作。
⑷被控对象
一般来说,被控对象是连续模拟环节,而计算机输出
数字信号,该信号经D/A转换、保持器后成为连续信号,加到被控对象上。
在以后的分析中,我们将保持器、执行机构以及被控对象看作一个整体,称为广义被控对象。
2、软件组成
计算机控制系统的软件通常由系统软件和应用软件两大软件组成。
⑴系统软件
系统软件通常由计算机厂家和软件公司研制,可以从市场上购置。
⑵应用软件
一般情况下,应用软件由计算机控制系统设计人员根据所确定的硬件系统和软件环境来开发编写。
应当指出,计算机控制系统中的控制计算机(简称控制机或工控机)跟通常用作信息处理的通用计算机(如PC机)
,不仅在结构上而且在技术性能方面都有较大差别。
控制机可靠性一般要求整机系统及其功能模板的平均无故障时间MTBF(MeanTimeBetweenFailures),分别为
l年和10年以上。
1.2计算机控制系统的类型、特点
1.2.1计算机控制系统的类型
计算机控制系统按照其功能或工作任务分类,可以分为以下几种类型。
1.计算机监测与操作指导系统
计算机不参与控制。
计算机按照预先建立的数学模型
L
被控对象
测量
过程输入通道
操作员
计算机
图1.3计算机监测与操作指导系统
和控制优化算法,通过计算给出的相应控制命令由CRT显示输出,控制命令执行与否由操作人员凭经验决择;
另一
种是计算机按照预先存放的在特定工况下的操作方法顺序,再根据被控对象实际工况和流程,逐条输出操作信息,用以指导操作。
2.计算机直接数字控制系统
计算机直接数字控制系统,简称DDC(DirectDigitalControl)系统,是指用计算机代替常规模拟控制器,直接对被控对象进行控制的系统。
其中DDC反馈系统结构如图1.1所示。
计算机控制系统需要另有与之相应的理论和方法来处理。
关于如何处理计算机控制系统的数学描述、分析和设计问题的理论与方法,正是本书后面要讲述的主要内容。
3.计算机顺序控制系统
这种系统中,计算机根据被控对象运行状态,严格按照预定的时间先后顺序或逻辑顺序产生相应的操作命令,并以开关量形式输出,使被控对象各个环节或部件按照预定的规则顺序协调动作来完成相应的生产加工任务。
这种系统常用于机械加工过程和连续生产过程中的启动、停止以及故障联锁保护阶段,数控机床就是一种典型的计算机顺序控制系统。
市面上出售的各种类型可编程控制器,又
称PLC(Programming Logical Controller)就是专门用于顺序控制系统的控制计算机。
4.计算机监督控制系统
输入通道
监督计算机
操作控制台
控制对象
输出通道
现场控制计算机
报警
外存储器
打印机或CRT
图1.4计算机监督控制系统
计算机监督控制系统简称SCC(Supervisory Computer
Control)系统,是由DDC系统加监督级构成的,其结构如图1.4所示。
两级计算机—监督计算机和控制计算机。
在小规模计算机控制系统中监督级功能也可用DDC级同一台计算机通过软件来实现。
5.集散型控制系统
集散型控制系统又称为分散控制系统,简称DCS(Distributed Control System),其结构如图1.5所示。
该系统是运用计算机通信技术,由多台计算机通过通信网互相连接而成的控制系统,因而它具有网络分布结构。
通信网
控制对象
现场控制计算机
控制管理计算机
部门用户终端机
生产经营管理主计算机
生产经营管理级
控制管理级
过程控制级
图1.5DCS控制系统
DCS自上世纪70年代中期出现以来,其技术和应用发展很快,如今已成为计算机工业控制系统的主流,也代表了今后工业企业综合自动化的发展方向。
自上世纪70年代中期以来,许多国外仪表公司己陆续推出了各种类型的
DCS产品,如美国Honeywell公司的DTCS3000,Foxboro公
司的SPECTRUM,日本横河公司的CENTUM-XL都是较为典型的具有控制管理集成功能的DCS产品。
我国十多年来已有很多石化、冶金、电力等大中型企业先后引进了DCS,并获得了成功的应用。
1.2.2计算机控制的主要特点
计算机控制相对于模拟控制的主要特点可以归纳为:
⑴ 计算机控制利用计算机的存储记忆、数字运算和
CRT显示功能,可以同时实现模拟变送器、控制器、指示器、手操作器以及记录仪等多种模拟仪表的功能,并且便于监视和操作。
⑵计算机控制利用计算机快速运算能力,通过分时工作可以用一台计算机同时控制多个回路;
并且还可以同时实现DDC、顺序控制、监督控制等多种控制功能。
⑶计算机控制利用计算机强大的信息处理能力,可以实现模拟控制难以实现的各种先进复杂的控制策略,如最优控制、自适应控制、多变量控制、模型预测控制以及智能控制等,从而不仅可以获得更好的控制性能,而且还可实现对于难以控制的复杂被控对象(如多变量系统、大滞
后系统以及某些时变系统和非线性系统等)的有效控制。
⑷ 计算机控制系统调试、整定灵活方便,系统控制方案、控制策略以及控制算法及其参数的改变和整定,只通过修改软件和键盘操作即可实现,不需要更换或变动任何硬件。
⑸利用网络分布结构可以构成计算机控制、管理集成系统,即DCS,实现工业生产与经营的管理、控制一体化,大大提高工业企业的综合自动化水平。
⑹计算机控制系统中同时存在连续型和离散型两类信号,系统中必有A/D和D/A转换器实现连续信号与离散信号相互转换。
连续系统控制理论不能直接用于计算机控制系统分析和设计。
1.3计算机控制的发展概况及趋势
计算机控制的发展同计算机本身的发展有着紧密的联系,计算机每更新换代一次,计算机控制就前进一步,上一个新台阶。
随着计算机的发展,计算机控制系统大约分以下几个时期:
早期≈1955
直接数字控制(DDC)时期≈1962小型机时期≈1967
微型机时期≈1972
数字控制的广泛应用≈1980分散控制≈1990
1959年3月,世界上第一个规模较大的过程计算机控制系统在德克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行,取得成功。
该系统控制26个流量,72个温度,3个压力和3个成分。
美国人这一开创性的工作,唤起了人们对计算机控制的极大兴趣,使计算机厂家看到了新的市场,使工业界看到了新的自动化工具,使学术界发现了新的研究课题。
因而有力地推动了计算机控制和计算机本身的进一步发展。
1958年前后计算机的平均故障间隔时间MTBF为
50~l00小时。
上世纪60年代初,随着半导体技术的兴起,半导体计算机取代了电子管计算机,计算机的可靠性和其它性能指标都有较大的提高,计算机的MTBF大约为1000小时。
计
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