计算机闭环控制系统原理

计算机闭环控制系统原理计算机闭环控制系统原理本章主要内容 引言引言 1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 1.2 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 1.3 计算机控制装置种类计算机控制装置种类 本章小结本章小结 思考题思考题 引言 计算机控制技术及工程应用计算机控制技术及工程应用-是把计算机技术与自动化控制系是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。又是一个主要的实现手段。本书立足于工业自动化的领域，讨论这本书立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用工程应用。下图为下图为一个制药车间的自动化生产流程。一个制药车间的自动化生产流程。链链接接动动画画1.1 计算机控制系统的组成主要知识点主要知识点:1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念计计算算机机控控制制系系统统是是由由常常规规仪仪表表控控制制系系统统演演变变而而来的来的;常常规规仪仪表表组组成成的的自自动动控控制制系系统统根根据据不不同同的的控控制制要要求求，一一般般分分成成闭闭环环控控制制(图图1-1a1-1a所所示示)与与开开环环控制控制(图图1-1b1-1b所示所示)两种结构形式两种结构形式;计计算算机机控控制制系系统统原原理理组组成成用用控控制制计计算算机机代代替替图图1-11-1的控制器，如图的控制器，如图1-21-2所示；所示；（1）闭环控制系统 闭闭环环控控制制系系统统-闭闭环环控控制制系系统统中中，测测量量变变送送器器对对被被控控对对象象进进行行检检测测，把把被被控控量量如如温温度度、压压力力等等物物理理量量转转换换成成电电信信号号再再反反馈馈到到控控制制器器中中，控控制制器器将将此此测测量量值值与与给给定定值值进进行行比比较较形形成成偏偏差差输输入入，并并按按照照一一定定的的控控制制规规律律产产生生相相应应的的控控制制信信号号驱驱动动执执行行器器工工作作，执执行行器器产产生生的的操操纵纵变变量量使使被被控控对对象象的的被被控控量量跟跟踪踪趋趋近近给给定定值值，从从而而实实现现自自动动控控制制稳稳定定生生产产的的目目的的。这这种种信信号号传传递递形形成成了了闭闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。euqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送器测量变送器偏差偏差给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量测量值测量值r+_zf干扰干扰图图1-1(a)闭环控制系统闭环控制系统（2）开环控制系统 开环控制系统开环控制系统-不同于闭环系统，它不需要被不同于闭环系统，它不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统。的偏差，其控制性能不如闭环系统。uqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量r(b)(b)开环控制系统开环控制系统（3）计算机闭环控制系统原理组成 计算机闭环控制系统的原理组成计算机闭环控制系统的原理组成-是把图是把图1-11-1中的控制中的控制器用控制计算机即微型计算机及器用控制计算机即微型计算机及A/DA/D（模（模/数）转换接口与数）转换接口与D/AD/A（数（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/DA/D转换转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/AD/A转换器将转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。数字量转换为模拟量作为其输出信号。图图1-2 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图（4）计算机控制系统的监控过程步骤a.a.实时数据采集实时数据采集-对来自测量变送器的被控量的对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入瞬时值进行采集和输入 ；b.b.实时数据处理实时数据处理-对采集到的被控量进行分析、对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；律运算，进行控制决策；c.c.实时输出控制实时输出控制-根据控制决策，适时地对执行根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任器发出控制信号，完成监控任务；务；1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成计算机控制系统硬件一般包括：计算机控制系统硬件一般包括：主机主机-CPU CPU RAMRAMROMROM系统总线系统总线 常规外部设备常规外部设备-输入输入/输出设备、外存储器等输出设备、外存储器等过程输入输出通道过程输入输出通道AIAI、AOAO、DIDI、DODO操作台操作台CRTCRT、LEDLED、LCDLCD 等等通信设备通信设备交换机、交换机、modemmodem、集线器等集线器等图图 1-31-3所示硬件组成框图所示硬件组成框图 图图1-3 1-3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图 链接动画链接动画1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成硬硬件件仅仅为为计计算算机机控控制制系系统统的的躯躯体体。要要使使计计算算机机正正确确地地运行解决各种问题，必须为它编制软件。运行解决各种问题，必须为它编制软件。所所谓谓软软件件是是指指完完成成各各种种功功能能的的计计算算机机程程序序的的总总和和，它它是是计计算算机机控控制制系系统统的的神神经经中中枢枢，整整个个系系统统的的动动作作都都是是在软件程序指挥下协调工作的。在软件程序指挥下协调工作的。软软件件通通常常分分为为系系统统软软件件和和应应用用软软件件两两大大类类；系系统统软软件件一一般般由由计计算算机机厂厂家家提提供供，专专门门用用来来使使用用和和管管理理计计算算机机本本身身的的程程序序；应应用用软软件件是是用用户户针针对对生生产产过过程程要要求求而而编编制的各种应用程序。制的各种应用程序。1.2 控制系统分类 主要知识点主要知识点1.2.1 1.2.1 数据采集系统（数据采集系统（DASDAS）1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统 (OGC)(OGC)1.2.3 1.2.3 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）1.2.4 1.2.4 监督计算机控制系统监督计算机控制系统（SCCSCC）1.2.5 1.2.5 分散控制系统（分散控制系统（DCSDCS）1.2.6 1.2.6 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）1.2.11.2.1 数据采集系统数据采集系统（DASDAS）数据采集系统数据采集系统(Data Acquisition System)-(Data Acquisition System)-是计算机应用于生产过程控制最早、是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图也是最基本的一种类型，如图1-51-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和仪表发送和A/DA/D通道或通道或DIDI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。链接动画链接动画1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统(OGC)(OGC)操操作作指指导导控控制制系系统统-是是基基于于数数据据采采集集系系统统的的一一种种开开环环结结构构，如如图图1-61-6所所示示。计计算算机机根根据据采采集集到到的的数数据据以以及及工工艺艺要要求求进进行行最最优优化化计计算算，计计算算出出的的最最优优操操作作条条件件，并并不不直直接接输输出出控控制制被被控控对对象象，而而是是显显示示或或打打印印出出来来，操操作作人人员员据据此此去去改改变变各各个个控控制制器器的的给给定定值值或或操操作作执执行行器器，以以达达到到操操作作指指导导的的作作用用。它它相相当当于于模模拟拟仪仪表表控控制制系系统统的的手手动动与与半半自自动动工工作作状状态态。OGCOGC系系统统的的优优点点是是结结构构简简单单，控控制制灵灵活活和和安安全全。缺缺点点是是要要由由人人工工操操作作，速速度度受受到到限制，不能同时控制多个回路。限制，不能同时控制多个回路。链接动画链接动画1.2.31.2.3 直接数字控制系统直接数字控制系统（DDCDDC）DDCDDC系系统统-是是用用一一台台计计算算机机不不仅仅完完成成对对多多个个被被控控参参数数的的数数据据采采集集，而而且且能能按按一一定定的的控控制制规规律律进进行行实实时时决决策策，并并通通过过过过程程输输出出通通道道发发出出控控制制信信号号，实实现现对对生生产产过过程程的的闭闭环环控控制制，为为了了操操作作方方便便，DDCDDC系系统统还还配配置置一一个个包包括括给给定定、显显示示、报报警警等等功功能能的的操操作作控控制制台台。DDCDDC系系统统中中的的一一台台计计算算机机不不仅仅完完全全取取代代了了多多个个模模拟拟调调节节器器，而而且且在在各各个个回回路路的的控控制制方方案案上上，不不改改变变硬硬件件只只通通过改变程序就能过改变程序就能有效地有效地实现各种各样的复杂控制实现各种各样的复杂控制。计计算算机机生生产产过过程程显示显示打印机打印机报警报警操作台操作台）ID，D/A（入入输输程程过过）OD，A/D（出出输输程程过过图图1-7 1-7 直接数字控制系统直接数字控制系统链接动画链接动画1.2.41.2.4监督计算机控制系统监督计算机控制系统（SCCSCC）监督计算机控制系统即监督计算机控制系统即SCCSCC-是是OGCOGC系统与常规仪系统与常规仪表控制系统或与表控制系统或与DDCDDC系统综合而成的两级系统，如图系统综合而成的两级系统，如图1-81-8所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。链接动画链接动画1.2.51.2.5 分散控制系统（分散控制系统（DCSDCS）分散控制系统分散控制系统-是是以微处理器为基础，借助于以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外将该类系统取名为分散控制系统，国内也有人将其将该类系统取名为分散控制系统，国内也有人将其称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。分称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。分散控制系统简称为散控制系统简称为DCSDCS。DCS DCS 采用分散控制、集中采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。它的结构组成如图它的结构组成如图12-112-1所示。所示。链接动画链接动画1.2.61.2.6 现场总线控制系统现场总线控制系统（FCSFCS）现场总线控制系统即现场总线控制系统即FCS-FCS-是新一代分布式控制结构。是新一代分布式控制结构。该系统改进了该系统改进了DCSDCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCSDCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。它的结构组成如图彻底的分散控制模式。它的结构组成如图12-612-6所示。每个所示。每个现场仪表现场仪表(例如变送器、执行器例如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都都作为一个智能节点，都带带CPUCPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。1.3 控制装置种类 主要知识点主要知识点1.3.1 可编程控制器1.3.2 可编程调节器1.3.3 总线式工控机1.3.4 单片微型计算机1.3.5 其他控制装置1.3.11.3.1 可编程控制器可编程控制器 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器-简称可编程控制器或简称可编程控制器或PLCPLC，是计，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由工业控制计算机。它主要由CPUCPU、存储器、输入组件、输、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。链链接接动动画画可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）特点：）特点：一种数字运算操作的电子系统一种数字运算操作的电子系统,专为工业环专为工业环境下应用而设定境下应用而设定;采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；式、模拟式的输入和输出；应用广泛应用广泛-不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；PLCPLC具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干扰能力强；易，抗干扰能力强；1.3.21.3.2 可编程调节器可编程调节器 可编程调节器可编程调节器-又称单回路调节器、智能调节器、数又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、过程字调节器。它主要由微处理单元、过程I IO O（输入（输入/输出）输出）单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图所示。组成。外观如图所示。链接动画链接动画可编程调节器特点：可编程调节器特点：一种仪表化了的微型控制计算机一种仪表化了的微型控制计算机易操作，易编程、方便灵活易操作，易编程、方便灵活设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言具有断电保护、自诊断功能、通信等功能具有断电保护、自诊断功能、通信等功能可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控制和管理制和管理 大型分散控制系统中最基层的控制单元大型分散控制系统中最基层的控制单元适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中 1.3.3 1.3.3 总线式工控机总线式工控机 总线式工控机，总线式工控机，是基于总线技术和模块化结构的一是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的计算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。总线式工控能模板组合成自己所需的计算机控制系统。总线式工控机的外形类似普通计算机，如图所示。机的外形类似普通计算机，如图所示。不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱，机箱密封并加正压送风散热，机箱内的原普架机箱，机箱密封并加正压送风散热，机箱内的原普通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系统，将主通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系统，将主板分解成几块板分解成几块PCPC插件，采用工业级抗干扰电源和工业级插件，采用工业级抗干扰电源和工业级芯片，并配以相应的工业应用软件。芯片，并配以相应的工业应用软件。总线式工控机具有总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准小型化、模板化、组合化、标准化化的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要，的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是十几到几十个回路的中等规用于各种控制场合，尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系统中。模的控制系统中。链接动画链接动画1.3.4 1.3.4 单片微型计算机单片微型计算机 随随着着微微电电子子技技术术与与超超大大规规模模集集成成技技术术的的发发展展，计计算算机机技技术术的的另另一一个个分分支支超超小小型型化化的的单单片片微微型型计计算算机机(Single(Single Chip Chip Microcomputer)Microcomputer)简简称称单单片片机机诞诞生生了了。它它是是将将CPUCPU、存存储储器器、串串并并行行I/OI/O口口、定定时时/计计数数器器、甚甚至至A/DA/D转转换换器器、脉脉宽宽调调制制器器、图图形形控控制制器器等等功功能能部部件件全全都都集集成成在在一一块块大大规规模模集集成成电电路路芯芯片片上上，构构成成了了一一个个完完整整的的具具有有相相当当控控制制功能的微控制器功能的微控制器。单单片片机机的的应应用用软软件件可可以以采采用用面面向向机机器器的的汇汇编编语语言言，但但这这需需要要较较深深的的计计算算机机软软硬硬件件知知识识，而而且且汇汇编编语语言言的的通通用用性性与与可可移移植植性性差差。随随着着高高效效率率结结构构化化语语言言的的发发展展，其其软软件件开开发发环环境境正正在在逐逐步步改改善善。目目前前，市市场场上上已已推推出出面面向向单单片片机机结结构构的的高高级级语语言言，如如早早期期的的Archimedes Archimedes C C和和Franklin CFranklin C，现在的现在的KeilKeil C51 C51、DynamicCDynamicC等语言。等语言。由由于于单单片片机机具具有有体体积积小小、功功耗耗低低、性性能能可可靠靠、价价格格低低廉廉、功功能能扩扩展展容容易易、使使用用方方便便灵灵活活、易易于于产产品品化化等等诸诸多多优优点点，特特别别是是强强大大的的面面向向控控制制的的能能力力，使使它它在在工工业业控控制制、智智能能仪仪表表、外外设设控控制制、家家用用电电器器、机机器器人人、军军事事装装置等方面得到了极为广泛的应用。置等方面得到了极为广泛的应用。单单片片机机的的应应用用从从4 4位位机机开开始始，历历经经8 8位位、1616位位、3232位位四四种种。但但在在小小型型测测控控系系统统与与智智能能化化仪仪器器仪仪表表的的应应用用领领域域里里，8 8位位单单片片机机因因其其品品种种多多、功功能能强强、价价格格廉廉，目目前前仍仍然是单片机系列的主流机种。然是单片机系列的主流机种。1.3.5 1.3.5 其他控制装置其他控制装置 分散控制系统与现场总线控制系统分散控制系统与现场总线控制系统-最最初是以一种控制方案的形式出现的，但初是以一种控制方案的形式出现的，但 很快受很快受到工控市场的极大推崇，因而已经成为国内外自到工控市场的极大推崇，因而已经成为国内外自动化厂家争先推出的两种典型的装置，因为第动化厂家争先推出的两种典型的装置，因为第1.2.5 1.2.5 节、第节、第1.2.61.2.6节已经提及，本节不再赘述，节已经提及，本节不再赘述，详见第详见第1313章。章。本章小结 本本章章概概要要介介绍绍了了计计算算机机控控制制系系统统的的构构成成原原理理、硬硬件件组组成成与与软软件件组组成成。分分别别从从计计算算机机控控制制系系统统的的控控制制方方案案与与装装置置种种类类这这两两个个不不同同的的角角度度讨讨论论分分析析了了计计算算机机控控制制系系统统的的分分类类。本本书书将将在在本本章章的的基基础础上上渐渐次次对对计计算机控制系统的各个组成部分展开讨论算机控制系统的各个组成部分展开讨论。思考题1计计算算机机控控制制系系统统与与常常规规仪仪表表控控制制系系统统的的主主要要异同点是什么？异同点是什么？2分分析析说说明明图图1-3计计算算机机控控制制系系统统的的硬硬件件组组成成及及其作用。其作用。3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？计算机控制系统的软件由哪些部分构成？4按按控控制制方方案案来来分分，计计算算机机控控系系统统划划分分成成那那几几大类？大类？5计算机控制装置可以分成哪几种机型？计算机控制装置可以分成哪几种机型？结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！35