计算机控制系统概述.ppt

1 第1章计算机控制系统概述 1 1计算机控制系统特征与组成 1 2计算机控制系统的分类 1 3计算机控制的发展概况及趋势 2 计算机控制系统的特征与组成 1 1 1 1 2计算机控制系统的硬件组成 1 1 1计算机控制系统的特征与工作原理 1 1 3计算机控制系统的软件 3 计算机控制系统的分类 1 2 1 2 2直接数字控制系统 1 2 1操作指导控制系统 1 2 3监督计算机控制系统 1 2 4集散控制系统 1 2 5现场总线控制系统 1 2 6计算机集成制造系统 4 计算机控制的发展概况及趋势 1 3 1 3 2计算机控制理论与新型控制策略 1 3 1计算机控制的发展过程 1 3 3计算机控制系统的发展趋势 5 计算机控制系统的特征与工作原理 1 1 1 将模拟自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现 就可构成典型的计算机控制系统 系统框图如图1 1所示 从模拟控制系统发展到计算机控制系统 控制器结构 控制器中的信号形式 系统的过程通道内容 控制量的产生方法 控制系统的组成观念均发生了重大变化 计算机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容 在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势 计算机控制系统由硬件和软件两个基本部分组成 硬件指计算机本身及其外部设备 软件指管理计算机的程序及生产过程应用程序 只有软件和硬件有机的结合 计算机控制系统才能正常运行 6 图1 1计算机控制系统基本框图 7 执行控制功能的核心部件是计算机 是模数混合系统 控制规律利用软件实现 便于实现复杂的控制规律 可同时控制多个回路 存在开环控制系统 闭环控制系统等不同类型的控制系统 8 模拟控制系统 连续模拟信号计算机控制系统 连续模拟信号 离散模拟 离散数字等多种信号形式 利用计算机运算 逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务 计算机只能处理数字信号 为了信号匹配 在计算机的输入和输出必须配置A D 模 数转换器 和D A 数 模转换器 反馈量经A D转换为数字量 输入给计算机 计算机根据偏差 按某种控制规律 如PID控制 进行运算 计算结果 数字信号 再经D A转换器 将数字信号转换为模拟信号输出到执行机构 完成对被控对象的控制 其系统结构如图1 1所示 9 图1 2计算机控制系统的信号流程 10 过程输出通道 由D A转换器组成的模拟量输出通道 开关量直接输出通道 过程输入通道 由A D转换器组成的模拟量输入通道 开关量直接输入通道 人机交互通道 系统操作者向计算机控制系统发布相关命令 提供操作参数 修改设置内容等 计算机向系统操作者显示相关参数 系统工作状态 对像控制效果等 按照计算机控制系统中信号的传输方向 系统的信息通道由三部分组成 11 以软件代替硬件 数据存储 状态 数据显示 管理功能 计算机控制系统除了包含连续信号外 还包含数字信号 因而计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不同 需采用专门的理论来分析和设计 常用的设计方法有两种 模拟调节规律离散化设计法 直接设计法 12 实时数据采集 对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入 实时控制决策 对采集到的被控量进行分析和处理 并按既定的控制规律 决定将要采取的控制行为 实时控制输出 根据控制决策 适时地对执行机构发出控制信号 完成控制任务 信息管理 信息共享 管理功能 上述过程不断重复 使整个系统按照一定的品质指标进行工作 并对控制量和设备本身的异常现象及时作出处理 13 在线方式和离线方式在线方式或联机方式 生产过程和计算机直接连接 并受计算机控制的方式离线方式或脱机方式 生产过程不和计算机相连 且不受计算机控制 而是靠人进行联系并作相应操作的方式 实时的含义信号的输入 计算和输出都要在一定的时间范围内完成 亦即计算机对输入信息 以足够快的速度进行控制 14 计算机控制系统的硬件组成 1 1 2 图1 4计算机控制系统硬件组成框图 15 CPU ROM RAM及时钟电路 复位电路等构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分 主要进行数据采集 数据处理 逻辑判断 控制量计算 报警处理等 通过接口电路向系统发出各种控制命令 指挥全系统有条不紊地协调工作 16 I O接口与I O通道是主机与外部连接的桥梁 常用的I O接口有并行接口 串行接口等 基本是可编程的 I O通道 模拟量I O通道 数字量I O通道 模拟量I O通道 将由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换为二进制代码传送给计算机 将计算机输出的数字控制信号变换为控制操作执行机构的模拟信号 以实现对生产过程的控制 数字量I O通道 完成数字量输入 输出 将各种继电器 限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机 或将计算机发出的开关动作逻辑信号由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关 17 通用外部设备主要是为了扩大计算机主机的功能而设置的 用来显示 打印 存储和传送数据 常用的有打印机 记录仪 图形显示器 CRT 软盘 硬盘等 传感器 将被检测的非电学量参数转变为电学量变送器 将传感器得到的电信号转换成适合于计算机接口使用的电信号 如0 10mADC 执行机构 控制生产过程 常用的执行机构有电动 液动 气动调节阀 开关 交 直流电动机 步进电动机等 18 操作台 实现人 机对话 主要由四部分组成 作用开关 如电源开关 操作方式 自动 手动 选择开关等 通过这些开关 可以对主机进行启停 设置和修改数据以及修改控制方式 作用开关可通过接口与主机相连 功能键 功能键主要包括复位键 启动键 打印键及工作方式选择键等等 主要是为了操作方便 LED数码管及CRT显示 用来显示被测参数及操作人员感性趣的内容 如显示数据表格 系统流程 开关状态以及报警状态等 数字键 用来输入数据或修改控制系统的参数 19 计算机控制系统软件 按功能分类 软件分为系统软件 应用软件系统软件 由计算机厂家提供的 用来管理计算机本身的资源 方便用户使用计算机的软件 主要包括操作系统 各种编译软件 监控管理软件 这些软件一般不需要用户自己设计 只是作为开发应用软件的工具 应用软件 面向生产过程的程序 如A D D A转换程序 数据采样 数字滤波程序 标度变换程序 控制量计算程序等等 应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发 应用软件的优劣 给控制系统的功能 精度和效率带来很大的影响 1 1 3 1 2计算机控制系统的基本分类1 操作指导控制系统2 直接数字控制系统3 监督计算机控制系统4 集散控制系统5 现场总线控制系统6 计算机集成控制系统 20 21 操作指导控制系统 1 2 1 操作指导控制系统 OperationalInformationSystem OIS 计算机的输出不直接用来控制生产对象 而只是对系统过程参数进行收集 加工处理 然后输出数据 操作人员根据这些数据进行必要的操作 22 直接数字控制系统 1 2 2 直接数字控制系统 DirectDigitalControlsystem DDC 计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测 并根据规定的控制规律进行运算 发出控制信号 通过输出通道直接控制调节阀等执行机构 23 监督计算机控制系统 1 2 3 监督计算机控制 SupervisoryComputerControl SCC 系统 计算机根据工艺参数和过程参量检测值 按照所设计的控制算法进行计算 计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者DDC计算机 由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程 24 SCC系统有两种类型 SCC加模拟调节器的控制系统计算机对各过程参数进行巡回检测 并按一定的数学模型对生产工况进行分析 计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器 使工况保持在最优状态 当SCC计算机发生故障时 可由模拟调节器独立执行控制任务 SCC加DDC控制系统二级控制系统 SCC可采用较高档的计算机 它与DDC之间通过接口进行信息交换 SCC计算机完成工段 车间等高一级的最优化分析和计算 然后给出最优设定值 送给DDC计算机执行控制 25 集散控制系统 1 2 4 26 集散控制系统 DistributedControlSystem DCS 企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制 实现分散控制 集中管理 系统每一级都有自己的功能 基本上是独立的 但级与级之间或同级的计算机之间又有一定的联系 相互之间实现通信 分布式计算机控制系统的结构如图1 7所示 27 现场总线控制系统 1 2 5 现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式 开放的 双向的通信网络 国际上流行的设备级的通信网络 如CANBUS LONWORKS PROFIBUS HART FF等 信号传输实现了全数字化 从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连系统结构采用全分散化 现场总线的节点是现场设备或现场仪表 如传感器 变送器 执行器等现场设备具有互操作性 改变了DCS控制层的封闭性和专用性 不同厂家的现场设备既可互连也可互换 并可以统一组态通信网络为开放式互连网络 可极其方便地实现数据共享技术和标准实现了全开放 面向任何一个制造商和用户 28 计算机集成控制系统 1 2 6 计算机集成制造系统 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 集计算机技术 网络技术 自动化技术 信号处理技术 管理技术 系统工程技术等新技术将企业的生产 经营 管理 计划 产品设计 加工制造 销售及服务等环节和人力 财力 设备等生产要素集成起来 进行统一控制 求得生产活动的最优化CIMS 由集成工程设计系统 集成管理信息系统 生产过程实时信息系统 柔性制造工程系统及数据库 通讯网络等组成随着CIMS研究的进一步发展 人们将CIMS系统集成的思想应用到了流程工业中 获得了良好的设计效果 而流程工业与离散工业特征的区别 使得流程工业CIMS技术主要体现在决策分析 计划调度 生产监控 质量管理 安全控制等 其中核心技术难题在于生产监控和质量管理等 由于这些差别 有学者提出将流程工业的CIMS单独命名为CIPS ComputerIntegratedProcessSystem 29 计算机控制的发展过程 第一台电子计算机于1946年在美国问世 二十世纪50年代末 计算机用于过程控制 1962年 英国帝国化学工业公司实现了一个DDC系统 二十世纪60年代后期 集成电路技术的发展 出现了适合工业生产过程控制的小型计算机 1972年出现了微型计算机 微型机具有价格便宜 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 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 分布式控制系统 DCS 开始普及应用 从二十世纪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 1 3 1 30 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 之间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 计算机集成制造系统 31 计算机控制理论与新型控制策略 1 3 2 计算机控制系统理论主要包括离散系统理论采样系统理论数字系统理论 32 离散系统理论主要指对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究 主要包括 差分方程及z变换理论 常规设计方法 按极点配置的设计法 最优设计方法 系统辨识及自适应控制 33 采样系统理论除了包括离散系统的理论外 还包括 采样理论 连续模型及性能指标的离散化 性能指标函数的计算 采样控制系统的仿真 采样周期的选择 34 鲁棒控制 预测控制 模糊控制 神经控制 专家控制 遗传算法 35 鲁棒控制控制系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动小保持不变的程度 或对扰动不敏感的程度 其基本思想是在设计中设法使系统对模型的变化不敏感 使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定 品质也保持在工程所能接受的范围内 鲁棒控制主要有代数方法和频域方法 前者的研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式 讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制 后者是从系统的传递函数矩阵出发 通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵H 的范数取极小 来设计出相应的控制规律 鲁棒控制控制理论成果主要应用在飞行器 柔性结构 机器人等领域 在工业过程控制领域应用较少 36 预测控制预测控制是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略 其基本思想类似于人的思维与决策 即根据头脑中对外部世界的了解 通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果 从中择优予以实施 它的各种算法是建立在模型预测 滚动优化 反馈校正等三条基本原理上的 其核心是在线优化 这种 边走边看 的滚动优化控制策略可以随时顾及模型失配 时变 非线性或其它干扰因素等不确定性 及时进行弥补 减少偏差 以获得较高的综合控制质量 预测控制集建模 优化和反馈于一体 三者滚动进行 其深刻的控制思想和优良的控制效果 一直为学术界和工业界所瞩目 37 模糊控制模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法 模糊控制是一种能够提高工业自动化能力的控制技术 模糊控制是智能控制一个十分活跃的研究领域 凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合都可采用模糊控制技术模糊控制的特点 提供了一种实现基于自然语言描述规则的控制规律的新机制模糊控制器提供了一种改进非线性控制器的替代方法 这些非线性控制器一般用于控制含有不确定性和难以用传统非线性理论来处理的装置 38 神经网络控制神经网络控制是一种基本上不依赖于模型的控制方法 它比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象 并具有较强的适应和学习功能 39 专家控制专家控制系统 广泛应用于故障诊断 各种工业过程控制和工业设计的智能控制系统 工程控制论与专家系统的结合形成了专家控制系统两种形式 专家控制系统和专家式控制器专家控制系统 采用黑板等结构 较为复杂 造价较高 因而目前用得较少专家式控制器 结构较简单 又能满足工业过程控制要求 因而应用日益广泛 40 遗传算法遗传算法是一种新发展起来的优化算法 基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法 它将 适者生存 这一基本的达尔文进化理论引入串结构 并且在串之间进行有组织但又随机的信息交换遗传算法在自动控制中的应用主要是进行优化和学习 特别是与其它控制策略结合 能够获得较好的效果 41 计算机控制系统的发展趋势 1 3 3 综合自动化包括CIMS 计算机集成制造系统 和CIPS 计算机集成过程系统 CIMS是基于制造技术 使用数控机床 机器人等加工 信息技术 管理技术 自动化技术 系统工程技术的一门发展中的综合性技术 它的最大特点是多种技术的 综合 与全企业信息的 集成 它是信息时代企业自动化发展的总方向 CIPS其关键技术包括计算机网络技术 数据库管理系统 各种接口技术 过程操作优化技术 先进控制技术 软测量技术 生产过程的安全保护技术等 有非常广阔的发展前景现场总线构成的FCS和嵌入式控制系统是工控系统的两大发展热点 42 现场总线构成的FCS和嵌入式控制系统是工控系统的两大发展热点 发展以位总线 Bitbus 现场总线 Fieldbus 等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS控制结构 并采用先进的控制策略 向低成本综合自动化系统的方向发展 实现计算机集成制造系统 CIMS 特别是现场总线系统越来越受到人们的青睐 将成为今后微型机控制系统发展的主要方向 虽然以现场总线为基础的FCS发展很快 最终将取代传统的DCS 但其发展仍有很多工作要做 如统一标准 仪表智能化等 而传统控制系统的维护和改造还需要DCS 因此FCS完全取代传统的DCS有个较长的过程 43 经典的反馈控制 现代控制和大系统理论在应用中遇到不少难题 首先 这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的系统模型的基础上 而实际系统一般难以获得精确的数学模型 其次 为了提高控制性能 整个控制系统变得极其复杂 增加了设备的投资 降低了系统的可靠性 人工智能的出现和发展 促进自动控制向更高的层次发展 既智能控制 智能控制是一种无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程 也是用机器模拟人类智能的又一重要领域 44 在数字化基础上 虚拟化技术的研究正在迅速发展 它主要包括虚拟现实 VR 虚拟产品开发 VPD 虚拟制造 VM 和虚拟企业 VE 等 45 绿色自动化技术的概念 主要是从信息 电气技术与设备的方面出发 减少 消除自动化设备对人类 环境的污染与损害 其主要内容包括保证信息安全与减少信息污染 电磁谐波抑制 洁净生产 人机和谐 绿色制造等 这是全球可持续发展战略在自动化领域中的体现 是自动化学科的一个崭新课题