计算机控制

—计算机控制技术—
Fig 2.
8
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 3
9
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 4
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（1）
l 常规控制系统的工作原理
设定值r
e
模拟调节器
u
被调参数 y
执行机构
被控对象
ym 测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
第1章 概述
—计算机控制技术—
课程名称：
计算机控制技术
The Theory and Technology of Computer Control
授课教师：机电学院 测控系
王爽心
1
第1章 概述
—计算机控制技术—
第一章 绪论 Introduction
王爽心: shxwang1@bjtu.edu.cn School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, BJTU
k =0
∞
因为f*(t)只与f(t)在脉冲出现瞬间的值f(kT)有关，故 采样信号可用下式表示：
f * (t ) = ∑ f (kT )δ (t − kT ) = f (t )δ T (t )
k =0
∞
采样周期T的选择相当重要。
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加权 函数
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（7）
生产过程
流程CIMS的递阶控制示意图
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（8） l 根据计算机的硬件不同分类
– 基于单片机的简单系统 – 基于IPC – 基于PLC – 基于各种类型DCS – 基于现场总线仪表的FCS
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（9） l 按照控制规律分类
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第1章 概述
—计算机控制技术—
本章主要内容
l 计算机控制系统概述 l 信号的采样与恢复 l 计算机控制系统的设计与实现 l 计算机控制系统的发展概况与趋势
3
第1章 概述
—计算机控制技术—
第一节 Unit 1 计算机控制系统概述 Introduction of Computer Control System
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第1章 概述
—计算机控制技术—
本节主要内容
l 计算机控制系统的一般概念 l 计算机控制系统的组成 l 计算机控制系统的分类 l 计算机控制系统的特点 l 计算机控制系统的经济效益
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第1章 概述
—计算机控制技术—
直观的计算机控制系统图片
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第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 1.
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（3）
w计算机监督控制（SCC）系统
CRT 打印机 报警 操作台
监督控制计算机(SCC)
DDC DDC计算机或调节器 计算机或调节器 输入通道 输入通道 输入通道 输入通道 输出通道 输出通道
被 控 生 产 过 程
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第1章 概述 监督控制系统的两种结构形式
采样开关
f*(t)
f*(t) 2T 4T
τ
t
采样后的信号
过程连续信号采样过程示意图
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（4）
时域描述:
采样周期T (单位s) 闭合时间τ (s) 采样角频率ω s (rad / s ) 采样频率 f s ( Hz ) 理想单位 脉冲函数
1 fs = T 2π ωs = = 2π f s T
δ (t ) = ∞, 当t = 0时 δ (t ) = 0, 当t≠ 0时
∫
+∞
−∞
δ (t )dt = 1
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1 1--2 1--1 2 信号的采样过程（ 信号特点（5） 5）
设δ(t-kT) 是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则
f * (t ) = f (t ) ∑ δ (t − kT )
管理命令 管理命令 报告 人工监管 人工监管 给定值 给定值 测量值 测量值 报告
—计算机控制技术—
.
.
DDC A/D D/A 多路开关
A/D
多路开关
..
检测元件 生产过程
反多路开关 检测元件
..
生产过程
..
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（a）SCC+模拟调节器系统
（b）SCC+DDC系统
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（4）
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-5 经济效益（1）
l 可计算效益部分
– 增加产量或可处理量 – 改善产品的质量 – 降低能源消耗与原料消耗, 减少成本 – 提高设备的利用率, 维修要求降低 – 节省劳动力
l 投资的回收周期：1~2年或几个月
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-5 经济效益（2）
车间级监控计算机（SCC） 车间级监控计算机（SCC）
ü ü ü ü
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
工厂对象D
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第1章 概述
Internet
镜像 服务器 应用 服务器
—计算机控制技术—
互联网 服务器
MIS网络
客户端
SIS服务器 SIS功能站
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（3） l 计算机控制系统的工作方式
– 在线形式与离线形式 – 实时性
l 计算机在控制系统中的主要作用
– 进行实时数据处理 – 对生产过程实施实时控制 – 对生产过程进行监督与管理
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-2 计算机控制系统的组成
按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（2）
l 计算机控制系统的工作原理
设定值r e(kT) u(kT) u 被调参数 y
计算机
D/A
保持器
广义对象
ym
A/D
采样器
测量变送器
计算机系统
图b 单回路计算机控制系统示意图
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第1章 概述
l 计算机控制系统的采样的合理性
– – – – – 采样器闭合时间τ远小于采样周期T 理想采样器（接通电阻R→ 0，开路电阻R→∝） 采样信号f*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t) A/D转换后， f*(t) →f(kT), k=1，2，…… 采样周期T须满足香农定理
当满足上述条件时， f*(t) 与f(kT)只相差量化误差。
p 硬件部分
实时时钟 r(t) e(t) 采样 开关 e*(t) A/D u*(t) 数字 控制器 D/A
A-Analogue D-digital
产生脉冲序列 作采样信号
u(t) 对象 或过程
y(t)
保持器
[e(kT)] 模拟输入通道
离散状态
[u(kT)] 模拟输出通道
连续状态
连续信号à离散信号
离散信号à连续信号
工厂对象D
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第1章 概述
—计算机控制技术—
工程师站
ARCnet 通讯网络
控制站
控制站
控制站
控制站 。。。。。。
控制站
。。。。。。 I/O信号 I/O信号 I/O信号 I/O信号 I/O信号
分布式控制系统组成框图
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（5）
w现场总线控制系统 工作站 — 现场智能仪表-变送器智能部件
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-2 采样定理（1）
离散信号F*(jω)的频谱图
F*(jω)
−2ωs
−ωs
0
ωs
2ωs
ω
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-2 采样定理（2）
l 香农(Shannon)采样定理：
一个连续时间信号 f (t ) ，设其频带宽度是有限 的，其最高频率为 ωmax (或 f max )。如果在等间隔点上 对该信号 f (t ) 进行连续采样，为了使采样后的离散信号 f ∗ (t ) 能包含原信号f (t ) 的全部信息量，则采样角频率 只有满足下面的关系： ωs ≥ 2ωmax 采样后的离散信号 f ∗ (t ) 才能够无失真地复现 f (t ) 。 其中： 2π ω s = 2πf s = T
e*(t)
数字 u(kT) 控制器 (计算机) T
u*(t) 保 u(t) 被控
持 器 对象
y(t)
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（3）
l 计算机控制系统的采样过程
－连续信号f(t)通过采样开关后，转变为脉冲序列f*(t)的过程。
f(t) f(t) t 原始过程信号 T 信号通过采样器
计算机控制系统软件流程
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（1）
w计算机操源自文库指导控制系统
A/D 转 换 器 采 样 器 测 量 元 件
工 业 对
微 型 机
显示终端
调节器
象
打印机
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（2）
w计算机直接数字控制（DDC）系统
管理命令 报告 人工监管 给定值 测量值
D/A
DDC微型机 A/D
反多路开关 多路开关
检测元件
生产过程
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第1章 概述
—计算机控制技术—
控制站 RS 485网络
I/O模块
I/O模块
I/O模块
I/O模块 。。。。。。
I/O模块
I/O信号
I/O信号
I/O信号
I/O信号
I/O信号
直接数字控制系统
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第1章 概述
SIS网络
SIS维护站 SIS值长站
SIS防病毒 服务器
接口机
DCS网络
#1机DCS
#1机PLC
#1机RTU
#2机DCS
#2机PLC
#2机RTU
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（7）
w计算机集成控制系统（CIMS/CIPS）
经营决策 企业管理 生产调度 过程优化 过程控制 第五层：企业决策，生产规划 第四层：供销,财务,计划,管理等 第三层：生产调度，系统优化 第二层：先进控制，过程优化 第一层：单元自动化,简单控制
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第1章 概述
—计算机控制技术—
p 软件部分（在计算机上实现控制规律） Ø 主程序：系统初始化设置； Ø 控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量 的输出和存储。
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第1章 概述
—计算机控制技术—
开 始 主程序：初始化设置 N 控 制 子 程 序 采样? Y 数据采集 控制算法 控制量的输出和存储
– 程序和顺序控制 – PID控制 – 最少拍控制 – 复杂规律的控制 – 智能控制
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-4 特点
l计算机控制系统的主要优点
z能实现复杂的控制规律 z性价比高 z组成方式灵活性 z获取更大的经济效益 z有很强的可靠性和可维护性 z为实现企业综合自动化打下了良好的基础
信号的采样与恢复 Sampling and Resuming of Signal
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北京交通大学测控系
第1章 概述
—计算机控制技术—
本节主要内容
l 信号的采样过程 l 采样定理 l 信号的恢复过程和零阶保持器
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（1）
典型的计算机控制系统的结构：
w计算机集散控制系统（DCS）
综合信息管理级
至其它工厂 企业级 经营管理计算机 至其它工厂
集中操作监控级
车间级监控计算机（SCC）
工厂级 集中控制计算机
车间级监控计算机（SCC）
分散过程控制级
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（6）
w现场总线控制系统 工作站 — 现场智能仪表-智能电磁流量计
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第1章 概述
企业管理层 （数据网络） Internet 1-2-5 计算机控制系统的分类
—计算机控制技术—
NT 服务器
w现场总线控制系统
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
l 不可计算效益部分
– – – – – – 企业的知名度和操作人员的整体素质得到提高 操作人员的安全得到更有效的保障 生产和管理的有关信息能及时获得并加以利用 对工况改变的适应性增强 能及时地预报与较好地处理过程与设备的事故 减少对环境产生的污染
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第1章 概述
—计算机控制技术—
第二节 Unit 2
调节阀
局域网
其它工作站
现场总线网段
差压变送器
差压变送器 差压变送器
温度变送器
现场总线系统是企业的底层网络
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第1章 概述
—计算机控制技术—
分级计算机控制系统
分 级 计算机控制系统是一 个四级 系统， 各级 计 算机的功能如图所示。 企业级 装置控制级（DDC级） 经营管理计算机 至其它工厂 至其它工厂 车间监督级（SCC级） 工厂级 集中控制计算机 工厂集中控制级（MIS） 企业管理级（SIS）
* A/ e ( t ) e(kT) e(t) 采 D
r(t)
样 器
转 换
D/ * 数字 u(kT) 保 u(t) A u (t) 控制器 持 转 (计算机) 器 换
被 控 对 象
y(t)
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（2）
简化结构框图：
r(t)
e(t) T
e(kT)