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1、计算机测控系统计算机测控系统李江全李江全石河子大学机电学院电气工程系石河子大学机电学院电气工程系 概述概述测控系统的演变测控系统的演变传统传统检测检测系系统统 显示仪表显示仪表被测参数被测参数1、传统测控时代、传统测控时代传统手动传统手动控制控制系系统统 显示器显示器执行机构执行机构被测控参数被测控参数传感器传感器检测检测系系统统 传感器传感器调理电路调理电路模块模块显示仪表显示仪表被被测测参参数数2、电气测控时代、电气测控时代现代手动控制现代手动控制系系统统 传感器传感器调理电路调理电路模块模块显示仪表显示仪表执行机构执行机构被被测测控控参参数数电气控制电气控制系系统统 传感器传感器调理电路
2、调理电路模块模块显示器显示器执行机构执行机构控制电路控制电路模块模块被被测测控控参参数数智能智能检测检测控制控制系系统统 传感器传感器智能仪表智能仪表执行机构执行机构被测控参数被测控参数3、智能测控时代、智能测控时代计算机测控计算机测控系系统统 传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构4、计算机测控时代、计算机测控时代计算机测控系统的含义与类别计算机测控系统的含义与类别计算机测控技术是一门综合性的技术。计算机测控技术是一门综合性的技术。它是自动检测和传感技术、自动控制技术、它是自动检测和传感技术
3、、自动控制技术、计算机技术（计算机技术（包括软件技术、接口技术、通信技包括软件技术、接口技术、通信技术、网络技术、显示技术术、网络技术、显示技术）的综合应用。）的综合应用。计算机控制系统作为当今工业控制的主流系统，已计算机控制系统作为当今工业控制的主流系统，已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作管理的人工职能，并具有较高级复杂和很大部分操作管理的人工职能，并具有较高级复杂的计算方法和处理方法，以完成各种过程控制、操作的计算方法和处理方法，以完成各种过程控制、操作管理等任务。管理等任务。随着科学技术的迅速发展，计算机控制技术的
4、应随着科学技术的迅速发展，计算机控制技术的应用领域日益广泛，在冶金、化工、电力、自动化机床、用领域日益广泛，在冶金、化工、电力、自动化机床、工业机器人控制、柔性制造系统和计算机集成制造系工业机器人控制、柔性制造系统和计算机集成制造系统等工业控制方面已取得了令人瞩目的研究与应用成统等工业控制方面已取得了令人瞩目的研究与应用成果，在国民经济中发挥着越来越大的作用。果，在国民经济中发挥着越来越大的作用。基本概念基本概念v测测量量：采采用用各各种种方方法法获获得得客客观观事事物物的的量量值值，称之为称之为“测量测量”v控控制制：采采用用各各种种方方法法支支配配或或约约束束某某一一客客观观事物的进程结果
5、，称之为事物的进程结果，称之为“控制控制”测控系统的分类测控系统的分类按按照照仪仪器器和和系系统统担担负负的的任任务务不不同同，测测控控系系统统可可分分为为三大类：三大类：v单纯以控制为目的的单纯以控制为目的的“控制系统控制系统”v单单纯纯以以测测量量和和检检测测为为目目的的的的“测测试试（检检测测）系系统统”v 测测控一体的控一体的“测测控系控系统统”或或“监控系统监控系统”（1）开环（前馈）控制系统开环（前馈）控制系统控制器控制器被控被控对象对象控制量控制量输入量输入量扰动扰动输出量输出量系统的被控制量（输出量）对系统的控制量（输入量）系统的被控制量（输出量）对系统的控制量（输入量）没有影
6、响，即被控制量只受控于控制量，而对控制量无反作没有影响，即被控制量只受控于控制量，而对控制量无反作用，这类系统称为开环系统，或前馈控制系统。用，这类系统称为开环系统，或前馈控制系统。220V按信号传递路径分类按信号传递路径分类：开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统特点特点：1)控制量与输出量之间仅有前向通路，没有反馈通路，输控制量与输出量之间仅有前向通路，没有反馈通路，输出量只被检测，无直接控制作用；出量只被检测，无直接控制作用；2)外部条件和系统内部参数保持不变时，对于一个确定的外部条件和系统内部参数保持不变时，对于一个确定的输入量，总存在一个与之对应的输出量；输入量，总存在
7、一个与之对应的输出量；3)控制精度取决于控制器各被控对象的参数稳定性，易受控制精度取决于控制器各被控对象的参数稳定性，易受干扰影响（抗干扰能力差），缺乏精确性和适应性干扰影响（抗干扰能力差），缺乏精确性和适应性。开开环环控控制制系系统统工工作作原原理理：根根据据给给定定的的信信号号去去控控制制被被控控对对象象，不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。（2）闭环（反馈）控制系统闭环（反馈）控制系统反馈：反馈：指输出量通过适当的装置将测量信号的全部或一部分指输出量通过适当的装置将测量信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较的过程返回输入端，
8、使之与输入量进行比较的过程。如果输出量和反馈量相减则称为如果输出量和反馈量相减则称为负反馈负反馈，反之，若二者，反之，若二者相加，则称为相加，则称为正反馈正反馈。输入量和反馈量之差称为。输入量和反馈量之差称为偏差信号偏差信号。系统的被控量对控制作用有直接影响的系统称为闭环控系统的被控量对控制作用有直接影响的系统称为闭环控制系统。制系统。反馈控制系统是指在负反馈的基础上，用反馈控制系统是指在负反馈的基础上，用“检测误差用检测误差用以纠正误差以纠正误差”这一原理组成的系统。由于此类系统信息的传这一原理组成的系统。由于此类系统信息的传递途径有一个自己闭合的环路，所以称为闭环控制系统。递途径有一个自己
9、闭合的环路，所以称为闭环控制系统。特点：特点：1)由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制；由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制；2)对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能够自对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能够自动纠正；动纠正；3)系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作，因而存在稳定性问题。工作，因而存在稳定性问题。闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于闭环控制闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于闭环控制系统有一条从系统输出端经过测量元件到输入端的反馈通路系统有一条从系统输出端经过测量元件到输入端的反
10、馈通路输入量输入量控制器控制器被控被控对象对象控制量控制量扰动扰动输出量输出量反馈元件反馈元件+-输输入入变变换换电电压压放放大大执执行行机机构构功功率率放放大大减减速速器器电电热热器器调调压压器器炉炉子子+热电偶热电偶期望温度期望温度实际温度实际温度在在线线方式和离方式和离线线方式方式v在线方式或联机方式：在计算机控制系统中，在线方式或联机方式：在计算机控制系统中，生产过程与计算机相连，并受计算机控制的方生产过程与计算机相连，并受计算机控制的方式称在线方式。式称在线方式。v离线方式或脱机方式：在计算机控制系统中，离线方式或脱机方式：在计算机控制系统中，生产过程与计算机不相连，且不受计算机控制
11、，生产过程与计算机不相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称离线而是靠人进行联系并做相应操作的方式称离线方式。方式。实时实时系系统统 v实时实时系系统统是是对对外来事件在限定外来事件在限定时间时间内能做内能做出反出反应应的系的系统统。v实时实时控制系控制系统统和和实时实时信息信息处处理系理系统统统统称称为实时为实时系系统统。需需要要注注意意的的是是：实实时时并并不不等等于于快快！它它是是一一个个相相对对的的概概念念，确确切切定定义义应应该该是是“及及时时”，即即在在系系统统允允许许的的时间时间范范围围内完成任内完成任务务。一一个个在在线线系系统统不不一一定定是是一一个个实实
12、时时系系统统，但但一一个个实时系统必定是在线系统。实时系统必定是在线系统。实时系统强调的是实时性和可靠性。实时系统强调的是实时性和可靠性。这除了与计算机硬件有关外，还与这除了与计算机硬件有关外，还与实时系统的软件密切相关。实时系统的实时系统的软件密切相关。实时系统的软件是实时应用软件和实时操作系统软件是实时应用软件和实时操作系统RTOSRTOS（Real-Time Operating SystemReal-Time Operating System）计算机测试系统计算机测试系统计算机控制系统计算机控制系统计算机测控系统计算机测控系统计算机测控系统同样分为三类计算机测控系统同样分为三类:利用传感
13、装置将被监控对象中的物理参量利用传感装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量（如电压、电流），再将这些代表实际物理参量（如电压、电流），再将这些代表实际物理参量的电量送人输人装置中转换为计算机可识别的量的电量送人输人装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据
14、存储起来，随除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。时进行分析、统计和显示并制作各种报表。计算机测试系统计算机测试系统计算机测试计算机测试系系统统是以微机是以微机为为核心，核心，单纯单纯以以“监监测测”为为目的的系目的的系统统 传感器传感器输入信号输入信号调理器调理器计算机计算机显示器显示器非非电量电量测测量量对对象象如果需要对被监控的对象进行控制，则由如果需要对被监控的对象进行控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量的
15、设定值进行判断；然后在输出装置中输出相的设定值进行判断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行装置（如调节阀、应的电信号，并且推动执行装置（如调节阀、电动机）动作从而完成相应的控制任务。电动机）动作从而完成相应的控制任务。计算机控制系统计算机控制系统计算机控制计算机控制系系统统是以微机是以微机为为核心，核心，单纯单纯以程以程序序“控制控制”为为目的的系目的的系统统。执行机构执行机构输出信号输出信号调理器调理器计算机计算机控控制制对对象象非电量是以微机是以微机为为核心，以核心，以“监测监测”和和“控制控制”为为目的目的、测测控一体化的系控一体化的系统统。这这种系种系统对统对被控被控对对象
16、的控制是依据象的控制是依据对对被控被控对对象的象的测测量量结结果决定的。果决定的。传感器传感器输入信号输入信号调理器调理器计算机计算机显示器显示器非电量测测控控对对象象执行机构执行机构输出信号输出信号调理器调理器计算机测控系统计算机测控系统电厂生产车间电厂生产车间计算机集中监控室计算机集中监控室计算机计算机测控系统硬件各部分功能描述测控系统硬件各部分功能描述1、被测控对象及其参数、被测控对象及其参数1）环境特征；）环境特征；2）参数类型；）参数类型；3）测控要求）测控要求传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块
17、执行机构执行机构2、传感器、传感器1）选型；）选型；2）信号；）信号；3）量程；）量程；4）精度；）精度；5）环境）环境传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构3、调理电路模块、调理电路模块1）可用信号；）可用信号；2）标准信号；）标准信号；3）变送器）变送器传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构4、输入通道、输入通道1）信号类别：模拟量，数字量（开关量），脉冲量；）信号类别：模拟量，数字量（开
18、关量），脉冲量；2）接口类别：）接口类别：RS232/485，ISA，PCI等；等；3）输入模块、板卡）输入模块、板卡传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构5、计算机、计算机1）工控机；工控机；2）PC机；机；3）单片机；）单片机；4）PLC；5）嵌入式微机嵌入式微机传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构6、输出通道、输出通道1）信号类别：数字量，模拟量（开关量），脉冲量；）信号类别：数字量，
19、模拟量（开关量），脉冲量；2）接口类别：）接口类别：RS232/485，ISA，PCI等；等；3）输出模块、板卡）输出模块、板卡传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构7、控制电路模块、控制电路模块1）各种控制器件：接触器、继电器、开关等；）各种控制器件：接触器、继电器、开关等；2）各种功率放大电路、驱动电路等）各种功率放大电路、驱动电路等传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构8、执行机构、执行
20、机构1）电动执行器）电动执行器2）控制电机）控制电机传感器传感器调理电路调理电路模块模块计计算算机机被被测测控控参参数数输入通道输入通道输出通道输出通道控制电路控制电路模块模块执行机构执行机构测控系统微机化的重要意义测控系统微机化的重要意义 传统的测控系统主要由传统的测控系统主要由“测控电路测控电路”组成，所具备的组成，所具备的功能较少，也比较弱。随着计算机技术的迅速发展，使得功能较少，也比较弱。随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，替代传统测控系统的常规电子为测控系统的主体和核
21、心，替代传统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。由于微型计算线路，从而成为新一代的微机化测控系统。由于微型计算机的速度快、精度高、存储容量大、功能强及可编程等特机的速度快、精度高、存储容量大、功能强及可编程等特点，将微型计算机引入测控系统中，不仅可以解决传统测点，将微型计算机引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、化、智能化程度，而
22、且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等。易于升级换代等。因此，现代测控系统设计，特别是高精度、因此，现代测控系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不采用计算机技术的了。在当今，完全可以这样采用计算机技术的了。在当今，完全可以这样说，没有微处理器的仪器就不能称为仪器，没说，没有微处理器的仪器就不能称为仪器，没有微型计算机的测控系统就更不能称其为现代有微型计算机的测控系统就更不能称其为现代工业测控系统。工业测控系统。计计算算机机技技术术的的引引入入，为为测测控控系系统统带带来来以以下下一些新特点和新功能：一些新特点和新功能：
23、1 1）自自动动清清零零功功能能。在在每每次次采采样样前前对对传传感感器器的的输输出出值值自自动动清清零零，从从而而大大大大降降低低因因测测控控系系统统漂漂移移变变化化造造成成的的误差。误差。2 2）量量程程自自动动切切换换功功能能。可可根根据据测测量量值值和和控控制制值值的的大大小小改改变变测测量量范范围围和和控控制制范范围围，在在保保证证测测量量和和控控制制范范围围的同时提高分辨率。的同时提高分辨率。3 3）多多点点快快速速测测控控。可可对对多多种种不不同同参参数数进进行行快快速速测测量量和控制。和控制。4 4）数数字字滤滤波波功功能能。利利用用计计算算机机软软件件对对测测量量数数据据进进
24、行行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。5 5）自自动动修修正正误误差差。许许多多传传感感器器和和控控制制器器的的特特性性是是非非线线性性的的，且且受受环环境境参参数数变变化化的的影影响响比比较较严严重重，从从而而给给仪仪器器带带来来误误差差。采采用用计计算算机机技技术术，可可以以依依靠靠软软件件进行在线或离线修正。进行在线或离线修正。6）数数据据处处理理功功能能。利利用用计计算算机机技技术术可可以以实实现现传传统统仪仪器器无无法法实实现现的的各各种种复复杂杂的的处处理理和和运运算算功功能能，比比如如统统计计分分析析、检检索索排排序序、函函数数变变换换、差差值值近近
25、似似和和频频谱谱分分析等。析等。7 7）复复杂杂控控制制规规律律。利利用用计计算算机机技技术术不不仅仅可可以以实实现现经经典典的的PIDPID控控制制，还还可可以以实实现现各各种种复复杂杂的的控控制制规规律律，例例如如，自自适适应应控控制制、模模糊糊控控制制等等；同同时时也也能能够够实实现现控控制制方方案案和和控控制制规规律律的的在在线线修修改改，使使整整个系统具有很大的灵活性与适应性。个系统具有很大的灵活性与适应性。8）多媒体功能。）多媒体功能。利用计算机的多媒体技术，可利用计算机的多媒体技术，可以使仪器具有声光、语音、图像、动画等功能，以使仪器具有声光、语音、图像、动画等功能，增强测控系统
26、的个性或特色。增强测控系统的个性或特色。9 9）通通信信或或网网络络功功能能。利利用用计计算算机机的的数数据据通通信信功功能能，可可以以大大大大增增强强测测控控系系统统的的外外部部接接口口功功能能和和数数据据传传输输功功能能。采采用用网网络络功功能能的的测测控控系系统统则则将将拓展一系列新颖的功能。拓展一系列新颖的功能。10）自我诊断功能。）自我诊断功能。采用计算机技术后，可对采用计算机技术后，可对控制系统进行监测，一旦发现故障则立即进行控制系统进行监测，一旦发现故障则立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。对排除故障的
27、方法进行提示。通过应用计算机测控技术，可以稳定和优通过应用计算机测控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料消耗，降低生产成本；更为重要的是通过应料消耗，降低生产成本；更为重要的是通过应用计算机测控技术还可以降低劳动者的生产强用计算机测控技术还可以降低劳动者的生产强度，提高领导者的管理水平，从而带来极大的度，提高领导者的管理水平，从而带来极大的社会效益。正因为如此，计算机测控技术得到社会效益。正因为如此，计算机测控技术得到了迅速的发展。了迅速的发展。计算机测控系统的任务计算机测控系统的任务下面以生产过程控制系统为例来说明计算机控制系统
28、的任务，因下面以生产过程控制系统为例来说明计算机控制系统的任务，因为它比较集中地体现了计算机控制系统的各种功能。图为它比较集中地体现了计算机控制系统的各种功能。图0-30-3所示，所示，计算机控制系统借助传感器从生产过程中收集信息，对生产过程计算机控制系统借助传感器从生产过程中收集信息，对生产过程被控对象进行监视并提供控制信号。被收集的信息在不同层次上被控对象进行监视并提供控制信号。被收集的信息在不同层次上进行分析计算，得出对生产装置提供的调节量，完成自动控制，进行分析计算，得出对生产装置提供的调节量，完成自动控制，或者为生产管理人员、工程师和操作员提供所需要的信息。或者为生产管理人员、工程师
29、和操作员提供所需要的信息。1检测检测 生生产产过过程程的的参参数数大大小小是是由由传传感感器器进进行行检检测测的的。传传感感器器产产生生与与被被测测物物理理量量（如如温温度度、压压力力、流流量量、液液位位等等）成成比比例例（一一般般为为正正比）的电信号。比）的电信号。传传感感器器信信号号在在进进入入计计算算机机系系统统的的接接口口之之前前，首首先先要要转转换换成成一一种种标标准准形形式式，通通常常是是把把传传感感器器的的0 0100100量量程程转转换换成成4 420mA20mA电电流或流或1 15V5V电压。电压。另一类测量值是关于被控过程的状态信息。例如，阀门是否另一类测量值是关于被控过程
30、的状态信息。例如，阀门是否关闭？容器是否注满？泵是否打开？这些信息是以开关量的形关闭？容器是否注满？泵是否打开？这些信息是以开关量的形式提供给计算机的，通过继电器接点的开闭或式提供给计算机的，通过继电器接点的开闭或TTLTTL电平的变化电平的变化来表示。来表示。2执行机构的控制执行机构的控制 对生产装置的控制通常是通过对阀门或伺服机构等对生产装置的控制通常是通过对阀门或伺服机构等执行机构进行调节，对泵和马达进行控制来达到的。计执行机构进行调节，对泵和马达进行控制来达到的。计算机可以产生一串脉冲去驱动执行机构达到所需要的位算机可以产生一串脉冲去驱动执行机构达到所需要的位置，可以通过继电器接点闭合
31、或产生某个电平的跳变去置，可以通过继电器接点闭合或产生某个电平的跳变去启动或停止某个马达，也可通过数启动或停止某个马达，也可通过数/模转换产生一个正模转换产生一个正比于某设定值的电压或电流去驱动执行机构。执行机构比于某设定值的电压或电流去驱动执行机构。执行机构在收到控制信号之后，通常还要反馈一个测量信号给计在收到控制信号之后，通常还要反馈一个测量信号给计算机，以便检查控制命令是否被执行。算机，以便检查控制命令是否被执行。3人一机交互人一机交互 计算机控制系统必须为操作员提供关于被计算机控制系统必须为操作员提供关于被控过程和控制系统本身运行情况的全部信息，控过程和控制系统本身运行情况的全部信息，
32、为操作员直观地进行操作提供各种手段，例为操作员直观地进行操作提供各种手段，例如改变设定值，手动调节各种执行机构，在如改变设定值，手动调节各种执行机构，在发生报警的情况下进行处理等。因此，它应发生报警的情况下进行处理等。因此，它应当能显示各种信息和画面，打印各种记录，当能显示各种信息和画面，打印各种记录，通过专用键盘对被控过程进行操作等。通过专用键盘对被控过程进行操作等。4 4通信通信 现今的工业过程控制系统一般都采用分现今的工业过程控制系统一般都采用分级分散式结构，即由多台计算机组成计算机级分散式结构，即由多台计算机组成计算机网络，共同完成上述的各种任务。因此，各网络，共同完成上述的各种任务。
33、因此，各级计算机之间必须能按时地交换信息。此外，级计算机之间必须能按时地交换信息。此外，有时生产过程控制系统还需要与其它计算机有时生产过程控制系统还需要与其它计算机系统（例如，全厂的综合信息管理系统）进系统（例如，全厂的综合信息管理系统）进行数据通信。行数据通信。计算机测控系统的特点计算机测控系统的特点1技术集成和系统复杂程度高技术集成和系统复杂程度高 计算机控制系统是计算机、控制、通信、电计算机控制系统是计算机、控制、通信、电子等多种高新技术的集成，是理论方法和应用技子等多种高新技术的集成，是理论方法和应用技术的结合。由于信息量大、速度快和精度高，因术的结合。由于信息量大、速度快和精度高，因
34、此能实现复杂的控制规律，从而达到较高的控制此能实现复杂的控制规律，从而达到较高的控制质量。计算机控制系统实现了常规系统难以实现质量。计算机控制系统实现了常规系统难以实现的多变量控制、智能控制、参数自整定等。的多变量控制、智能控制、参数自整定等。2实时性强实时性强 计算机控制系统是一个实时计算机系统，计算机控制系统是一个实时计算机系统，可以根据采集到的数据，立即采取相应的动可以根据采集到的数据，立即采取相应的动作。例如，检测到化学反应罐的压力超限，作。例如，检测到化学反应罐的压力超限，可以立即打开减压阀，这样就避免了爆炸的可以立即打开减压阀，这样就避免了爆炸的危险。实时性是区别于普通计算机系统的
35、关危险。实时性是区别于普通计算机系统的关键特点，也是衡量计算机控制系统性能的一键特点，也是衡量计算机控制系统性能的一个重要指标。个重要指标。3可靠性高和可维修性好可靠性高和可维修性好 这两个因素决定系统的可用程度。由于这两个因素决定系统的可用程度。由于采取有效的抗干扰、冗余、可靠性技术和系采取有效的抗干扰、冗余、可靠性技术和系统的自诊断功能，计算机控制系统的可靠性统的自诊断功能，计算机控制系统的可靠性高且可维修性好。如有的工控机一旦出现故高且可维修性好。如有的工控机一旦出现故障，能迅速指出故障点和处理办法，便于立障，能迅速指出故障点和处理办法，便于立即修复。即修复。4环境适应性强环境适应性强
36、工业环境恶劣，要求工业控制机工业环境恶劣，要求工业控制机能适应高温、高湿、腐蚀、振动、能适应高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘等工业环境。一般的工冲击、灰尘等工业环境。一般的工业控制机有较高的电磁兼容性。业控制机有较高的电磁兼容性。5控制的多功能性控制的多功能性 计算机控制系统具有集计算机控制系统具有集中操作、实时控制、控制管中操作、实时控制、控制管理、生产管理等多功能。理、生产管理等多功能。6.6.应用的灵活性应用的灵活性 由由于于软软件件功功能能丰丰富富、编编程程方方便便和和硬硬件件体体积积小小、重重量量轻轻以以及及结结构构设设计计上上的的模模块块化化、标标准准化化、使使系系统统配配置置上
37、上有有很很强强的的灵灵活活性性。如如一一些些工工控控机机有有操操作作简简易易的的结结构构化化、组组态态化化控控制制软软件件，硬硬件件的的可装配性、可扩充性也很好。可装配性、可扩充性也很好。另外，技术更新快，信息综合性强，内涵丰另外，技术更新快，信息综合性强，内涵丰富，操作便利等也都是计算机控制系统的一些富，操作便利等也都是计算机控制系统的一些特点。特点。计算机控制系统的基本要求计算机控制系统的基本要求 1具有良好的实时性具有良好的实时性2具有高可靠性和较强的环境适应性具有高可靠性和较强的环境适应性3采用标准化部件，便于扩充、升级和维护采用标准化部件，便于扩充、升级和维护4具有良好的人机界面和丰
38、富的监视画面具有良好的人机界面和丰富的监视画面5具有良好的系统组态和可选的各种控制策略具有良好的系统组态和可选的各种控制策略6具有网络通讯功能，便于实现工厂自动化和信息化具有网络通讯功能，便于实现工厂自动化和信息化计算机测控系统的组成计算机测控系统的组成 计算机测控系统由计算机测控系统由2大部分组成：大部分组成：计算机测控系统的典型结构计算机测控系统的典型结构 硬件硬件主要由输人输出装置、检测变送主要由输人输出装置、检测变送装置、计算机和执行机构装置、计算机和执行机构4大部分组成。大部分组成。软件软件主要分为系统软件、开发软件主要分为系统软件、开发软件和应用软件和应用软件3大部分。大部分。计算
39、机测控系统的硬件组成计算机测控系统的硬件组成 1.1.计算机主机计算机主机 2.2.过程通道过程通道 3.3.操作控制台操作控制台 由微处理器、内存储器及系统总线组成的由微处理器、内存储器及系统总线组成的计算机主机是整个计算机测控系统的核心，它计算机主机是整个计算机测控系统的核心，它的功能、性能直接影响到系统的优劣。主机的的功能、性能直接影响到系统的优劣。主机的任务主要是进行数据采集、数据处理、逻辑判任务主要是进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，还通过接口电断、控制量计算、越限报警等，还通过接口电路向系统的各个部分发出各种控制命令，指挥路向系统的各个部分发出各种控制命令，
40、指挥整个计算机测控系统有条不紊地协调工作。整个计算机测控系统有条不紊地协调工作。1计算机主机计算机主机一般地，计算机主机在测控系统中至少起到以下三个作用：一般地，计算机主机在测控系统中至少起到以下三个作用：1 1）实实时时数数据据处处理理：对对来来自自测测量量变变送送装装置置的的被被控控变变量量数数据据的的瞬瞬时时值值进进行行巡巡回回采采集集、分分析析处处理理、计计算算以以及及显显示示、记录、制表等。记录、制表等。2 2）实实时时监监督督决决策策：对对系系统统中中的的各各种种数数据据进进行行越越限限报报警警、事事故故预预报报和和处处理理，根根据据需需要要进进行行设设备备自自动动启启停停，对对整
41、整个系统进行诊断与管理等。个系统进行诊断与管理等。3）实时控制及输出：）实时控制及输出：根据被控生产过程的特点和控制根据被控生产过程的特点和控制要求，选择合适的控制规律，包括复杂的先进控制策略，要求，选择合适的控制规律，包括复杂的先进控制策略，然后按照给定的控制策略和实时的生产情况，实现在线、然后按照给定的控制策略和实时的生产情况，实现在线、实时控制。实时控制。在实际应用中，应根据应用规模、控制目的和在实际应用中，应根据应用规模、控制目的和控制需要等选用性能价格比高的计算机，如：对于控制需要等选用性能价格比高的计算机，如：对于小型控制系统、智能仪表及智能化接口，尽量采用小型控制系统、智能仪表及
42、智能化接口，尽量采用单片机模式；对于新产品开发或用量较大，为降低单片机模式；对于新产品开发或用量较大，为降低成本，也可采用单片机模式；对于中等规模的控制成本，也可采用单片机模式；对于中等规模的控制系统，为加快系统的开发速度，可以选用系统，为加快系统的开发速度，可以选用PLC或工或工控机，应用软件可自行开发；对于大型的生产过程控机，应用软件可自行开发；对于大型的生产过程控制系统，最好选用工控机、专用控制系统，最好选用工控机、专用DCS或或FCS，软软件可自行开发或购买现成的组态软件。件可自行开发或购买现成的组态软件。2过程通道过程通道 过程通道是计算机主机与生产过程被控对象之间过程通道是计算机主
43、机与生产过程被控对象之间进行信息传递和变换的连接装置。进行信息传递和变换的连接装置。根据信号传送方向，分为输入通道和输出通道；根据信号传送方向，分为输入通道和输出通道；根据传送信号的形式，又可分为模拟量通道和开根据传送信号的形式，又可分为模拟量通道和开关量通道。关量通道。目前工业上使用最多的是板卡式过程通道，其次目前工业上使用最多的是板卡式过程通道，其次是远程是远程I/OI/O模块。模块。1 1）模拟量输入通道）模拟量输入通道 在微机测控系统中，为了实现对生产过程在微机测控系统中，为了实现对生产过程或其他设备或周围环境的测量和控制，首先或其他设备或周围环境的测量和控制，首先必须对各种模拟量参数
44、如温度、压力、流量、必须对各种模拟量参数如温度、压力、流量、成份、液位、速度、距离等进行采集，为此，成份、液位、速度、距离等进行采集，为此，要用传感器和变送器将采集量变成标准的电要用传感器和变送器将采集量变成标准的电信号，通过滤波放大、经信号，通过滤波放大、经A/D转换器变换成转换器变换成计算机能接受的数字量。计算机能接受的数字量。2 2）模拟量输出通道）模拟量输出通道 目前工业生产中使用的执行机构，其控制信号目前工业生产中使用的执行机构，其控制信号基本上是模拟的电压或电流信号。因此计算机输出基本上是模拟的电压或电流信号。因此计算机输出的数字信号必须经的数字信号必须经D/A转换器变为模拟量后，
45、方能转换器变为模拟量后，方能去控制执行机构。对于气动或液动的执行机构，尚去控制执行机构。对于气动或液动的执行机构，尚需经过电一气或电一液转换装置。当控制多个回路需经过电一气或电一液转换装置。当控制多个回路时，还需要使用多路开关进行切换。考虑到每个回时，还需要使用多路开关进行切换。考虑到每个回路的输出信号在时间上是离散的，而执行机构要求路的输出信号在时间上是离散的，而执行机构要求的是连续的模拟量信号，所以多路输出的信号都应的是连续的模拟量信号，所以多路输出的信号都应采用输出保持器加以保持后再去控制执行机构。采用输出保持器加以保持后再去控制执行机构。3 3）开关量输入通道）开关量输入通道 开开关关
46、量量输输入入通通道道的的任任务务主主要要是是将将现现场场输输入入的的开开关关信信号号经经转转换换、保保护护、滤滤波波、隔隔离离等等措措施施转转换换成成计计算算机机能够接收的逻辑信号。能够接收的逻辑信号。开关量输入通道在测控系统中主要起以下作用：开关量输入通道在测控系统中主要起以下作用：定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等；对生产过程中某些是否在运转、阀门是否开启等；对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常，及时向主机发出中断请求信号，申请故障有异常
47、，及时向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。处理，保证生产过程的正常运转。4 4）开关量输出通道）开关量输出通道 对于只有对于只有“0”和和“1”两种工作状态的执行两种工作状态的执行机构或器件，用计算机控制系统输出开关量来控机构或器件，用计算机控制系统输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和停止，信号指示制它们，例如控制马达的启动和停止，信号指示灯的亮和灭，电磁阀的打开与关闭，继电器的接灯的亮和灭，电磁阀的打开与关闭，继电器的接通与断开，步进电机的运行等。开关量输出通道通与断开，步进电机的运行等。开关量输出通道的任务就是把计算机输出的开关信号传送给这些的任务就是把计算
48、机输出的开关信号传送给这些执行机构或器件。执行机构或器件。5 5）执行机构）执行机构 在计算机测控系统中，必须将经过采集、在计算机测控系统中，必须将经过采集、转换、处理的被控参量（或状态）与给定值转换、处理的被控参量（或状态）与给定值（或事先安排好的动作顺序）进行比较，然后（或事先安排好的动作顺序）进行比较，然后根据偏差来控制有关输出部件，达到自动调节根据偏差来控制有关输出部件，达到自动调节被控量（或状态）的目的。被控量（或状态）的目的。6 6）I/OI/O接口接口 由于外部设备和被控对象是不能直接由计由于外部设备和被控对象是不能直接由计算机主机控制的，必须由算机主机控制的，必须由“接口接口”
49、来传送相应来传送相应的信息和命令。的信息和命令。I/O接口是主机和通道、外部设接口是主机和通道、外部设备进行信息交换的纽带。接口电路有并行接口、备进行信息交换的纽带。接口电路有并行接口、串行接口、脉冲接口和直接数据传送接口等。串行接口、脉冲接口和直接数据传送接口等。绝大多数绝大多数I/O接口都是可编程的，它们的工作方接口都是可编程的，它们的工作方式可以通过编程设置。各种式可以通过编程设置。各种CPU都有配套的接都有配套的接口芯片。口芯片。由上可知，过程通道由各种硬件设由上可知，过程通道由各种硬件设备组成，它们起着信息变换和传递的作备组成，它们起着信息变换和传递的作用，配合相应的输入、输出控制程
50、序，用，配合相应的输入、输出控制程序，使计算机和被控对象间能进行信息交换，使计算机和被控对象间能进行信息交换，从而实现对生产机械、过程的控制。从而实现对生产机械、过程的控制。3 3操作控制台操作控制台 操作控制台是操作员与计算机测控系统之操作控制台是操作员与计算机测控系统之间进行联系的纽带，如图间进行联系的纽带，如图1-5所示。通过操作控所示。通过操作控制台，操作人员可及时了解被控过程的运行状制台，操作人员可及时了解被控过程的运行状态、运行参数、报警信号等，进行必要的人为态、运行参数、报警信号等，进行必要的人为干预，发出各种控制命令或紧急处理某些事件，干预，发出各种控制命令或紧急处理某些事件，