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1、数字控制器一、数字控制器综述数字控制器，电子控制器件的一类，计算机控制系统的核心部分，一般与系统中反馈部分的元件、设备相连，该系统中的其他部分可能是数字的也可能是模拟的。数字控制器通常是利用计算机软件编程，完成特定的控制算法。通常数字控制器应具备： A/D转换、D/A转换、一个完成输入信号到输出信号换算的程序。1、常见类型直接数字控制器直接数字控制器，也称“DDC控制器”。通常DDC系统的组成通常包括中央控制设备(集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通讯接口等)、现场DDC控制器、通讯网络、以及相应的传感器、执行器、调节阀等元器件。直接式数字控制器是指完成被控设备特征参数与过程
2、参数的测量，并达到控制目标的控制装置。直接式数字控制器也是计算机家族的重要成员。它的主要功能是：1. 对第三层的数据采样设备进行周期性的数据采集；2. 对采集的数据进行调整和处理（滤波、放大、转换）3. 对现场采集的数据进行分析，确定现场设备的运行状态；4. 对现场设备运行状态进行检查对比，并对异常状态进行报警处理；5. 根据现场采集的数据执行预定的控制算法，从而获得控制数据；6. 通过预定的控制程序完成各种控制功能，包括比例控制、比例加积分控制、比例加积分微分控制以及其他的控制功能；7. 向第三层的数据控制和执行设备输出控制和执行命令；8. 通过数据网关或网络控制器连接第一层的设备，与各上级
3、管理计算机进行数据交换，同时发出请求和接收各种控制命令。可编程控制器可编程控制器简称PC，但沿用PLC的简称。其英文全称为：Programmable Controller，它经历了可编程矩阵控制器PMC、可编程顺序控制器PSC、可编程逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程程序控制器PC几个不同时期。 1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来
4、在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。顺序控制器根据生产工艺规定的时间顺序或逻辑关系编制程序，对生产过程各阶段依次进行控制的装置，简称顺控器。顺序控制器的控制方式有时序控制和条件控制两种。控制方式时序控制根据预先规定的时间序列进行控制，即动作的步骤只是时间的函数。条件控制根据预先规定的逻辑关系进行控制。这种控制既可以按照预先确定的顺序逐步进行，即上一步动作完成后转入执行下一步；也可以按照几步动作的综合结果来
5、决定下一阶段应执行的动作。控制方式发展最初，顺序控制的功能是用继电器控制系统来实现的。这种系统简单，操作方便，价格便宜；但设计麻烦，因触点多容易出现接触不良现象，可靠性差。被控制的生产工艺改变时，继电器的接线或继电器系统设计均需要改变，所以通用性、灵活性差。50年代出现具有一定通用性和灵活性的顺序控制器。数字调节器用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器，又称数字调节仪表，是数字控制器的一种。它接受来自生产过程的测量信号，由内部的数字电路或微处理机作数字处理，按一定调节规律产生输出数字信号或模拟信号驱动执行器，完成对生产过程的闭环控制。分类与功能数字调节器分为数字式混合比率调节器、多回路调节
6、器和单回路调节器三类。数字式混合比率调节器它是控制组分混合比的仪表。它与流量计、执行器配套构成混合比率控制系统和混合-批量控制系统,用于液料混合配比和混合产品的批量发货系统。多回路调节器用微处理机实现多回路调节功能的仪表。它可独立应用于单元性生产装置（如工业炉窑、精馏塔等）中，完成装置的全部或大部分控制作用。由于单元性装置的类型很多，多回路调节器的品种和类型也很繁杂。一台多回路调节器可控制 816个调节回路，有的还可完成简单的程序控制或批量控制。单回路调节器用微处理机实现一个回路调节功能的仪表。它只有一个可送到执行器去完成闭环控制的输出。单回路调节器有两种主要用途：一是用于系统的重要回路，以提
7、高系统的可靠性和安全性；一是取代模拟调节器，以减少盘装仪表的数量或提高原有回路的功能，如实现单回路的高级控制、顺序控制、批量控制。2、设计方法数字控制器的设计方法按其特点分为三大类：1、模拟化设计方法先设计校正传递函数D(s)，然后离散化变成计算计算法。 设计步骤： 一：设计假想的模拟控制器D(s); 根据给定的被控对象的特性及设计要求的性能指标，利用连续系统中的设计方法设计模拟控制器D(s)。 二：正确的选择采样周期T; 根据实际情况选择合理的采样周期。 三：将模拟控制器离散化为数字控制器D(z)；根据选定的采样周期，利用合理的离散化方法如前向差分法、后向差分法、双线性变换法、零极点匹配法等
8、将模拟控制器离散化为数字控制器。四：仿真检验是否达到设计要求；利用计算机仿真软件，对所设计的数字控制系统进行校验，若其闭环特性满足设计要求，则设计结束，进行下一个步骤；否则，修改控制器参数，直到满足要求为止。五：数字控制器的计算机实现将数字控制器变成易于计算机编程实现的差分方程形式并编写程序。2、离散化设计方法已知被控对象的传递函数或特性G(z)，根据所要求的性能指标与约束条件设计数字控制器D(z)。设计步骤：一：求系统广义脉冲传递函数G(z)，即对带有零阶保持器的被控对象传递函数进行Z变换。Gz=Z1-e-sTsGs=1-Z-1Z1sG(s)二：根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件，构
9、造系统的闭环脉冲传递函数(z)。三：利用Gz与(z)求出数字控制器D(z)。四：利用计算机仿真软件，对所求的数字控制器D(z)进行校验。若达到要求，进行下一个步骤，否则再设计。五：将数字控制器D(z)变成易于计算机编程的差分方程的形式并编写程序。3、状态空间设计法（基于现代控制理论，能处理多输入多输出系统） 利用现代控制理论，根据控制器的性能指标，设计数字控制器。设计步骤：一：通过与特征方程比较来直接计算增益。二：通过状态方程的控制标准形实现极点配置。三：通过阿克曼公式实现极点配置。这种设计方法适合多输入多输出系统，需要借助矩阵等数学工具，运算比较复杂，一般在MATLAB中完成相应的设计。二、
10、数字控制器的前世、今生与未来 1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散
11、量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比。 在80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度，总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多
12、品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。 近年来有单机支持300回路和65000点I/O的大型系统对应中型PLC以上，均采用16位32位CPU，微、小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位32位CPU。由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点256点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC应多加研究。 PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基
13、本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板;如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板;另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商(代理商)、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。 PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PI
14、D模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。 PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.10.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。它是一个数字采样控制系统。 为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制
15、应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有:基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。 由于各PLC厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近年来IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3(1993年IEC颁布可编程序控制器的国际标准IEC1131)，它规定了指令表(IL)、梯形图(
16、LD)、顺序功能图(SFC)、功能块图(FBD)、结构化文本(ST)五种编程语言。这包括了文本化编程(IL、ST)和图形编程(LD、FBD)两个方面，而SFC则在两类编程语言中均可使用。IEC技术委员会(TC65)进来开展了 IEC61499项目，将IEC61131-3进行了扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对IEC61131-3有所改善。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件，是PLC发展的一大趋势。 一个或若干PLC与PC机联出系统，PC机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带来了
17、商机，同时编程软件和人机界面软件(监控软件或称组态软件)及软件接口(或称驱动软件)也得到了发展。 近年来，PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展，所以PLC构成的PCS系统比DCS的开放性所处的现状稍好一些。目前罗克韦尔AB公司已形成了多层结构体系，即Ether Net、Control Net、Device Net等现场总线(原DH+网也可兼容)。西门子公司在Prof-DP通讯网络及Prof-FMS网络以外，提出了S7 R
18、outing网络，即Prof-DP和Industrial Internet两层结构。网络还在发展，我国应已积极的姿态投入其中。 2001年我国机械工业成为工业发展新亮点，总产值比上年增长17.15%，汽车产量为世界前10位，机床产量为世界第5位。机械工业利润增长33.35%，占整个工业新增利润六成多。出口同样出现可喜的增长。现在机械工业提出要实施网络化，对这一点，PLC从业人员应有清醒的认识，应对网络化的开放性、网络构成的性能/价格比和网络的可*性、安全性、先进性上特别下功夫。 网络向上连是互联网问题，向下连是现场总线问题，另外现有网络能否用以太网“e网到底”方式、网络采用客户器/服务器方式、
19、浏览器/服务器方式、生产者/消费者方式、接口软件采用OPC方式等问题都有待进一步落实。PLC与智能MCC马达控制中心、与数控机床配套的NC/CNC数控设备，以及与其它运行控制系统、电控设备、变频器和软起动器等连成系统;PLC要与DCS分工合作，充当DCS的远程I/O站等;PLC要与IPC分工合作，除用IPC作人机界面外，作软件PLC的I/O部件也是可行的;此外还有PLC与紧急停车安全系统(ESD，Emergency Shut Down Systems)的关系、与立体仓库、机器人、CAD/CAM等等都要处理好关系。总之，PLC要兼容各种新技术，使PLC成为真正意义上的“电脑”。 PLC的应用领域
20、是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证(深圳盐田)、自动售药(若干中药店)在我国已有实例。另外，在离散事件系统中，如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准随服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优化。PLC的前途一片美好，一切悲观的论点是站不住脚的。至于技术进步，PLC与其它技术融合以至消失，那还需要一定的时间。参考文献：【1】计算机控制系统 张德江 等编著 机械工业出版社【2】计算机控制技术 张桂香 等编著 湖南大学出版社【3】线性控制系统工程 Morris Driels 著 金爱娟 李小龙 李航天 译 清华大学出版社【4】陈嘉伟 PLC可编程序控制器的历史和展望