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1、00:231 计算机控制系统计算机控制系统 1.1 1.1 计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构 1.2 1.2 轧制过程计算机控制系统的发展概述轧制过程计算机控制系统的发展概述 1.3 1.3 轧制过程计算机控制系统概述轧制过程计算机控制系统概述 1.4 1.4 轧制过程计算机控制系统的基本类型轧制过程计算机控制系统的基本类型第1页/共33页00:232本节内容一 硬件组成 （一）主机 1.1.中央处理器 2.2.内存储器 （二）外部设备 1.1.输入设备 2.2.输出设备 3.3.外存储器 （三）过程输入输出设备 （四）通讯设备二 软件组成 （一）系统软件 （二）应用软件三 操
2、作系统四 人机接口第2页/共33页00:2331.11 1.11 计算机控制系统的组成结构计算机控制系统的组成结构加热炉炉温控制系统加热炉炉温控制系统 Furnace Temperature control system人工控制人工控制q人工控制系统中人起到了检测仪表、控制器、执行器三重作用。q控制的好坏主要靠操作工人的经验。q人工控制不能控制太多的被控量。q 人工控制不能进行快速的控制。q人工控制也不能始终如一，产品的一 致性很差。煤气管被控对象T燃气烧嘴流量调节阀第3页/共33页00:234 q采用模拟量运算电路来实现自动控制功能（如PID)。q而模拟系统中，改变控制方法就必须改变硬件。q
3、线路接点较多，出现故障不易排除。q一个模拟调节器只能控制一个被控量，多个模拟调节器之间不能进行信息交换。电动调节阀调节器常规仪表控制常规仪表控制热电偶炉温T第4页/共33页00:235 计算机控制q用程序进行控制运算。q控制方法的改变很容易。q可以控制几百个回路.并可以对上限、下限进行监视和报警。q信号的传送需要数/模和模/数转换。控控制制器器电动调节阀热电偶炉温T第5页/共33页00:236被控对象输入通道/设备四个基本环节：测量变送、输入输出设备、控制器、执行器四个基本环节：测量变送、输入输出设备、控制器、执行器四个基本环节：测量变送、输入输出设备、控制器、执行器四个基本环节：测量变送、输
4、入输出设备、控制器、执行器控控制制器器电动调节阀热电偶输出通道/设备T第6页/共33页00:237 变送器：输出标准信号的传感器。变送器：输出标准信号的传感器。变送器：输出标准信号的传感器。变送器：输出标准信号的传感器。标准化电动信号：标准化电动信号：标准化电动信号：标准化电动信号：DDZ-DDZ-DDZ-DDZ-标准：标准：标准：标准：4 4 4 4 20 mA DC 20 mA DC 20 mA DC 20 mA DC 1 1 1 1 5 v DC5 v DC5 v DC5 v DC 气动信号标准：气动信号标准：气动信号标准：气动信号标准：20202020 100 KPa100 KPa10
5、0 KPa100 KPa（1 1）测量变送装置）测量变送装置 Measure DeviceMeasure Device压力传感器热电偶光电码盘矫直机上的辊缝仪 第7页/共33页00:238（2 2）输入输出（）输入输出（I/OI/O）设备）设备 Input/Output DeviceInput/Output Device定义：完成信息传递和交换的装置。定义：完成信息传递和交换的装置。作用：在计算机与生产过程之间进行信息传递的通道，起到纽作用：在计算机与生产过程之间进行信息传递的通道，起到纽带和桥梁的作用。带和桥梁的作用。输入通道输入通道/设备设备开关量输入通道开关量输入通道模拟量输入通道模拟量
6、输入通道Analog/Digital(A/D)Analog/Digital(A/D)Digital Input(DI)Digital Input(DI)输出通道输出通道/设备设备开关量输出通道开关量输出通道模拟量输出通道模拟量输出通道Digital/Analog(A/D)Digital/Analog(A/D)Digital Output(DO)Digital Output(DO)第8页/共33页00:239I/O模块PCI-720012MB/s高速32通道数字输入、32通道数字输出卡 康海PX8-L 8个RS-232串口 DAQ-220564通道，500K/s高速多功能A/D采集卡第9页/共3
7、3页00:2310（3 3）控制器）控制器 ControllerController 控制器：是实现控制规律的核心器件。控制器可以控制器：是实现控制规律的核心器件。控制器可以是各种类型智能设备。是各种类型智能设备。西门子S7400 PLC模拟调节器微型计算机Honeywell数字调节器研研华 IPC-610第10页/共33页00:2311根据控制器送来的信号对被控对象进行调节。根据控制器送来的信号对被控对象进行调节。（4 4）执行机构）执行机构 ActuatorActuator 变频泵同步电机继电器调节阀电磁阀第11页/共33页00:2312工作过程：工作过程：数据采集：数据采集：实时检测来自
8、于测量变送装置的被控变量瞬实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值；经过时值；经过D/AD/A转换后送入控制器。转换后送入控制器。控制决策：控制决策：将测量值将测量值mvmv与系统的给定值与系统的给定值spsp相比较，产生一定的相比较，产生一定的偏差信号偏差信号e e，对该偏差信号按照某种控制规律，对该偏差信号按照某种控制规律（算法）进行数学运算，如常规（算法）进行数学运算，如常规PIDPID算法、算法、自适应控制算法、模糊控制算法等，最后产自适应控制算法、模糊控制算法等，最后产生控制信号生控制信号u u。控制输出：控制输出：对计算机输出的控制信号对计算机输出的控制信号u u进行进行D/AD
9、/A转换后，向执行转换后，向执行机构发出控制信号，完成控制任务。机构发出控制信号，完成控制任务。SP通常安装于控制室通常安装于 现场-控制器 D/A 执行机构被控对象测量变送 A/D+y被控量eu典型计算机控制系统结构图典型计算机控制系统结构图典型计算机控制系统结构图典型计算机控制系统结构图Block Diagram of Block Diagram of Typical Computer Control SystemTypical Computer Control System4 420mA20mA4 420mA20mAcomparisonSensorActuatorProcessContr
10、ollervariablemvfeedbackI/O DeviceI/O Device第12页/共33页00:23131.1.2 1.1.2 计算机控制系统一些概念计算机控制系统一些概念 自动控制：自动控制：在没有人直接参在没有人直接参与的情况下，通过与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。计计算算机机控控制制系系统统：利利用用计计算算机机来来实实现现生生产产过过程自动控制的系统。程自动控制的系统。第13页/共33页00:2314输出通道 D/A输入通道 A/D对象被控变量y输 入通 道计算机给定1 1）计算机控制系统的工作原理）计算
11、机控制系统的工作原理第14页/共33页00:2315实时数据采集：实时控制决策：实时控制输出：工作原理：工作原理：对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值进行检测和输入。对采集到的被控变量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。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。第15页/共33页00:23162 2）在线方式和离线方式）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。3 3）实时的含义）实时的含义 实时：是指信号的输入
12、、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。（计算机实时地对生产过程进行控制和管理。并能根据生产过程情况的变化及时地进行处理。实时性不仅取决于计算机硬件指标，而且还主要依赖于系统软件和应用软件。）实时控制系统必定是在线系统。第16页/共33页00:2317一一 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 硬件组成硬件组成 (一）一）主机、（二）外部设备（三）过程主机、（二）外部设备（三）过程输入输入/输出通道（四）通讯设备输出通道（四）通讯设备第17页/共33页00:2318 （一）（一）主机主机中央处理器（CPU）内存储器(RAM和ROM)（三）过程输入（三）过程输入/输出通道输出通道模拟
13、量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道（二）外部设备（二）外部设备 操作台输入设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备输出设备显示器、打印机、绘图仪显示器、打印机、绘图仪外存储器外存储器硬盘、软盘、光盘硬盘、软盘、光盘（CRT）显示器或(LED)数码显示器 键盘（功能键和数字键）（四）通讯设备（四）通讯设备网络适配器、路由器、集线器、双绞线网络适配器、路由器、集线器、双绞线运算器运算器控制器控制器只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)随机存储器随机存储器(RAM)(RAM)第18页/共33页00:2319二 软件组成软件一般由系统软件和应用软件组成软
14、件一般由系统软件和应用软件组成 计算机专业设计人员负责研制系统软件，而过程计算机控制系统设计人员则要了解系统软件，从而更好地计算机专业设计人员负责研制系统软件，而过程计算机控制系统设计人员则要了解系统软件，从而更好地编制应用软件。编制应用软件。应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序，它的优劣直接影响控制品质和管理应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序，它的优劣直接影响控制品质和管理水平。水平。第19页/共33页00:2320软件系统软件服务程序装配程序、编辑程序开发系统程序设计语言 汇编语言、算法语言，如BasicAlgol，Frotran，Pasc
15、al，Cobol，C，PLM等语言处理程序汇编程序、解释程序、编译程序操作系统-管理程序、磁盘操作系统程序等诊断程序-调节程序、诊断程序等数据管理程序信息处理-文字翻译、资料检索、企业管理应用软件通讯系统二 软件组成第20页/共33页00:2321应用软件应用软件过程监控数据处理程序巡回检测程序上下限检查及报警程序操作面板服务程序过程计算机控制 控制算法程序事故处理程序PID、最优化控制、串级调节、比例调节、前馈调节系统辨识、其他 信息管理程序数字滤波及标度变换程序判断程序过程分析程序公共服务程序基本运算程序函数运算程序数码转换程序格式编辑程序信息生成调度、文件管理、输出、打印、显示第21页/
16、共33页00:2322三 操作系统EniacEniac和早期的计算机使用起来很困难的原因和早期的计算机使用起来很困难的原因裸机，只提供机裸机，只提供机器指令。器指令。操作系统操作系统OSOS使得用户可以不必了解具体的机器指令、信号的传使得用户可以不必了解具体的机器指令、信号的传输过程，而通过操作系统充分地使用计算机的硬件资源和软件输过程，而通过操作系统充分地使用计算机的硬件资源和软件资源。资源。操作系统可以视作计算机资源管理程序。操作系统可以视作计算机资源管理程序。只有在操作系统的管只有在操作系统的管理之下，才能充分利用资源，提高系统的可靠性和实时性，方理之下，才能充分利用资源，提高系统的可靠
17、性和实时性，方便用户的操作和使用。操作系统的管理功能可以归纳为四种：便用户的操作和使用。操作系统的管理功能可以归纳为四种：处理机管理、存储管理、设备管理和文件管理。处理机管理、存储管理、设备管理和文件管理。第22页/共33页00:2323四 人机接口 计算机和操作人员之间常常要互通信息。比计算机和操作人员之间常常要互通信息。比如，计算机实时地显示生产过程状况和控制信如，计算机实时地显示生产过程状况和控制信息，而操作人员为了配合计算机对生产过程的息，而操作人员为了配合计算机对生产过程的控制往往要根据生产状况及时地向计算机发控制往往要根据生产状况及时地向计算机发出各种操作控制命令。为此，计算机和操
18、作人出各种操作控制命令。为此，计算机和操作人员之间应设置显示器和操作器，其中一种是员之间应设置显示器和操作器，其中一种是CRTCRT显示器和键盘，另一种是针对某个生产过显示器和键盘，另一种是针对某个生产过程控制的特点而设计的操作控制台式程控制的特点而设计的操作控制台式PIDPID回路回路操作显示器。通常把上述两种设备称为人机接操作显示器。通常把上述两种设备称为人机接口。口。其作用主要有：其作用主要有：(1)(1)显示生产过程的状况；显示生产过程的状况；(2)(2)供操作人员操作；供操作人员操作；(3)(3)显示操作结果。显示操作结果。第23页/共33页00:23241.1.4 1.1.4 与一
19、般与一般PCPC机相比机相比工业控制机的特点工业控制机的特点 可靠性高和可维修性好可靠性高和可维修性好 环境适应性强环境适应性强 控制实时性好控制实时性好 完善的输入输出通道完善的输入输出通道 丰富的软件丰富的软件 适当的计算精度和运算速度适当的计算精度和运算速度第24页/共33页00:2325第25页/共33页00:2326第26页/共33页00:2327第27页/共33页00:2328工业控制用计算机构成与特点 用于工业控制的计算机称为工业控制计算机。简称控制机。它由计算机和过程输入输出（用于工业控制的计算机称为工业控制计算机。简称控制机。它由计算机和过程输入输出（I/OI/O）通过两大）
20、通过两大部分组成部分组成 。第28页/共33页00:2329在计算机外部又增加一部分过程输入在计算机外部又增加一部分过程输入 /输出通道：输出通道：一方面用来完成工业生产过程的检测数据送入计算机进行处理；一方面用来完成工业生产过程的检测数据送入计算机进行处理；另一方面将计算机要行使对生产过程控制的命令、信息转换成工业控制对象的控另一方面将计算机要行使对生产过程控制的命令、信息转换成工业控制对象的控制变量的信号，再送往工业控制对象的控制器去。由控制器行使对生产设备运行制变量的信号，再送往工业控制对象的控制器去。由控制器行使对生产设备运行控制。控制。第29页/共33页00:2330工业控制用计算机
21、的特点（一）具有较完善的过程通道，便于将各种形式的信息变换（一）具有较完善的过程通道，便于将各种形式的信息变换,并完成检测数据输并完成检测数据输入入 和控制信息输出。和控制信息输出。（二）要有比较完善的中断系统和高速数据通道，以使其能迅速响应生产过程发（二）要有比较完善的中断系统和高速数据通道，以使其能迅速响应生产过程发出的中段请求，并能与生产过程实时交换信息。出的中段请求，并能与生产过程实时交换信息。（三（三)具有高可靠性。具有高可靠性。（四）具有人机联系功能，以便实现人机对话，及时地对生产过程进行必要的干（四）具有人机联系功能，以便实现人机对话，及时地对生产过程进行必要的干预。预。（五）具
22、有能正确反映生产规律的数学模型（五）具有能正确反映生产规律的数学模型（六）具有适于控制用的软件系统。（六）具有适于控制用的软件系统。第30页/共33页00:2331对于现场生产过程的各种生产设备必须具备：1.1.具有能接受控制机（过程输入具有能接受控制机（过程输入/输出通道）送来输出通道）送来的控制信息，并对生产设备行使控制的控制器或的控制信息，并对生产设备行使控制的控制器或称控制部件。称控制部件。2.2.能有检测生产设备的运行状态的一次仪表（部能有检测生产设备的运行状态的一次仪表（部件）或二次转换仪表部件。件）或二次转换仪表部件。3.3.能有反映生产规律的数学模型。能有反映生产规律的数学模型。第31页/共33页00:23321.15 如何在实践中应用计算机控制系统（1 1）采用成熟的标准技术，如）采用成熟的标准技术，如PLCPLC，工控机、智能调节器，工控机、智能调节器（2 2）注意系统的结构，降危险分散）注意系统的结构，降危险分散（3 3）采用新型的）采用新型的DCSDCS和和FCSFCS（4 4）特殊场合采用单片机）特殊场合采用单片机（5 5）研究和应用新的控制算法）研究和应用新的控制算法第32页/共33页00:2333感谢您的观看！第33页/共33页