1、第一章 思考題與習題 典型的計算機控制系統與常規控制系統之間有哪些區別答：控制的首要任務就是設計控制器，并使之能實現。即控制器是控制系統中的核心部件，它從質和量兩個方面決定了控制系統的性能和應用范圍。常規控制系統的控制器由硬件模擬電路來實現控制器，方法、潛力卻是有限的，難以滿足如此高的性能要求。由于電子計算機出現并應用于自動控制，才使得自動控制發生了巨大的飛躍。計算機具有精度高、速度快、存儲量大等特點，并且能夠進行邏輯判斷，因此可以實現高級復雜的控制算法，獲得快速精密的控制效果。 計算機控制系統就是利用計算機(通常稱為工業控制計算機,簡稱工控機)來實現生產過程自動控制的系統。使之完成對被控制量

2、的控制作用。顯然，要改變控制規律，只要改變計算機的程序就可以了。從本質上看，計算機控制系統的控制過程可以歸納為以下四個方面：（1）實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入； （2）實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規律，決定將要采取的控制行為。 （3）實時控制輸出：根據控制決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。（4）信息管理。隨著網絡技術和控制策略的發展，信息共享和管理也介入到控制系統之中。上述測、算、控、管的過程不斷重復，使整個系統能按一定的動態(過渡過程)指標進行工作，且可對被控制量和設備本身所出現的異常狀態及時進行監督并迅速做出

3、處理，這就是計算機控制系統最基本的功能。1.采用計算機控制具有下述優點：(1)可以消除常規模擬調節器的許多難以克服的缺點，如不存在模擬調節器的漂移問題，參數整定范圍寬，比例、積分和微分系數可以單獨調節，而且可以在整個控制范圍內實行多參數調節。當信號噪聲大時，數字低通濾波器與模擬濾波器相配合，對高頻的脈沖噪聲有較好的濾波效果，特別是數字濾波可抑制甚低頻的周期干擾(2)使用靈活，便于實現特殊的控制規律，如修改部分程序就能改變調節規律，而無需改變硬件設備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設備的情況下逐步提高控制水平。(3)具有增加控制回路而不會顯著地增加費用的特點，還可實現打印、制表、

4、報警、顯示等附加功能。從控制理論上看，模擬控制系統是連續控制系統，數學模型用微分方程描述，而計算機控制系統是以分時方式對控制對象進行控制的，它以定時采樣和階段控制來代替常規調節裝置的連續檢測和連續控制，所以它是離散系統，數學模型用差分方程描述。從表面上看用的理論基礎不一樣，但離散系統是在連續系統的基礎上發展起來的。2.計算機控制系統的特點：計算機控制系統與常規模擬系統相比，在工作方式上有如下特點：(1)由程序實現的靈活控制作用。控制規律靈活、多樣，改動方便，可實現復雜的控制規律，提高控制質量，增加產品數量。常規的模擬調節器只能實現比例積分微分調節規律，計算機機控制不僅具有比例積分微分調節功能，

5、而且能夠實現復雜的控制規律，例如純滯后補償控制、多變量解耦控制、最優控制等。(2)采樣控制方式。能有效地克服隨機擾動。系統運行過程中，多數擾動是難以預知的，因此模擬調節器很難保證控制質量。計算機參與控制后，可根據實時檢測到的數據，用自動校正算法估計過程狀態，進而自動調整控制信號，保證在擾動出現時仍能達到滿意的控制效。(3)數字信號處理。在計算機控制系統中，被控制量通常是模擬量，而計算機本身的輸入輸出量都是數字量。因此，計算機控制系統大都具有數字模擬混合式的結構。(4)綜合處理與控制。在傳統控制系統中，一個控制回路配備一個控制器，而在計算機控制系統中，由于計算機所具有的能力，可實現多回路、多對象

6、多工況綜合處理和控制；且控制與管理結合，自動化程度進一步提高。現代化生產中，計算機不僅擔負著生產過程的控制任務，而且也肩負著工廠、企業的管理任務。特別是計算機通信技術的發展，從收集商品信息、情報資料、制定生產計劃、產品銷售到生產調度、倉庫管理都實現微機化，使得工廠的自動化程度進一步提高。(5)在線系統與實時系統。在線方式和離線方式：生產過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯機方式，反之稱為離線方式。實時系統：工業控制計算機系統應該具有的能夠在限定的時間內對外來事件做出反應的特性，超過了允許的時間，就失去了控制時機，控制也就失去了意義。“實時”不等于“同時”實時性包括4個內容

7、：實時時機采集、實時決策運算、實時控制、實時報警 2個要素：其一：根據工業生產過程出現的事件能夠保持多長的時間； 其二：該事件要求計算機在多長的時間以內必須做出反應，一個在線的系統不一定是一個實時系統，但一個實時控制系統必定是在線系統。計算機控制系統與常規模擬系統相比，在性能上有如下特點：（1）精度高；（2）穩定性好；（3）可靠性高；（4）靈活性好；（5）（6）存儲能力強；（7）邏輯運算能力強；（8）具有自診斷的功能；（9）便于擴充；（10）抗干擾能力強；（11）多功能等。 典型計算機控制系統有哪些主要組成部分試用框圖表示系統的硬件結構。答：計算機控制系統由 硬件 、 軟件 、 網絡 、被控對

8、象、 檢測傳感器 、 執行機構 等部分構成計算機控制系統的硬件一般是由計算機、外部設備、輸入輸出通道和操作臺等組成，如圖所示。硬件組成（1）主機（微型計算機）：包括CPU和內存儲器（RAM和ROM）通過系統總線連接而成，是整個系統的核心。 （2）外部設備：輸入設備、輸出設備、外存儲器和網絡通信設備。 （3）輸入輸出通道 （過程通道）:是計算機與工業生產過程交換信息的通道，是計算機控制系統按特殊要求設置的部分，包括：模擬量、數字量、開關量輸入輸出通道和接口（4）人機聯系設備（操作臺） 軟件組成軟件是指能完成各種功能的計算機程序的總和。它是微型計算機控制系統的神經中樞，整個系統的工作都是在程序的指

9、揮下進行協調工作的。軟件通常分為兩大類：一類是系統軟件，另一類是應用軟件。 計算機控制系統結構有哪些分類并指出主要的應用場合。答：根據計算機在計算機控制系統中的功能和目的分為：1)數據采集和監視系統一個微機控制系統離不開數據的采集和處理。計算機在數據采集和處理時，主要是對大量的過程參數進行定時巡回檢測、數據記錄、數據計算、數據統計和處理、參數的越限報警及對大量數據進行積累和實時分析。在這種應用方式中，計算機雖然不直接參與生產過程的控制，對生產過程不直接產生影響，但其作用還是很明顯的。首先，由于計算機具有速度快等特點，故在過程參數的測量和記錄中可以代替大量的常規顯示和記錄儀表，對整個生產過程進行

10、集中監視。同時，由于微處理器具有運算、邏輯判斷能力，可以對大量的輸入數據進行必要的集中、加工和處理，進行參數的越限報警等工作，或者按要求定時制表、打印或將數據處理的結果記錄在外存儲器中，作為資料保存和供分析使用2)操作指導控制系統（Operational Information System 簡稱OIS）該控制系統屬于開環控制結構。系統的優點是結構簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。3)直接數字控制系統（Direct Digital Control,簡稱DDC）計算機直接參加閉環控制過程。計算機通過測量元件對一個或多個系統參數進行巡回檢測和采樣，對開關量信

11、號直接采集輸入，對模擬信號經A/D轉換變成數字量輸入，然后按一定的控制規律計算處理，發出控制信號，經過D/A轉換器變成模擬信號，去驅動執行機構動作，或者由開關量通道直接進行控制，使各被控量達到預定的要求。該控制系統的特點是實時性好、可靠性高和適應性強。實現集中控制，代替常規控制儀表控制算法,單回路及常用復雜控制系統,由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低,未能普及。4)監督計算機控制系統（Supervisory Computer Control，簡稱SCC）計算機按照被控的生產過程工況和數學模型，計算出最佳給定值或最優控制量，提供給DDC計算機或模擬調節器，最后由DDC計算機或模擬調節器來控制生

12、產過程，使生產過程始終處于最佳工況。(1)SCC+模擬調節器。 在該系統中，微機的作用是對各物理量進行巡回檢測并接收管理命令，然后，按照一定的數學模型計算后，輸出給定值到模擬調節器。此給定值在模擬調節器中與檢測值進行比較，其偏差值經模擬調節器計算后輸出到執行機構，以達到調節生產過程的目的。這樣，系統就可以根據生產情況的變化，不斷地改變給定值，以達到實現最優控制的目的。一般的模擬系統是不能隨意改變給定值的。因此，這種系統特別適合老企業的技術改造工程，以便能夠充分利用原有的模擬調節器。(2) SCC+DDC系統。 該系統為兩級微機控制系統，一級為監督級SCC，二級為DDC。SCC的作用與SCC+模

13、擬調節器中的SCC一樣，用來計算最佳給定值，它與DDC之間通過接口進行信息聯系。直接數字控制器DDC用來把給定值與測量值(數字量)進行比較，其偏差由DDC進行數字計算，并實現對各個執行機構的調節控制作用。當DDC級計算機出現故障時，可由SCC計算機完成DDC的控制功能。 它顯然提高了控制系統的可靠性。與SCC模擬調節器系統相比，其控制規律可以改變，使用更加靈活。總之，SCC系統比DDC系統有更大的優越性，可以接近于生產的實際情況。當系統中模擬調節器或DDC控制器出現故障時，可用SCC系統代替調節器進行調節，因此大大提高了系統的可靠性。但是，由于生產過程很復雜，其數學模型建立比較困難，所以此系統

14、要達到理想的最優化控制是不容易的。5)分級控制系統（HCC）現代微機、通信技術和CRT顯示技術的巨大進展，使得微機控制系統不但包含控制的功能，而且還包含生產管理和指揮調度的功能。除了直接數字控制和監督控制以外，還包含了工廠級集中監督微機和企業級經營管理微機。在企業經營管理中，除了管理生產過程的控制，還具有生產管理、收集經濟信息、計劃調度、產品訂貨和運輸等功能。 分級控制系統是工程大系統，它所要解決的不是局部最優化問題，而是一個工廠、一個公司乃至一個區域的總目標或總任務的最優化問題，即綜合自動化問題。最優化的目標函數包括產量最高、質量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環境污染最小等指標

15、，它反映了技術、經濟、環境等多方面的綜合性要求。分級控制系統的理論基礎是大系統理論。智能控制機器人可以看作是一個大系統，智能控制的結構之一就是分級控制。6)分布式控制系統（Distributed Control System,簡稱DCS） 該系統有代替集中控制系統的趨勢，其特點是將控制任務分散，用多臺計算機分別執行不同的任務，既能進行控制又能實現管理。采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協調的設計原則與網絡化的控制結構，形成分級分布式控制。 7) 現場總線控制系統現場總線控制系統(Fieldbus Control System簡稱FCS) 結構模式為：“工作站一現場總線智能儀表”二層結構，完

16、成了DCS中的三層結構功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在統一國際標準下可實現真正的開放式互連系統結構8)工業過程計算機集成制造系統按照本書分為：操作指導控制系統（Operational Information System 簡稱OIS）、直接數字控制系統（Direct Digital Control,簡稱DDC）、監督計算機控制系統（Supervisory Computer Control，簡稱SCC）、分布式控制系統（Distributed Control System,簡稱DCS）、現場總線控制系統(Fieldbus Control System簡稱FCS)、工業過程計算機集成制造系統

17、等數據采集和監視系統，在有的書中認為不是嚴格意義的計算機控制系統。 計算機控制系統有哪些性能指標答：系統的穩定性、能控性、能觀性、動態特性以及穩態特性（精度）來表征，衡量系統優劣的指標通常用穩態裕量、動態指標、穩態指標和綜合指標等。 列舉一個計算機控制系統的應用實例，并給出該系統必要的說明。 工業鍋爐計算機控制系統11.1.1工業鍋爐介紹常見的鍋爐設備的主要工藝流程如圖所示。燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽Ds。然后經過熱器，形成一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經負荷設備控制供給負荷設備用。與此同時，燃燒過程中產生的煙

18、氣，除將飽和蒸汽變為過熱蒸汽外，還經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪，排入大氣。鍋爐設備是一個復雜的控制對象，主要的輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等，如圖所示。主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過剩空氣（煙氣含氧量）等。這些輸入變量與輸出變量之間相互關聯。如果蒸汽負壓發生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化；燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過剩空氣和爐膛負壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等亦有影響；等等。鍋爐是一個典型的多變量對象，要進行

19、自動控制，對多變量對象可按自治的原則和協調跟蹤的原則加以處理。目前，鍋爐控制系統大致可劃分為三個控制系統：鍋爐燃燒控制系統、鍋爐給水控制系統和過熱蒸汽溫度控制系統。11.1.2鍋爐計算機控制系統組成1. 燃燒過程控制系統（1）燃燒過程控制任務鍋爐的燃燒過程是一個能量轉換和傳遞的過程，其控制目的是使燃料燃燒所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要（常以蒸汽壓力為被控變量）；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，以保證最佳經濟效益的燃燒（常以煙氣成分為被控變量），提高鍋爐的燃燒效率；使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓在一定的范圍內。（2）燃燒過程控制系統設計方案在多變量對象中，調節量和被調量之間的聯系不都是

20、等量的，也就是說，對于一個具體對象而言，在眾多的信號通道中，對某一個被調量可能只有一個通道對它有較重要的影響，其它通道的影響相對于主通道來說可以忽略。根據自治原則簡化鍋爐燃燒控制系統，可將其大致分為三個單變量控制系統：燃料量汽壓子系統、送風量過量空氣系數子系統以及引風量爐膛負壓子系統。不少多變量系統可以利用自治原則來進行簡化，但并不是分解成多個單回路控制系統后，問題就全部解決。因為各回路之間往往還存在著聯系和要求，必須在設計中加以考慮。協調跟蹤的原則，就是在多個單回路基礎上，建立回路之間相互協調和跟蹤的關系，以彌補用幾個近似單變量對象來代替時所忽略的變量之間的關聯。此例中，鍋爐燃燒過程的上述三

21、個子系統間使彼此仍有關聯。首先考慮到燃料量與送風量子系統間應滿足以下兩點:鍋爐燃燒過程中燃料量與空氣（送風）量之間應保持一定比例，實際空氣（送風）量大于燃料需要空氣量，他們之間存在一個最佳空燃比（最佳過剩空氣系數），即一般情況下，1。為了保持在任何時刻都有足夠的空氣以實現完全燃燒，當熱負荷增大時，應先增加送風量，后增加燃料量；若熱負荷減少時，應先減少燃料量，再減少送風量。為了滿足上述兩點要求，在這兩個單回路的基礎上，建立交叉限制協調控制系統，如圖所示。其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送風量測量變送器的傳遞函數，假設它們都是比例環節，則Wm1（s）=K1 ，Wm1（s）=K2 。由此可

22、得到最佳空燃比與空氣量、燃料量測量信號IV和IB之間的關系如下：設 則 假設機組所需負荷的信號為IQ，當系統處于穩態時，則有：設定值 r1=IQ=IV/=IB設定值 r2=IQ=IB =IV即 IQ=IB ；IV=IB表明系統的燃料量適合系統的要求，而且達到最佳空燃比。當系統處于動態時，假如負荷突然增加，對于送風量控制系統而言，高選器的兩個輸入信號中，IQ突然增大，則IQIB ，所以，增大的IQ信號通過高選器，在乘以后作為設定值送入調節器WC2，顯然該調節器將使u2增加，空氣閥門開大，送風量增大，即IV增加。對于燃料量控制系統來說，盡管IQ增大，但在此瞬間IV還來不及改變，所以低選器的輸入信號

23、IQIV ，低選器輸出不變，r1=IV/不變，此時燃料量B維持不變。只有在送風量開始增加以后，即IV變大，低選器的輸出才隨著IV的增大而增加，即r1隨之加大，這時燃料閥門才開大，燃料量加多。反之，在負荷信號減少時，則通過低選器先減少燃料量，待IB減少后，空氣量才開始隨高選器的輸出減小而減小，從而保證在動態時，滿足上述第點要求，始終保持完全燃燒。進一步分析可知，燃料量控制子系統的任務在于，使進入鍋爐的燃料量隨時與外界負荷要求相適應，維持主壓力為設定值。為了使系統有迅速消除燃料側自發擾動的能力，燃料量控制子系統大都采用以主汽壓力為主參數、燃料量為副參數的串級控制方案。保證燃料在爐膛中的充分燃燒是送

24、風控制系統的基本任務。在大型機組的送風系統中，一、二次風通常各采用兩臺風機分別供給，鍋爐的總風量主要由二次風來控制，所以這里的送風控制系統是針對二次風控制而言的。送風子控制系統的最終目的是達到最高的鍋爐熱效率，保證經濟性。為保持最佳過剩空氣系數，必須同時改變風量和燃料量。是由煙氣含氧量來反映的。因此常將送風控制系統設計為帶有氧量校正的空燃比控制系統，經過燃料量與送風量回路的交叉限制，組成串級比值的送風系統。結構上是一個有前饋的串級控制系統，如圖所示。它首先在內環快速保證最佳空燃比，至于給煤量測量不準，則可由煙氣中氧量作串級校正。當煙氣中含氧量高于設定值時，氧量校正調節器發出校正信號，修正送風量

25、調節器設定，使送風調節器減少送風量，最終保證煙氣中含氧量等于設定值。爐膛負壓控制系統的任務在于調節煙道引風機導葉開度，以改變引風量；保持爐膛負壓為設定值，以穩定燃燒，減少污染，保證安全。2. 鍋爐給水控制系統（1）鍋爐給水控制系統設計任務其任務是考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應蒸發量，維持汽包水位在規定的范圍內，實現給水全程控制。給水控制也稱為汽包水位控制。被控變量是汽包水位，操縱變量是給水量。（2）給水控制系統的基本結構單沖量控制系統以水位信號H為被控量、給水流量作為控制量組成的單回路控制系統稱為單沖量控制系統。這種系統結構簡單、整定方便，但克服給水自發性擾動，和負荷擾動的能力差，特別是

26、大中型鍋爐負荷擾動時，嚴重的假水位現象將導致給水控制機構誤動作，造成汽包水位激烈的上下波動，嚴重影響設備壽命和安全。單級三沖量控制系統該系統相當于將上述單沖量控制與比例控制相結合。以負荷作為系統設定值，利用PI調節器調節流量，使給水量準確跟蹤蒸汽流量，再將水位信號作為主參數負反饋，構成了單級三沖量給水控制系統，如圖所示。所謂“三沖量”，是指控制器接受了三個測量信號：汽包水位、蒸汽流量和給水流量。蒸汽流量信號是前饋信號，當負荷變化時，它早于水位偏差進行前饋控制，及時的改變給水流量，維持進出汽包的物質平衡，有效地減少假水位的影響，抑制水位的動態偏差；給水流量是局部反饋信號，動態中它能及時反映控制效果，使給水流量跟蹤蒸汽流量變化而變化，蒸汽流量不變時，可及時消除給水