計算機控制裝置自動化專業主要課程體系(部分)示意數理基礎控制原理控制工程工程原理電學基礎測控儀表微機原理嵌入式/DSP等計算機基礎★★★人文基礎★★★工業通信軟件技術計算機控制過程自動化機械自動化電氣自動化煉油、化工、輕工、食品、電力、環保、機器人、航空……自動化+信息化計算機控制與哪些知識內容有關？或做好一個計算機控制系統需要解決些問題？課程安排：第1~7周講課

第8周成績評定：課堂交流、點名、作業15%設計作業占25%(整體質量占50%，個人工作50%，附上每個成員的照片—生活照)期末考試60%課件下載：

課程資源/電子課件課程主要內容計算機控制基本知識可編程控制器集散控制系統簡介（含總線控制）系統的接地技術和防雷技術簡介計算機控制基礎知識概念、組成、主要設計思想、發展等可編程控制器基本工作原理、簡要編程組態、集成應用主要針對：OMRON和SIEMENSPLC針對實際對象的PLC系統設計包括：工藝流程分析、儀表選型、系統集成、控制柜設計等點評交流25%模擬招標DCS簡介可靠性及防雷設計簡介開卷考試，帶一張A4紙60%平時15%主要知識體系控制室儀表現場儀表進料口變送器執行器調節器儀表控制上課之前……顯示儀表安裝在哪里？控制器(調節器)對象檢測儀表+－SP執行器顯示儀表Optional執行器有哪些？閥門電動調節閥、氣動調節閥電動開關閥（電磁）、氣動開關閥泵（電機）變頻開關檢測儀表有哪些？連續信號：變送器（如T、P、L、F、A，通常輸出4~20mA、1～5V等標準信號）傳感器（熱電阻、熱電偶）開關信號：液位開關、料位開關、接近開關(通常輸出on/off信號)……控制室儀表現場儀表進料口變送器執行器調節器儀表控制上課之前……顯示儀表安裝在哪里？控制器(調節器)對象檢測儀表+－SP執行器顯示儀表Optional***執行器***口徑流量特性安裝方式材質(耐壓/防腐）供電和防爆信號類型……現場儀表選型要注意哪些因素？***檢測儀表***量程安裝方式材質(耐壓/防腐）供電和防爆信號類型……進料口變送器執行器調節器儀表控制上課之前……進料口變送器執行器計算機控制控制站IPC、PLC、數字調節器……可以廣義地理解為帶有CPU的各種控制設備進料口變送器執行器調節器儀表控制上課之前……進料口變送器執行器計算機控制控制站控制器(調節器)對象檢測儀表+－SP執行器控制站(計算機)對象檢測儀表+－SP執行器？？？最常見的IO接口：AI——模/數轉換(模擬量輸入)DI——開關量輸入(數字量輸入)AO——數/模轉換(模擬量輸出)DO——開關量輸出(數字量輸出)上課之前……4~20mA等信號二進制信號IO接口？？？現場儀表計算機控制站AI(A/D)DIAO(D/A)DO一體輸入、輸出系統輸入子系統輸入子系統Controller/GatewayFieldbus上課之前……網關FF、ProfiBus等現場總線典型的計算機控制系統結構示意圖I/O系統控制站現場設備層控制層操作站Ethernet/專用總線數據服務器高級控制器管理層WEB服務器管理計算機Ethernet互聯網服務器Internet/Intranet內涵：工業（自動）化＋信息化作用：是實現安全、高效、優質、低耗生產的前提 是現代工業生產不可缺少的神經中樞相關技術：自動控制技術、檢測和傳感技術、計算機技術、網絡通信技術、先進控制技術、智能儀表技術……

發展過程：直接數字量控制（DDC）

集中型計算機控制

分布式計算機控制（DCS）

總線（工業以太網）控制？？？？上課之前……兩化融合一.計算機控制的基本知識1.1計算機控制概述1.2計算機控制系統的基本組成1.3計算機控制系統的主要設計思想1.4計算機控制系統的發展過程1.5網絡通信基礎1.6PID離散化和信號濾波簡介1.1計算機控制概述測量變送裝置+－設定值4～20mA4～20mA調節器執行器被控對象被控變量控制器D/AA/D00101011001100010101010101100工作過程①數據采集：實時檢測來自于測量變送裝置的被控變量瞬時值；②控制決策：根據采集到的被控變量按一定的控制規律進行分析和處理，決定控制行為，產生控制信號；如PID運算③控制輸出：根據控制決策實時地向執行機構發出控制信號，完成控制任務。

過程輸入輸出設備外部設備主機系統CPURAMROMCRT通訊接口人機接口打印機其它系統總線模擬量輸入（AI）模擬量輸出（AO）開關量輸入（DI）開關量輸入（DO）測量變送器執行器電氣開關電氣開關被控生產對象常規計算機系統I/O系統（模塊或卡件）現場儀表被控對象硬件組成1.2計算機控制系統的基本組成系統軟件支持軟件應用軟件操作系統用于開發應用軟件的軟件。例如：匯編語言、高級語言、組態軟件等。對于設計人員來說，需要了解并學會使用相應的支持軟件，能夠根據系統要求編制開發所需要應用軟件。不同系統的支持軟件會有所不同針對特定要求而編制的控制和管理程序。不同控制設備的應用軟件所具備的功能是不同的。軟件組成系統開發最主要的兩個方面：

根據控制要求，開發硬件系統

基于支持軟件，開發應用軟件1.2計算機控制系統的基本組成1.可靠性2.可維護性3.實時性4.性能價格比1.3計算機控制系統的主要設計思想1.可靠性產品在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力。衡量可靠性的幾個指標：①可靠度②平均無故障工作時間

(MeanTimeBetweenFailures，簡稱MTBF)平均故障修復時間

(MeanTimeToRepair，簡稱MTTR)

（本質上這是一個可維護性指標）無維修使用期

(MaintenanceFreeOperatingPeriod

，簡稱MFOP)可靠度通常用于表示單個零件、設備的可靠程度在規定的環境溫度、濕度、振動和使用方法及維護措施等條件下，在規定的工作期限內，設備無故障地發揮規定功能的概率。系統的可靠度：除了與構成系統的子系統或元器件的可靠度有關，還與系統的構成方式有關。Thereliabilityofeveryunitofthespecificequipmentis90%,thereliabilityofthisequipmentis90%。No!誤差、可靠度都是會傳遞的(1)可靠度R

常規的可靠性理論：著名的浴盆曲線（本質）故障率時間結構對可靠度的影響R1RnR1Rn……一個失效，系統失效全部故障，系統故障系統冗余的概念(1)可靠度R

★串聯系統中，可靠性最差的單元對系統可靠性影響最大。★并聯系統中，1:1系統的冗余對系統可靠性的貢獻最顯著。R1=R2，R并＝R1=R2，R并＝MTBF指設備在相鄰兩次故障的間隔內正常工作的平均時間無維修使用期MFOP(MaintenanceFreeOperatingPeriod

)1995年國際上開始對傳統可靠性定義提出了質疑，在歐洲開始提出了無維修使用期(MFOP)的概念。MTBF認為隨機故障是不可避免的，只要仍低于許可數是可接受的。MFOP認為“要設計出不存在隨機失效的產品是有可能”。MFOP在本質上就是可靠性設計思路的改變，是指產品能完成所有規定任務的工作期，在該期間內不需要對其進行任何維修。每個MFOP之后就有一個維修修復期(MaintenanceRecoveryPeriod，MRP)，在此期間通過適當的計劃性或修復性維修使系統完全恢復到可使用狀態，以使其能完成下一個MFOP期間的工作。(2)

MTBF(*)和MFOP提高系統可靠性的主要措施①選用高性能的控制設備，重視自控設備的自診斷功能。②設計可靠的控制方案，提供各種安全保護措施，如報警、故障診斷和處理等。③采用分散控制思想/增加后備手操或后備儀表控制系統/設計冗余系統。④采用安全可靠的屏蔽、隔離、接地等抗干擾技術。⑤提高軟件可靠性【要求應用軟件的結構合理、穩定性好、抗干擾能力強，具有自診斷功能，并面對任何異常操作不影響系統主要功能的正常運行】故障發生后通過維修使系統恢復的能力。本質：易于查找故障，易于排除故障。①設計合理的系統結構。例如，采用模塊化結構，便于更換故障模塊。②選擇系列化、標準化、通用化、一致性好的硬件設備。③系統最好能帶電插拔維修，降低子系統的故障對整個系統產生的影響。④軟硬件具有自診斷功能，便于快速定位、快速排除故障。平均故障修復時間MTTR(meantimetorepair)MTTR指設備出現故障以后經過維修恢復并重新投入運行所需要的平均時間2.可維護性實時性是指被控信號的輸入、運算和輸出都要在一定的時間內完成，并能根據生產工況的變化進行及時的處理，亦即系統對被控信號的變化具有足夠快的響應速度，不丟失信息，不延誤操作。為了滿足實時性要求，需要從硬件和軟件兩方面來考慮。4.性能價格比3.實時性傳統DCSPLCBasedDCSIPCBasedDCS1.4計算機控制系統的簡要發展過程DDC控制始于50末期里程碑意義集中型計算機控制控制集中信息集中危險集中DCS控制始于70年代控制分散信息集中半數字，半分散全數字通訊全分散控制FCS工業以太網分布式IODCS現場信號與IO站點模擬信號一對一連接，站站之間總線連接。過渡型結構價格昂貴，功能極其有限，可靠性低1.直接數字量控制（DirectDigitalControl－DDC）本質:

用一臺計算機取代一組模擬調節器，構成閉環控制回路，用數字控制技術簡單地取代模擬控制技術。過程控制計算機SPAI、DIAO、DO

檢測儀表執行器被控過程（對象）起始于50年代末期開辟了一個轟轟烈烈的計算機工業應用時代

優點:

計算靈活，精度高，可分時處理多個控制回路，DDC也很快發展到PID以外的多種復雜控制。問題:出發點：外設過程控制計算機AI/DI輸入子系統}{優越性：問題：被控過程（對象）被控變量操作變量…………AO/DO輸出子系統（從表面上看）信息集中，便于實現各種更復雜控制、優化控制功能由于當時計算機總體性能低，容易出現負荷過載，控制集中直接導致危險集中，高度集中使系統變得十分“脆弱”。2.集中型計算機控制企圖用一臺計算機來控制盡可能多的回路昂貴和儀表系統競爭3.集散控制系統（DistributedControlSystem,DCS）出發點（2個方面）：(1)把控制功能分散到若干個控制站實現，以提高系統的可靠性；(2)各控制系統（回路）的運行應當服從工業生產管理的總體目標。根本特征:控制的分散性和管理的集中性DCS的兩種含義：是一種分布式計算機控制系統結構是一種具有分布式結構的特定計算機控制系統

被控過程（對象）控制站2控制站1控制站n……控制站……Part1Part2Partn操作站/管理計算機控制分散、危險分散信息集中、管理集中分布式計算機控制的分解示意直接控制經營管理生產管理過程管理連續過程間歇過程離散過程DCS的功能層次示意從“上級”獲取指示，從“下級”獲取信息，產生對“下級”的控制。居于系統最高層，負責廣泛的工程、經濟、商務、人事以及其它工作。主要包括回路組態、優化、監控、故障診斷、記錄、報警……根據訂單、庫存、能耗約束等進行生產規劃、調度。通常為最高層。現場數據采集、控制、安全性能和冗余性能的實施……

常常將2個或多個功能層上的(部分)任務壓縮到一個物理層上實現，簡化DCS。最常見的為2級DCS

DCS的發展過程劃分起始時間主要特征11975Honeywell推出首套DCS

TDC-2000，技術特征是集散

280年代初技術特征是引入局域網LAN380年代末期技術特征是管控一體化

490年代中期強調開放性，特別是通信機制的開放性和標準化。總結：早期DCS重點在于控制，以“分散”作為關鍵字。現代DCS重于信息管理，“綜合”為其關鍵字。向實現控制、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發展，實施從最底層的實時控制、優化控制上升到生產調度、經營管理，以至最高層的戰略決策，形成一個具有高度自動化的管控一體化系統。

1.5網絡通信基礎1.網絡通信的基本概念(1)模擬信號與數字信號

模擬信號是一個連續的物理量

數字信號是利用不連續的物理狀態來表示，例如：通過高/低電平來表示二進制數“1”和“0”。

Tc101100時鐘數據TcI/V

t

(2)并行傳輸與串行傳輸并行傳輸：以字或字節為單位一起傳輸（多個位同時傳輸）速度快、通信線多、成本高，不宜遠距離通信串行傳輸：數據逐位傳輸速度較并行傳輸慢、通信線少（一般2～4根）、成本低適宜遠距離通信

幾乎所有的計算機控制系統均采用串行數據通信1.網絡通信的基本概念(3)通信雙方的交互方式單工通信：只向一個方向傳輸，沒有反方向交互（如鍵盤通信）控制系統中應用極少半雙工通信：雙方可以交互數據，但不在同時控制簡單、可靠、成本低，應用廣泛(只需2根通信線)全雙工通信：雙方可以在同時交互數據控制相對復雜、效率高、成本較高，需要2個信道應用較廣泛，至少3根通信線(1根為共用地)，或4根1.網絡通信的基本概念(4)通信波特率、誤碼率波特率：指單位時間內傳輸的信息量，單位通常用“位/秒”表示

例如：Profibus－PA的波特率位Profibus－DP的最大波特率位12Mbps誤碼率：錯誤碼元（1個二進制位）數與傳送碼元數之比工業用通信網絡一般要求誤碼率在10－5～10－9，甚至更小(5)基帶傳輸與頻帶傳輸基帶傳輸：按數字波形原樣、以“位”流為基本形式直接在信道上傳輸 基帶網介質便宜（雙絞線、同軸電纜、光線等），速度較高，距離不宜過遠（容易因信號衰減發生畸變）。 絕大多數局域網（包括控制局域網）都采用基帶傳輸。 基帶傳輸需要對數字信號進行編碼，常用的數據編碼手段有： 非歸零碼NRZ、曼徹斯特編碼、差動曼徹斯特編碼……頻帶傳輸：也稱為載波傳輸，采用調制、解調技術。 在發送端，將二進制數據，調制變換成一定頻帶范圍的模擬信號；在接收方，通過解調進行反變換。采用模擬信號傳送數據時，通常只占有限的頻帶寬度。數字信號調制稱為“鍵控” 調制方式主要有：幅度鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)……寬帶傳輸：適用于傳輸影像、語音信息(一般不用于工控網絡)數字信號的數字傳輸數字信號的模擬傳輸（如正弦信號）各為什么調制方式？載波“1”“1”“0”“0”“0”“0”“1”“1”ASK相當于模擬信號的調幅“1”：傳輸載波“0”：不傳輸載波FSK載波1-1載波2-0“1”“0”“0”“1”“0”“0”“1”應用最早的調制方式，容易實現，抗噪、抗干擾性能好，中低速傳輸上圖是2FSK，還有M—FSK，即M個頻率代表M的信號“1”“1”“0”“0”“0”PSK載波1-1載波2-0有很好的抗干擾性，適于中高速數傳上圖為二進制PSK，還有多進制PSK，如四相位、八相位等(6)RS－232/RS－422/RS－485項目RS－232RS－422RS－485接口電路單端差動差動抗干擾能力弱強強標準最大傳輸距離15m1200m1200m通信雙方交互方式全雙工全雙工半雙工標準最大傳輸速率19200bps10Mbps10Mbps本質上是相同的工業控制網絡的首選標準2.計算機網絡的拓撲結構總線型環型HUB星型樹型大型網絡多采樣網狀拓撲。3.網絡傳輸介質網絡傳輸介質是指通信網絡中數據發送方與接收方之間的物理通路，常用的傳輸介質有：雙絞線、同軸電纜、光纖和無線傳輸介質等。

控制系統多用：帶屏蔽的雙絞線STP、光纖

4.開放系統互聯參考模型OpenSystemInterconnection/ReferenceModel——OSI/RM目的是建立標準化的網絡機制，1983年

層次編號名稱英文名稱7654321用戶層應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層UsersLayerApplicationLayerPresentationLayerSessionLayerTransportLayerNetworkLayerDatalinkLayerPhysicalLayerOSI/RM信息流動過程應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層用戶主機HA數據H7H6H5H4H3H2T2H7H6H5H7H6H7報文報文報文報文分組幀bit報文報文報文報文分組幀bit應用層網絡協議表示層網絡協議會話層網絡協議傳輸層網絡協議網絡層數據鏈路層物理層中繼環節數據數據數據數據數據數據主機HB應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層用戶通信線路通信線路H7H6H5H4H3H7H6H5H4A公司A收發員(到郵局投遞)A經理(寫信

)A秘書(蓋章/寫地址)B公司B收發員(分發)B經理B秘書(核對)郵政系統(按地址投遞信件)類比例子最低一層，也是唯一在二臺設備同級層之間直接進行數據交換的一層,負責傳輸bit位流。界定：數字信號(0/1)的表示電壓、傳輸速率、最大傳輸距離、通信方式（單、半、全）、連接插頭，各針作用的定義……

形象地說，物理層的設計就是要確保在一側發出的一個邏輯“l”，另一側收到的也是一個邏輯“1”，而不是“0”。部分層主要功能(1)物理層(2)數據鏈路層把一條可能出錯的物理鏈路，轉變成讓網絡層（高層）看起來就像是一條不出差錯的理想鏈路。為網絡層提供服務/幀化處理/差錯檢測和流量控制

來自高層數據加工成幀物理通道檢查校驗信息和頭尾控制信息數據送往高層確認無誤發送方接收方從理論上講，OSI/RM是開放特性網絡體系結構的典范，它嚴格遵循層次化的描述方法把計算機網絡通信體系劃分為七個層次，各層協議的內容也考慮得十分周全。由于OSI模型本身并沒有對每層的數據傳輸標準作出嚴格的規定，因而它只是一種提供了概念性和功能性的網絡體系框架或藍本，對計算機網絡起到了規范和指導作用。5.TCP/IP協議簡介★TCP/IP體系是涉及面最廣、影響最大的網絡體系。★TCP/IP這個術語并不是單指一個協議，而是由100多個與之相關的協議和應用程序組成的一個協議族，其中包括3個核心協議：IP、TCP、UDP★各種計算機控制系統的(高各)各層網絡有著向Ethernet統一的趨勢發展。三句話：應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層應用層**傳輸層互聯網層網絡接口層*各種應用層協議例如：HTTP、TELNET、FTP等TCP、UDPIP網絡接口層OSI/RMTCP/IPSMTPFTPTELNETHTTPTFTPTCPUDPIPHardwareInterfaceMAILWWW網間協議IP它的功能是使主機可以把分組數據包發往任何網絡，并使數據包獨立地傳向目標，也就是IP數據報傳送及IP路由選擇。

IP協議采用無連接的數據報傳輸機制，即只管對數據進行“盡力傳遞”，將分組數據包傳往目的地，不保證分組的正確順序，一切可靠性工作均交由上層協議負責，如驗證、確認等都由TCP協議處理。用戶數據報協議UDPUDP建立在IP協議之上提供無連接的數據報傳輸是一個不可靠的傳輸層協議。除可通過校驗和來判斷數據的完整性之外，它不進行任何其它檢查，甚至不能保證數據包是否全部到達，基于UDP的通信進程必須自己解決諸如報文丟失、報文重復、報文失序、流量控制等可靠性問題。

UDP適用于傳輸報文較少的交互式服務。如果為此建立面向連接的數據傳輸服務，則網絡資源的開銷太大，利用不可靠的UDP進行數據傳輸，即使因報文出錯而重傳一次，也比面向連接的數據傳輸更為有效。

傳輸控制協議TCP傳輸控制協議TCP是一種面向連接的、點對點的、高可靠性的數據傳輸層協議，數據傳輸的可靠性完全由TCP自己保證。

我們可以把TCP和IP形象地理解為有兩個信封，要傳遞的信息被劃分成若干段，每一段塞入一個TCP信封，并在該信封面上記錄有分段號的信息，外層再套上IP大信封，發送上網。在接收端，TCP軟件包收集信封，抽出數據，按發送前的順序還原，并加以校驗，若發現差錯，TCP將會要求重發。因此，TCP/IP幾乎可以無差錯地傳送數據。

思考：TCP和UDP傳輸在控制系統中各有什么作用？討論——控制系統中通常使用無連接還是有連接的數據傳輸方式？……操作站控制站……通過UDP發送離散化PID控制算法和數字濾波算法——離散化PID控制算法模擬PID調節規律的表達式

te(t)為便于計算機實現，必須把PID模擬表達式變換成差分方程。當采樣周期相當短時，積分可以用“求和”來近似、微分可以用“后向差分”來代替:把上式代入模擬PID表達式，即可實現離散化Ts

位置式PID控制算法上式計算結果即等于執行機構的位置，如閥門位，稱為位置式PID控制算法但要生成一個u(n),需要保存e(0)、e(1)、e(2)、……、e(n)個偏差信息隨著n的增大，計算量也隨之增大而且一旦發生故障，閥位可能發生急劇的變化

增量式PID控制算法第n次的計算結果：第n－1次的計算結果：二者相減：①

控制量的增量Δ