1計算機控制系統概述解析1.1計算機控制系統的組成?計算機控制系統是用計算機(通常稱為工業控制計算機)來實現工業過程自動控制的系統。什么是自動控制?自動控制系統由哪些部分組成?1.1.1基本概念設定值控制器D/A執行機構被控對象A/D計算機被控變量+圖1.1計算機閉環控制系統結構圖測量變送數/模轉換器模/數轉換器計算機控制系統的工作原理可歸納為以下三個步驟：(1)實時數據采集對測量變送裝置輸出的信號經A/D轉換后進行處理。(2)實時控制決策

對被控變量的測量值進行分析、運算和處理，并按預定的控制規律進行運算。(3)實時控制輸出實時地輸出運算后的控制信號，經D/A轉換后驅動執行機構，完成控制任務。什么是實時控制?被控變量設定值控制器D/A執行機構被控對象A/D+測量變送計算機控制系統工業控制機圖1.2計算機控制系統的組成框圖生產過程指按生產過程控制的特點和要求而設計的計算機，包括硬件和軟件兩部分。包括被控對象，測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。1.1.2系統

工業控制機硬件：硬件是指計算機本身及外圍設備。

計算機硬件過程輸出接口計算機過程輸入接口外部存儲器人機接口接收輸入的指令和工業對象的信息，向系統各部分發送命令和數據。包括顯示操作臺、屏幕顯示器(CRT)或數碼顯示器、鍵盤、打印機、記錄儀等。從被控對象采集的模擬量或數字量信號轉換為計算機能夠接收的數字量生產過程包括被控對象，測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。圖1.2計算機控制系統的組成框圖包括磁盤、光盤、磁帶，主要用于存儲大量的程序和數據。將計算機的處理結果轉換成可以對被控對象進行控制的信號。軟件是指能完成各種功能的計算機程序的總和.軟件系統軟件應用軟件是專門用來使用和管理計算機的程序，包括操作系統、監控管理程序、語言處理程序和故障診斷程序等。應用軟件是用戶根據要解決的實際問題而編寫的各種程序。1.1.3軟件系統計算機控制系統分級控制系統數據采集系統直接數字控制系統現場總線控制系統集散型控制系統1.2計算機控制系統的應用類型計算機監督控制系統根據應用特點、控制功能和系統結構，計算機控制系統主要分為六種類型1.2.1數據采集系統(DataAcquisitionSystem,DAS)計算機承擔數據的采集和處理工作。數據采集系統對生產過程各種工藝變量進行巡回檢測、處理、記錄以及變量的超限報警。同時對變量進行累計和實時分析。計算機通過過程輸入通道對變量作巡回檢測1.2.2直接數字控制系統（DrectDigitalControl,DDC）根據變量，按照一定的控制規律進行運算其結果經過輸出通道，作用到控制對象。模擬量輸入微型計算機模擬量輸出生產過程數字量輸入數字量輸出顯示打印磁盤操作臺

采用計算機代替模擬儀表控制，只要改變程序就可以對控制對象進行控制，因此計算機可以控制幾百個回路，并可以對上下限進行監視和報警。工業生產現場環境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計算機的可靠運行。因此，必須采取抗干擾措施。1.2.2直接數字控制系統（DDC）1.2.3監督計算機控制系統(SupervisoryComputerControl,SCC)DDC級微機完成生產過程的直接數字控制；SCC級微機進行優化分析計算，產生最優化設定值。用數字控制儀器代替，再配以輸入采樣器、A/D轉換器和D/A轉換器、輸出掃描器，便是SCC加數字控制器的SCC系統。當SCC計算機出現故障時，由數字控制器獨立完成控制任務，比較安全可靠。1.2.4分級控制系統

生產過程中既存在控制問題，也存在大量的管理問題。

由若干臺微處理器或微機分別承擔部分控制任務，代替了集中控制的計算機。

這種系統的特點是將控制功能分散，用多臺計算機分別完成不同的控制功能，管理則采用集中管理。(3)工廠集中控制級它可根據上級下達的任務和本廠情況，制定生產計劃、安排本廠工作、進行人員調配及各車間的協調，并及時向上級報告。(4)企業管理級制定長期發展規劃、生產銷售計劃，發命令至各工廠，并接受反饋信息，實現全企業的總調度。

（2)車間監督級(SCC級:SupervisoryComputerControl)它根據廠級計算機下達的命令和通過裝置控制級獲得的生產過程數據，進行最優化控制。

(1)裝置控制級(DDC級:DirectDiditalControl)對生產過程進行直接控制，使所控制的生產過程在最優工作狀況下工作。1.2.5集散控制系統

協調各控制站的工作達到過程的動態最優化人機接口裝置，完成操作、顯示和監視任務集散控制系統是分布式結構系統。完成過程的現場控制任務實現了地理上和功能上分散的控制，將各個分散的信息集中起來，進行集中的監視和操作。采集非控制過程信息?集散控制系統是一種典型的分級分布式控制結構。?集散控制系統有計算機控制系統控制算法先進、精度高、響應速度快的優點．又有儀表控制系統安全可靠、維護方便的優點。?集散控制系統容易實現復雜的控制規律，系統是積木式結構，結構靈活，可大可小，易于擴展。1.2.6現場總線控制系統現場總線控制系統(FCS：FieldbusControlSystem)，是新一代分布式控制結構，采用工作站-現場總線智能儀表的二層結構模式。現場數字執行器現場數字控制功能模塊服務器工作站現場數字傳感器1.3信號處理

在連續量控制系統中，控制信號、反饋信號和偏差信號都是連續型的時間信號；而在計算機控制系統中，計算機的輸入、輸出都是離散型的時間函數。CPUD/A執行器對象采樣器A/D1.3.1輸入信號處理?為了實現計算機對生產過程的控制，需要將被控對象的各種測控變量按要求的方式送入計算機，以便運算和處理。?被控對象所提供的信息是紛繁復雜的，其種類、性質及大小等各不相同，因此需要通過某種裝置將生產過程中的各種被測變量轉換成計算機能夠接受的信號，這種在計算機與生產過程之間，起著信號轉換并向計算機傳送信息的裝置稱之為輸入通道。輸入通道的信號處理包括數字量輸入信號處理和模擬量輸入信號處理。圖1.2計算機控制系統的組成框圖1．數字量輸入信號處理數字量通道信號變換電路整形電路信號和接口電路電平變換電路計算機不能直接接受生產現場的狀態量。因此，必須通過輸入通道將狀態信號轉變為數字量送入計算機。2．模擬量輸入信號處理檢測各種非電量過程變量，并將其轉換為電信號。將多路模擬信號按要求分時輸出放大器將傳感器輸出的微弱電信號放大到A/D轉換器所需要的電平采樣保持器對模擬信號進行采樣，在模/數轉換期間對采樣信號進行保持將模擬信號轉換為二進制數字信號接口電路提供模擬量輸入通道與計算機之間的控制信號和數據傳送通路圖1.10典型的模擬量輸入通道結構3．模擬量輸入信號采樣過程計算機對某個隨時間變化的模擬量進行采樣，是利用定時器控制的開關，每隔一定時間使開關閉合而完成一次采樣。開關重復閉合的時間間隔T稱為采樣周期，其倒數?s=1/T稱為采樣頻率。采樣過程，是指將一個連續的輸入信號經開關采樣后，轉變為發生在采樣開關閉合瞬時0、T、2T…nT的一連串脈沖輸出信號?*(t)，如圖1.11所示。式中

?*(t)——輸出脈沖序列

?(kT)——輸出脈沖數值序列；

δ(t-kT)——發生在t=kT時刻上的單位脈沖（1-1）單位脈沖函數的定義為

（1-2）根據理想單位脈沖函數的定義式(1-2)，在采樣開關閉合時，?(kT)與?(t)的瞬時值相等，式(1-1)還可改寫成如下形式式(1-3)說明，數字控制系統中的采樣過程可以理解為脈沖調制過程。在這里，采樣開關只起著理想脈沖發生器的作用，通過它將連續信號?(t)調制成脈沖序列?*(t)。（1-3）4．香農采樣定理采樣后的離散信號?*(t)才能夠無失真地復現?(t)一個連續時間信號?(t)，設其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為?max，如果在等間隔點上對該信號?(t)進行連續采樣，為了使采樣后的離散信號?*(t)能包含原信號?(t)的全部信息量，則采樣頻率只有滿足下面的關系 ?s≥2?max（1-4）

式中?s——采樣頻率；

?max——?(t)最高頻率。 在實際工程中采樣頻率的選擇還跟采樣回路數和采樣時間有關，一般根據具體情況選用。?s≥（5∽10）?max采樣定理表明，采樣頻率?s的選擇至少要比?max高二倍，對于連續模擬信號?(t)，我們并不需要有無限多個連續的時間點上的瞬時值來決定其變化規律，而只需要有各個等間隔點上的離散抽樣值就夠了。5．數字濾波數字濾波優點：①數字濾波是用程序實現的，不需要硬件設備，所以可靠性高、穩定性好。②數字濾波可以濾除頻率很低的干擾，這一點是模擬濾波難以實現的。③數字濾波可以根據不同的信號采用不同的濾波方法，使用靈活、方便。數字濾波是通過編制一定的計算或判斷程序，減少干擾在有用信號中的比重，提高信號真實性的濾波方法。常用的數字濾波方法有：數字濾波方法遞推平均濾波程序判斷濾波中位值法濾波一階滯后濾波加權遞推平均濾波程序判斷濾波的具體方法是通過比較相鄰的兩個采樣值，如果它們的差值過大，超出了變量可能的變化范圍，則認為后一次采樣值是虛假的，應予以廢除，而用前一次采樣值送入計算機。中位值法濾波就是將某個被測變量在輪到它采樣的時刻，連續采3次(或3次以上)值，從中選擇大小居中的那個值作為有效測量信號。管道中的流量、壓力或沸騰狀液面的上下波動，會使其變送器輸出信號出現頻繁的振蕩現象。若將此信號直接送入計算機，會導致控制算式輸出紊亂，造成控制動作極其頻繁。甚至執行器根本來不及響應，還會使控制閥因過分磨損而影響使用壽命，嚴重影響控制品質。(3)遞推平均濾波如圖1.12所示。圖中的黑點表示各個采樣值。對于這類信號，僅僅依靠一次采樣值作為控制依據是不正確的，通常采用遞推平均的方法，即第n次采樣的N項遞推平均值是n，(n-1)，…，(n-N+1)次采樣值的算術平均。

(4)加權遞推平均濾波

遞推平均濾波法的每一次采樣值，在結果中的比重是均等的，這對時變信號會引入滯后。一個N項加權遞推平均算式為：（1-7）式中

——加權系數，各項系數應滿足下列關系；

0≤Ci≤1

且為增加當前采樣值在結果中所占的比重，提高系統對本次采樣的靈敏度，可采用加權遞推平均方法。(5)一階慣性濾波一階慣性濾波器的動態方程式為：（1-8）t——濾波時間常數；式中——輸出值；——輸入值。在實際應用上述幾種數字濾波方法時，往往先對采樣信號進行程序判斷濾波，然后再用遞推平均、加權遞推平均或一階慣性濾波等方法處理，以保持采樣的真實性和平滑度。一階慣性濾波對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻繁的變量濾波。1.3.2輸出信號處理過程輸出通道:計算機和執行器之間進行信息傳遞和變換的裝置.1．數字輸出信號的處理

數字信號的輸出必須通過數字量輸出通道。數字量輸出通道的任務是根據計算機輸出的數字信號去控制接點的通、斷或數字式執行器的啟、停等，簡稱DO(Digitaloutput)通道。

根據被控對象的不同，其輸出的數字控制信號的形態及相應的配置也不相同。

其中最為常用的數字控制信號是開關量和脈沖量信號隔離器一般采用光電隔離器，如TLP521系列；輸出驅動器將計算機輸出的信號進行功率放大，以滿足被控對象要求。繼電器、晶閘管(或大功率晶體管)、TTL電平輸出等為需要開關量控制信號的執行機構，通過這些開關器件的通、斷去控制被控對象。2．模擬輸出信號的處理

模擬信號的輸出必須通過模擬量輸出通道來完成。模擬量輸出通道是計算機控制系統實現控制的關鍵。它的任務是把計算機輸出的數字量轉換成模擬電壓或電流信號。以便驅動相應的執行機構、達到控制的目的。模擬量輸出通道—般由輸出接口電路、D/A轉換器、V/I變換等組成。（1）一個通路設置一個數/模轉換器:微處理器和通路之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數字保持的方案。它的優點是轉換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉換器有故障也不會影響其它通路的工作。缺點是使用了使用硬件較多，成本高。但隨著大規模集成電路技術的發展，這個缺點正在逐步得到克服。這種方案較易實現。多路信號共用一個數／模轉換器。（2）多個通路共用一個數／模轉換器的形式

因此它必須在微型機控制下分時工作。即依次把D/A轉換器轉換成的模擬電壓(或電流)，通過多路模擬開關傳送到下一級電路。這種結構節省了數／模轉換器，但因是分時工作，只適用于通路數量多且速度要求不高的場合。

因多路共用一個D/A轉換器，所以可靠性較差。1.4

PID控制算法按偏差的比例、積分和微分控制(以下簡稱PID控制)，是控制系統中應用最廣泛的一種控制規律。在系統中引入偏差的比例控制，以保證系統的快速性，引入偏差的積分控制以提高控制精度，引入偏差的微分控制來消除系統慣性的影響。

1.4.1理想PID控制算法ＰＩＤ控制器將根據偏差e＝sv-pv（設定值sv與測量值pv之差），給出控制信號u(t)。理想PID常用以下形式表示：式中Kp——控制器比例增益；

TI——積分時間；

TD——微分時間。

由于在計算機控制系統中，計算機只能每隔一定的時間(采樣周期T)才能完成一次檢測、計算并輸出控制，因此必須將原來的PID微分方程經過差分處理后變成相應的差分方程。（１－１２）（１－１３）1.4.2理想PID控制算法的改進

1．積分分離

在一般的PID控制中，當啟動、停車或大幅度改變給定值時，由于在短時間內產生很大的偏差，往往會產生嚴重的積分飽和現象，以致造成很大的超調和長時間的振蕩。為了克服這個缺點，可采用積分分離方法，即在被控制量開始跟蹤時，取消積分作用；而當被控制量接近給定值時，才將積分作用投入以消除靜差。1.4.2理想PID控制算法的改進

1．積分分離

圖1.18兩種控制效果比較a-積分分離式的PID控制過程；b-普通的PID控制過程在單位階躍信號的作用下，將積分分離式的PID控制與普通的PID控制響應結果進行比較，可以發現，前者超調小，過渡時間短。2．微分先行

微分先行是只對被控變量求導，而不對設定值求導。這樣，在改變設定值時，輸出不會突變，而被控變量的變化，通常總是比較和緩的。2．微分先行

微分先行的控制算法明顯改善了隨動系統的動態特性，而靜態特性不會產生影響，所以這種控制算法在模擬式控制器中也在采用。

與常規PID運算相比較，微分先行PID運算規律中，PV值經微分運算，而SV只經PI運算。本章小結

計算機控制系統由工業控制機和生產過程兩大部分組成。工業控制機是指按生產過程控制的特點和要求而設計的計算機，它包括硬件和軟件兩部分。生產過程包括被控對象，測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。

在計算機