1開課目的和任務

(1/2)工業控制是計算機的一個重要應用領域，計算機控制正是為了適應這一領域的需要而發展起來的一門專業技術。它主要研究如何將計算機技術和自動控制理論應用于工業生產過程，并設計出所需要的計算機控制系統。目的在于使學生了解和掌握以微型機為核心組成的控制系統的硬件、軟件基礎知識和基本應用技術。7/23/20231第一章緒論1開課目的和任務

(2/2)本課程是自動化和測控專業的專業基礎課和專業主干課程之一。哪幾門？自動控制理論，現代控制理論，微機原理及接口技術，微機控制技術，運動控制系統，過程控制系統。該加系統工程理論?+管理?7/23/20232第一章緒論2主要的參考文獻作者書名出版社年張德江等計算機控制系統

機械工業出版社2008劉士榮等計算機控制系統機械工業出版社2009王慧等計算機控制系統化學工業出版社2005于海生等微型計算機控制技術機械工業出版社2008孫增圻等計算機控制理論及應用清華大學出版社7/23/20233第一章緒論第一章緒論

IntroductionAutomationResearchInstitute,BUCT7/23/20234本章主要內容計算機控制系統的一般概念計算機控制系統的分類計算機控制系統的設計與實現計算機控制系統的發展概況與趨勢7/23/20235第一章緒論第一節Unit1計算機控制系統的一般概念IntroductionofComputerControlSystem7/23/20236本節主要內容計算機控制系統的概述計算機控制系統的信號特點計算機控制系統的組成計算機控制系統的經濟效益7/23/20237第一章緒論“一些自動化實驗實驗裝置圖片”7/23/20238

實驗

裝置

-1水處理生產線裝置7/23/20239第一章緒論實驗裝置

-2填料塔換熱裝置7/23/202310第一章緒論

實驗裝置

-3加熱反應器開環不穩定的對象7/23/202311第一章緒論

實驗

裝置

-4非線性液位對象7/23/202312第一章緒論

實驗

裝置

機房7/23/202313第一章緒論1-1-1概述（1）常規控制系統的工作原理模擬調節器執行機構被控對象測量變送器設定值reu被調參數y圖a

單回路常規控制系統示意圖ym按偏差e進行控制，目的是減少或消除偏差。7/23/202314第一章緒論1-1-1概述（2）計算機控制系統的工作原理u計算機保持器廣義對象測量變送器e(kT)u(kT)被調參數y圖b

單回路計算機控制系統示意圖ym采樣器A/DD/A計算機系統設定值r7/23/202315第一章緒論計算機控制系統的組成框圖7/23/202316第一章緒論從本質上看，計算機控制系統的作用如下三個方面：

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。7/23/202317第一章緒論（2）幾個概念①在線方式和離線方式：on-line/off-line

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；生產過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。②實時：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。

！而且這個時間范圍的大小跟被空對象聯系非常的緊密！不同的被控對象，對時間范圍的要求不同：發酵過程和導彈防御系統的對比！7/23/202318第一章緒論思考兩個問題一.在線系統是否一定是實時系統？二.實時系統是否一定是在線系統？一.不一定。在線采集的數據不一定在當時就進行處理，只要把數據采集來就可以！二.是。不在線肯定不能滿足實時性。7/23/202319第一章緒論1-1-1概述（3）計算機控制系統的主要優點組成方式靈活能實現復雜的控制規律獲取更大的經濟效益為實現企業綜合自動化打下了良好的基礎7/23/202320第一章緒論1-1-2信號特點（1）計算機控制系統的信號形式連續模擬信號:時間與幅值上均連續，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時間是離散的，幅值上連續，如y*(t)、u*(t)連續數字信號:時間是連續的，幅值上已是數字量，計算機內部存儲和處理信號離散數字信號:時間離散的，幅值為數字量，如y(kT)、u(kT)采樣器

A/D計算機D/A保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)7/23/202321第一章緒論1-1-2信號特點（2）計算機控制系統中的量化將離散模擬信號用二進制代碼逼近為數字信號的過程（如采樣值y*(t)量化為y(kT)的過程）量化單位qq=M/2n，M為被轉換的模擬量電信號滿量程，

n為A/D的轉換位數量化誤差

e=±q/27/23/202322第一章緒論1-1-2信號特點（3）計算機控制系統的采樣過程y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始過程信號信號通過采樣器采樣后的信號過程信號采樣過程示意圖7/23/202323第一章緒論1-1-2信號特點（4）計算機控制系統的采樣的合理性采樣器接通時間τ遠小于采樣周期T理想采樣器（接通電阻R0，開路電阻R）采樣信號y*(t)復現原信號在采樣瞬間的值y(t)A/D轉換后，

y*(t)y(kT),k=1，2，……采樣周期T須滿足香農定理采樣頻率大于2倍原始信號頻率當滿足上述條件時，

y*(t)與y(kT)只相差量化誤差7/23/202324第一章緒論1-1-2信號特點（5）

設δ(t-kT)是t=kT時刻的理想采樣脈沖，則采樣周期T的選擇相當重要。因為y*(t)只與y(t)在脈沖出現瞬間的值y(kT)有關，故采樣信號可用下式表示：7/23/202325第一章緒論1-1-2信號特點（6）

信號的保持目的：是將離散采樣信號恢復為被控對象能夠感知的連續模擬信號方法：采用保持器，由現在或過去時刻的采樣值,用某種函數去逼近2個采樣時刻間的原信號常用的保持器：零階、一階及高階

（常數、線性函數、拋物線）7/23/202326第一章緒論1-1-2信號特點（7）

零階保持器恢復信號的示意圖

6T

4T

2Tt

y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復信號yh(t)零階保持器算式yh(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是簡單地外推，故只有當T足夠小時，零階保持器才能較好地恢復原信號。7/23/202327第一章緒論

1-1-3計算機控制系統的組成及作用軟件部分計算機控制系統硬件部分控制計算機主機、外設、系統總線生產過程輸入輸出通道人—機聯系設備、通信設備

現場儀表（測量傳感器、執行機構等）

操作系統匯編或高級語言、過程控制語言通信網絡軟件、診斷程序等

系統軟件

應用軟件

過程輸入/輸出程序、過程控制程序人機接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數據庫、實時數據庫計算機控制系統的組成示意圖7/23/202328第一章緒論

1-1-4經濟效益（1）可計算效益部分增加產量或可處理量改善產品的質量降低能源消耗與原料消耗,減少成本提高設備的利用率,維修要求降低節省勞動力投資的回收周期：1~2年或幾個月7/23/202329第一章緒論

1-1-4經濟效益（2）不可計算效益部分企業的知名度和操作人員的整體素質得到提高操作人員的安全得到更有效的保障生產和管理的有關信息能及時獲得并加以利用對工況改變的適應性增強能及時地預報與較好地處理過程與設備的事故減少對環境產生的污染7/23/202330第一章緒論第二節

Unit2計算機控制系統的分類ClassificationofComputerControlSystem北京化工大學自動化研究所7/23/202331本節主要內容計算機巡回檢測和操作指導系統計算機直接數字控制系統計算機監督控制系統計算機集散控制系統現場總線控制系統工業過程計算機集成制造系統（流程CIMS）7/23/202332第一章緒論計算機巡回檢測和操作指導系統1-2-1計算機控制系統的分類

……數

字計算機CRT打印機報警過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產過程執行機構

人

……優點：結構簡單，控制靈活和安全。缺點:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。7/23/202333第一章緒論計算機直接數字控制（DDC）系統1-2-2計算機控制系統的分類直接數字控制(DDC)計算機CRT打印機報警操作臺過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產過程過程輸出通道執行機構執行機構

……

…………

計算機閉環控制系統。可完全取代模擬調節器，實現多回路的PID控制，而且只要改變程序就可以實現復雜的控制規律。

7/23/202334第一章緒論計算機監督控制（SCC）系統1-2-3

計算機控制系統的分類監督控制計算機(SCC)CRT打印機報警DDC計算機或調節器輸入通道輸出通道被控生產過程操作臺輸入通道

其作用是改變給定值，又稱設定值控制。它的任務著重在控制規律的修正與實現，如最優控制、自適應控制等。7/23/202335第一章緒論1-2-4

計算機控制系統的分類計算機集散控制系統（DCS）

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。7/23/202336第一章緒論1-2-5

計算機控制系統的分類現場總線控制系統工作站—現場智能儀表-變送器智能部件FCS的核心是現場總線，是一種數字通信協議，是連接智能現場設備和自動化系統的通信網絡，是控制技術、儀表工業技術和計算機網絡技術三者結合。7/23/202337第一章緒論1-2-5

計算機控制系統的分類現場總線控制系統工作站—現場智能儀表-智能電磁流量計結構模式為：“工作站一現場總線智能儀表”二層結構，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。

7/23/202338第一章緒論7/23/202339第一章緒論1-2-6

計算機控制系統的分類計算機集成控制系統（CIMS/CIPS）

經營決策企業管理生產調度過程優化過程控制第五層：企業決策，生產規劃第四層：供銷,財務,計劃,管理等第三層：生產調度，系統優化第二層：先進控制，過程優化第一層：單元自動化,簡單控制生產過程

流程CIMS的遞階控制示意圖7/23/202340第一章緒論1-2-7

計算機控制系統的分類根據計算機的硬件不同分類基于單片機的簡單系統基于工控機(IPC)基于可編程邏輯控制器(PLC)基于各種類型DCS基于現場總線儀表的FCS7/23/202341第一章緒論（1）程序和順序控制（2）比例積分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）復雜規律的控制（5）智能控制1-2-8計算機控制系統的分類按照控制規律分類7/23/202342第一章緒論（1）程序和順序控制定義：程序控制是被控制量按照一定的、預先規定的時間函數變化，被控制量是時間函數的變化。順序控制是程序控制的擴展，在各個時期所給出設定值可以是不同的物理量，而且每次設定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結果的邏輯判斷。7/23/202343第一章緒論（2）比例積分微分控制（PID控制）定義：調節器的輸出是調節器輸入的比例、積分和微分的函數。

PID控制是現在應用最廣、最為廣大工程技術人員熟悉的技術。PID控制結構簡單、參數容易調整，因此，無論模擬調節器或者數字調節器，多數使用PID調節規律。這同樣是我們學習的一個重點內容。7/23/202344第一章緒論（3）最小拍控制最小拍控制的性能指標是要求設計的系統在盡可能短的時間內完成調節過程。最小拍控制通常用在數字隨動系統的設計中。最小拍控制是我們本書內容的重點和難點，是直接離散控制系統設計！7/23/202345第一章緒論（4）復雜規律的控制在PID控制的基礎上，引進了各種復雜規律的控制，比如串級控制、前饋控制、純滯后補償、解偶控制、最優控制、自適應控制等，組成復雜控制系統。目的：是為了解決隨機擾動問題，使系統控制達到滿意的性能指標。7/23/202346第一章緒論（5）智能控制智能控制把先進的方法學理論與解決當前技術問題所需要的系統理論結合起來的學科。可以看成三個主要理論領域的交叉或會合，即：人工智能運籌學控制理論7/23/202347第一章緒論第三節Unit3計算機控制系統的設計與實現DesignandImplementationofComputerControlSystem北京化工大學自動化研究所7/23/202348本節主要內容設計計算機控制系統的一般步驟計算機控制系統的分析和設計方法7/23/202349第一章緒論1-3-1

計算機控制系統的設計與實現設計計算機控制系統的一般步驟總體設計建立數學模型

控制系統綜合計算機硬件與控制系統工程化設計計算機軟件設計系統仿真、調試與完善建立整個系統的技術文檔7/23/202350第一章緒論1-3-2

計算機控制系統的設計與實現計算機控制系統分析和設計的方法基于連續系統進行分析與設計按連續控制器設計離散化性能指標？———————————N基于離散系統進行分析與設計連續數學模型離散化設計離散的控制器性能？————————N7/23/202351第一章緒論1-3-3計算機控制系統性能及其指標

1.計算機控制系統性能指標計算機控制系統的性能分析和要求與連續控制系統相似，可用系統的穩定性、能控性、能觀性、動態特性及穩態特性（精度）來表征，衡量系統優劣的指標通常用穩定裕量、動態指標、穩態指標和綜合指標等。7/23/202352第一章緒論2.控制對象對控制性能的影響7/23/202353第一章緒論第四節Unit4計算機控制系統的發展與趨勢DevelopmentandTendencyofComputerControlSystem

北京化工大學自動化研究所7/23/2023541-4

計算機控制系統的發展與趨勢50年代的起步期60年代的試驗期70年代以來的推廣期80年代的成熟期90年代的進一步發展期7/23/202355第一章緒論第五節Unit5典型工程實例介紹IntroductionofEngineeringSystems7/23/202356第一章緒論循環流化床干法煙氣脫硫控制系統子系統吸收劑制備煙氣系統吸收塔注水系統吸收劑定量給料電除塵器物料循環副產品排放7/23/202357干法脫硫除塵控制系統規模應用于2×300MW機組，共采用兩套脫硫除塵島系統采用分布式IO配置，在現場共安裝18個工業控制柜板卡點數近千點：包含DI、DO、AI、AO、RTD、PI等多種類型信號7/23/202358第一章緒論主機鍋爐和預除塵7/23/202359第一章緒論吸收塔和脫硫除塵島俯視7/23/202360第一章緒論預除塵灰斗和倉泵俯視7/23/202361第一章緒論生石灰倉7/23/202362第一章緒論下料秤重計量閥7/23/202363第一章緒論灰斗出料倉泵7/23/202364第一章緒論中央控制樓7/23/202365第一章緒論中控室控制柜7/23/202366第一章緒論干法煙氣脫硫控制系統平臺OS站/WinCC機組1

OSM工業以太網光纖交換器S7400417H

帶工業以太網通訊處理器OS站/WinCC機組2Y-LINK用于連接吸收劑制備子系統工業以太網光纖環PCS7