第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)（包括軟件技術(shù)、接口技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、顯示技術(shù)）、自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測和傳感技術(shù)有機(jī)結(jié)合、綜合發(fā)展的產(chǎn)物。它主要研究如何將檢測和傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，在冶金、化工、電力、自動化機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人控制、柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等工業(yè)控制領(lǐng)域已取得了令人矚目的研究與應(yīng)用成果，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越大的作用。掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的含義與工作原理；熟悉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及典型結(jié)構(gòu)；了解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展情況。

學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)能力目標(biāo)掌握計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)框圖的分析方法；掌握計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)常用軟件使用方法。思政育人目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會梳理課程目標(biāo)，知道為什學(xué)、學(xué)什么；學(xué)會制定學(xué)習(xí)計(jì)劃，有目標(biāo)的去學(xué)習(xí)。1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的含義與工作原理內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的含義1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理31.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的含義自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，應(yīng)用控制裝置自動地、有目的地控制或操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程，使它們具有或達(dá)到一定的狀態(tài)或性能。按照任務(wù)的不同，控制系統(tǒng)可以分為3大類，即檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)：單純以檢測為目的的系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，又稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)：單純以控制為目的的系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。測控系統(tǒng)：測控一體化的系統(tǒng)，即通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理和傳輸，使控制對象實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求的系統(tǒng)。所謂計(jì)算機(jī)控制，就是利用傳感器將被監(jiān)控對象中的物理參量（如溫度、壓力、液位、速度等）轉(zhuǎn)換為電信號（如電壓、電流等），再將這些代表實(shí)際物理參量的電信號送入輸入裝置中轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)字量，并且在計(jì)算機(jī)的顯示器中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而使操作人員能夠直觀而迅速地了解被監(jiān)控對象的變化過程。計(jì)算機(jī)還可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，隨時(shí)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和顯示，并制作各種報(bào)表。如果還需要對被監(jiān)控對象進(jìn)行控制，則由計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用軟件根據(jù)采集到的物理參量的大小和變化情況與工藝要求的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，然后在輸出裝置中輸出相應(yīng)的電信號，推動執(zhí)行裝置（如調(diào)節(jié)閥、電動機(jī)）動作，從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為當(dāng)今工業(yè)控制的主流系統(tǒng)，已取代常規(guī)的模擬檢測、調(diào)節(jié)、顯示、記錄等儀器設(shè)備和大部分操作管理的人工職能，并具有較高級、復(fù)雜的計(jì)算方法和處理方法，以完成各種參數(shù)檢測、過程控制、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信以及操作管理等任務(wù)。在工廠的控制室里，如圖1-1所示，操作員可以通過顯示終端對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和操作，鍵盤和顯示屏替代了龐大的控制儀表盤以及大量的開關(guān)和按鈕，控制室已變得越來越小，只需很少幾個(gè)人就能完成對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和操作的任務(wù)。圖1-1某熱電廠鍋爐計(jì)算機(jī)控制室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包含的內(nèi)容十分廣泛，它包括各種數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)等，廣泛用于航空、航天、科學(xué)研究、工廠自動化、農(nóng)業(yè)自動化、實(shí)驗(yàn)室自動測量和控制以及辦公自動化、商業(yè)自動化、樓宇自動化、家庭自動化等人們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，有力地推動了自動控制技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大了控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍，使大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)進(jìn)入嶄新的階段。1.1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

1、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式工業(yè)生產(chǎn)中的自動控制系統(tǒng)隨控制對象、控制算法和采用的控制器結(jié)構(gòu)的不同而有所差別。其結(jié)構(gòu)形式一般分為閉環(huán)和開環(huán)兩種形式。圖1-2是控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制形式，它是自動控制的基本形式。圖中，系統(tǒng)通過測量元件（傳感器）對被控對象的被控參數(shù)進(jìn)行測量，再由變送單元將這些量變換成一定形式的電信號，反饋給控制器?？刂破鲗⒎答佇盘枌?yīng)的工程量與系統(tǒng)給定的設(shè)定值工程量比較，并依據(jù)比較的誤差產(chǎn)生控制信號來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，使被控參數(shù)的值與給定值保持一致。圖1-2控制系統(tǒng)的閉環(huán)形式圖1-3是控制系統(tǒng)的開環(huán)控制形式，它與閉環(huán)形式的控制系統(tǒng)的區(qū)別在于：它不需要控制對象的反饋信號，是直接根據(jù)給定信號去控制被控對象工作的。這種系統(tǒng)本質(zhì)上不會自動消除被控參數(shù)與給定值的誤差，其控制結(jié)構(gòu)簡單，但性能較差，常用在一些要求不高的控制場合。自動控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，控制器是最重要的部分，決定控制系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍。圖1-3控制系統(tǒng)的開環(huán)形式2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)，可以充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算、邏輯判斷和記憶等功能。如果把圖1-2中的控制器用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)代替，就構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-4所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上，與一般自動控制系統(tǒng)一樣，同樣分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種。圖1-4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程兩大部分組成，控制計(jì)算機(jī)是指按生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)和要求設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；生產(chǎn)過程包括被控對象、測量變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等裝置。由于生產(chǎn)過程的各種物理量一般都是模擬量，而計(jì)算機(jī)的輸入和輸出均采用數(shù)字量，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，對于信號輸入，需增加A-D轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字信號；對于輸出，需增加D-A轉(zhuǎn)換器，將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的連續(xù)模擬信號。1.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理

下面以一個(gè)計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)為例簡要說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理，圖1-5為系統(tǒng)組成示意圖。根據(jù)工藝要求，該系統(tǒng)要求加熱爐的爐溫控制在給定的范圍內(nèi)并且按照一定的時(shí)間曲線變化。在計(jì)算機(jī)顯示器上用數(shù)字或圖形實(shí)時(shí)地顯示溫度值。圖1-5計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)組成示意圖假設(shè)加熱爐使用的燃料為重油，并使用調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使用熱電偶來測量加熱爐內(nèi)的溫度。熱電偶把檢測信號送入溫度變送器，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號（1～5V），再將該電壓信號送入輸入裝置。輸入裝置可以是一個(gè)模塊也可以是一塊板卡，它將檢測得到的信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號。計(jì)算機(jī)中的軟件根據(jù)該數(shù)字信號按照一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算出來的結(jié)果通過輸出模塊轉(zhuǎn)換為可以推動調(diào)節(jié)閥動作的電流信號（4～20mA）。通過改變調(diào)節(jié)閥的閥門開度即可改變?nèi)剂狭髁康拇笮?，從而達(dá)到控制加熱爐爐溫的目的。上述計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)對生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動控制可以分解為以下4個(gè)步驟。1）生產(chǎn)過程的被控參量（過程信號）通過測量環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量或電參數(shù)，再由變送器或放大器變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號。2）電壓或電流信號經(jīng)過A-D轉(zhuǎn)換后變成計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為人們易于理解的工程量（測量值）。3）計(jì)算機(jī)根據(jù)測量值與給定值的偏差，輸出控制信號。4）控制信號作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)物料流量或能量的大小來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程可歸納為以下3步。1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送器的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入。2）實(shí)時(shí)控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按預(yù)定的控制規(guī)律運(yùn)算，進(jìn)行控制決策。3）實(shí)時(shí)輸出控制：根據(jù)控制決策，實(shí)時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成系統(tǒng)控制任務(wù)或輸出其它有關(guān)信號，如報(bào)警信號等。上述過程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)正常穩(wěn)定地運(yùn)行，一旦被控量和設(shè)備本身出現(xiàn)異常狀態(tài)，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)督并做出迅速處理。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接并受計(jì)算機(jī)控制，這樣的方式稱“在線方式”或“聯(lián)機(jī)方式”。如生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，不受計(jì)算機(jī)直接控制，而是靠人工進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，稱為“離線方式”或“脫機(jī)方式”。如果計(jì)算機(jī)能夠在工藝要求的時(shí)間范圍內(nèi)及時(shí)對被控參數(shù)進(jìn)行測量、計(jì)算和控制輸出，則稱為實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過程，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件包括計(jì)算機(jī)主機(jī)硬件和各種控制設(shè)備；軟件包括系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、開發(fā)軟件）和應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖1-6所示計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軀體，是完成控制任務(wù)的設(shè)備基礎(chǔ)，硬件質(zhì)量的好壞直接決定了控制系統(tǒng)的工作性能。而計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序是執(zhí)行控制任務(wù)的關(guān)鍵，統(tǒng)稱為軟件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件程序不僅決定其硬件功能的發(fā)揮，而且也決定了控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)和操作管理水平。內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成21.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分主要由計(jì)算機(jī)主機(jī)、傳感器、信號調(diào)理器、輸入裝置、輸出裝置、驅(qū)動電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)設(shè)備和通信接口等部分組成，如圖1-7所示。圖1-7計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖1.計(jì)算機(jī)主機(jī)計(jì)算機(jī)主機(jī)是整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它的性能直接影響到系統(tǒng)的優(yōu)劣。它通過輸入裝置發(fā)送來的工業(yè)對象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，自動地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并做出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過輸出裝置及時(shí)發(fā)出控制命令，以實(shí)現(xiàn)對被控對象的自動控制，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)聯(lián)系。2.傳感器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)借助傳感器從生產(chǎn)過程中收集信息，對被控對象進(jìn)行監(jiān)視并提供控制信號。生產(chǎn)過程的參數(shù)大小是由傳感器進(jìn)行檢測的。傳感器輸出與被測物理量（如溫度、壓力、流量、液位等）成一定比例（一般為正比）的電信號，一般為模擬電壓或電流。還有一類測量值是關(guān)于被控過程的狀態(tài)信息。例如，閥門是否關(guān)閉，容器是否注滿，泵是否打開等。這些信息是以開關(guān)量的形式提供給計(jì)算機(jī)的。3.信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的作用是對傳感器輸出的電信號進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)換成便于輸送、顯示和記錄的電信號（電壓或電流）。例如，傳感器輸出信號是微弱的，就需要放大電路將微弱信號加以放大，以滿足過程通道的要求；為了與計(jì)算機(jī)接口方便，需要A-D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號變換成數(shù)字信號等。4.輸入/輸出裝置反映被測量的電信號在進(jìn)入計(jì)算機(jī)之前需要進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換處理，變成計(jì)算機(jī)能識別接受的數(shù)字量；要驅(qū)動執(zhí)行裝置（如調(diào)節(jié)閥、電動機(jī)）動作，計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量還必須轉(zhuǎn)換成可對執(zhí)行裝置進(jìn)行控制的電信號。因此，構(gòu)成一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，還需要配備各種用途的I/O接口產(chǎn)品，即輸入輸出裝置。5.驅(qū)動電路要想驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一方面必須具有較大的輸出功率，即向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供大電流、高電壓驅(qū)動信號，以帶動其動作；另一方面，由于各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作原理不盡相同，有的用電動，有的用氣動或液動，如何使計(jì)算機(jī)輸出的信號與之匹配，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須解決的重要問題。因此為了實(shí)現(xiàn)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率配合，一般都要在計(jì)算機(jī)輸出裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間配置驅(qū)動電路。6.執(zhí)行機(jī)構(gòu)對生產(chǎn)裝置的控制通常是通過對閥門或伺服機(jī)構(gòu)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對泵和電動機(jī)進(jìn)行控制來達(dá)到的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動作，使生產(chǎn)過程按預(yù)先規(guī)定的要求正常運(yùn)行，即控制生產(chǎn)過程。7.人機(jī)設(shè)備人機(jī)設(shè)備包括操作臺和各種外圍設(shè)備。生產(chǎn)過程的操作人員通過操作臺向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令；程序員使用操作臺檢查程序；維修人員利用操作臺判斷故障等。外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。它用來顯示、存儲、打印、記錄各種數(shù)據(jù)，如顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，發(fā)出報(bào)警信號等。8.通信接口外部設(shè)備和被控對象不能直接由計(jì)算機(jī)主機(jī)控制，必須由“接口”來傳送相應(yīng)的信息和命令。I/O接口是主機(jī)和通道以及外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的紐帶?，F(xiàn)今的工業(yè)過程控制系統(tǒng)一般都采用分級分散式結(jié)構(gòu)，即由多臺計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，共同完成上述的各種任務(wù)。因此，各級計(jì)算機(jī)之間必須通過網(wǎng)絡(luò)通信接口及時(shí)地交換信息。1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成

計(jì)算機(jī)只有在配備了所需的各種軟件后，才能構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，許多功能都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，即在基本不改變系統(tǒng)硬件的情況下，只需修改計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序便可實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)運(yùn)行操作的基礎(chǔ)，用于管理、調(diào)度、操作計(jì)算機(jī)的各種資源，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控和診斷，提供各種開發(fā)支持的程序。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和開發(fā)軟件等。操作系統(tǒng)提供了程序運(yùn)行的環(huán)境，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信息的指揮者和協(xié)調(diào)者，并具有數(shù)據(jù)處理、硬件管理等功能，如各種版本的Windows操作系統(tǒng)、UNIX操作系統(tǒng)等。

開發(fā)軟件用于開發(fā)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件，它是各種語言的匯編、解釋和編譯程序，包括面向機(jī)器的匯編語言（如Masm），面向過程語言（如C），面向?qū)ο笳Z言（如VisualC++、VisualBasic等），組態(tài)監(jiān)控軟件（如KingView、MCGS、FIX等），虛擬儀器軟件（如LabVIEW、LabWindows/CVI等），數(shù)字信號處理軟件（如MATLAB等），各種數(shù)據(jù)庫軟件等。系統(tǒng)軟件通常由計(jì)算機(jī)廠商和專門軟件公司研制，可以從市場上購置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員一般沒有必要自行研制系統(tǒng)軟件，它們只是作為開發(fā)應(yīng)用軟件的工具。但是需要了解和學(xué)會使用系統(tǒng)軟件，才能更好地開發(fā)應(yīng)用軟件。2.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)軟件支持下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能的專用程序。應(yīng)用軟件是軟件公司或用戶為解決某類應(yīng)用問題而專門研制的軟件，主要包括科學(xué)和工程計(jì)算軟件、文字處理軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、圖形軟件、圖像處理軟件、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫軟件、事務(wù)管理軟件、輔助類軟件和控制類軟件等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件屬于應(yīng)用軟件，它主要實(shí)現(xiàn)企業(yè)對生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制和管理以及企業(yè)整體生產(chǎn)的管理控制。計(jì)算機(jī)控制類應(yīng)用軟件是設(shè)計(jì)人員根據(jù)某一具體生產(chǎn)過程的控制對象、控制要求、控制任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)高效、可靠、靈活的控制而自行編制的各種控制和管理程序。其性能優(yōu)劣直接影響控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)和管理水平?？刂茖ο蟮牟町愋允箤?yīng)用軟件的要求也有很大的差別。一般在工業(yè)控制系統(tǒng)中，針對每個(gè)控制對象，為完成相應(yīng)的控制任務(wù)，都要求配置相應(yīng)的專門控制軟件才能使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件一般包括過程輸入和輸出接口程序、控制程序、人機(jī)接口程序、顯示程序、打印程序、報(bào)警和故障診斷程序、通信和網(wǎng)絡(luò)程序等。1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1直接數(shù)字控制系統(tǒng)2監(jiān)督控制系統(tǒng)3集散控制系統(tǒng)4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)51.3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem，DAS）如圖1-8所示，系統(tǒng)對生產(chǎn)過程或控制對象的大量參數(shù)作巡回檢測、處理、分析、記錄以及參數(shù)的超限報(bào)警。對大量參數(shù)的積累和實(shí)時(shí)分析，可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程進(jìn)行各種趨勢分析。這是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程最早和最簡單的一類系統(tǒng)。過程參數(shù)經(jīng)測量變送器、過程輸入通道，定時(shí)地被送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，根據(jù)一定的控制規(guī)律或管理方法進(jìn)行計(jì)算，然后通過顯示器或打印機(jī)輸出操作指導(dǎo)信息供操作人員參考。所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱為操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)。圖1-8計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出不直接作用于生產(chǎn)過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不直接影響生產(chǎn)過程的進(jìn)行。它的輸出只作用于有關(guān)的外部設(shè)備和人機(jī)接口，為操作人員的分析、判斷提供信息的顯示。這是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，僅對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視，不對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動控制。1.3.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，DDC）系統(tǒng)如圖1-9所示，計(jì)算機(jī)通過過程輸入通道對控制對象的多個(gè)參數(shù)做巡回檢測，根據(jù)測得的參數(shù)按照一定的控制算法運(yùn)算后獲得控制信號量，經(jīng)過過程輸出通道作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上。圖1-9計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)有很大的相似性，直接數(shù)字控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)取代多臺模擬調(diào)節(jié)器的功能。由于計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的計(jì)算和邏輯功能，因此可以實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜規(guī)律的控制。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。它對被控制變量和其它參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，與給定值比較后求得偏差，然后按事先規(guī)定的控制策略，如比例、積分、微分規(guī)律進(jìn)行控制運(yùn)算，最后發(fā)出控制信號，通過接口直接操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)對被控制對象進(jìn)行控制。這種控制方式在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍。1.3.3監(jiān)督控制系統(tǒng)

在DDC系統(tǒng)中是用計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預(yù)先設(shè)定的，并存入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，這個(gè)給定值不能根據(jù)生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改，故DDC系統(tǒng)無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制（SupervisoryComputerControl，SCC）系統(tǒng)如圖1-10所示，是計(jì)算機(jī)和調(diào)節(jié)器的混合系統(tǒng)，是對DDC系統(tǒng)的改進(jìn)。它通常采用兩級控制形式。圖1-10計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)所謂監(jiān)督控制，指的是根據(jù)原始的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)和現(xiàn)場采集到的生產(chǎn)工況信息，一方面按照描述被控過程的數(shù)字模型和某種最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出被控過程的最優(yōu)給定值，輸出給下一級DDC系統(tǒng)或模擬調(diào)節(jié)器；另一方面對生產(chǎn)狀況進(jìn)行分析，作出故障的診斷與預(yù)報(bào)。所以SCC系統(tǒng)并不直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是給出下一級的最優(yōu)給定值，由它們?nèi)タ刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)下一級采用模擬調(diào)節(jié)器時(shí)，SCC計(jì)算機(jī)對各物理量進(jìn)行巡回檢測，并按一定的數(shù)學(xué)模型對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析計(jì)算后得出控制對象各參數(shù)最優(yōu)的給定值，然后送調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作。當(dāng)下一級采用DDC系統(tǒng)時(shí)，其計(jì)算機(jī)（稱為下位機(jī)）完成前面所述的直接數(shù)字控制功能，SCC計(jì)算機(jī)（稱為上位機(jī)）則完成高一級的最優(yōu)化分析與計(jì)算，給出最優(yōu)化的給定值，送給DDC級執(zhí)行過程控制。1.3.4集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則的新一代儀表控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)簡稱DCS，也可直譯為“分散控制系統(tǒng)”或“分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”。

集散系統(tǒng)本質(zhì)上是一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分層式的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是層次化，把不同層次的多種監(jiān)測、控制和管理功能有機(jī)地、層次分明地組織起來，使系統(tǒng)的性能大為提高。分布式系統(tǒng)適用于大型、復(fù)雜的控制過程，在我國許多大型石油化工企業(yè)就是依賴各種形式的集散控制系統(tǒng)保證它們的生產(chǎn)高質(zhì)量地連續(xù)不斷進(jìn)行。一般把分布式控制系統(tǒng)分成3個(gè)層次，如圖1-11所示，每一層有一臺或多臺計(jì)算機(jī)，同一層次的計(jì)算機(jī)以及不同層次的計(jì)算機(jī)都通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)密的整體。DCS由若干臺微機(jī)分別承擔(dān)任務(wù)，從而代替了集中控制的方式，由于分散了控制，也就分散了危險(xiǎn)，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高；并且DCS是積木式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成靈活，易于擴(kuò)展；采用液晶顯示技術(shù)和智能操作臺，操作、監(jiān)視方便；采用數(shù)據(jù)通信技術(shù)，處理信息量大；與計(jì)算機(jī)集中控制方式相比，電纜和敷纜成本較低，便于施工。圖1-11計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)1.3.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，推動著工業(yè)自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變革，模擬和數(shù)字混合的集散控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展為全數(shù)字系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了工業(yè)控制系統(tǒng)用的現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）是繼DCS之后興起的新一代控制系統(tǒng)。它將當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的概念引入工業(yè)控制領(lǐng)域，是一個(gè)開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可以與不同層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；在現(xiàn)場設(shè)備中，以微處理器為核心的現(xiàn)場智能設(shè)備可方便地進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)、互操作，其結(jié)構(gòu)如圖1-12所示。圖1-12現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)從控制的角度看，F(xiàn)CS有兩個(gè)顯著特點(diǎn)。一是信號傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。FCS把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場中的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成用于現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。全數(shù)字化避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)中模擬信號傳輸過程中難以避免的信號衰減、精度下降和容易受到干擾等缺點(diǎn)，提高了信號傳輸?shù)木群涂煽啃?。二是?shí)現(xiàn)了控制的徹底分散。把控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備和儀表中，使現(xiàn)場設(shè)備和儀表成了具有綜合功能的智能設(shè)備和智能儀表，它們經(jīng)過統(tǒng)一組態(tài)，可以構(gòu)成各種所需的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。1.4計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制理論的飛速發(fā)展，極大地推動了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前自動控制系統(tǒng)的主流，并且隨著相關(guān)技術(shù)和工藝水平的發(fā)展，也在日益發(fā)展，具有很強(qiáng)的生命力和應(yīng)用前景。在不久的將來，絕大多數(shù)自動控制系統(tǒng)都會采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。1智能化

現(xiàn)代的檢測和控制系統(tǒng)，或多或少地趨向于智能化。所謂智能，是指能隨外界條件的變化，具有確定正確行動的能力，即具有人的思維能力以及推理、做出決策的能力。智能化的儀表或系統(tǒng)，可以在個(gè)別的部件上，也可以在局部或整體系統(tǒng)上具有智能的特征。例如智能化的測試儀表，能在被測參數(shù)變化時(shí)自動選擇測量方案，進(jìn)行自校正、自補(bǔ)償、自檢、自診斷等，以獲取最佳測試結(jié)果。有的系統(tǒng)則直接運(yùn)用人工智能、專家系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)智能控制器。它是通過對誤差及其變化率的檢測，判斷被測量的現(xiàn)狀和變化趨勢，根據(jù)專家系統(tǒng)中知識庫、決策控制模式和控制策略，取得優(yōu)良的控制性能，解決常規(guī)控制不易實(shí)現(xiàn)的問題。在以微機(jī)為核心的一般檢測與控制系統(tǒng)中，軟件的功能也可實(shí)現(xiàn)初級的智能檢測與控制功能，若采用智能計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)工程、知識庫以及人工智能工程，則可以實(shí)現(xiàn)更為高級的智能化。2綜合化與集成化

電子測量儀器、自動化儀表、自動化測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)在過去是分屬各學(xué)科和領(lǐng)域獨(dú)立發(fā)展。由于生產(chǎn)自動化的