1、计算机控制装置,2011年4月,张光新1335719652787952241,Computer Control Equipments,自动化专业主要课程体系(部分)示意,数理基础,控制原理,控制工程,工程原理,电学基础,测控仪表,微机原理,嵌入式/DSP等,计算机基础,人文基础,工业通信软件技术,计算机控制,炼油、化工、轻工、食品、电力、环保、机器人、航空 自动化+信息化,计算机控制与哪些知识内容有关？或做好一个计算机控制系统需要解决些问题？,课程安排：第17周讲课 第8周成绩评定：课堂交流、点名、作业 15%设计作业占25%(整体质量占50%，个人工作50%，附上每个成员的照片生活照)期末考
2、试60%课件下载：课程资源/电子课件,课程主要内容,计算机控制基本知识可编程控制器集散控制系统简介（含总线控制）系统的接地技术和防雷技术简介,计算机控制基础知识概念、组成、主要设计思想、发展等,可编程控制器基本工作原理、简要编程组态、集成应用主要针对：OMRON和SIEMENS PLC,针对实际对象的PLC系统设计包括：工艺流程分析、仪表选型、系统集成、控制柜设计等,点评交流25%,模拟招标,DCS简介,可靠性及防雷设计简介,开卷考试，带一张A4纸60%,平时15%,主要知识体系,变送器,“我”来控制,执行器,调节器,仪表控制,上课之前,显示仪表,控制室仪表,现场仪表,变送器,执行器,调节器,
3、仪表控制,上课之前,显示仪表,安装在哪里？,执行器有哪些？,阀门,电动调节阀、气动调节阀电动开关阀（电磁）、气动开关阀,泵（电机）,变频开关,检测仪表有哪些？,连续信号：变送器（如T、P、L、F、A，通常输出420mA、15V等标准信号）传感器（热电阻、热电偶）开关信号：液位开关、料位开关、接近开关(通常输出on/off信号),控制室仪表,现场仪表,变送器,执行器,调节器,仪表控制,上课之前,显示仪表,安装在哪里？,*执行器*口径流量特性安装方式材质(耐压/防腐）供电和防爆信号类型,现场仪表选型要注意哪些因素？,*检测仪表*量程安装方式材质(耐压/防腐）供电和防爆信号类型,变送器,执行器,调节
4、器,仪表控制,上课之前,IPC、PLC、数字调节器可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备,变送器,执行器,调节器,仪表控制,上课之前,？,最常见的IO接口：AI模/数转换(模拟量输入)DI 开关量输入(数字量输入)AO数/模转换(模拟量输出)DO 开关量输出(数字量输出),上课之前,420mA等信号,二进制信号,IO接口,？,现场仪表,计算机控制站,AI(A/D)DI,AO(D/A)DO,上课之前,典型的计算机控制系统结构示意图,数据服务器,高级控制器,内 涵：工业（自动）化 信息化,作 用：是实现安全、高效、优质、低耗生产的前提是现代工业生产不可缺少的神经中枢,相关技术：自动控制技术、检测
5、和传感技术、计算机技术、网络通信技术、先进控制技术、智能仪表技术,发展过程：直接数字量控制（DDC）集中型计算机控制 分布式计算机控制（DCS）总线（工业以太网）控制？,上课之前,两化融合,一.计算机控制的基本知识,1.1 计算机控制概述1.2 计算机控制系统的基本组成1.3 计算机控制系统的主要设计思想1.4 计算机控制系统的发展过程1.5 网络通信基础1.6 PID离散化和信号滤波简介,1.1 计算机控制概述,工作过程,数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值；控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算控制输出：根据控
6、制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。,硬件组成,1.2 计算机控制系统的基本组成,系统软件支持软件应用软件,操作系统,用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同,针对特定要求而编制的控制和管理程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。,软件组成,系统开发最主要的两个方面：根据控制要求，开发硬件系统基于支持软件，开发应用软件,1.2 计算机控制系统的基本组成,1.可靠性,2.可维护性,3.实时性,4.性能价格比,1.3 计算机控制系统的
7、主要设计思想,1.可靠性,产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。,衡量可靠性的几个指标：,可靠度平均无故障工作时间(Mean Time Between Failures，简称MTBF)平均故障修复时间(Mean Time To Repair，简称MTTR)（本质上这是一个可维护性指标）无维修使用期(Maintenance Free Operating Period，简称MFOP),可靠度通常用于表示单个零件、设备的可靠程度在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能的概率。,系统的可靠度：除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度
8、有关，还与系统的构成方式有关。,The reliability of every unit of the specific equipment is 90%,the reliability of this equipment is 90%。,No!,误差、可靠度都是会传递的,(1)可靠度 R,常规的可靠性理论：著名的浴盆曲线（本质）,结构对可靠度的影响,一个失效，系统失效全部故障，系统故障,系统冗余的概念,(1)可靠度 R,串联系统中，可靠性最差的单元对系统可靠性影响最大。并联系统中，1:1系统的冗余对系统可靠性的贡献最显著。,R1=R2=0.9，R并0.99R1=R2=0.99，R并0.99
9、99,MTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间,无维修使用期MFOP(Maintenance Free Operating Period),1995年国际上开始对传统可靠性定义提出了质疑，在欧洲开始提出了无维修使用期(MFOP)的概念。MTBF认为随机故障是不可避免的，只要仍低于许可数是可接受的。MFOP认为“要设计出不存在随机失效的产品是有可能”。,MFOP在本质上就是可靠性设计思路的改变，是指产品能完成所有规定任务的工作期，在该期间内不需要对其进行任何维修。每个MFOP之后就有一个维修修复期(Maintenance Recovery Period，MRP)，在此期间通过适当的
10、计划性或修复性维修使系统完全恢复到可使用状态，以使其能完成下一个MFOP期间的工作。,(2)MTBF(*)和 MFOP,提高系统可靠性的主要措施,选用高性能的控制设备，重视自控设备的自诊断功能。,设计可靠的控制方案，提供各种安全保护措施，如报警、故障诊断和处理等。,采用分散控制思想/增加后备手操或后备仪表控制系统/设计冗余系统。,采用安全可靠的屏蔽、隔离、接地等抗干扰技术。,提高软件可靠性【要求应用软件的结构合理、稳定性好、抗干扰能力强，具有自诊断功能，并面对任何异常操作不影响系统主要功能的正常运行】,故障发生后通过维修使系统恢复的能力。本质：易于查找故障，易于排除故障。,设计合理的系统结构。
11、例如，采用模块化结构，便于更换故障模块。,选择系列化、标准化、通用化、一致性好的硬件设备。,系统最好能带电插拔维修，降低子系统的故障对整个系统产生的影响。,软硬件具有自诊断功能，便于快速定位、快速排除故障。,平均故障修复时间MTTR(mean time to repair),MTTR指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间,2.可维护性,实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。,为了满足实时性要求，需要从硬件和软件两方面来考虑。,4.性能价格比,3
12、.实时性,传统DCSPLC Based DCSIPC Based DCS,1.4 计算机控制系统的简要发展过程,工业以太网,价格昂贵，功能极其有限，可靠性低,1.直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）,本质:用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。,起始于50年代末期开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代,优点:计算灵活，精度高，可分时处理多个控制回路，DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。,问题:,出发点：,外 设,过程控制计算机,AI/DI输入子系统,优越性：,问 题：,AO/DO输出子系统,（从表面上看）
13、信息集中，便于实现各种更复杂控制、优化控制功能,由于当时计算机总体性能低，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱”。,2.集中型计算机控制,企图用一台计算机来控制尽可能多的回路,昂贵,和仪表系统竞争,3.集散控制系统（Distributed Control System,DCS）,出发点（2个方面）：(1)把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)各控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。,DCS的两种含义：,是一种分布式计算机控制系统结构是一种具有分布式结构的特定计算机控制系统,被控过程（对象）,控制分散、危险分散,信息集中、
14、管理集中,分布式计算机控制的分解示意,管理层网络,远程节点,Web服务器,现场控制层,操作站OS,DCS的物理层次示意,控制管理层,工程师站ES,网络冗余,DCS的功能层次示意,从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。,居于系统最高层，负责广泛的工程、经济、商务、人事以及其它工作。,主要包括回路组态、优化、监控、故障诊断、记录、报警,根据订单、库存、能耗约束等进行生产规划、调度。通常为最高层。,现场数据采集、控制、安全性能和冗余性能的实施,常常将2个或多个功能层上的(部分)任务压缩到一个物理层上实现，简化DCS。最常见的为2级DCS,DCS的发展过程,4.总线控制系统（F
15、ieldbus Control SystemFCS）,半数字、半分散,朴素意义上的 FCS结构示意图,传统计算机控制系统的结构示意图,全数字、全分散,1.5 网络通信基础,1.网络通信的基本概念,(1)模拟信号与数字信号,模拟信号是一个连续的物理量,数字信号是利用不连续的物理状态来表示，例如：通过高/低电平来表示二进制数“1”和“0”。,(2)并行传输与串行传输,并行传输：以字或字节为单位一起传输（多个位同时传输）速度快、通信线多、成本高，不宜远距离通信,串行传输：数据逐位传输 速度较并行传输慢、通信线少（一般24根）、成本低 适宜远距离通信 几乎所有的计算机控制系统均采用串行数据通信,1.网
16、络通信的基本概念,(3)通信双方的交互方式,单工通信：只向一个方向传输，没有反方向交互（如键盘通信）控制系统中应用极少,半双工通信：双方可以交互数据，但不在同时 控制简单、可靠、成本低，应用广泛(只需2根通信线),全双工通信：双方可以在同时交互数据 控制相对复杂、效率高、成本较高，需要2个信道 应用较广泛，至少3根通信线(1根为共用地)，或4根,1.网络通信的基本概念,(4)通信波特率、误码率,波特率：指单位时间内传输的信息量，单位通常用“位/秒”表示 例如：ProfibusPA的波特率位31.25kbps ProfibusDP的最大波特率位12Mbps,误码率：错误码元（1个二进制位）数与传
17、送码元数之比 工业用通信网络一般要求误码率在105109，甚至更小,(5)基带传输与频带传输,基带传输：按数字波形原样、以“位”流为基本形式直接在信道上传输基带网介质便宜（双绞线、同轴电缆、光线等），速度较高，距离不宜过远（容易因信号衰减发生畸变）。绝大多数局域网（包括控制局域网）都采用基带传输。基带传输需要对数字信号进行编码，常用的数据编码手段有：非归零码NRZ、曼彻斯特编码、差动曼彻斯特编码频带传输：也称为载波传输，采用调制、解调技术。在发送端，将二进制数据，调制变换成一定频带范围的模拟信号；在接收方，通过解调进行反变换。采用模拟信号传送数据时，通常只占有限的频带宽度。数字信号调制称为“键
18、控”调制方式主要有：幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)宽带传输：适用于传输影像、语音信息(一般不用于工控网络),数字信号的数字传输,数字信号的模拟传输（如正弦信号）,各为什么调制方式？,载波,ASK,相当于模拟信号的调幅“1”：传输载波“0”：不传输载波,FSK,载波1-1,载波2-0,应用最早的调制方式，容易实现，抗噪、抗干扰性能好，中低速传输上图是2FSK，还有MFSK，即M个频率代表M的信号,PSK,载波1-1,载波2-0,有很好的抗干扰性，适于中高速数传上图为二进制PSK，还有多进制PSK，如四相位、八相位等,(6)RS232/RS422/RS485,2.计算机
19、网络的拓扑结构,大型网络多采样网状拓扑。,3.网络传输介质,网络传输介质是指通信网络中数据发送方与接收方之间的物理通路，常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输介质等。,控制系统多用：带屏蔽的双绞线STP、光纤,4.开放系统互联参考模型,Open System Interconnection/Reference Model OSI/RM,目的是建立标准化的网络机制，1983年,OSI/RM信息流动过程,数据,H7,H6,H5,H4,H3,H2,T2,H7,H6,H5,H7,H6,H7,数据,数据,数据,数据,数据,数据,H7,H6,H5,H4,H3,H7,H6,H5,H4,A公司,A
20、收发员(到邮局投递),B公司,B收发员(分发),类比例子,最低一层，也是唯一在二台设备同级层之间直接进行数据交换的一层,负责传输bit位流。,界定：数字信号(0/1)的表示电压、传输速率、最大传输距离、通信方式（单、半、全）、连接插头，各针作用的定义,形象地说，物理层的设计就是要确保在一侧发出的一个逻辑“l”，另一侧收到的也是一个逻辑“1”，而不是“0”。,部分层主要功能,(1)物理层,(2)数据链路层,把一条可能出错的物理链路，转变成让网络层（高层）看起来就像是一条不出差错的理想链路。,为网络层提供服务/帧化处理/差错检测和流量控制,来自高层数据,加工成帧,物理通道,检查校验信息和头尾控制信
21、息,数据送往高层,确认无误,发送方,接收方,从理论上讲，OSI/RM是开放特性网络体系结构的典范，它严格遵循层次化的描述方法把计算机网络通信体系划分为七个层次，各层协议的内容也考虑得十分周全。由于OSI模型本身并没有对每层的数据传输标准作出严格的规定，因而它只是一种提供了概念性和功能性的网络体系框架或蓝本，对计算机网络起到了规范和指导作用。,5.TCP/IP协议简介,TCP/IP体系是涉及面最广、影响最大的网络体系。,TCP/IP这个术语并不是单指一个协议，而是由100多个与之相关的协议和应用程序组成的一个协议族，其中包括3个核心协议：IP、TCP、UDP,各种计算机控制系统的(高各)各层网络
22、有着向Ethernet 统一的趋势发展。,三句话：,网间协议IP,它的功能是使主机可以把分组数据包发往任何网络，并使数据包独立地传向目标，也就是IP数据报传送及IP路由选择。,IP协议采用无连接的数据报传输机制，即只管对数据进行“尽力传递”，将分组数据包传往目的地，不保证分组的正确顺序，一切可靠性工作均交由上层协议负责，如验证、确认等都由TCP协议处理。,用户数据报协议 UDP,UDP建立在IP协议之上 提供无连接的数据报传输 是一个不可靠的传输层协议。除可通过校验和来判断数据的完整性之外，它不进行任何其它检查，甚至不能保证数据包是否全部到达，基于UDP的通信进程必须自己解决诸如报文丢失、报文
23、重复、报文失序、流量控制等可靠性问题。,UDP适用于传输报文较少的交互式服务。如果为此建立面向连接的数据传输服务，则网络资源的开销太大，利用不可靠的UDP进行数据传输，即使因报文出错而重传一次，也比面向连接的数据传输更为有效。,传输控制协议 TCP,传输控制协议TCP是一种面向连接的、点对点的、高可靠性的数据传输层协议，数据传输的可靠性完全由TCP自己保证。,我们可以把TCP和IP形象地理解为有两个信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，外层再套上IP大信封，发送上网。在接收端，TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验
24、，若发现差错，TCP将会要求重发。因此，TCP/IP几乎可以无差错地传送数据。,思考：TCP和UDP传输在控制系统中各有什么作用？,讨论控制系统中通常使用无连接还是有连接的数据传输方式？,操作站,控制站,1.6离散化PID控制算法和数字滤波算法,离散化PID控制算法,模拟PID调节规律的表达式,为便于计算机实现，必须把PID模拟表达式变换成差分方程。当采样周期相当短时，积分可以用“求和”来近似、微分可以用“后向差分”来代替:,把上式代入模拟PID表达式，即可实现离散化,位置式PID控制算法,上式计算结果即等于执行机构的位置，如阀门位，称为位置式PID控制算法但要生成一个u(n),需要保存e(0
25、)、e(1)、e(2)、e(n)个偏差信息随着n的增大，计算量也随之增大而且一旦发生故障，阀位可能发生急剧的变化,增量式PID控制算法,第 n 次的计算结果：,第n1次的计算结果：,二者相减：,控制量的增量u(n)仅与最近3次偏差值e(n)、e(n-1)、e(n-2)有关 得出是控制量增量，例如阀门开度的变化量，即使误动作也不会产生严重影响。工业现场最常用,还有各种改进的PID控制算法,作业：求 G(s)=21+1/(2s)算法(采样时间Ts=0.5）的增量表达式【下次一并交】,常用数字滤波算法,二大类干扰：周期性的干扰，典型代表为50Hz的工频干扰；随机干扰，大小和符号无规则变化，符合统计规
26、律的,咋个办办？,硬件滤波、数字滤波两道防线,所谓数字滤波，就是按统计规律通过一定的计算或判断程序，程序滤波。,中位值滤波,连续采样n次（一般取大于3的奇数），将结果从大到小排列取中间值作为本次采样的有效数据。主要用以克服偶然因素引起的干扰，对于温度、液位等缓慢变化的参数，其滤波效果较好；但不适用于流量、压力等快速变化的参数。,算术平均滤波,连续采样n次，取其平均值,适用于随机干扰信号的滤波，滤波效果取决于每次滤波的样本数n，当 n，平滑度，灵敏度【n值应按计算量和滤波效果等具体确定】该方法对于测量速度较慢或响应速度要求较高的系统是无法接受的。,递推平均滤波,把n个数据看成一队列，每次新滤波前
27、，采样一个新数据，去掉最早的那个数据，求其均值(每次滤波只需进行一次测量),x1去掉，x2x1 xnxn-1，新采样xxn：,该算法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低，但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。n 值的选取与算术平均滤波相似，其工程经验值为：流量n(816)，压力n可取4，液位n(412)，温度n(24),加权递推平均滤波,前述两种滤波法中n个数据样本的权重是相等的，会引入测量滞后，n越大滞后越严重。为了提高系统对当前采样值的灵敏度，可以采用加权递推平均滤波算法，即不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近当前时刻的数据，权越大。,ci为数据样本xi的权，且满足:,一阶惯
28、性滤波,实质上是硬件RC滤波器的数字实现,其差分方程为：(采样周期Ts),RC滤波器传递函数为：,称为滤波系数。需要根据实际情况进行取值，取值依据是不产生明显的波纹。,一阶惯性滤波算法对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于信号波动频繁的滤波，其不足之处是带来了相位滞后，滞后的程度取决于 值的大小。,总结,以上几种数字滤波算法各具特点，在实际应用中，究竟选取哪一种数字滤波方法，应视具体情况而定：,中位值滤波法适用于偶然的脉冲干扰算术平均值滤波法适用于随机干扰递推平均滤波算法对周期性干扰有良好的抑制作用加权递推平均滤波算法适用于大纯滞后对象和采样周期较短的系统惯性滤波法适用于高频的干扰信号（但不能太大）,
