第05章 计算机控制装置

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1、5.1 计算机控制概述计算机控制概述 调节器被控对象测量变送装置+SP执行器4 42020mAmA4 42020mAmA控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 42020mAmA4 42020mAmAD/AA/D数字信号数字信号例如例如 420mA 信号经信号经12位位A/D转换以后的结果为转换以后的结果为040954 mA输入输入0000 0000 000020mA输入输入1111 1111 111112mA输入输入？典型单回路控制系统方块图典型单回路控制系统方块图工作过程工作过程控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 42020mAmA4 42020mAmAD/AA/D工作过程：工作过

2、程：数据采集：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：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：控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 过程输入输出设备外部设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接口人机接口打印机其它系统总线模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）开关量输入（DI）开关量输入（DO）测量变送器执行器电气开关电气开关被控生产对象常规计算机系统常规计算机系统I/O系统系统（模块或卡件）（模块或卡件）现场仪表现场仪表被控被控对象对象硬件组成硬件组成系统软件系统软

3、件支持软件支持软件应用软件应用软件系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。如：如：WindowsWindows操作系统、操作系统、UnixUnix操作系统等都属于系统软件。操作系统等都属于系统软件。 它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、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

4、持软件，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持软件会有所不同 应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。软件组成软件组成1. 1. 可靠性可靠性2. 2. 可维护性可维护性3. 3. 实时性实时性4. 4. 性能价格比性能价格比 可靠性可靠性 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

5、定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用它通常用概率概率来表示来表示 (1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度单个零件、设备的可靠度单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、湿度、振动和在规定的环境温度、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（应具备的技术指标）的概率。挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。例如：在例如：在100100只晶体管中有只晶体管中有9595只在上述规定条件下使用未出现故障，只在上述规定条件下使用未出现故障， 则其可靠度则其可靠度R R

6、0.950.95 样本越高，所得可靠度的准确性就越高样本越高，所得可靠度的准确性就越高(1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度系统的可靠度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有关，除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关：还与系统的构成方式有关：串联连接串联连接和和并联连接并联连接是两种典型的连接方式。是两种典型的连接方式。 R1RnR1Rnn个串连子系统n个并联子系统a. 串连系统 b. 并联系统如果分析的是如果分析的是断路失效断路失效，则：，则：串联系统串联系统中只要有一个子系统失效，系统就会失效中只要有一个子系统失效，系统就会失效并联系统并联系

7、统中全部子系统发生故障，系统才出现故障中全部子系统发生故障，系统才出现故障nRRRR21串)1 ()1 ()1 (121nRRRR并R1=R2=0.9， R并0.99R1=R2=0.99，R并0.9999( (1)1)可靠性指标可靠性指标平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBFMTBF( (* *) )(mean time between failures)(mean time between failures)MTBFMTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间 平均故障修复时间平均故障修复时间MTTRMTTR(mean time

8、to repair )(mean time to repair ) ntMTBFnii1MTTRMTTR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 ntMTTRnii1(2)(2)提高可靠性的主要措施提高可靠性的主要措施 可维护性可维护性 实时实时性性 计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和计算机控制系统的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化进行及时的处理，亦即系统对

9、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。够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。 性能价格比性能价格比 1. 直接数字量控制直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）2. 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统3. 集散控制系统集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）4. 现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS） 直接数字量控制直接数字量控制用一台计算机取代一组模拟调节用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地

10、取代模拟控制技控制技术简单地取代模拟控制技术。术。过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象） 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PIDPID控制规律，还可控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此以分时处理多个控制回路。此外，此DDCDDC也很快发展到也很快发展到PIDPID以以外的多种复杂控制。外的多种复杂控制。当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。过程实时控制的需求。 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统由于当时的计算机系统

11、的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。尽可能多的控制回路。CRT、键盘过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控变量操作变量输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图优越性：优越性： 从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。现优化控制和优化生产。