計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用xxx公司計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度10電氣（2）班姓名：陸繼赟學(xué)號：01計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用一、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展在近10多年里，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了極大的發(fā)展和完善；無論是在系統(tǒng)硬件成本，還是在計(jì)算速度和存貯容量方面都取得了很大的進(jìn)步。特別是面向用戶的編程語言也大大簡化了。同時(shí)，由于采用了更多的可靠元件、尖端的設(shè)計(jì)工藝，增加了容錯(cuò)技術(shù)、冗余診斷程序，系統(tǒng)的可靠性也得到較大的提高；傳統(tǒng)的過程控制功能與諸如生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、優(yōu)化及操作控制等實(shí)時(shí)信息處理和決策應(yīng)用的不斷滲透、融合，使通過高級計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)各種過程高性能目標(biāo)的手段變得越來越可靠和更為強(qiáng)勁有力；功能價(jià)格比也日趨合理。因而，使計(jì)算機(jī)控制在工業(yè)中的應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展，而且正越來越廣泛地應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵、造紙、電力等工業(yè)部門，并在提高設(shè)備處理能力和生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量；有效利用能源(水、人力、材料等資源)，滿足環(huán)保、人身安全等嚴(yán)格要求及在日益激烈的國內(nèi)外市場競爭中，發(fā)揮著舉足輕重的作用。二、（一）、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的概述1、計(jì)算機(jī)控制的概念（1）開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則稱該系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，既不需要對系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行測量，也不需要將它反饋到輸入端與輸入量進(jìn)行比較。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)凡是系統(tǒng)的輸出信號對控制作用能有直接影響的系統(tǒng)都叫作閉環(huán)控制系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)反饋系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個(gè)重要問題。2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱它為數(shù)字控制系統(tǒng)。若不考慮量化問題，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即為采樣系統(tǒng)。進(jìn)一步，若將連續(xù)的控制對象和保持器一起離散化，那么采樣控制系統(tǒng)即為離散控制系統(tǒng)。所以采樣和離散系統(tǒng)理論是研究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時(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)行數(shù)據(jù)分析和處理，并按已定的控制規(guī)律決定進(jìn)一步的的控制過程。（3）實(shí)時(shí)控制：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)上。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除測量裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等常用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能的核心部件是數(shù)字計(jì)算機(jī)，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。（2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除仍有連續(xù)模擬信號之外，還有離散模擬、離散數(shù)字等多種信號形式。（3）由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號外，還包含有數(shù)字信號，從而使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設(shè)計(jì)。（4）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，修改一個(gè)控制規(guī)律，只需修改軟件，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律和對控制方案進(jìn)行在線修改，使系統(tǒng)具有很大靈活性和適應(yīng)性。（5）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)具有高速的運(yùn)算能力，一個(gè)控制器（控制計(jì)算機(jī)）經(jīng)?？梢圆捎梅謺r(shí)控制的方式而同時(shí)控制多個(gè)回路。（6）采用計(jì)算機(jī)控制，如分級計(jì)算機(jī)控制、離散控制系統(tǒng)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步提高。5、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，而一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)由下列幾部分組成：被控對象、主機(jī)、外部設(shè)備、外圍設(shè)備、自動化儀表和軟件系統(tǒng)。（1）硬件：a)由中央處理器，時(shí)鐘電路，內(nèi)存儲器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。b)通用外圍設(shè)備按功能可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲器三類。c)過程Ｉ／Ｏ通道，又稱過程通道。d)通用接口電路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中斷管理、直接存取DMA管理、計(jì)數(shù)/定時(shí)等）。e)傳感器的主要功能是將被檢測的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量。變送器的作用是將傳感器得到的電信號轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)借口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號（如０～１０ＭＡＤＣ）。f)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般要有一套專供運(yùn)行操作人員使用的控制臺稱為運(yùn)行操作臺，操作臺一般包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲信器、數(shù)字顯示器或ＣＲＴ顯示器等。（2）軟件：軟件是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中具有各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計(jì)算和自診斷等功能的程序。整個(gè)系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作。從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。（二）集成系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、存貯、高速執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算任務(wù)、調(diào)整系統(tǒng)需求等能力得到了充實(shí)和加強(qiáng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn)如信息處理、數(shù)據(jù)采集、過程控制、在線優(yōu)化、甚至實(shí)時(shí)調(diào)度、生產(chǎn)計(jì)劃等操作控制功能，這使集成系統(tǒng)控制的引入成為可能。這樣，就可將影響工廠生產(chǎn)效能的所有因素(包括耦合交互作用、系統(tǒng)復(fù)合反饋回路選擇等)納入系統(tǒng)的一體化考慮之中，從而取得全廠最優(yōu)總體性能效果。集成系統(tǒng)控制最早是應(yīng)用在日本的鋼鐵工業(yè)上，并且獲得了極大的成功、表現(xiàn)在：?提高了處理機(jī)的工作效率和全廠生產(chǎn)率?提高了對能源、稀有材料、人力的有效利用，?有效地滿足了各種苛求技術(shù)要求和環(huán)保需求；?有較好的時(shí)變適應(yīng)性；?能安全地適應(yīng)各種突發(fā)事件；?能有效、及時(shí)地更新系統(tǒng)狀態(tài)。（三）、遞階控制或稱多級控制和分層控制隨著生產(chǎn)處理過程的日趨復(fù)雜，集成系統(tǒng)控制已無法滿足如非線性、時(shí)變動態(tài)特性等要求；而遞階控制卻能通過提供合理的系統(tǒng)程序，有效地解決這些問題。具體講，它是超過將控制總體問題(大問題)分解成若干個(gè)易于解決的子問題(小問題)；并通過一個(gè)較為高級的控制器來進(jìn)行子問題的協(xié)調(diào)處理、以保證與總體目標(biāo)和需求的一致性。由此，可以從理論上推出以下兩種控制結(jié)構(gòu)，即：多層控制(分層控制)結(jié)構(gòu)(垂直分解式)和多級(分級)控制結(jié)構(gòu)(水平分解式)多層控制方式具有直接控制、監(jiān)督控制、適應(yīng)控制和自組織控制四大控制功能。第一層，直接控制層：主要包括數(shù)據(jù)采集，事件監(jiān)督和直接控制三個(gè)子功能。第二層：監(jiān)督控制層：負(fù)責(zé)對第一層執(zhí)行的立即目標(biāo)或任務(wù)進(jìn)行定義。通常情況下，根據(jù)假定的算術(shù)模型去實(shí)現(xiàn)對各目標(biāo)的控制；在緊急情況下，則是通過特定的應(yīng)急程序去完成對不同目標(biāo)的有序處理第三層，適應(yīng)控制層：主要對第一、二層采用的各種算法進(jìn)行更新處理。第四層，自組織控制層：負(fù)責(zé)對下層相關(guān)的算法抉擇進(jìn)行處理。以上決策都是圍繞著性能總體目標(biāo)這一中心進(jìn)行的。在分級控制方式中，總體規(guī)劃系統(tǒng)則被分解成若干個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)都配置一個(gè)獨(dú)立的局部控制器，其中：①一級控制器負(fù)責(zé)對局部擾動進(jìn)行補(bǔ)償；②二級控制器則負(fù)責(zé)對一級控制器的判據(jù)或限制需求進(jìn)行修正，以響應(yīng)系統(tǒng)變化，保證局部控制器動作與系統(tǒng)總體目標(biāo)一致。實(shí)際上，子系統(tǒng)問題是在一級控制中解決的。但是，由于子系統(tǒng)是耦合的，且交互作用的，因此，除非所有交互作用需求能同時(shí)得到滿足，否則，這些控制方案都是毫無意義的，這將由二級控制協(xié)調(diào)解決。四、基于微處理器的分散控制分散控制系統(tǒng)正越來越廣泛地應(yīng)用于過程工業(yè)，其中，F(xiàn)oxboroSPECTRUM、HoneyweilTDC3000、Baileynetwork90、SiemensSIMATAC和ToshibaTOSDIC等分散型控制系統(tǒng)是較為典型的產(chǎn)品。這些系統(tǒng)具有以下共同技術(shù)特點(diǎn)：?采用基于微處理器元件的模塊化和積木式設(shè)計(jì)工藝，具有設(shè)計(jì)靈活、修正方便等特點(diǎn)。?具有彩色圖形以及集中顯示功能的操作員接口，能對工廠操作過程、從單個(gè)回路操作到全面運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行訪問。?能為處理單元和微處理控制器，控制器單元之間的通信提供高速數(shù)據(jù)公路。?通過采用冗余元件、故障檢測技術(shù)和自診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性。目前，事務(wù)系統(tǒng)仍處于不斷發(fā)展之中，其主要趨勢有：?繼電功能與邏輯功能，包括可編程邏輯控制器PLC技術(shù)與傳統(tǒng)的過程控制技術(shù)的結(jié)合；?通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擴(kuò)展，針對工廠控制體系的上層決策用全局?jǐn)?shù)據(jù)庫已經(jīng)引入；?通用微機(jī)(如IBMPC)與專用系統(tǒng)的結(jié)合。現(xiàn)代分散型控制系統(tǒng)的應(yīng)用，能簡化和加速新型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，更利于系統(tǒng)操作和系統(tǒng)維護(hù)，通過更為有效的人機(jī)聯(lián)系，能為操作員提供更多的系統(tǒng)命令，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。（四）、過程診斷計(jì)算機(jī)控制和系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，使控制系統(tǒng)規(guī)模越來越龐大而且復(fù)雜，因此，也更易受到突發(fā)事件，比如處理?xiàng)l件的異常變化，控制計(jì)算機(jī)的故障或者通信鏈路及傳感器的失效等的影響。因而，如何使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為可靠和耐用就顯得尤其重要了。對于這些問題，傳統(tǒng)的方法是通過來用超可靠性元件、關(guān)鍵系統(tǒng)部件冗余技術(shù)和保留設(shè)計(jì)工藝來解決的。但隨著工廠集成化的進(jìn)展，這些方法已顯得無能為力、且成本開銷也相當(dāng)高。因此，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為一個(gè)能有效地保證可靠性、安全性、故障弱化的運(yùn)行機(jī)構(gòu)是相當(dāng)重要的。過程診斷能為操作員提供故障檢測、故障診斷等手段，以便能及時(shí)進(jìn)行故障維修。因此，今后發(fā)展的一個(gè)方向就是如何使計(jì)算機(jī)能自動完成各種必要的修正動作。過程診斷技術(shù)目前主要應(yīng)用于電力和化工工業(yè)。（五）、傳感器開發(fā)系統(tǒng)的控制能力原則上要受到控制系統(tǒng)信息質(zhì)量的限制。目前，已經(jīng)開發(fā)出了各種類型的傳感器，應(yīng)用于工業(yè)過程通用物理量、如壓力、流通、溫度、速度的在線測量；但是，在進(jìn)行化學(xué)成分，產(chǎn)品質(zhì)量檢測分析時(shí)，傳感器則會受到過程環(huán)境的測量費(fèi)用、精度、響應(yīng)速度、適用性等各因素的限制。因此，新型傳感器的開發(fā)，則成了生產(chǎn)廠家和用戶致力于的一項(xiàng)研究活動。歸納起來，這類開發(fā)工作主要集中于以下三方面：（1)新興物理原理和物理特性的應(yīng)用。如：化學(xué)濃度測量用離散固態(tài)元件的開發(fā)。(2)智能傳感器的開發(fā)，指帶一個(gè)或多個(gè)傳感元件的微處理器。它主要應(yīng)用于過程變量值的計(jì)算；對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、線性化及離散處理；自動校驗(yàn)處理，提高測量精度及可靠性。(3)測量系統(tǒng)：是智能傳感器的發(fā)展，但增加了計(jì)算機(jī)、多個(gè)傳感器及傳感器定位伺服機(jī)構(gòu)。目前這種系統(tǒng)正越來越廣泛地用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測與控制等方面。（六）、高級控制技術(shù)現(xiàn)在，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的一些高級控制方式有：（1)建立于內(nèi)在模型基礎(chǔ)上的內(nèi)?？刂?IMC)，根據(jù)控制過程的動態(tài)模型，對系統(tǒng)控制動作的響應(yīng)情況進(jìn)行預(yù)測和控制，選擇出最優(yōu)處理手段，以滿足目標(biāo)需求；以此為基礎(chǔ)，還可推出如應(yīng)用于化學(xué)、石油工業(yè)過程的動態(tài)矩陣控制、推斷控制等其它高級控制方式。(2)狀態(tài)反饋控制和卡爾曼濾波控制。(3)自適應(yīng)及自整定控制：它通過更新控制器參數(shù)，改變過程特性，能有效擴(kuò)大直接控制功能的應(yīng)用范圍。（七）、制造系統(tǒng)同過程類控制系統(tǒng)一樣，制造系統(tǒng)的發(fā)展也是令人可喜的，以前所提及的如：問題、目標(biāo)和控制概念基本上都是直接應(yīng)用到制造系統(tǒng)的，更廣泛地說，是應(yīng)用到離散事件類控制系統(tǒng)。但值得注意的是，由于引入了自動化制造工具、柔性制造工藝、適時(shí)策略及少量的在線存貯設(shè)備和機(jī)器人，現(xiàn)在的制造系統(tǒng)已經(jīng)具備了進(jìn)行更高級操作處理的能力。但是，這也使其操作處理更依附于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因?yàn)槲ㄓ羞@樣，才能實(shí)現(xiàn)全廠系統(tǒng)的有效集中控制。這個(gè)問題已經(jīng)成了今后面臨的又一大新研究課題。（八）、專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)作為一種新興的控制技術(shù)，已引起人們廣泛的興趣和關(guān)注，它能相當(dāng)大程度地?cái)U(kuò)大工業(yè)系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的有效性及適用方面，可應(yīng)用于自適應(yīng)控制、過程診斷、生產(chǎn)調(diào)度、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、智能傳感器／自動檢測以及批量過程處理等諸多方面。具有以下特點(diǎn)和屬性:?能提高控制系統(tǒng)的有效度?擴(kuò)大自動控制應(yīng)用領(lǐng)域；?利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、啟動、新知識、新條件、更新處理；?能提高系統(tǒng)的總體可靠性。專家系統(tǒng)也被稱為是一種機(jī)器或計(jì)算機(jī)程序，因?yàn)樗苣M技術(shù)專家思維，靈活地進(jìn)行各種規(guī)定動作的處理。它由一個(gè)知識庫(