集散控制系统及现场总线 教学课件 作者 张岳第1章.ppt

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1、1.1计算机过程控制系统的基本概念与组成1.2计算机过程控制的基本类型及其特点1.3计算机过程控制的发展状况第1章绪论1.1计算机过程控制系统的基本概念与组成所谓计算机过程控制系统，是指由被控对象、测量变送装置、计算机和执行装置组成，以实现生产过程闭环控制为目的的系统。它综合了计算机过程控制技术和生产工艺过程控制技术。计算机过程控制系统的典型结构图如图1-1所示。它由计算机控制器和生产过程组成，而计算机控制器则由硬件和软件两部分组成。图1-1过程计算机控制系统1.1.1硬件组成计算机过程控制系统的硬件组成主要包括主机

2、、外围设备（含人机交互设备）、过程输入/输出设备（含通信设备）等，如图1-2所示。图1-2计算机过程控制系统的硬件示意图计算机过程控制系统的硬件组成主机——由中央处理器（CPU）和内存储器（ROM、RAM）组成，它是控制系统的核心。CPU主要由运算器和控制器组成；内存储器，简称内存，用于存放程序和数据，它分为ROM、RAM两种。外围设备——外围设备按功能分为输入设备、输出设备和外存储器。常用的输入设备有键盘、鼠标；常用的输出设备有打印机、显示器等；常用的外存储器有磁盘、磁带等。过程输入输出设备（I/O设备）——过程输

3、入设备包括模拟量输入通道（简称A/D通道）和开关量输入通道（简称DI通道）；过程输出设备包括模拟量输出通道（简称D/A通道）和开关量输出通道（简称DO通道）。1.1.2软件组成软件是各种程序的总称，通常分为两大类：系统软件和应用软件。1．系统软件系统软件主要是由计算机生产厂家及计算机专业人员研制开发，包括汇编语言、高级算法语言、过程控制语言、数据结构、操作系统、数据库系统、通信网络软件和诊断程序等。2．应用软件应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序，包括过程输入程序、过程输出程序、过程控制程序、

4、人机接口程序、打印和显示程序以及各种公共子程序等，其中过程控制程序是应用软件的核心。1.2计算机过程控制的基本类型及其特点从过程控制的结构角度来看，计算机过程控制系统基本上可分成以下几种类型。操作指导控制系统直接数字控制系统计算机监督控制系统集散型控制系统现场总线控制系统1.2.1操作指导控制系统操作指导控制系统的结构如图1-3所示。该系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且还能够为操作人员提供反映各种生产过程工况的数据，并且给出相应的操作指导信息，供操作人员参考。该控制系统属于开环控制。操作指导控制系统的优点是结构简

5、单，控制灵活和安全；缺点是需要人工操作，速度受限制，控制回路少。图1-3操作指导控制系统在操作指导控制系统中，模拟调节器是整个控制系统的核心，其中模拟PID调节器的控制算法为在上述控制算法中，只包含第一项时称为比例(P）作用；只包含第二项时称为积分（I）作用；只包含第三项时称为微分（D）作用；只包含第一、二项的是比例积分（PI）作用；只包含第一、三项的是比例微分（PD）作用；同时包含这三项的是比例积分微分（PID）作用。操作指导控制系统(续)1.2.2直接数字控制系统直接数字控制（DirectDigitalContr

6、ol，DDC）系统的示意图如图1-4所示。DDC系统属于计算机闭环控制，是计算机在工业生产中最普遍的一种应用形式。图1-4直接数字控制系统的示意图在直接数字控制系统中最常用的控制算法是离散的PID控制算法，它是在采样周期T相当短时，用矩形法代替积分项，用向后差分法代替微分项，即式中，是采样周期；是比例增益；是采样序号。离散PID控制算法分为位置式、增量式和速度式三种。直接数字控制系统(续)离散PID控制算法的类型位置式PID算法增量式PID算法速度式PID算法1.位置式PID算法式中，是第k次采样值的偏差值；是积分系

7、数，其中；是微分系数，其中。2.增量式PID算法式中，是第k次输出的偏差校正值；是第k次采样值的偏差校正值，其中。3.速度式PID算法1.2.3计算机监督控制系统计算机监督控制（SupervisoryComputerControl，SCC）通常采用两级计算机系统，即SCC计算机加上DDC的分级控制计算机，计算机监督控制系统的结构如图1-5所示。图1-5监督控制系统1.2.4集散型控制系统1975年美国HoneyWell公司首先推出TDC2000集散型控制系统。典型集散型控制系统的结构如图1-6所示。图1-6典型集散型

8、控制系统的结构图集散型控制系统（DistributedControlSystem，DCS）吸取了操作指导控制系统和直接数字控制系统的优点，将控制功能和危险分散，而将参数显示和操作高度集中。DCS是一个具有许多微处理器的分级控制系统，通过数据高速公路，实现了控制系统的功能分散、负荷分散、危险分散，控制与管理集中操作的目的。有时，DCS结构体系也可