计算机控制系统读书报告

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1、计算机控制系统读书报告一、计算机控制系统概述计算机控制系统(Computer Control System,简称CCS)是应用计算机参与 控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。 这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专 用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象 的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进 行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。计算机控制系统的被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装 置、交通工具、机器人、实验装置、仪

2、器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童 玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是 达到某种最优化目标。与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采 集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影 响被控对象。它也可以是开环的，这有两种方式：一种是计算机只按时间顺序或 某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后， 只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软 件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。计算机控制系

3、统软件包 括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程 序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实 现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理 程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控 制系统的专业人员自行编制。计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等 特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。计算机技 术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管 理中。而且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把过程控制和生

4、产管理 有机的结合起来(如CIMS),从而实现工厂、企业的全面自动化管理。二、计算机控制系统工作原理计算机控制系统包括硬件组成和软件组成。在计算机控制系统中，需有专门 的数字-模拟转换设备和模拟-数字转换设备。由于过程控制一般都是实时控制， 有时对计算机速度的要求不高，但要求可靠性高、响应及时。计算机控制系统的 工作原理可归纳为以下三个过程：(a) 实时数据采集对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行实时检测与输入；(b) 实时控制决策对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定 下一步的控制过程。(c) 实时控制输出根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号,完成控制任务。

5、这三个过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控 量和设备本身的异常现象及时做出处理。三、计算机控制系统的组成计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过 程自动控制的系统。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字 信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规 的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和模/ 数转换器这两个环节。计算机把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈 到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出 信号经过数模转换器送到执行

6、机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设 定值上。这种系统称为闭环控制系统。计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指 计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟 应用软件。具体如下：(a)硬件组成微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成。打印机hiQQPH | r-*磁盘鉴动器I11接口111e A i接口ii接口11111接口|软件|BH显ZF终端AD7DA多路开关反多路幵关；变送器传感器_=il幵关量输入开关呈输E生产对象实

7、时时钟台通用外部设备丨主机及操作台|接口；外部通道;检测及变送控制对象(b)软件组成：系统软件：操作系统、编程语言等；应用软件：过程输入输出模块(A/D、D/A等)； 过程控制模块(控制算法)； 辅助模块(人机接口、打印显示等)四、计算机控制系统及其工业控制机的特点4.1计算机控制系统的特点(a) 结构上。计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件 之外，其执行控制功能的核心部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和 数字部件的混合系统。(b) 计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数 字等多种信号形式。(c) 由于计算机控制系统中了包含连续信号外，还包含有数字

8、信号，从而 使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分 析和设计。(d) 计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复 杂的控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统具有很大灵活性和适应性。(e) 计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算能力，一个控制器(控 制计算机)经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路 。(f) 采用计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等， 便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高 。4.2 工业控制机的特点( a )安全可靠 工业控制计算机不同于一般用于科学计算或管理的计算机，它的工作环

9、境比 较恶劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任 又不允许它发生异常现象。因此在设计过程中把安全可靠放在首位。( b )作维护方便 操作方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握计 算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有得操作习惯。维修方 便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能没，模板式结构，便于 更换故障模板。并在功能模板上安装状态指示灯 和监测点，便于维修人员检查。 另外配制诊断程序用来查找故障。(c) 实时性好 工业控制机的实时性表现在对内部和外部事件能及时的响应，并做出响应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理

10、的事件一般分为两类，一类是定时 事件，如数椐的定时采集、运算控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。 对于定时事件，系统设置时钟保证定时处理。对于随机事件系统设置中断，并根 据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生保证优先处理紧急故障。(d) 通用性好 工业控制计算机的通用灵活性体现在两个方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时只需增加功能摸板就能 实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发， 只需按要求选择各功能模块，灵活地进行控制系统组态。（e）济效益高计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，

11、要有市 场竞争意识。经济效益表现两个方面，一是系统设计的性能价格比要尽可能高； 二是投入产出比要尽可能的低。五、计算机控制系统的应用5.1直接数字控制系统（DDC）直接数字控制（Direct Digit Control），简称为DDC系统，是用一台计算机 对被控参数进行检测，再根据设定值和控制算法进行运算，然后输出到执行机构 对生产进行控制，使被控参数稳定在给定值上。利用计算机的分时处理功能直接 对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。在这类系统中，计算 机的输出直接作用于控制对象，故称直接数字控制，英文缩写DDC。直接数字控制系统是一种闭环控制系统。由一台计算机通过多点巡回检测装

12、 置对过程参数进行采样，并将采样值与存于存储器中的设定值进行比较，再根据 两者的差值和相应于指定控制规律的控制算法进行分析和计算，以形成所要求的 控制信息，然后将其传送给执行机构,用分时处理方式完成对多个单回路的各种 控制（如比例积分微分、前馈、非线性、适应等控制）。直接数字控制系统具有 在线实时控制、分时方式控制和灵活性、多功能性三个特点。DDC系统中的计算机完成闭环控制，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多 回路的PID（比例一积分一微分）调节，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能 实现各种较复杂的控制，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最忧控制、模 糊控制等。DDC系统是计算机用于工业生

13、产过程控制的最典型的一种系统。它已广泛应 用于材料热加工、化工、机械、冶金等部门。5.2分布式控制系统（DCS）DCS是分布式控制系统的英文缩写（Dis trib ut ed Con trol Sys tem），在国 内自控行业又称之为集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的一种新型计 算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算 机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、 集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。在特殊控制领域，如核电站控制系统，DCS的含义被误叫做数字化控制系统

14、 (Digital control system)，其实质仍为分布式操作系统。DCS特点如下：(a) 高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计, 因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中 各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构 和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。(b) 开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局 域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机 方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他

15、计算机的工作。(c) 灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制 信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基 本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。(d) 易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局 部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅 速排除故障。(e) 协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作， 以完成控制系统的总体功能和优化处理。主要应用有：分散控制系统、流程工艺CIMS等。5.3现场总线控制系统(FCS)现

16、场总线控制系统，也就是FCS,是新一代分布式控制系统。该系统改进了DCS系统成本高，各厂商的产品通信标准不统一而造成不能互联的弱点。现场总线控制系统的特点是现场总线控制系统具有较高的性能价格比。系统 综合成本及一次性安装费用减少40%。由于导线、连接附件的大幅度的减少。使 原来的几百根，甚至几千根控制电缆减少到一根总线电缆，从而也使接线端子、 电缆桥架等附件大幅度的减少。所以设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减 少，维护和改造的停工时间减少60%。原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单 易行；标准接插件快速、简便的安装，使人力、物力大量的减少；强大的故障诊 断能力，使系统的调试和维护工作量大幅

17、减少。现场总线技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。 现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、 烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线 协议主要包括 PROFIBUS、DeviceNet、Foundation、Fieldbus、Interbus_S 等。 在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的汽车生产线和 旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线 控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总 线的控制方法。而国内的应用仍大多集中生产线的输

18、送系统、随着技术的不断发 展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。5.4可编程控制器系统(PLC)PLC系统(Programmable Logic Controller)，可编程逻辑控制器，一种数 字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存 储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作 等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产 过程。是工业控制的核心部分。PLC的特点是：1、能够设置不同类型产品的工位数量及位置参数，并能够在线监控运行过 程；PLC控制图片2、设备操作灵活方便，能够实现启动与暂停，自动与手动模式

19、切换，计数与 清零，气缸下压时间调整等；3、螺丝的自动排放，送料，固定，由机器一次性自动完成，不需人工辅助;4、高速的生产节拍，可实现单工位速度不低于1-1.5秒/件。定位精度高, 位置误差不大于0.02毫米。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。六、计算机控制系统的未来发展趋势根据目前计算机控制技术的发展情况，展望未来，前景诱人。要发展计算机 控制技术，必须对生产过程知识、检测与测量技术、计算机技术和控制理论等领 域进行广泛深入地研究。1. 推广应用成熟的先进技术普及应用可编程序控制器(PLC)近年来，由于开

20、发了具有智能I/O模块的PLC，它可以将顺序控制和过程 控制结合起来，实现对生产过程的控制，并具有高可靠性。PLC 与传统的继电器控制相比，具有如下一些特点：抗干扰能力强；适应性好；编程直观、简单；功能完善，接口功能强。(2) 广泛使用智能调节器智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，也称可编程调节器。其外形 类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器CPU、存储器RAM、ROM、 模拟量和数字量 I/0 通道、电源等部分组成的一个微型计算机系统。智能调节器可以接受和输出 420mA 模拟量信号和开关量信号，同时还 具有RS-232或RS-485等串行通信接口。一般有单回路、2回路、或4回 路的

21、调节器，控制方式除一般的单回路 PID 之外，还可组成串级控制、前 馈控制等复杂回路。因此，智能调节器不仅可以在一些重要场合下单独构 成复杂控制系统，完成1 4个过程控制回路，而且可以作为大型分散控制 系统中最基层的一种控制单元，与上位机(即操作监控级)连成主从式通 信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数。智能调节器具有自整定 PID 参数功能。（3）采用新型的 DCS 和 FCSDCS 采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原贝V。FCS采用集管理控制于一体的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模 式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中，形成一个彻底

22、的分散 控制模式。发展以现场总线（Fieldbus）技术等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS 控制结构，结合采用先进的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展， 实现计算机集成制造/过程系统（CIMS/CIPS）。2. 研究发展智能控制系统：（1）分级递阶控制系统；（2）模糊控制系统；（3）专家控制系统；（4）学习控制系统；（5）神经控制系统。七、总结当今世界，计算机控制技术正向智能化、网络化和集成化的方向发展。随着 各种控制计算机的发展，应用自动控制理论和智能控制技术实现先进的计算机控 制系统，必将大大推动科学技术的进步和提高工业自动化系统的水平。大规模及 超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机 控制系统的应用也越来越广泛。