计算机控制新版系统及应用.doc

山东大学
本 科 毕 业 论 文

论文题目：计算机控制系统及应用

姓 名___________
学 院____山东大学___________
专 业____电气工程及其自动化___________
年 级___________
指导老师_______________

年 月 日
函授本科毕业论文成绩评定表
姓 名

论文成绩：

论文题目
计算机控制系统及应用
论 文 提 要

伴随科学技术发展，大家越来越多用计算机来实现控制。多年来，计算机技术、自动控制技术、检测和传感器技术、CRT显示技术、通信和网络技术和微电子技术高速发展，给计算机控制技术带来了巨大发展。然而，设计一个性能好计算机控制系统是很关键。计算机控制系统关键由硬件和软件两大部分组成，一个完整控制系统还需要考虑系统抗干扰性能，系统抗干扰性能力是关系到整个系统可靠运行关键。在计算机控制系统结构上，计算机控制系统中除测量装置、实施机
构等常见模拟部件之外，其实施控制功效关键部件是数字计算机，是模拟和数字部件混合系统。有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多个信号形式，因为计算机控制系统中除了包含连续信号外，在连续控制系统在本质上有很多不一样，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂控制规律和对控制方案进行在线修改含有很大灵活性和适应性，含有高速运算能力，一个控制器常常能够采取分时控制方法而同时控制多个回路，采取计算机控制，便于实现控制和管理一体化，使工业企业自动化程度深入提升 。

指 导 教 师 评 语

指导老师署名： 年 月 日

学院： 专业：电气工程及其自动化 班级：

计算机控制技术及应用
摘要：伴随科学技术发展，大家越来越多用计算机来实现控制。多年来，计算机技术、自动控制技术、检测和传感器技术、CRT显示技术、通信和网络技术和微电子技术高速发展，给计算机控制技术带来了巨大发展。然而，设计一个性能好计算机控制系统是很关键。计算机控制系统关键由硬件和软件两大部分组成，一个完整控制系统还需要考虑系统抗干扰性能，系统抗干扰性能力是关系到整个系统可靠运行关键。在计算机控制系统结构上，计算机控制系统中除测量装置、实施机构等常见模拟部件之外，其实施控制功效关键部件是数字计算机，是模拟和数字部件混合系统。有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多个信号形式，因为计算机控制系统中除了包含连续信号外，在连续控制系统在本质上有很多不一样，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂控制规律和对控制方案进行在线修改含有很大灵活性和适应性，含有高速运算能力，一个控制器常常能够采取分时控制方法而同时控制多个回路，采取计算机控制，便于实现控制和管理一体化，使工业企业自动化程度深入提升 。

关键词：计算机控制技术、系统、应用

目录
第一章 计算机控制技术概述--------------------------------------------------------------------------5
1、计算机控制概念------------------------------------------------------5
2、计算机控制系统--------------------------------------------------------5
3、计算机控制系统控制过程----------------------------------------------5
4、计算机控制系统特点--------------------------------------------------6
5、计算机控制系统组成--------------------------------------------------6
第二章 计算机控制系统经典应用方法--------------------------------------------------------------8
1、操作指导控制系统------------------------------------------------------8
2、直接数字控制系统（DDC）-------------------------------------------------8
3、监督控制系统（SCC）-----------------------------------------------------9
4、分散控制系统（DCS）----------------------------------------------------16
5、现场总线控制系统（FCS）------------------------------------------------16
第三章 工业控制机 ---------------------------------------------------------------------------------------11
1、工业控制机特点-----------------------------------------------------11
2、经典工业控制机介绍---------------------------------------------------12
第四章 实例说明-------------------------------------------------------------------------------------------13
1、工业炉控制经典情况-------------------------------------------------13
2、计算机用作次序控制例子---------------------------------------------13
第五章 计算机控制系统发展方向-------------------------------------------------------------------15
1、集散控制系统---------------------------------------------------------15
2、可编程序控制器-------------------------------------------------------15
3、计算机集成制造系统---------------------------------------------------15
4、低成本自动化---------------------------------------------------------15
5、智能控制系统---------------------------------------------------------16
第六章 结论-------------------------------------------------------------------------------------------------17
致谢------------------------------------------------------------------------------------------------------------18

第一章 计算机控制技术概述
1、计算机控制概念
（1）开环控制系统
若系统输出量对系统控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环控制系统中，既不需要对系统输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端和输入量进行比较。

（2）闭环控制系统
通常系统输出信号对控制作用能有直接影响系统全部叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统稳定性是一个关键问题。

2、计算机控制系统
采取计算机进行控制系统称为计算机控制系统，也称它为数字控制系统。若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。深入，若将连续控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统理论基础。
3、计算机控制系统控制过程
（1）实时数据采集：对来自测量变送装置被控量瞬时值进行检测和输入。
（2）实时控制决议：对采集到被控量进行数据分析和处理，并按已定控制规律决定深入控制过程。
（3）实时控制：依据控制决议，适时地对实施机构发出控制信号，完成控制任务。
4、计算机控制系统特点
（1）结构上。计算机控制系统中除测量装置、实施机构等常见模拟部件之外，其实施控制功效关键部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和数字部件混合系统。
（2）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、离散数字等多个信号形式。
（3）因为计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统和连续控制系统在本质上有很多不一样，需采取专门理论来分析和设计。
（4）计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统含有很大灵活性和适应性。
（5）计算机控制系统中，因为计算机含有高速运算能力，一个控制器（控制计算机）常常能够采取分时控制方法而同时控制多个回路。
（6）采取计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等，便于实现控制和管理一体化，使工业企业自动化程度深入提升 。
5、计算机控制系统组成
计算机控制系统关键由硬件和软件两大部分组成，而一个完整计算机系统应由下列几部分组成：被控对象、主机、外部设备、外围设备、自动化仪表和软件系统。
（1）硬件：
a) 由中央处理器，时钟电路，内存放器组成计算机主机是组成计算机控制系统关键部分。
b) 通用外围设备按功效可分为输入设备、输出设备和外存放器三类。
c) 过程Ｉ／Ｏ通道，又称过程通道。
d) 通用接口电路，通常有并行接口、串行接口和管理接口（包含中止管理、直接存取DMA管理、计数/定时等）。
e) 传感器关键功效是将被检测非电学量参数转变成电学量。变送器作用是将传感器得到电信号转变成适适用于计算机借口使用标准电信号（如０～１０ＭＡＤＣ）。
f) 计算机控制系统通常要有一套专供运行操作人员使用控制台称为运行操作台，操作台通常包含多种控制开关、数字键、功效键、指示灯、声信器、数字显示器或ＣＲＴ显示器等。
（2）软件：软件是指计算机控制系统中含有多种功效计算机程序总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊疗等功效程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功效区分，软件可分为系统软件和应用软件。

第二章 计算机控制系统经典应用方法
计算机控制系统所采取形式和它所控制生产过程复杂程度亲密相关，不一样被控对象和不一样要求，应有不一样控制方案。计算机控制系统大致可分为以下多个经典形式。它们是：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC），DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计算机工业生产过程中最普遍一个应用方法；监督控制系统（SCC）；分散控制系统（DCS）和现场总线控制系统。
1、操作指导控制系统
操作指导控制系统机构简单，控制灵活安全，但因为要人工操作，速度受到限制，
不能控制多个对象。

2、直接数字控制系统（DDC）
DDC系统是面向生产过程底层应用功效。计算机经过自动化仪表、输入通道、输出通道，采集现场参数，经过处理和按一定控制规律控制算法运算后，向生产过程输出控制信号，直接参与对过程参DAS系统监视功效。控制方案由软件实现，修改灵活、方便，除能实现PID控制规律外，还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后赔偿控制、多变量解耦控制及自适应、自学习、最优控制和智能控制等复杂控制规律控制。DDC系统一个是闭环控制系统。

3、监督控制系统（SCC）
SCC系统是一个分机控制系统。上级监督计算机从生产过程采集反应工况参数，进行寻优计算，计算出当初工况下最好给定值，提供给下级实施DDC控制计算机实现对过程控制。可实现生产过程最优控制，使控制目标值达成最好。SCC能够提升系统可靠性，当上位机出现故障时，DDC计算机能够独立完成控制操作；当DDC计算机出现故障时监督控制计算机能够取而代之，实施控制任务。SCC是闭环控制系统。

4、分散控制系统（DCS）
DCS是将计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术（即所谓“四C”技术）结合起来新型计算机控制系统。它经过数据高速公路（或计算机网络）将分散在不一样地方，实施不一样功效计算机连接起来，根据信息共享，分散控制，集中管理，总体配置，各司其职标准，组成高性能，高可靠性计算机控制系统。DCS系统安全，可靠，便于维护、扩展。是一个闭环控制系统，它兼有以上多个系统功效。
5、现场总线控制系统（FCS）
现场总线控制系统（FCS）是实现将自动化系统现场控制装置和现场智能仪表互连实时网络控制系统。现场总线是连接工业工程现场仪表和控制系统之间全数字化、双向、多站点串行通信网络，和控制系统和现场仪表联用组成现场总线控制系统。现场总线不单单是一个通信技术，也不仅仅是用数字仪表替换模拟仪表，它是用新一代现场FCS替换传统分散型控制系统DCS，实现现场总线通信网络和控制系统集成。

第三章 工业控制机
1、工业控制机特点
（1）安全可靠
工业控制计算机不一样于通常见于科学计算或管理计算机，它工作环境比较恶劣，周围多种干扰随时地威胁着它正常运行，而且它所担当控制重担又不许可它发生异常现象。所以在设计过程中把安全可靠放在首位。
（2）作维护方便
操作方便表现在操作简单、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。既要表现操作优异性，又要兼顾原有得操作习惯。维修方便表现在易于查找故障，易于排除故障。采取标准功效没，模板式结构，便于更换故障模板。并在功效模板上安装状态指示灯 和监测点，便于维修人员检验。另外配制诊疗程序用来查找故障。
（3）时性强
工业控制机实时性表现在对内部和外部事件能立即响应，并做出响应处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理事件通常分为两类，一类是定时事件，如数椐定时采集、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，系统设置时钟确保定时处理。对于随机事件系统设置中止，并依据故障轻重缓急，预先分配中止等级，一旦事故发生确保优先处理紧急故障。
（4）通用性好
工业控制计算机通用灵活性表现在两个方面，一是硬件模板设计采取标准总线结构，配置多种通用功效模板，方便在扩充功效时只需增加功效摸板就能实现；二是软件模块或控制算法采取标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各功效模块，灵活地进行控制系统组态。
（5）济效益高
计算机控制应该带来高经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现两个方面，一是系统设计性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能低。
2、经典工业控制机介绍
（1）STD总线工业控制机
STD总线最早是由美国Pro-log企业在1978年推出，是现在国际上工业控制领域最流行标准总线之一，也是中国优先关键发展工业标准微机总线之一，它正式标准为IEEE-961标准。按STD总线标准设计制造模块式计算机系统，称为STD总线工业控制机。
（2）PC总线工业控制机
IBM企业PC总线微机最初是为了个人或办公室使用而设计，它早期关键用于文字处理或部分简单办公室事务处理。早期产品基于一块大底板结构，加上多个I/O扩充槽。大底板上含有8088处理器，加上部分存放器，控制逻辑电路等。加入I/O扩充槽目标是为了外接部分打印机、显示器、内存扩充和软盘驱动器接口卡等。

第四章 实例说明
1、工业炉控制经典情况
为了确保燃料在炉膛内正常燃烧，必需保持燃料和空气比值恒定。它能够预防空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可预防当空气太少时，因为燃料燃烧不完全而产生很多一氧化碳或碳黑。
为了保持所需炉温，将测得炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空气阀门开度。
为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料经过缝隙逸出炉外，必需采取压力控制回路。测得炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板开度。
为了提升炉子热效率，还须对炉子排出废气进行分析，通常是用氧化锆传感器测量烟气中微量氧，经过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制。

图：工业炉经典控制
2、计算机用作次序控制例子
这是一个原料混合和加热控制系统，该装置任务是：
(1)装入原料A，使液面达成贮槽二分之一；
(2)装入原料B，使液面深入升到百分之七十五；
(3)开始搅拌并加热到95℃，在此恒定温度上维持20min；
(4)停止搅拌和加热，开动排料泵抽出混合液，一直到液位低于贮槽5％为止。
上述过程由计算机自动控制，根据一定次序反复进行，完成原料混合和加热控制。

图：计算机次序控制

第五章 计算机控制系统发展方向
1、集散控制系统
现在，在过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐步成为广泛使用主流系统。集散控制系统又称为以微处理器为基础分散型信息综合控制系统。集散控制在其发展早期以实现分散控制为主，所以国外通常沿用分散控制系统名称，即DCS（Distributed Control System）。进入80年代以后，分散控制系统技术关键转向全系统信息综合管理。因考虑其分散控制和综合管理两方面特征，故称为分散型综合控制系统，通常简称为集散系统。
2、可编程序控制器
进入20世纪80年代，伴随微电子技术和计算机技术迅猛发展PLC功效已经远远超出了逻辑运算、次序控制范围，高级PLC还能如微型计算机那样进行数学计算、数据处理、故障自诊疗、PID运算、联网通信等。所以，把它们统称为可编程序控制器PC（Programable Controller）。
3、计算机集成制造系统
计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是在自动化技术、信息技术及制造技术基础上，经过计算机及其软件，将制造工厂全部生产步骤，包含产品设计、生产计划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用多种分散自动化系统有机地集成起来，消除自动化孤岛，实现多品种、中小批量生产总体高效益、高柔性智能制造系统。
4、低成本自动化
多年来，伴随计算机向高速度、大容量发展，多种功效完善、价格昂贵计算机综合自动化系统日趋完善。和此同时，国际上科技发展动态又向着低成本自动化——LCA（Low Cost Automation）方向发展。国际自动控制联合委员会（简称自控联IFAC）已把LCA定为系列学术会议之一，第五届LCA国际会议于1997年在中国召开。
5、智能控制系统
智能控制还没有统一定义，通常认为，智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标自动控制。或说，智能控制是一类无需人干预就能独立驱动智能机器实现其目标自动控制。对自主机器人控制就是一例。所谓智能控制系统就是驱动自主智能机器以实现其目标而无需操作人员干预自动控制系统。这类系统必需含有智能调整和实施等能力。智能控制理论基础是人工智能、控制论、运筹学和系统学等学科。

第六章 总结
计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为关键，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术精密化、生产设备信息化、生产过程自动化及机电控制系统最好化专门学科。现在，企业对含有较强计算机控制技术应用能力专门人才需求很大，未来一定有很大发展前景。

参考文件:
　　[1]于海生.《计算机控制技术》[M].机械工业出版社,,(2):34-35.
　　[2]许勇.《计算机控制技术》[M]. 机械工业出版社,,(1):45-47.
[3]顾德英.《计算机控制技术和系统》[M]. 北京邮电大学出版社, (5)

致谢
论文例子中，我查阅了相关工业炉控制系统方面文件资料，使我对工业炉控制使用有了更深认识。从论文选题到完成论文，老师付出了大量时间和心血，在工业炉控制系统了解过程中，老师从多方面进行指导，不停提出修改意见。在此，我要由衷地感谢……同时，我也要感谢给我帮助同学，在不懂步骤为我努力探讨。论文完成，不仅是我计算机控制知识积累表现，而且也是信息技术学院全部老师悉心教导结果，感谢她们让我掌握了一定专业知识，专业技能和部分为人处世道理。最要感激父母，是她们给我学习机会，而且在学业期间给我大力支持和为我付出。