集散控制系统原理及应用1.pdf

第1章计算机控制系统概述

1.1计算机控制系统的组成

1.1.1基本概念
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。计算机控制系统需要有模/数（A/D）转换器和数/模（D/A）转换器这两个环节，控
制系统结构框图如图1.1所示。

计算机
设定值被控变量
控制器D/A执行机构被控对象
-

A/D

图1.1计算机闭环控制系统结构图

计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：
(1)实时数据采集对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。
(2)实时控制决策对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律
进行运算。
(3)实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成
控制任务。
上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。
1.1.2硬件系统

工业控制机它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象，测量变送、执行机构、
电气开关等装置。计算机控制系统的组成如图1.2所示。

过程输入接口
外部存储器
生产计算机

过程

过程输出接口人机接口

图1.2计算机控制系统的组成框图

工业控制机硬件：硬件是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。
1.1.3软件系统

软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和，通常包括系统软件和应用软件。
系统软件一般由计算机厂家提供，是专门用来使用和管理计算机的程序，包括操作系统、
监控管理程序、语言处理程序和故障诊断程序等。

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应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中，每个
被控对象或控制任务都有相应的控制程序，以满足相应的控制要求。
1.2计算机控制系统的应用类型

计算机控制系统主要可分为六种类型：数据采集系统、直接数字控制系统、计算机监督
控制系统、分级控制系统、集散型控制系统及现场总线控制系统。
1.2.1数据采集系统

在数据采集系统中，计算机只承担数据的采集和处理工作，而不直接参与控制。数据采
集系统对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录以及变量的超限报警，同时对这

制表显示报警

计算机

过程输入通道人工控
制或控
制装置
检测检测

生产过程

图1.3计算机数据处理系统

些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考，如图1.3所示。

模拟量输入微显示
生
型
产数字量输入打印
计
过
算
程模拟量输出磁盘
机

数字量输出操作台

图1.4直接数字控制系统结构图
1.2.2直接数字控制系统

直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）系统的构成如图1.4所示。计算机通过过
程输入通道对控制对象的变量作巡回检测，根据测得的变量，按照一定的控制规律进行运算，
计算机运算的结果经过过程输出通道，作用到控制对象，使被控变量符合要求的性能指标。
由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性
强。
1.2.3计算机监督控制系统

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测量

DDCSCC工业
生设定
级计级……数据
产控制
算机计
过
算显示打
程测量
机印记录

图1.5监督计算机控制系统图

监督计算机控制(SupervisoryComputerControl，SCC)系统，简称SCC系统，系统结构
如图l.5所示。SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微机完成生产过程
的直接数字控制；SCC级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计
算，产生最优化设定值，送给DDC级执行。
1.2.4分级控制系统

分级计算机控制系统的特点是将控制功能分散，用多台计算机分别完成不同的控制功
能，管理则采用集中管理。图1.6所示的分级计算机控制系统是一个四级系统。

管理指令到主管部门的数
据显示
销售定货等数据企业级经营管理计算机
经济动向及数据
到其他工厂的生来自其他工厂的
产运输指令工厂级集中监督计算机生产和库存数据

车间级监督计算机车间级监督计算机
…………

装置级计算机装置级计算机
测量测量
…………
…………

输入通道输出通道输入通道输出通道
……
………………

生产过程生产过程

图1.6计算机数据处理系统

(1)装置控制级(DDC级)
(2)车间监督级(SCC级)
(3)工厂集中控制级
(4)企业管理级
1.2.5集散控制系统

其结构如图1.7所示。

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监控计算机操作站

通信系统

数据采集站控制站

生产过程

图1.7集散控制系统结构图

集散控制系统是一种典型的分级分布式控制结构。监控计算机通过协调各控制站的工
作，达到过程的动态最优化。控制站则完成过程