【学习课件】第六章计算机在过程控制中的应用
第6章 PLC在工业控制中的应用PPT课件
06.08.2020
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第6章 PLC在工业控制中的应用
➢ 2.I/O继电器地址分配 ➢ 系统的I/O继电器地址分配见表6-1。
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第6章 PLC在工业控制中的应用
6.1.4系统的I/O接线图
➢ 混合搅拌系统的输入和输出模板接线图分别如下图所示
地 说明 址
名称
类型
0 临时
OB1_EV_CLASS 字节BYTE
Tem
p
1 临时 OB1_SCANI Tem p
字节BYTE
2 临时
OB1_PRIORITY 字节BYTE
Tem
p
3 临时
OB1_OB_NUMBE 字节BYTE
Tem
R
p
4 临时
OB1_RESERVED 字节BYTE
Tem
_1
p
5 临时
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第6章 PLC在工业控制中的应用
➢ 3.功能FC20程序的设计 ➢ FC20用于实现成分B输入泵电动机的启动、停止、延迟及
安全保护方面的控制。FC20的变量声明表见下页，功能 FC20的控制程序如图6-9所示
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第6章 PLC在工业控制中的应用
OB1_RESERVED 字节BYTE
Tem
_2
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第6章 PLC在工业控制中的应用
➢ 2.功能FC10程序的设计 ➢ FC10用于实现成分A输入泵电动机的启动、停止、延迟及
安全保护方面的控制。FC10的变量声明表见下页，功能 FC10的控制程序如下图所示。
计算机控制第六章
带有固化的软件 算法可以组态，形成相对高级的控制算法 可以与上级计算机配合，完成高级控制功能 功能可变，改变控制方案不必更换硬件 可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数 具有自诊断功能
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分布式计算机控制系统与先进控制
• 控制系统的功能层次结构(四层结构)
◆
直接控制层（一层）
★
过程数据采集
★ ★
预测控制算法的三条基本原理：预测模型、滚动优 化、反馈校正
分布式计算机控制系统与先进控制(2)
★
两种典型的预测控制算法： — 动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control，DMC）： 基于对象阶跃响应的预测控制算法 — 模型算法控制（Model Algorithm Control，MAC）： 以对象的脉冲响应为前提
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存储器
— 程序存储器用于存放基本控制器的管理、监控程序和标准算法 程序 — 工作存储器用于保存现场信号、操作设定值、重要的中间结 果、最终输出结果、上级计算机的高级控制命令和文件，以及控 制组态字和控制参数等信息
分布式计算机控制系统的基本控制器()
◆
操作员接口
— 完成基本控制器和数据输入板DEP、模拟显示单元之间的信息交 换
— 直接采集现场的各种物理量测量值和状态开关值，对它们进行必要 的滤波、转换等处理
★
装置状态和设备运行状态监测与诊断
— 对采集的各种信号进行处理，检查其是否是合格的数据、判 断控制计算机的各种模板是否运行正常，设备仪表及其连线是否正 常，根据结果产生报警信号等
★
闭环和制和顺序逻辑 控制
分布式计算机控制系统与先进控制(2)
★
模糊控制（Fuzzy Control）
计算机控制技术-第6章控制系统的数据处理技术
包括传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机等部分。
工作原理
传感器将非电量转换为电量，信号调理电路对电量进行放 大、滤波等处理，数据采集卡将模拟信号转换为数字信号 并传输到计算机中。
数据采集过程中的关键技术
包括传感器技术、信号调理技术、模数转换技术等。
数据采集系统的性能指标
静态性能指标
实现特定功能
通过引入非线性环节实现控制系统的特定功能，如限幅、限速、自 动增益控制等。
应对不确定性
在控制系统设计中考虑不确定性因素，利用非线性处理技术提高系统 的鲁棒性和适应性。
非线性处理技术的性能评估
1 2
评估指标与方法
介绍评估非线性处理技术性能的指标和方法，如 误差分析、稳定性分析、频率响应分析等。
基于大数据的智能控制
结合大数据技术，对海量历史数据进行挖掘和分析，提取出对控制系统有益的信息和知识 ，为控制系统的设计和优化提供智能决策支持。
多源数据融合与优化
针对控制系统中的多源异构数据，采用数据融合技术，实现多源数据的有机结合和优势互 补，提高数据处理效率和准确性，为控制系统的优化提供更全面、准确的数据支持。
采用模块化设计思想，将数据采集系 统划分为多个功能模块，分别进行设 计和实现，最后进行集成和测试。
03
控制系统中的数字滤波技术
数字滤波器的原理与分类
原理
数字滤波器是一种对数字信号进行滤波处理，以去除噪声、平滑信号或提取特定频率成 分的算法或装置。它通过数学运算对输入信号进行变换，从而得到期望的输出信号。
标度变换在控制系统中的应用
01
02
03
信号幅值调整
通过标度变换调整信号的 幅值，使其适应控制系统 的输入范围。
第六章典型过程控制系统应用方案案例
按照图 6-5 分析可知，乳液直接进入干燥器，滞后最小，对于 干燥温度的校正作用最灵敏， 而且干扰进入装置最靠近调节阀 1， 似 乎控制方案最佳。但是，乳液流量即为生产负荷，一般要求能保证 产量稳定。若作为控制参数，则在工艺上不合理。所以不宜选乳液 流量为控制参数，该控制方案不能成立。 再对图 6-6 进行分析，可以发现，调节旁路空气流量与热风量 混合后，再经过较长的风管进行干燥器。如图 6-5 所示方案相比， 由于混合空气传输管道长， 存在管道传输滞后,故控制通道时间滞后 教大，对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。若按照图 6-7 所 示调节换热器的蒸汽流量，以改变空气的温度，则由于换热器通常 为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度 的校正作用灵敏度最差。显然，选择旁路空气量作为控制参数的方 案最佳。 （1） 过程检测控制仪表的选用 根据生产工艺和用户的要求， 选用电动单元组合仪表（DDZ–Ⅲ型）
6.1 热交换器温度反馈-----静态前馈控制系统
6.2 单回路控制系统的应用
6.3 计算机数字控制的典型实例 6.4 流体输送设备的控制 6.5 反应器的控制 附录:思考题与习题
6.1 热交换器温度反馈——静态前馈控制系统 6.1.1 生产过程对系统设计的要求
在氮肥生产过程中有一个变换工段 ,把煤气发生炉来的一氧化 碳同水蒸汽的混合物转换成生产合成氨的原料七,在转换过程中释放 大量的热,使变换气体温度升高,变换气体在送至洗涤塔之前需要降 温,而进变换炉的混合物需要升温,因此通常利用变换气体来加热一 氧化碳与水蒸气的混合气体,这种冷热介质的热量交换是通过热交换 器来完成的。在许多工业生产过程中都用到热交换器设备，对热交 换器设备的控制就显得非常重要。 热交换器主要的被控制量是冷却介质出热交换器的温度。 图 6-1 表示一个进出热交换器的典型参数。其中加热介质是工厂生产过程 中产生的废热热源(成品、半成品或废气、废液),为了节省能量,这部 分热量要求最大限度的加以利用。所以通常不希望对其流量进行调 节,而被加热介质的温度一般是通过调节加热介质的流量来实现的。
3.1计算机在控制系统中的应用
计算机在控制系统中的应用1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统●伺服系统●顺序控制系统●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统●监督计算机控制系统●分级计算机控制系统 按作用分 按应用分 ●根据生产流程对设备状态数据进行采集与巡回检测，然后按照预定的控制规律对生产过程进行控制 ●一般为开环系统 ●广泛用于轻工业、食品、制药及机械行业1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统 ●伺服系统●顺序控制系统 ●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统●监督计算机控制系统●分级计算机控制系统 按作用分 按应用分 ●要求输出信号能稳定、快速、准确地复现输入信号的变化规律 ●输入信号一般为电信号，输出信号是位移、速度等机械量1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统●伺服系统●顺序控制系统 ●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统●监督计算机控制系统●分级计算机控制系统 按作用分 按应用分 ●按照动作的逻辑次序来安排操作顺序1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统 ●伺服系统 ●顺序控制系统●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统 ●监督计算机控制系统 ●分级计算机控制系统按作用分 按应用分 ●根据零件编程或路径规划，由计算机生成数字形式的指令，在驱动机器运动 有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统 ●伺服系统 ●顺序控制系统 ●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统 ●监督计算机控制系统 ●分级计算机控制系统按作用分 按应用分 ●操作指导控制系统：✓计算机不是直接控制生产对象，而是对生产过程的参数进行采集 ✓计算机根据一定的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作方案和最佳设定值等 ●优点：结构简单，控制灵活安全 ●适用环境 ✓未摸清控制规律的系统 ✓计算机控制系统研制的初级阶段 ✓试验新的书序模型和调试新的控制程序等 ✓不适用于快速过程的控制，因为最终需人工操作1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统 ●伺服系统 ●顺序控制系统 ●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统 ●监督计算机控制系统 ●分级计算机控制系统按作用分 按应用分 ●直接数字控制系统(DDC)：✓用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测 ✓检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型进行运算 ✓输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上 ●优点： ✓可完全取代模拟调节器，实现多回路的PID 调节 ✓不需改变硬件，只需改变程序即可实现复杂控制 有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）(a ）SCC ＋模拟调节器系统 (b ）SCC ＋DDC1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统 ●伺服系统 ●顺序控制系统 ●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统 ●监督计算机控制系统 ●分级计算机控制系统按作用分 按应用分 ●监督计算机控制系统(SCC 系统)：✓计算机根据工艺参数和过程参数的检测值，按照所设计的控制算法进行计算，得出最佳设定值 ✓直接传送给常规模拟调节器或者DDC 计算机，最后由模拟调机器或DDC 计算机控制生产过程 ●优点： ✓可进行复杂规律控制 ✓工作可靠性高 ✓当SCC 出现故障时，下级仍可继续执行控制任务1.计算机控制系统的分类 ●过程控制系统 ●伺服系统 ●顺序控制系统 ●数字控制系统●操作指导控制系统●直接数字控制系统 ●监督计算机控制系统 ●分级计算机控制系统按作用分 按应用分 ●分级计算机控制系统： ✓多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理 ✓各系统相互独立，并行工作●例如四级计算机分级控制系统： 过程控制级： 对生产设备进行直接数字控制车间管理级:设备间的协调管理工厂管理级:全厂各车间生产协调，包括安排生产计划、备品备件 企业管理级:总协调，安排总生产计划，进行企业公司经营方向的决策等 有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）2.典型的机电一体化控制系统（1）计算机过程控制系统用计算机对温度、压力、流量、液面和速度等过程参数进行测量与控制的系统。
计算机控制(第六章,数字控制系统)
第六章
数字控制系统理论及分析
一、概述
计算机控制系统是指以计算机作为控制器的控制系统，有 时也称为离散控制系统、数字控制系统和采样控制系统等。数 字控制器为其核心。 下图为计算机控制系统框图
系统中的信号是混合式的，计算机的输入、输出为数字量， 系统其它部分信号为连续的模拟量。 计算机需要接受的数字信号是时间上离散、量值上数字化 的信号。
则上式可改写为：
F ( z ) Z f (t ) f (kT) z k
k 0
包含了信号幅值 信息和时间信息
F ( z )表征了f (t )在采样时刻的特性
z 1称为单位延迟因子
称为离散信号 f (t ) 的Z变换，习惯上也称为 f (t )或F ( s) 的Z变换。
ze
基本一致且时间滞后T/2
脉冲响应函数：
传递函数：
1 e jT sin T / 2 jT / 2 其频率特性函数为： H 0 ( j ) T e j T / 2 sin T / 2 幅频特性为： （j） T H0 T / 2 其幅频、相频特性图线为： 相频特性为：0 ）=-T / 2 k （
k 0
存在条件是
z 1，而 z e e Res 0
Ts T
1 z 1 z 1 z 1
例2、已知 f (t ) e
at
, a 0, 求Z e at
aTk
F ( z ) Z [ f (t )] e
k 0
设t 0时，f (t ) 0， 则有Z [ f (t kT)] z k F ( z )
（3）超前定理
过程控制系统及其应用PPT课件.
第三个阶段最大成就就是大规模集成电路和微 处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商 品化和计算机技术的普及和发展。为了满足工 业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全 新的工业控制工具，集散控制系统产生了 （Distributed Control Systems, DCS）。 它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图 形显示技术于一体的计算机系统。而另一方面， 控制理论和其它学科相互渗透，从而形成了以 大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三 代控制理论。
第七节 现场总线技术 一、现场总线技术及其产生的背景 二、现场总线的工作原理 三、现场总线的技术特点 四、几种典型的现场总线
第九章 过程自动化控制系统的应用实例
第一节 恒压供水控制系统 一、概述 二、恒水压控制装置 三、其他方案
第二节 楼宇设备管理和监控系统 一、概述 二、系统的组成及工作原理 三、系统软件 四、系统的特点
过程控制系统及其应用
目录
第一章 过程控制的基本概念
第一节 过程控制的发展概况 第二节 过程控制系统的组成
一、被控对象 二、 传感器和变送器 三、 控制器 四、 执行器 五、 控制阀
第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类
第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标
四、执行器
执行器接收控制器的控制信号u，经变换或 放大后推动调节阀。目前的执行器有气动执行 器和电动执行器，如控制器是电动的，而执行 器是气动的，则在控制器与执行器之间要有电 气转换器。如用电动执行器，则控制器输出须 经伺服放大器放大才能驱动执行器以推动调节 阀。
五、调节阀
控制器输出控制信号u，经气动或电动执行 器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使 被控量受到控制。
《电气控制与PLC应用技术》教学课件 第6章 PLC控制系统的设计与应用
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6.2 PLC在工业控制中的应用举例
6.2.1 多台电动机的顺序启、停控制
现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动 机顺序启动和顺序停车。顺序启动的时间间隔为30s， 顺序停车的时间间隔为10s。选用S7-200（CPU224）做 控制。对电动机顺序启、停控制有很多种方法，本部 分给出其中一种：利用顺序控制和时间继电器指令设 计程序。
第6章 PLC控制系统的设计与应用
PLC作为通用工业控制计算机，正在成为 工业控制领域的主流控制设备，在世界工业 控制中发挥着越来越大的作用。在实际的工 业控制应用过程中，PLC控制系统设计方法 的优劣起着重要的作用。PLC控制系统的设 计方法并不是固定不变，而是多种多样，要 靠广大的设计人员在具体设计工作中去积累 和总结。
（1）分析生产工艺过程； （2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备 ，分配I/O；
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PLC控制系统设计步骤图
（3）选择PLC； （4）设计PLC接线图以及 电气施工图； （5）程序设计和控制柜接 线施工； （6）调试程序,直至满足 要求为止； （7）设计控制柜，编写系 统交付使用的技术文件， 说明书、电气图、电气元 件明细表； （8）验收、交付使用。
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6.2.1 多台电动机的顺序启、停控制
1. 过程分析：四台电动机M1、M2、M3、M4， 实现四台电动机顺序启动和顺序停车。启、停的 顺序均为M1→M2→M3→M4。顺序启动时的时间 间隔为30s，顺序停车的时间间隔为10s。
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6.2.1 多台电动机的顺序启、停控制
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过程控制章6
第6章前馈及其复合控制系统第6章前馈及其复合控制系统学习目标：✹掌握前馈及其复合控制系统的基本原理✹掌握前馈及其复合控制系统的应用对象及特征✹掌握前馈及其复合控制系统的几种基本结构✹掌握前馈及其复合控制系统的设计方法✹掌握前馈及其复合控制系统的参数整定方法6.1 概述前馈控制系统是自上世纪六十年代迅速发展起来的一种独立的控制方法，在工程上越来越受到人们的重视。
随着计算机技术的蓬勃发展，前馈控制将更具有广阔的应用前景。
前面讨论的几种反馈控制系统方案都是按偏差大小进行控制的反馈控制系统。
共同的特点是在被控对象受到干扰作用后，必须在被控量出现偏差时，控制器才产生控制作用以补偿干扰对被控量的影响。
由于被控对象总存在一定的纯滞后和容量滞后，因而，从干扰产生到被控量发生变化需要一定的时间；从偏差产生到控制器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又需要一定的时间。
可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这种控制方案控制品质的进一步提高。
偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果能直接按扰动而不是按偏差进行控制，即干扰一出现，控制器就直接根据测到的干扰大小和方向，按一定规律去进行控制。
由于干扰发生后，在被控量还未显示出变化之前，控制器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。
按照这种理论而构成的控制系统就称为前馈控制系统。
显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。
例如，一个精馏塔在进料流量波动时，将影响塔顶产品成份的变化。
如果在塔顶成份还未变化前，就根据进料流量变化的方向及大小对塔顶回流量或塔底再沸腾器的蒸汽量进行控制，当这个控制量在数值上及时间上均配合得恰到好处时，则可以使塔顶产品的成份保持不变，起码可以大大减小塔顶成份的波动。
这就是按扰动进行提前控制的前馈控制方案。
6.1.1 前馈控制系统与反馈控制系统的区别前馈控制系统与反馈控制系统的主要差别首先在于产生控制作用的依据不同。
计算机控制技术第6章
四、加权平均值滤波
• 算术平均滤波法滤波结果中取每次采样值的1/N。 • 有时为提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，求 其和作为滤波结果，称为加权平均法。 n 1 一个 n 项加权平均式为
Y ( k ) Ci X n 1
i 1
式中C0、Cl、…、Cn-l均为常数项，应满足下列 关系： n 1 Ci 1
优点：对分查表法的速度要比顺序查表法快 很多倍。
设一个线性表字节长度为n，若采用顺序查表法， 平均查找次数m近似等于n/2次，而对分查表法的最 多查找次数约为log2n -1次。例如当n = 2048时， 顺序查表法平均查找次数为1024次，而采用对分查 表法最多只需查找9次即可。
对分查表法子程序的设计步骤如下：
特点:
限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的实 时性，又顾及了采样值变化的连续性。
缺点：
① △Y的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断 更换新值； ② 不能反应采样点数 N＞3 时各采样数值受干扰 情况。 实际中，可取[|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)]/2取代△Y 这样既保持限速滤波的特性，又加大了灵活性。
T
或
T
模拟RC低通滤波器的数字滤波器，可用程序来实现。
七、复合数字滤波
为进一步提高滤波效果，可以把两种或两种以上 不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字 滤波器，或称多级数字滤波器。 [例如] • 算术平均滤波/加权平均滤波只能对周期性的脉动采 样值进行平滑加工。 • 中值滤波可以解决随机的脉冲干扰(电网的波动，变 送器的临时故障等)。
滤波方法——限幅滤波 和 限速滤波 1．限幅滤波
|Y（k）-Y(k-1)|≤△Y,则取Y（k）= Y（k） |Y（k）-Y(k-1)|＞△Y,则取Y（k）= Y（k-1） 式中：Y（k）——第 k 次采样值； Y(k-1)——第(k-1)次采样值； △Y——相邻两次采样值允许的最大偏差。 （其大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应）。