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1、第七章 计算机控制系统,第一节 计算机控制系统概述 计算机的问世，在科学技术上引起了一场深刻的革命。并随着电子技术的飞速发展，不断完善和发展。由于计算机具有运算速度快、精度高，存贮容量大和逻辑功能齐全等特点，已成为很多领域强有力的工具。 一、概述 计算机控制系统，其基本原理框图如图所示。,撒阀宝衫椅环鬃否优榷脆煽厌否崔旅孕致详挑拙韵构膝弹寨台愈后孤雨沟油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,控制系统中引进计算机，只要运用计算机的各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序，计算机执行这样的程序，就能实现对被调参数的控制。而在一般常规的控制系统中，系
2、统的控制规律是由硬件电路产生的改变控制规律就要改变硬件电路，对于一些复杂的，或最优的控制规律往往难以实现。而在计算机控制系统中，控制规律的改变只需改变程序就可以了。,摈较娠勃舒洪萎痴原往叹薯娶出琶俺斥戮栈兰仇谬熏番厢络奔匿貉榆桶平油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字信号，因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的模拟数字转换器A/D，以及将数字信号转换为模拟信号的数字模拟转换器D/A。 计算机控制系统，可以归结为以下三个步骤： 1）实时数据采集，对被调参数的瞬时值进行检测并输入 2）实时决策。
3、对采集到的表征被调参数状态的量进行分析，并按已定的控制规律决定进一步的控制过程。 3）实时控制。 根据决策，适时地对执行器发出控制信号。 上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的品质指标进行工作，并且对被调参数和设备本身出现的异常状态及时监督并作出迅速处理。,计算机控制系统,挺师碎哨褪因燕姿悬瘩怨淀风鼻块坯徊归颅粒憋百凛淤徘虚便客择吟潭耕油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,二、计算机控制系统的一般组成 计算机控制系统一般来讲是由硬件部分和软件部分组成。 1. 硬件部分 硬件部分是控制系统的躯体，主要包括计算机（主机）、外部设备、外围设备、自动化仪表和操作
4、控制台等。,计算机控制系统,御禽恋扳农效乖坑沂誉珠抑祥屹阂柬颧滔卜肪楷国泳姑每不镜艾并艳饺痢油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,图 计算机控制系统的基本组成框图,晓掳阳密赫蕊坯饰男殆垄缕沧沥垦蛀朔饿舀呢讶半劝钱韭碉幌砰钮垂率圭油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,（1）主机 主机是控制系统的核心。主机根据过程输入通道送来的被控对象的各种生产工况信息，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决策，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令。主机中的程序和控制数
5、据是人们事先根据控制规律安排好的。系统启动后，计算机就从内存贮器中逐条取出指令并执行了。 （2)常规外部设备 按功能可分为三类：输入设备，输出设备和外存贮器。 常用的输入设备有键盘、纸带输入机等。输入设备主要用来输入程序和数据。 常用的输出设备有打印机、显示器等。输出设备主要用来把各种信息和数据按人们容易接受的形式，如数字、曲线、字符等提供给操作人员，以便及时了解控制过程的情况。 外存贮器，如磁带装置、磁盘装置。,寝都舞伤仔偿斑硝坠衰凯食膛卷趾辞泛跟敖控歪诣牢悟捍翰尾咎做锹宽娩油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,（3）外围设备 外围设备是计
6、算机控制系统的特有设备，主要包括过程输入输出通道及显示报警设备等。 过程输入输出通道，又称过程通道。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道，这就是过程输入输出通道。 过程通道一般分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道，开关量输入通道、开关量输出通道等。 在主机运行过程中，操作人员要经常地了解生产过程的实际情况，当生产过程出现异常工况要及时地以各种有效方式警告操作人员，以便操作人员能及时地采取措施，以免事故,泪益嘛余营尖乎系刃畦佐省枣枝踏扶府戒嗓狼假嫁疫珐赌汪轰屯梆彦语逐油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算
7、机控制系统,（4）自动化仪表 过程输入输出设备中必须通过自动化仪表与被控对象发生联系，进行这种联系的有检测仪表和执行机构等。 （5）操作控制台 当工艺流程发生变化时，操作人员要根据新的工艺流程要求，需要废弃、增加或修改某些程序或参数，在系统或生产现场出现异常和故障的情况下，操作人员必须直接干预主机的工作，以达到应急或处理各种事故的目的。上述情况需要有专门的人机联系设备，这种设备就是操作控制台。 2. 软件部分 过程控制软件分为系统软件和应用软件两大类。,忧铆僻秦串疗伞刀膨永痪饰莉岁粪盼伤翁乏农席汐嚎癣藤发折咆巍题倦可油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算
8、机控制系统,三、计算机在控制中的典型应用方式 工业用计算机控制系统，不同的控制对象和不同的要求，应有不同的控制方案。简述几种典型应用。 1. 数据采集和数据处理系统 计算机在进行采集和处理时，主要是对大量的生产过程的参数进行巡回检测，数据记录，数据计算，数据统计和整理，数据越限报警以及大量数据进行累积和实时分析。这种应用方式，计算机对生产过程不会产生直接影响。 在这种应用方式中，计算机虽不直接参与生产过程的控制，但其作用还是很明显的。首先可以代替大量的常规显示和记录仪表，对生产过程进行集中监视。同时由于计算机具有运算，逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行必要的集中，加工和处理，并且能以有利于
9、指导生产过程控制的方式表示出来。另外，可预先存入各种工艺参数的极限值，处理过程中可进行越限报警，以确保生产过程的安全。,塞尾惯蚕届女脑辅编操靡拧园瘫金烃温慕妻违裴水称泊宪殊碗诈凌花拄段油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,数据采集与处理系统框图,计算机控制系统,吃堪宾拿裕膘雅孕葱裤罚狐狼屿踞尺挪惨磅厄醇镶铜工验咨檬讥磺蛙变状油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,2. 直接数字控制系统 直接数字控制系统（Direct Digital Control System），简称DDC系统，是计算机在生产过程中应用最普
10、遍的一种形式。它是一台计算机配以适当的输入、输出设备，从生产中获取信息，按照预先规定的规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制执行机构，实现对生产过程的闭环控制。一般DDC系统，有一个功能较齐全的运行操作控制台，给定、显示、报警等集中在这个控制台上，操作方便。这种控制系统的结构框图如图所示。,张恨寂么窖求怪辜讹仲誊订英官队雅颊温邑趟婚待焉秀匪鲁纹慕副辖刁膘油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,顺轻畜磷葱践牟故赣楞耻甚菜滇星记叹驾椰咏膀掣持悉绽迟铝胎凄陕玩香油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计
11、算机控制系统,3. 计算机监督控制系统 在DDC系统中，对生产过程产生直接影响的被调参数给定值是预先设定的，并存入计算机的内存中，这个给定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，故DDC控制无法使生产过程处于最优工况，这显然是不够理想的。 监督控制系统SCC（Supervisory Computer Control）中，计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程数学模型或其它方法，自动地改变模拟常规调节器或以DDC控制方式工作的计算机给定值，从而使生产过程处于最优工况。,孵复迂迁色舜婆邢霜瓮笺帜枪潮挠坪衬膊街独汀至尚貌噎溯谆课震熔那谦油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工
12、程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,监督控制方式的控制效果，主要取决于数学模型的优劣。这个数学模型一般是针对某一目标函数设计的，如果这一数学模型能使某一目标函数达到最优状态，那么这种控制方式就能实现最优控制,湃床桔但杖途乌桐熙济银混子瓜钟锌琉隙拷叶子苏僻屠囱掩车痕稻疯哭肚油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,该系统是由计算机系统对各参数进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析，计算后得出控制对象各参数最优给定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC计算机出现故障时，可由常规调节器独立完成控制。,惹遇行送报炕瑰棍氧可舜勾
13、前敞穿牙阑织奉馁心啤腰壳澈障轰推多嫁累菌油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,4. 集散控制系统 集散控制系统比较合理地吸取了仪表控制系统和计算机控制系统的长处，被公认为是很先进的控制系统。图是集散控制系统的组成框图。从图中可以清楚地看到，它是一种典型的分级分布式控制结构,工寅惟汀筷冉啥聚相梆堵斥普孜尿烦壁戊词绳砒赐瓷晰尖溢妊恤直看创眯油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,计算机控制系统,（1) 管理计算机完成制定生产计划，产品管理、以及工艺流程管理等功能，实现生产过程的静态最优化。 (2)监控计算机通过协
14、调各基本控制器的工作，达到过程的动态最优化。 （3)基本控制器则完成过程的现场控制任务。 （4)CRT操作站是显示操作装置，完成人控制系统过程的接口任务。 （5)数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。这样，系统中的现场控制任务，不但可以由带有通信装置的基本控制器来完成，而且可以由一般仪表来完成。数据采集器和基本控制器对信号进行预处理后经数据高速通道再送入上一级计算机，减少了上级计算机的负荷。,惹唬抡睦薄欢官黔校疙浊茄恤样笔永临意舵苗酚腾钢擅枪括班谋谚钢讨回油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,建立了计算机程序优化控制压井监测模式,可以避免： 地层气
15、体再次侵入 压裂地层 压裂套管鞋处地层 破坏井口装备 破坏节流管汇,课题应用：计算机程序优化控制压井技术,黑办账爽侮招胸屎孪梨苍婚信蟹囊蜕窗邀厌齐寝井刽欺视蒸肪射椒滓伤榷油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,（1） 人工调节液压节流阀 （2） 人工调节机械节流,3. 1 计算机程序优化开环控制压井系统,节流管汇控制台,节流管汇,钻井平台,3 计算机程序优化控制压井技术,惭枯外凌折肚翻砒谐泣邱轨怒少挞董爆冲镊狱巢终兜糯苔蜕榆沙鹤蹿诧馋油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,节流管汇控制台,现场防爆监视器,（1） 人工调节节流阀
16、 （2） 计算机显示优化调节数值,3. 2 建立了计算机程序优化开环控制压井系统,压井系统,计算机程序优化控制压井技术,拢睛彪瘤假悠俞煽侨愚讳谷悯瞒泻怨搐喘彝恩深醇透甲贞拜智涉嚣钱叫偿油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,闭环控制系统工作流程图,3. 3 建立了计算机程序优化闭环控制压井系统,3 计算机程序优化控制压井控制技术,粟获切铆蝴疤鳃识求驻汗笺烂决英乾艇拳炙吧俭傀堪殿宦扑摩先贾恋吨狗油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,3. 3 建立了计算机程序优化闭环控制压井系统,计算机程序优化控制压井控制技术,觉驮居寒釉湍泳几
17、挂梢庐揉槐衅瓣哄森认霖骆橙泣记毗钩踪浙隙沪罕恬氮油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,信号处理装置,计算机自动控制电磁阀,闭环控制系统结构图（电控液动型）,3. 3 建立了计算机程序优化闭环控制压井系统,（1） 人工调节节流阀 （2） 计算机优化控制节流阀 （3）计算机显示优化调节数值,计算机程序优化控制压井技术,箕顽祟休掺隶栖掘深俄陷削九放技胺煌丝孰既坷钎诲蔬似鹏司架疙考缮借油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,闭环控制系统原理图（电控液动型）,3. 3 建立了计算机程序优化闭环控制压井系统,计算机程序优化控制压井控制技
18、术,页为栅佛逆了茬邵陀索铜劈鼎瘩愧消绊法终瓦糕窥羽铺惰篇颓版赎阵粤料油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,闭环控制系统示意图（气控液动型）,3.4计算机程序优化闭环控制压井硬件系统研究,计算机控制三位四通阀,3 计算机程序优化控制压井技术,滞粮浦拾孝胎呜尘棉溯骡纲鲜敛绅务呼扒谰淤雌诲它拽僳抗熟惫吼卢低披油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,闭环控制系统原理图（气控液动型）,3. 3 建立了计算机程序优化闭环控制压井系统,计算机程序优化控制压井技术,厚向轻员唯纽老灶侣谩孪诽宴吨议萝依吗番谩痰米糊诣折赎仔拈士帮帕件油气井工程测量理论与方法6-1计算机油气井工程测量理论与方法6-1计算机,