第1章 计算机控制系统 绪论

1、计算机控制系统（技术）计算机控制系统（技术） Computer Control System 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术2 课程总目标课程总目标 学完本课程后，你应具有以下能力：学完本课程后，你应具有以下能力： * 了解计算机控制系统的组成原则了解计算机控制系统的组成原则 * 了解计算机控制系统结构图了解计算机控制系统结构图 * 了解计算机控制系统设计的方法了解计算机控制系统设计的方法 * 熟悉控制系统应用程序设计方法熟悉控制系统应用程序设计方法 * 应用计算机控制技术解决一些实际应用问题应用计算机控制技术解决一些实际应用问题 计

2、算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术3 课程安排课程安排 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术4 参考书目参考书目 1.微型计算机控制技术微型计算机控制技术 黄勤等编著黄勤等编著 机械工业出版社机械工业出版社 2011年年 2. 微型计算机控制技术（第二版）微型计算机控制技术（第二版） 于海生等编著于海生等编著 清华大学出版社清华大学出版社 2009年年 3. 计算机控制系统计算机控制系统 吴坚等编著吴坚等编著 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社 2001 计算机控制计算机控制系统（系统

3、（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术5 第一章第一章 计算机控制系统概论计算机控制系统概论 一、一、 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 二、二、 计算机控制系统原理和组成计算机控制系统原理和组成 三、三、 计算机控制系统的性能及其指标计算机控制系统的性能及其指标 四、四、 计算机控制系统的发展与展望计算机控制系统的发展与展望 本章主要内容本章主要内容 作业作业 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术6 一、计算机控制系统分类一、计算机控制系统分类 1. 典型的计算机控制系统典型的计算机控制系统 2. 计算机控制系统

4、分类计算机控制系统分类 3. 计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术7 1. 典型的计算机控制系统典型的计算机控制系统 计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工就是利用计算机（通常称为工 业控制计算机，简称工控机），来实现生产过程自业控制计算机，简称工控机），来实现生产过程自 动控制的系统。动控制的系统。 典型的计算机控制系统实例典型的计算机控制系统实例 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术8 例例1.1.啤酒罐计算机温度控制系统啤酒

5、罐计算机温度控制系统 啤酒罐温度控制系统是多点温度控制系统啤酒罐温度控制系统是多点温度控制系统 各点温度由测量电路转换成电压信号，由多路各点温度由测量电路转换成电压信号，由多路 开关、采样保持器巡回检测，各点温度经开关、采样保持器巡回检测，各点温度经A/D转换转换 变成数字量送到计算机与给定值进行比较后，按照变成数字量送到计算机与给定值进行比较后，按照 一定的规律（一定的规律（PID）运算，输出控制量；）运算，输出控制量； 各控制量经过各控制量经过D/A转换、保持器、执行机构分转换、保持器、执行机构分 别控制啤酒罐相应各点的温度。别控制啤酒罐相应各点的温度。 执行机构 执行机构 保持器 保持器

6、 D/A转换器 数字数字 控制器控制器 D/A转换器 温度控制 测量 测量 A/D 转换器 多路采样 保持器 啤 酒 罐 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术9 在线检测铜液中温度和氧含量的冶炼生产线在线检测铜液中温度和氧含量的冶炼生产线 系统功能是将系统功能是将传感器传感器检测的温度电势和氧电势信检测的温度电势和氧电势信 号转换成数字信息送入计算机，计算机按照特定的号转换成数字信息送入计算机，计算机按照特定的 数学模型处理后，直接给出连续检测的铜液温度和数学模型处理后，直接给出连续检测的铜液温度和 氧含量。氧含量。 例例2.2.计算机检测

7、系统计算机检测系统(1)(1) 数据与数据与 曲线显示曲线显示 数据与数据与 曲线打印曲线打印 数据处理数据处理 与记录与记录 数据接受数据接受 与存储与存储 高速数据高速数据 采集卡采集卡 历史数据历史数据采集数据采集数据 测氧测氧 传感器传感器 计算机系统计算机系统 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术10 例例2.2.计算机检测系统计算机检测系统(2)(2) 由于该系统的信号采集与处理都是在计算机完由于该系统的信号采集与处理都是在计算机完 成的，不需要专用的二次仪表。成的，不需要专用的二次仪表。 系统响应快，实时性好、可靠性高，且直观

8、和系统响应快，实时性好、可靠性高，且直观和 稳定，为在线控制铜液中的氧含量提供了手段。稳定，为在线控制铜液中的氧含量提供了手段。 数据与数据与 曲线显示曲线显示 数据与数据与 曲线打印曲线打印 数据处理数据处理 与记录与记录 数据接受数据接受 与存储与存储 高速数据高速数据 采集卡采集卡 历史数据历史数据采集数据采集数据 测氧测氧 传感器传感器 计算机系统计算机系统 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术11 2.2.计算机控制系统分类计算机控制系统分类 （1）按控制系统的功能及结构特点分类）按控制系统的功能及结构特点分类 （2）按控制规律分

9、类）按控制规律分类 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术12 （1 1）按控制系统的功能及结构特点分类按控制系统的功能及结构特点分类 操作指导控制系统操作指导控制系统 直接数字控制系统直接数字控制系统DDC 监督控制系统监督控制系统 SCC 集散控制系统集散控制系统 DCS 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术13 操作指导控制系统操作指导控制系统(数据采集系统）（数据采集系统）（1） 属于开环控制结构

10、，是最早和最简单的计算机控制系统。属于开环控制结构，是最早和最简单的计算机控制系统。 计算机的输出与生产过程的控制单元不直接发生联系，计算机的输出与生产过程的控制单元不直接发生联系， 控制动作实际上由操作人员接受计算机指示去完成。控制动作实际上由操作人员接受计算机指示去完成。 CRTCRT打印机打印机 测量变送测量变送测量变送测量变送 过程输入通道过程输入通道 数 字 计 算 机数 字 计 算 机 报警报警 工 业 对 象工 业 对 象 人人 执行机构执行机构 . 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术14 操作指导控制系统操作指导控制系统（

11、2） 计算机根据一定的控制算法，依据过程输入通道输入的由计算机根据一定的控制算法，依据过程输入通道输入的由 测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操 作条件及操作方案。作条件及操作方案。 操作人员根据计算机的输出信息，如操作人员根据计算机的输出信息，如CRT显示图形或数据、显示图形或数据、 打印机输出等去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。打印机输出等去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。 CRTCRT打印机打印机 测量变送测量变送测量变送测量变送 过程输入通道过程输入通道 数 字 计 算 机数 字 计 算 机 报警报警 工

12、业 对 象工 业 对 象 人人 执行机构执行机构 . 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术15 操作指导控制系统操作指导控制系统（3） 优点优点：结构简单，控制灵活、安全。：结构简单，控制灵活、安全。 缺点缺点：人工操作，速度受到限制，不能同时控制多：人工操作，速度受到限制，不能同时控制多 个对象。个对象。 适用领域适用领域：数据检测处理、试验新的数学模型、调：数据检测处理、试验新的数学模型、调 试新的控制程序。试新的控制程序。 CRTCRT打印机打印机 测量变送测量变送测量变送测量变送 过程输入通道过程输入通道 数 字 计 算 机数 字

13、计 算 机 报警报警 工 业 对 象工 业 对 象 人人 执行机构执行机构 . 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术16 直接数字控制系统直接数字控制系统DDC（1） 计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡 回检测，经过程输入通道输入计算机。回检测，经过程输入通道输入计算机。 计算机根据规定的控制规律和给定值进行运算，计算机根据规定的控制规律和给定值进行运算， 然后发出控制信号通过过程输出通道直接去控制执然后发出控制信号通过过程输出通道直接去控制执 行机构，使各个被控量达到规定要求。行机构，使各

14、个被控量达到规定要求。 CRT打印机打印机 测量变送测量变送测量变送测量变送 过程输入通道过程输入通道 直接数字控制（直接数字控制（DDC）计算机）计算机 报警报警 工工 业业 对对 象象 执行机构执行机构 . 执行机构执行机构 过程输出通道过程输出通道 操作台操作台 直接直接数字控制系统数字控制系统 (Direct Digital ControlDDC) 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术17 直接数字控制系统直接数字控制系统DDC（2） 计算机完全取代模拟调节器参加闭环控制过程，通过改变计算机完全取代模拟调节器参加闭环控制过程，通过改

15、变 程序有效地实现较复杂的控制规律，如前馈控制、非线性控程序有效地实现较复杂的控制规律，如前馈控制、非线性控 制、自适应控制、最优控制等。制、自适应控制、最优控制等。 计算机直接与生产过程相连并承担控制任务，故要求计算机直接与生产过程相连并承担控制任务，故要求DDC 计算机可靠性高，实时性好，抗干扰能力强，能独立工作。计算机可靠性高，实时性好，抗干扰能力强，能独立工作。 CRT打印机打印机 测量变送测量变送测量变送测量变送 过程输入通道过程输入通道 直接数字控制（直接数字控制（DDC）计算机）计算机 报警报警 工工 业业 对对 象象 执行机构执行机构 . 执行机构执行机构 过程输出通道过程输出

16、通道 操作台操作台 微型机、微型机、 工控机工控机 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术18 计算机计算机监督控制系统监督控制系统 SCC（1） 在在SCC中，由计算机按照描述生产过程的数学模中，由计算机按照描述生产过程的数学模 型或其他方法，计算出最佳给定值送给模拟调节器型或其他方法，计算出最佳给定值送给模拟调节器 或或DDC，最后由，最后由DDC或模拟调节器控制生产过程，或模拟调节器控制生产过程， 从而使生产过程始终处于最优工况。从而使生产过程始终处于最优工况。 CRT打印机打印机 输出通道输出通道输入通道输入通道 DCC计算机或模拟调

17、节器计算机或模拟调节器 SCC监督控制监督控制计算机计算机 报警报警 工工 业业 对对 象象 . 输入通道输入通道 操作台操作台 计算机监督计算机监督控制系统控制系统 (Supervisory Computer Control SCC) 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术19 计算机计算机监督控制系统监督控制系统 SCC（2） 由计算机系统对各物理量巡回检测，并按一定由计算机系统对各物理量巡回检测，并按一定 的数学模型，计算出最佳给定值并送给模拟调节器。的数学模型，计算出最佳给定值并送给模拟调节器。 此给定值在模拟调节器中与检测值比较后，

18、其此给定值在模拟调节器中与检测值比较后，其 偏差值经模拟调节器计算，然后输出到执行机构，偏差值经模拟调节器计算，然后输出到执行机构， 达到调节生产过程的目的。达到调节生产过程的目的。 CRT打印机打印机 输出通道输出通道输入通道输入通道 DCC计算机或模拟调节器计算机或模拟调节器 SCC监督控制监督控制计算机计算机 报警报警 工工 业业 对对 象象 . 输入通道输入通道 操作台操作台 * SCC 模拟调节器控制系统模拟调节器控制系统 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术20 计算机计算机监督控制系统监督控制系统 SCC（3） 是一个两级计算

19、机控制系统，监控级是一个两级计算机控制系统，监控级SCC完成完成 最优化分析和计算，给出最佳给定值，送给最优化分析和计算，给出最佳给定值，送给DDC直直 接控制生产过程。两级计算机之间通过接口进行信接控制生产过程。两级计算机之间通过接口进行信 息交流，当息交流，当DDC或或SCC级计算机出现故障，可由另级计算机出现故障，可由另 一级计算机完成控制功能。系统可靠性更高。一级计算机完成控制功能。系统可靠性更高。 CRT打印机打印机 输出通道输出通道输入通道输入通道 DCC计算机或模拟调节器计算机或模拟调节器 SCC监督控制监督控制计算机计算机 报警报警 工工 业业 对对 象象 . 输入通道输入通道

20、 操作台操作台 * SCCDDC计算机计算机 高档微型机、高档微型机、 小型机小型机 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术21 集散控制系统集散控制系统 DCS（1） 基本调节器基本调节器 被控对象被控对象 监督控制监督控制计算机计算机 . 基本调节器基本调节器 CRT操作台CRT操作台 高速数据通道 被控对象被控对象 . 集散控制系统集散控制系统 (Distributed Control SystemDCS) 又称为分布式控制系统，由若干台微处理器或又称为分布式控制系统，由若干台微处理器或 微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各微机

21、分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各 个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作， 实现复杂的控制和优化。实现复杂的控制和优化。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术22 集散控制系统集散控制系统 DCS（2） 有多台计算机分别执行不同的控制功能，将危险分散，有多台计算机分别执行不同的控制功能，将危险分散， 既能进行控制又能实现管理；既能进行控制又能实现管理； 使用灵活，可靠性提高；使用灵活，可靠性提高； 系统采用积木式结构，易于扩展；系统采用积木式结构，易于扩展； 采用采用CRT显示技术

22、，智能操作平台，操作、监视方便。显示技术，智能操作平台，操作、监视方便。 基本调节器基本调节器 被控对象被控对象 监督控制监督控制计算机计算机 . 基本调节器基本调节器 CRT操作台CRT操作台 高速数据通道 被控对象被控对象 . 多台微机多台微机 或微处理或微处理 器器 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术23 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS（1） 20世纪世纪80年代年代DCS在工业过程控制得到了广泛在工业过程控制得到了广泛 的应用，但由于它的的应用，但由于它的“操作站操作站控制站控制站现场仪表现场仪表” 的结构模式，各厂家生产

23、的的结构模式，各厂家生产的DCS标准不同，不能互标准不同，不能互 联，系统成本高。联，系统成本高。 现场总线控制系统（现场总线控制系统（Fieldbus Control System FCS）采用了两层结构）采用了两层结构“工作站工作站现场总线智能仪现场总线智能仪 表表”，完成了，完成了DCS的三层结构功能，降低了成本，的三层结构功能，降低了成本， 提高了可靠性，而且在统一的国际标准下实现真正提高了可靠性，而且在统一的国际标准下实现真正 的开放式互连系统结构。的开放式互连系统结构。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术24 现场总线控制系统

24、现场总线控制系统FCS（2） 现场总线既是一个开放的通讯网络，又是一种现场总线既是一个开放的通讯网络，又是一种 全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化全分布的控制系统，是一种新型的网络集成自动化 系统。系统。 它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的 网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计 算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功 能。能。 应用领域包括过程自动化、制造业自动化、楼应用领域包括过程自动化、制造业自动化、楼 宇自动化等等。宇自动化等等。

25、计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术25 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS（1） 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing SystemCIMS）是在信息技术、自）是在信息技术、自 动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散 在产品设计与制造过程中各种孤立的自动化子系统在产品设计与制造过程中各种孤立的自动化子系统 有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产、有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产、 实现整体效益

26、的集成化智能化制造系统。实现整体效益的集成化智能化制造系统。 CIMS通过分布式数据库、网络通信和自动化通过分布式数据库、网络通信和自动化 系统的环境支持下将产品设计、产品制造及信息管系统的环境支持下将产品设计、产品制造及信息管 理各个功能模块集成在一起。理各个功能模块集成在一起。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术26 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS（2） CIMS包括管理信息系统、设计自动化分系统、包括管理信息系统、设计自动化分系统、 制造自动化分系统、质量保证分系统、计算机网络制造自动化分系统、质量保证分系统、计算机网

27、络 分系统、数据库分系统。分系统、数据库分系统。 * 管理信息分系统管理信息分系统具有预测、经营决策、生产具有预测、经营决策、生产 计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、 设备、工具和人力资源等管理信息功能，通过信息设备、工具和人力资源等管理信息功能，通过信息 集成，达到缩短产品生产周期、降低流动资金占用、集成，达到缩短产品生产周期、降低流动资金占用、 提高企业应变能力的目的。提高企业应变能力的目的。 * 设计自动化分系统设计自动化分系统用计算机辅助产品设计、用计算机辅助产品设计、 工艺设计、制造准备及产品性能测试等工作，即工艺设计、制造准备及

28、产品性能测试等工作，即 CAD/CAPP/CAM系统，目的是使产品开发活动更系统，目的是使产品开发活动更 高效、更优质地进行。高效、更优质地进行。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术27 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS（3） * 制造自动化分系统制造自动化分系统是是CIMS中信息流和物中信息流和物 流的结合点。流的结合点。 对于对于离散型制造业离散型制造业可以由数控机床、加工中心、可以由数控机床、加工中心、 清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布 式控制（管理）计算机等设备及

29、相应的支持软件组式控制（管理）计算机等设备及相应的支持软件组 成。成。 对于对于连续型生产过程连续型生产过程，可以由，可以由DCS控制下的制控制下的制 造装备组成，通过管理与控制，达到提高生产率、造装备组成，通过管理与控制，达到提高生产率、 优化生产过程、降低成本和能耗的目的。优化生产过程、降低成本和能耗的目的。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术28 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS（4） * 质量保证分系统质量保证分系统包括质量决策、质量检测包括质量决策、质量检测 与数据采集、质量评价、控制与跟踪等功能。该系与数据采集、质

30、量评价、控制与跟踪等功能。该系 统保证从产品设计、制造、检测到后勤服务的整个统保证从产品设计、制造、检测到后勤服务的整个 过程的质量，以实现产品高质量、低成本，提高企过程的质量，以实现产品高质量、低成本，提高企 业竞争力。业竞争力。 * 计算机网络分系统计算机网络分系统采用国际标准和工业规采用国际标准和工业规 定的网络协议，实现异种机互联、异构局域网络及定的网络协议，实现异种机互联、异构局域网络及 多种网络互联。多种网络互联。 * 数据库分系统数据库分系统是逻辑上统一、物理上分布是逻辑上统一、物理上分布 的全局数据库管理系统，通过该系统可以实现企业的全局数据库管理系统，通过该系统可以实现企业

31、数据共享和信息集成。数据共享和信息集成。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术29 （2 2）按控制规律分类）按控制规律分类 （1）程序和顺序控制）程序和顺序控制 （2）PID控制控制 （3）最少拍控制）最少拍控制 （4）复杂规律的控制）复杂规律的控制 （5）智能控制）智能控制 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术30 （1 1）程序和顺序控制）程序和顺序控制 在在程序控制程序控制中，被控制量按照预先规定的时间中，被控制量按照预先规定的时间 函数变化，被控制量是时间的函数。函数变化，被控

32、制量是时间的函数。 比如：单晶炉的温度控制。比如：单晶炉的温度控制。 顺序控制顺序控制可以看做是程序控制的扩展，在各个时可以看做是程序控制的扩展，在各个时 期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次期所给出的设定值可以是不同的物理量，而且每次 设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前 的控制结果的逻辑判断。的控制结果的逻辑判断。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术31 （2 2）PIDPID控制控制 调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分调节器的输出是调节器输入的比例、积分、微分 的函

33、数。的函数。 PID控制是目前应用最广、最普遍的技术，控制是目前应用最广、最普遍的技术，PID 控制结构简单、参数容易调整。控制结构简单、参数容易调整。 目前，无论模拟调节器或数字调节器，多数仍使目前，无论模拟调节器或数字调节器，多数仍使 用用PID控制规律。控制规律。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术32 （3 3）最少拍控制）最少拍控制 最少拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可最少拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可 能短的时间里完成调节过程。能短的时间里完成调节过程。 最少拍控制通常应用在数字随动系统的设计中。最少拍控制通常应

34、用在数字随动系统的设计中。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术33 （4 4）复杂规律的控制）复杂规律的控制 对于存在随机扰动、纯滞后对象和多变量耦合的对于存在随机扰动、纯滞后对象和多变量耦合的 系统，仅用系统，仅用PID控制是难以达到满意的性能指标的，控制是难以达到满意的性能指标的， 因此，针对生产过程的实际，可以引进各种复杂规因此，针对生产过程的实际，可以引进各种复杂规 律的控制。律的控制。 如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变 量解耦控制、最优控制、自适应控制、自学习控制量解耦控制、最

35、优控制、自适应控制、自学习控制 等。等。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术34 （5 5）智能控制）智能控制 智能控制理论是一种把先进的方法学理论与解决智能控制理论是一种把先进的方法学理论与解决 当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。 智能控制理论是人工智能、运筹学和控制理论的智能控制理论是人工智能、运筹学和控制理论的 交叉和汇合。交叉和汇合。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术35 3. 计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点

36、（1）计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。）计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。 （2）计算机控制系统计算机控制系统中控制规律由程序实现，修改中控制规律由程序实现，修改 方便，不需要改变硬件电路。方便，不需要改变硬件电路。 （3）计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断）计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断 功能，可以实现复杂控制规律。功能，可以实现复杂控制规律。 （4）计算机控制系统计算机控制系统是离散控制的。是离散控制的。 （5）计算机控制系统计算机控制系统由于计算机的高速运算处理能由于计算机的高速运算处理能 力，一个数字控制器可以采用分时控制的方式，同力，一个数字控制器可以采用分

37、时控制的方式，同 时控制多个回路。时控制多个回路。 （6）采用）采用计算机控制计算机控制，便于实现控制与管理一体化。，便于实现控制与管理一体化。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术36 二、计算机控制系统原理和组成二、计算机控制系统原理和组成 1、计算机控制系统的基本原理、计算机控制系统的基本原理 2、计算机控制系统硬件组成、计算机控制系统硬件组成 3、计算机控制系统的软件组成、计算机控制系统的软件组成 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术37 1 1、计算机控制系统的基本原理、计算机

38、控制系统的基本原理（1 1） 工作原理：工作原理： 实时数据采集实时数据采集 实时检测和输入来自被控量的瞬实时检测和输入来自被控量的瞬 时值。时值。 实时控制决策实时控制决策 对采集的被控量进行实时分析和处对采集的被控量进行实时分析和处 理，并根据规定的控制规律决策将要采取的控制量。理，并根据规定的控制规律决策将要采取的控制量。 实时控制输出实时控制输出 根据作出的控制决策，适时地对执根据作出的控制决策，适时地对执 行机构发出控制信号，在线实时完成控制任务。行机构发出控制信号，在线实时完成控制任务。 y y 控制器控制器 - - 被控对象被控对象 e e给定量给定量 执行机构执行机构 + +

39、r r D/AD/A 被控量被控量 测量变送测量变送 u u A/DA/D 生产过程生产过程工控机工控机 计算机计算机 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术38 1 1、计算机控制系统的基本原理、计算机控制系统的基本原理（2 2） 工作方式：工作方式： 在线方式在线方式 计算机与生产过程直接相连且直接计算机与生产过程直接相连且直接 控制生产过程；控制生产过程； 离线方式离线方式 计算机不与生产过程相连，不直接计算机不与生产过程相连，不直接 控制生产过程；控制生产过程； 实时性实时性 与具体生产过程密切相关，信号的输与具体生产过程密切相关，信

40、号的输 入、处理和输出都必须在一定的时间范围内完成。入、处理和输出都必须在一定的时间范围内完成。 y y 控制器控制器 - - 被控对象被控对象 e e给定量给定量 执行机构执行机构 + + r r D/AD/A 被控量被控量 测量变送测量变送 u u A/DA/D 生产过程生产过程工控机工控机 计算机计算机 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术39 2 2、计算机控制系统硬件组成、计算机控制系统硬件组成（1 1） 计算机控制系统计算机控制系统的硬件组成，主要由控制对象的硬件组成，主要由控制对象 （或生产过程）、执行器、测量变送环节、输入输

41、（或生产过程）、执行器、测量变送环节、输入输 出通道和数字调节器等组成。出通道和数字调节器等组成。 传感传感 变送变送 被被 控控 对对 象象 A/D 执行执行 机构机构 接口接口 D/A接口接口 模拟输入通道模拟输入通道 模拟输出通道模拟输出通道 总总 线线 数数 字字 调调 节节 器器 开关量输出通道开关量输出通道 开关量输入通道开关量输入通道 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术40 2 2、计算机控制系统硬件组成、计算机控制系统硬件组成（2 2） * * 控制对象控制对象 被控的生产装置或设备。被控的生产装置或设备。 * * 执行器

42、执行器 根据调节器的控制信号，输出一定的根据调节器的控制信号，输出一定的 控制量，使生产过程满足预定的要求。控制量，使生产过程满足预定的要求。 * * 测量变送环节测量变送环节 由传感器和测量线路组成，其由传感器和测量线路组成，其 功能是将被控量转换成电信号。功能是将被控量转换成电信号。 * * 输入输出通道输入输出通道 为了实现计算机对生产过程的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架设信息的传控制，必须在计算机和生产过程之间架设信息的传 递和变换的连接桥梁。包括模拟量和数字量。递和变换的连接桥梁。包括模拟量和数字量。 * * 数字调节器数字调节器 就是计算机，控制规律

43、是通过计就是计算机，控制规律是通过计 算机程序来实现的。算机程序来实现的。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术41 3 3、计算机控制系统的软件组成、计算机控制系统的软件组成 计算机控制系统包括硬件和软件计算机控制系统包括硬件和软件，软件是指能，软件是指能 够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。 * 系统软件系统软件 包括操作系统、编辑软件、数据库包括操作系统、编辑软件、数据库 系统、通讯网络软件和诊断系统。系统、通讯网络软件和诊断系统。 * 应用软件应用软件 系统设计人员根据要解决的某一具系

44、统设计人员根据要解决的某一具 体生产过程而编写的各种控制和管理程序。如过程体生产过程而编写的各种控制和管理程序。如过程 控制程序、人机接口程序、打印显示程序、数据采控制程序、人机接口程序、打印显示程序、数据采 集及处理程序，巡回检测和报警程序以及各种公共集及处理程序，巡回检测和报警程序以及各种公共 子程序。子程序。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术42 三、计算机控制系统的性能及其指标三、计算机控制系统的性能及其指标 1、计算机控制系统的性能指标、计算机控制系统的性能指标 2、控制系统的工业控制机特点、控制系统的工业控制机特点 计算机控

45、制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术43 1 1、计算机控制系统的性能指标、计算机控制系统的性能指标（1 1） 计算机控制系统计算机控制系统本质上还是自动控制系统，依本质上还是自动控制系统，依 然要遵循控制理论，其性能分析和要求与连续控制然要遵循控制理论，其性能分析和要求与连续控制 系统相似，同样用系统的稳定性、能控性、能观性、系统相似，同样用系统的稳定性、能控性、能观性、 动态特性及稳态特性来表征。动态特性及稳态特性来表征。 * 稳定性稳定性 是控制系统的最重要的要求之一，是控制系统的最重要的要求之一， 一个控制系统只有稳定，才有可能工作，才谈得

46、上一个控制系统只有稳定，才有可能工作，才谈得上 控制性能的优劣。控制性能的优劣。 离散系统稳定性分析方法离散系统稳定性分析方法 分析计算机控制系统的分析计算机控制系统的 稳定性。稳定性。 稳定裕量稳定裕量 衡量计算机控制系统的稳定程度。衡量计算机控制系统的稳定程度。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术44 1 1、计算机控制系统的性能指标、计算机控制系统的性能指标（2 2） * 能控性与能观性能控性与能观性 是现代控制理论中两个非常重要是现代控制理论中两个非常重要 的概念，从控制系统状态的控制能力和状态的观测的概念，从控制系统状态的控制能

47、力和状态的观测 能力两方面揭示了控制系统的两个基本问题。能力两方面揭示了控制系统的两个基本问题。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术45 1 1、计算机控制系统的性能指标、计算机控制系统的性能指标（3 3） * 动态指标动态指标 直观反映控制系统的动态过渡过程特直观反映控制系统的动态过渡过程特 性。性。 在经典控制理论的在经典控制理论的时域分析时域分析中用时域指标来衡量中用时域指标来衡量 控制系统性能的好坏，常用指标有：控制系统性能的好坏，常用指标有： 延迟时间延迟时间td、 上升时间上升时间tr、 峰值时间峰值时间tp、调节时间、调节时

48、间ts和超调量和超调量。 在实际应用中，常用的动态性能指标为上升时间、在实际应用中，常用的动态性能指标为上升时间、 调节时间和超调量。调节时间和超调量。 用用tr或或tp评价系统的响应速度；评价系统的响应速度； 用用评价系统的阻尼程度；评价系统的阻尼程度； 而而ts是同时反映响应速度和阻尼速度的综合指标。是同时反映响应速度和阻尼速度的综合指标。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术46 1 1、计算机控制系统的性能指标、计算机控制系统的性能指标（5 5） * 稳态指标稳态指标 是反映控制系统控制精度和抗干扰能是反映控制系统控制精度和抗干扰能

49、 力的一种度量，常用稳态误差力的一种度量，常用稳态误差ess来表征。来表征。 通常在通常在阶跃函数阶跃函数、斜坡函数斜坡函数或或加速度函数加速度函数作用作用 下进行测定或计算，下进行测定或计算，ess表示系统的稳态输出量表示系统的稳态输出量y与与 期望值期望值y0之间的差值，希望之间的差值，希望ess越小越好。越小越好。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术47 1 1、计算机控制系统的性能指标、计算机控制系统的性能指标（6 6） 积分型指标积分型指标 是主要的综合性指标之一，主要以是主要的综合性指标之一，主要以 误差误差e(t)对时间的不

50、同积分来表征，有误差平方的积对时间的不同积分来表征，有误差平方的积 分、时间乘误差平方的积分、时间平方乘误差平方分、时间乘误差平方的积分、时间平方乘误差平方 的积分、误差绝对值的积分以及加权二次型性能指的积分、误差绝对值的积分以及加权二次型性能指 标等。标等。 在设计控制系统时，选择不同的性能指标，设计在设计控制系统时，选择不同的性能指标，设计 得到的系统结构和参数是有区别的。得到的系统结构和参数是有区别的。 因此在设计时应根据具体情况和要求，正确选择因此在设计时应根据具体情况和要求，正确选择 性能指标，既要考虑能对系统的性能作出正确的评性能指标，既要考虑能对系统的性能作出正确的评 价，又要考

51、虑到数学上便于处理及工程上容易实现，价，又要考虑到数学上便于处理及工程上容易实现， 通常还需做一定的试探和比较。通常还需做一定的试探和比较。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术48 2 2、被控对象对控制性能的影响、被控对象对控制性能的影响 假设被控对象的放大系数假设被控对象的放大系数Km和扰动放大系数和扰动放大系数Kn、 惯性时间常数惯性时间常数Tm和和Tn 、对象的纯滞后时间常数、对象的纯滞后时间常数和和 n，而控制系统的性能采用超调量，而控制系统的性能采用超调量、调节时间、调节时间ts 和稳态误差和稳态误差ess等来表征，根据控制理

52、论可以得出如等来表征，根据控制理论可以得出如 下结论：下结论： （1）放大系数对控制性能的影响）放大系数对控制性能的影响 （2）惯性时间常数对控制性能的影响）惯性时间常数对控制性能的影响 （3）纯滞后时间对控制性能的影响）纯滞后时间对控制性能的影响 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术49 （1 1）放大系数对控制性能的影响）放大系数对控制性能的影响 扰动放大系数扰动放大系数Kn越小，稳态误差越小，稳态误差ess也越小，控也越小，控 制精度就越高，制精度就越高，故希望故希望Kn尽可能小尽可能小； 放大系数放大系数Km完全可以由数字调节器的比

53、例系数完全可以由数字调节器的比例系数 Kp来补偿，所以来补偿，所以Km对系统的性能没有影响。对系统的性能没有影响。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术50 （2 2）惯性时间常数对控制性能的影响）惯性时间常数对控制性能的影响 当当Tn加大或惯性环节的阶次增加时，可以减少加大或惯性环节的阶次增加时，可以减少 超调量超调量； 而而Tm越小，系统的反应就越灵敏，控制也就越越小，系统的反应就越灵敏，控制也就越 及时，控制性能就越好及时，控制性能就越好 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术51

54、（3 3）纯滞后时间对控制性能的影响）纯滞后时间对控制性能的影响 扰动通道的纯滞后时间扰动通道的纯滞后时间n对控制系统的性能没对控制系统的性能没 有影响，只是使输出量有影响，只是使输出量yn(t)沿时间轴平移了沿时间轴平移了n ； 而控制通道的纯滞后时间而控制通道的纯滞后时间使控制系统的超调量使控制系统的超调量 增大，调节时间增大，调节时间ts延长，纯滞后时间延长，纯滞后时间越大，控制越大，控制 性能就越差。性能就越差。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术52 3 3、控制系统的工业控制机特点、控制系统的工业控制机特点 计算机控制系统计算

55、机控制系统是计算机在工业过程控制中的应是计算机在工业过程控制中的应 用，是计算机很重要的应用领域之一。但它不同于用，是计算机很重要的应用领域之一。但它不同于 一般的计算机应用领域，对计算机有着特殊的要求。一般的计算机应用领域，对计算机有着特殊的要求。 控制系统的工业控制机（简称工控机）的特点：控制系统的工业控制机（简称工控机）的特点： * 高可靠性和可维护性高可靠性和可维护性 * 环境适应性强环境适应性强 * 控制的实时性控制的实时性 * 完善的输入输出通道完善的输入输出通道 * 丰富的软件丰富的软件 * 适当的计算精度和运算速度适当的计算精度和运算速度 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技

56、术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术53 四、计算机控制系统的发展与展望四、计算机控制系统的发展与展望 1、现代计算机控制系统概论、现代计算机控制系统概论 2、新型控制策略与计算机控制系统、新型控制策略与计算机控制系统 3、计算机控制系统软件技术的新发展、计算机控制系统软件技术的新发展 4、计算机控制系统的发展趋势、计算机控制系统的发展趋势 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术54 1 1、现代计算机控制系统概论、现代计算机控制系统概论（1 1） * 20世纪世纪50年代，计算机开始用于工业生产过程年代，计算机开始用于工业生

57、产过程 控制；控制； * 1954年，开始用计算机构成开环控制系统；年，开始用计算机构成开环控制系统； * 1957年，石油蒸馏过程控制采用了计算机构成闭年，石油蒸馏过程控制采用了计算机构成闭 环系统；环系统； * 1962年，在一个乙烯厂实现了直接数字控制系统；年，在一个乙烯厂实现了直接数字控制系统； * 19651969，计算机控制进入使用普及的阶段，计算机控制进入使用普及的阶段， 出现小型机，可靠性提高，成本降低，但仍属于集出现小型机，可靠性提高，成本降低，但仍属于集 中性控制；中性控制； 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术55 1

58、 1、现代计算机控制系统概论、现代计算机控制系统概论（2 2） * 1970年以后，控制进入大量推广和分级控制阶年以后，控制进入大量推广和分级控制阶 段。将计算机分散到生产装置中去，实现小范围的段。将计算机分散到生产装置中去，实现小范围的 局部控制和某些特殊控制，这种控制方式称为局部控制和某些特殊控制，这种控制方式称为“分分 散性计算机控制系统散性计算机控制系统”，即，即DCS。 * 1990年以后，由于网络技术的迅速发展，生产年以后，由于网络技术的迅速发展，生产 过程和控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网过程和控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网 络技术应用到了控制系统的前置机以及前置和

59、上位络技术应用到了控制系统的前置机以及前置和上位 机之间的数据传输中。前置机完成自己的控制功能，机之间的数据传输中。前置机完成自己的控制功能， 但它与上位机之间的数据传输采用计算机网络实现。但它与上位机之间的数据传输采用计算机网络实现。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术56 1 1、现代计算机控制系统概论、现代计算机控制系统概论（3 3） * 20世纪世纪80年代后期，许多传感器、执行机构、年代后期，许多传感器、执行机构、 驱动装置等现场设备数字化，人们开始寻求用一根驱动装置等现场设备数字化，人们开始寻求用一根 统一电缆将现场设备连起来

60、，这就产生了一种新的统一电缆将现场设备连起来，这就产生了一种新的 控制观念控制观念现场控制现场控制。其特点：。其特点： （1）信号传输实现了全数字化；）信号传输实现了全数字化； （2）系统结构全分散化；）系统结构全分散化； （3）现场设备具有互操作性，并可以统一组态；）现场设备具有互操作性，并可以统一组态； （4）通讯网络为开放式互联网络，方便数据共享；）通讯网络为开放式互联网络，方便数据共享； （5）技术和标准实现全开放。）技术和标准实现全开放。 计算机控制计算机控制系统（系统（技术技术） 2021-7-23计算机控制技术计算机控制技术57 2 2、新型控制策略与计算机控制系统、新型控制策略