计算机控制系统概述

1、沈阳建筑大学沈阳建筑大学 信息与控制工程学院信息与控制工程学院 马斌马斌 计算机控制技术计算机控制技术 计算机控制技术计算机控制技术 参考书：参考书： 曹承志，曹承志，微型计算机控制新技术微型计算机控制新技术，机械工业出版社，机械工业出版社，2001.3 薛弘哗，薛弘哗，计算机控制技术计算机控制技术，电子工业出版社，电子工业出版社，2001.6 于海生，于海生，微型计算机控制技术微型计算机控制技术，机械工业出版社，机械工业出版社，1999.3 王晓明，王晓明，电动机的单片机控制电动机的单片机控制，电子工业出版社，电子工业出版社，2002.5 朱玉玺，朱玉玺，计算机控制技术计算机控制技术，清华大

2、学出版社，清华大学出版社，2005.6 阅读期刊：阅读期刊： 工业控制机、控制工程、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业控制机、控制工程、测控技术、电气自动化、自动化仪表、 工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表 等等。等等。 主要内容：主要内容： 第一章是绪论，介绍了微机控制技术的一般概念，微第一章是绪论，介绍了微机控制技术的一般概念，微 机参与控制的典型方式，微机控制的特点及设计过程；机参与控制的典型方式，微机控制的特点及设计过程； 第二章讨论了信号的采样与复现，模拟量输入通道，第二章讨论了信号的采样与复现，模拟量输入通道， 模拟量输入与输入通道接口

3、技术，模拟量输出与输出通道模拟量输入与输入通道接口技术，模拟量输出与输出通道 接口技术，数字量输入与输出通道；接口技术，数字量输入与输出通道； 第三章讨论了数字控制器连续化设计技术，数字第三章讨论了数字控制器连续化设计技术，数字PID 控制设计和改进方法，数字化控制设计和改进方法，数字化PID的控制参数整定，串级的控制参数整定，串级 控制器设计方法，数字控制器设计方法，数字PID控制器的讨论；控制器的讨论； 第四章主要讲解控制计算机的构成，控制计算机的种第四章主要讲解控制计算机的构成，控制计算机的种 类，计算机控制系统的操作方法，微型计算机常用接口电类，计算机控制系统的操作方法，微型计算机常用

4、接口电 路，电源设计；路，电源设计； 主要内容：主要内容： 第五章讨论了处理数据预处理，数字滤波，数据结构第五章讨论了处理数据预处理，数字滤波，数据结构 及应用技术，控制系统应用程序设计方法；及应用技术，控制系统应用程序设计方法； 第六章讨论了计算机控制系统可靠性概述，硬件系统第六章讨论了计算机控制系统可靠性概述，硬件系统 可靠性技术，软件可靠性技术；可靠性技术，软件可靠性技术； 第七章讨论了数据通信与工业网络，集散控制系统，第七章讨论了数据通信与工业网络，集散控制系统， 现场总线控制系统；现场总线控制系统； 第八章讨论了控制系统设计的一般步骤及原则，微机第八章讨论了控制系统设计的一般步骤及原

5、则，微机 控制系统设计分析和工程实现，并给出了设计实例；控制系统设计分析和工程实现，并给出了设计实例； 第第1章章 计算机控制技术概述计算机控制技术概述 1.1 计算机控制技术的含义与地位计算机控制技术的含义与地位 1.2 计算机控制系统的输入与输出信号计算机控制系统的输入与输出信号 1.3 计算机控制系统的典型结构和特点计算机控制系统的典型结构和特点 1.4 计算机控制系统的任务和要求计算机控制系统的任务和要求 1.5 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 1.6 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 1.7 计算机控制技术的发展计算机控制技术的发展 1.1 计算机控制技术的含义与地

6、位计算机控制技术的含义与地位 1.1.1 计算机控制技术的发展历程计算机控制技术的发展历程 首先是首先是20世纪世纪50年代以前的人工控制阶段年代以前的人工控制阶段 （基地式仪表控制系统）（基地式仪表控制系统） 第二个阶段是第二个阶段是20世纪世纪60年代的模拟式仪表控制阶段年代的模拟式仪表控制阶段 （电动单元组合式仪表控制系统）（电动单元组合式仪表控制系统） 第三个阶段是第三个阶段是20世纪世纪70年代的计算机集中控制阶段年代的计算机集中控制阶段 第四个阶段是第四个阶段是20世纪世纪80年代的集散式控制阶段年代的集散式控制阶段 （分布式控制系统）（分布式控制系统） 图图1-1 某热电厂锅炉仪

7、表集中控制室某热电厂锅炉仪表集中控制室 图图1-2 某热电厂锅炉计算机控制室某热电厂锅炉计算机控制室 1.1.2 1.1.2 计算机控制技术的含义计算机控制技术的含义 所谓计算机控制，所谓计算机控制，就是利用就是利用传感装置传感装置将被监控对象中的将被监控对象中的 物理参量（如温度、压力、液位、速度）转换为电量（如电物理参量（如温度、压力、液位、速度）转换为电量（如电 压、电流），再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装压、电流），再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装 置中置中转换为转换为计算机可识别的计算机可识别的数字量数字量，并且在计算机的显示装，并且在计算机的显示装 置中以数字、图形

8、或曲线的方式显示出来，从而使得操作人置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人 员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。除此之外，员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。除此之外， 计算机还可以将采集到的数据计算机还可以将采集到的数据存储起来存储起来，随时进行分析、统，随时进行分析、统 计和显示并制作各种报表。如果还需要对被监控的计和显示并制作各种报表。如果还需要对被监控的对象进行对象进行 控制控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的大 小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量的设定值进行判小和变化情况以及按照工艺所要求

9、该物理量的设定值进行判 断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行装推动执行装 置置（如调节阀、电动机）动作从而完成相应的控制任务。（如调节阀、电动机）动作从而完成相应的控制任务。 1.1.3 控制系统微机化的重要意义控制系统微机化的重要意义 计算机技术的引入，为控制系统带来以下一些新特点和新功能：计算机技术的引入，为控制系统带来以下一些新特点和新功能： 1 1）自动清零功能。）自动清零功能。 2 2）量程自动切换功能）量程自动切换功能 3 3）多点快速测控）多点快速测控 4 4）数字滤波功能）数字滤波功能 5 5）自动修正误差。）自动修正误差

10、。 6 6）数据处理功能）数据处理功能 7 7）复杂控制规律）复杂控制规律 8 8）多媒体功能）多媒体功能 9 9）通信或网络功能）通信或网络功能 1010）自我诊断功能）自我诊断功能 1.2 计算机控制系统的输入与输出信号计算机控制系统的输入与输出信号 1.1.模拟量信号模拟量信号 模拟信号是指随时间连续变化的信号。 2.2.数字（开关）量信号数字（开关）量信号 开关信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。 3.3.脉冲量信号脉冲量信号 当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视为脉 冲量，也就是说脉冲量具有周期性。 1.3 计算机控制系统的典型结构和特点计算机控制系统的典型结构和特点

11、1.3.1 计算机控制系统的典型结构计算机控制系统的典型结构 从本质上讲，计算机控制系统的工作过程可归纳为以下三步：从本质上讲，计算机控制系统的工作过程可归纳为以下三步： 1 1）实时数据采集：实时数据采集：对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行 采集和输入；采集和输入； 2 2）实时控制决策：实时控制决策：对采集到的被控量进行分析、比较和处理，对采集到的被控量进行分析、比较和处理， 按预定的控制规律运算，进行控制决策；按预定的控制规律运算，进行控制决策； 3 3）实时输出控制：实时输出控制：根据控制决策，实时地向执行机构发出控根据控制决策，实时地向执行机构发

12、出控 制信号，完成系统控制任务或输出其它有关信号，如报警信号制信号，完成系统控制任务或输出其它有关信号，如报警信号 等。等。 1.3.2 计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 1 1）技术集成和系统复杂程度高）技术集成和系统复杂程度高 2 2）实时性强）实时性强 3 3）可靠性高和可维修性好）可靠性高和可维修性好 4 4）环境适应性强）环境适应性强 5 5）控制的多功能性）控制的多功能性 6）应用的灵活性。）应用的灵活性。 1.4 计算机控制系统的任务和要求计算机控制系统的任务和要求 1.4.1 计算机控制系统的任务计算机控制系统的任务 1检测检测 2执行机构的驱动执行机构的驱动 3控制控

13、制 4人一机交互人一机交互 5通信通信 1.4.2 计算机控制系统的基本要求计算机控制系统的基本要求 1具有良好的实时性具有良好的实时性 2具有高可靠性和较强的环境适应性具有高可靠性和较强的环境适应性 3采用标准化部件，便于扩充、升级和维护采用标准化部件，便于扩充、升级和维护 4具有良好的人机界面和丰富的监视画面具有良好的人机界面和丰富的监视画面 5具有良好的系统组态和可选的各种控制策略具有良好的系统组态和可选的各种控制策略 6具有网络通讯功能，便于实现工厂自动化和信息化具有网络通讯功能，便于实现工厂自动化和信息化 1.5 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 可以分为硬件和软件两大部分可

14、以分为硬件和软件两大部分 包括：主机，过程通道，传感器及自动化仪表，通用外设，软件包括：主机，过程通道，传感器及自动化仪表，通用外设，软件 过程通道 1.5.1 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 1计算机主机计算机主机 2过程通道过程通道 3通用外部设备通用外部设备 4. 4. 传感器及传感器及 自动化仪表自动化仪表 图图1-6 计算机操作控制台计算机操作控制台 1.5.2 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成 1.5.3 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理 上述温度监控计算机系统对生产过程实现自动控制可以分上述温度监控计算机系统对生产过程实现自动控制

15、可以分 解为四个过程：解为四个过程： 1 1）生产过程的被控参量（过程信号）通过测量环节转）生产过程的被控参量（过程信号）通过测量环节转 化为相应的电量或电参数，再由变送器或放大器变换成标化为相应的电量或电参数，再由变送器或放大器变换成标 准的电压信号或电流信号；准的电压信号或电流信号； 2 2）电压信号或电流信号经过）电压信号或电流信号经过A/DA/D转换后变成计算机可转换后变成计算机可 以识别的数字信号，并将其转换为人们易于理解的工程量以识别的数字信号，并将其转换为人们易于理解的工程量 （测量值）；（测量值）； 3 3）计算机根据测量值与给定值的偏差，按一定的控制）计算机根据测量值与给定值

16、的偏差，按一定的控制 算法输出控制信号；算法输出控制信号； 4 4）控制信号作用于执行机构，通过调节物料流量或能量）控制信号作用于执行机构，通过调节物料流量或能量 的大小来实现对生产过程的调节。的大小来实现对生产过程的调节。 1.6 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 1数据采集及操作指导控制系统（数据采集及操作指导控制系统（DAS） 操作指导是指计操作指导是指计 算机的输出不直接用算机的输出不直接用 来控制生产过程，而来控制生产过程，而 只是对系统过程参数只是对系统过程参数 进行收集，按预定的进行收集，按预定的 算法计算各控制量，算法计算各控制量， 求出最佳设定值，通求出最佳设定值，通

17、 过显示或打印输出数过显示或打印输出数 据，操作人员根据这据，操作人员根据这 些数据进行必要的操些数据进行必要的操 作控制。作控制。 2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC） 计算机首先通过模拟量输计算机首先通过模拟量输 入通道、开关量输入通道实入通道、开关量输入通道实 时采集数据，然后按照一定时采集数据，然后按照一定 的控制规律进行计算，最后的控制规律进行计算，最后 发出控制信息，并通过模拟发出控制信息，并通过模拟 量输出通道、开关量输出通量输出通道、开关量输出通 道直接控制生产过程。道直接控制生产过程。 优点：优点： 能够实现自动控制、能够实现自动控制、 多回路控制，能够灵活的把多回

18、路控制，能够灵活的把 各种算法施加于生产过程。各种算法施加于生产过程。 缺点：结构复杂，投资高。缺点：结构复杂，投资高。 3监督控制系统（监督控制系统（SCC） 计算机根据工艺信息和其它计算机根据工艺信息和其它 参数，按照描述生产过程，自动参数，按照描述生产过程，自动 地改变模拟调节器或以直接数字地改变模拟调节器或以直接数字 控制方式工作的微型机中的给定控制方式工作的微型机中的给定 值，从而使生产过程始终处于最值，从而使生产过程始终处于最 优工况。从这个角度上说，它的优工况。从这个角度上说，它的 作用是改变给定值，所以又称设作用是改变给定值，所以又称设 定值控制定值控制SPC。 优点：优点：D

19、DC计算机可以直接控制，计算机可以直接控制， SCC计算机只是采集，优化；这计算机只是采集，优化；这 实际上是一种不存在上下级通信实际上是一种不存在上下级通信 的两级控制，只存在传递设定值的两级控制，只存在传递设定值 的关系。的关系。 缺点：造价高、效益差，现在已缺点：造价高、效益差，现在已 经不用了。经不用了。 4分布式控制系统（分布式控制系统（DCS） 5现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS） 6工业过程计算机集成制造系统（工业过程计算机集成制造系统（CIMS） 1.7 计算机控制技术的发展计算机控制技术的发展 1智能化智能化 2综合化与集成化综合化与集成化 3系统化与标准化系统化与标准化 4微型化与大型化微型化与大型化 5多媒体化与网络化多媒体化与网络化 研究和发展智能控制系统有：研究和发展智能控制系统有： (1)(1)分级递阶智能控制系统分级递阶智能控制系统 (2)(2)模糊控制系统（基于模糊集合理论）模糊控制系统（基于模糊集合理论） (3)(3)专家控制系统（基于知识的系统）专家控制系统（基于知识的系统） (4)(4)学习控制系统（学习是控制经验的积累）学习控制系统（学习是控制经验的积累） (5)(5)神经控制系统（基于人工神经网络的控制）神经控制系统（基于人工神经网络的控制） 习题与思考题习题与思考题 1 1