计算机控制系统

1、 前前 言言计算机控制系统计算机控制系统/ /技术是高等院校自动控制、工业技术是高等院校自动控制、工业电气自动化、检测技术与仪器仪表、机电一体化、计电气自动化、检测技术与仪器仪表、机电一体化、计算机应用等专业的一门主要技术课程。算机应用等专业的一门主要技术课程。 该课程是自控理论与微机原理及接口技术课程的后该课程是自控理论与微机原理及接口技术课程的后续课程，是一门跨科学、应用性强的现代技术课程。续课程，是一门跨科学、应用性强的现代技术课程。 通过此课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的通过此课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的结构、控制原理和设计方法，培养学生根据实际问题结构、控制原理和设计

2、方法，培养学生根据实际问题设计和组成计算机控制系统的能力。设计和组成计算机控制系统的能力。第一章第一章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 前言前言 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 1.1 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 1.2 1.2 计算机控制系统的主要特征计算机控制系统的主要特征 1.3 1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 1.4 1.4 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况前言前言 自动控制的基本概念自动控制的基本概念一、什么是自动化和自动控制？一、什么是自动化和自动控制？二、自动化科学与技术学科的重要性二、自动化科学与技术学科的重要

3、性三、三、自动化的发展自动化的发展四、各邻域的自动化四、各邻域的自动化五、控制系统的基本概念五、控制系统的基本概念一、什么是自动化和自动控制？一、什么是自动化和自动控制？n自动化自动化是指机器或装置在无人干预的情况下是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。n自动控制自动控制是关于受控系统的分析、设计和运是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。行的理论和技术。n自动化主要研究的是工程控制问题，此外，自动化主要研究的是工程控制问题，此外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制

4、问题。例如生物控制、经济控制、统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等。社会控制及人口控制等。水温控制系统水温控制系统手动控制手动控制自动控制自动控制二、自动化二、自动化科学与技术学科的重要性科学与技术学科的重要性7 （一）自动化学科的作用（一）自动化学科的作用 1、自动化是人类文明进步和现代化的重要标志。 2、自动化不仅可以部分或全部代替人的体力或脑力劳动，而且可以完成人类依靠自身的体力和脑力劳动无法直接完成的任务。 3、自动化的实现极大地提高了生产效率和产品的质量，降低了原材料和能源消耗，创造了前所未有的社会经济效益和社会财富，从而导致国家实力的增长、生态环境的改善和人民

5、生活水平的普遍提高。 4、自动化是信息工业与传统工业的接口，是信息化带动工业化的重要技术手段。 5、自动化是国防现代化的标志。具有自动导航和控制功能的无人和载人航天器、航空器、航海器，网络化和自动化的军事指挥和武器系统是现代高技术战争的基础。 6、自动化科学与技术是一门综合而年轻的学科，同信息处理、网络与数据通信、计算机应用等科学与技术密切相关，具有广阔的发展前景。 三、自动化技术发展三、自动化技术发展 自动化技术的形成自动化技术的形成 反馈与开环、闭环控制系统反馈与开环、闭环控制系统 控制理论的发展控制理论的发展 1、经典控制理论的形成与发展、经典控制理论的形成与发展 2、现代控制理论的形成

6、与发展、现代控制理论的形成与发展 3、控制理论的发展控制理论的发展公元前我国的自动计时漏壶（一）自动化技术的形成（一）自动化技术的形成1、我国古代的自动化装置、我国古代的自动化装置公元132年张衡研制出自动测量地震的候风地动仪公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 2、国外的自动装置、国外的自动装置p荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟表p英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控制的风磨p俄国机械师.波尔祖诺夫于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。 闭环时的航线（二）反馈、开环与闭环控制系统（二）反馈、开环与闭环控制系

7、统生物条件反射生物条件反射 反馈控制论反馈控制论自动调节原理自动调节原理1、生物条件反射、生物条件反射巴普洛夫的生物条件反射理论是自动控制的理论巴普洛夫的生物条件反射理论是自动控制的理论基础基础2、反馈控制论、反馈控制论反馈（Feedback）系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。 开环时的航线闭环时的航线3、自动调节原理、自动调节原理闭环控制系统复杂，但性能稳定，控制精度高开环控制系统简单，但开环控制系统简单，但性能差。性能差。 最早应用于工业过程中的自动反馈控制器最早应用于工业过程中的自动反馈控制器和自动调节原理，是英国人和自动调节原理，是英国人瓦

8、特瓦特（James WaltJames Walt）在在17691769年发明的飞球控制器，它被用来控制年发明的飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。蒸汽机的转速。 机械装置测量驱动杆的转速并利用飞球的机械装置测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，控制进入蒸汽机的蒸汽流量。转动来控制阀门，控制进入蒸汽机的蒸汽流量。转速增大时，飞球离开轴线，于是关紧阀门。转速增大时，飞球离开轴线，于是关紧阀门。英国英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 控制理论的奠基人和控制理论的诞生控制理论的奠基人和控制理论的诞生诺伯特维纳 (Norbert Wiener)189

9、4-1964控制论,或动物和机器的控制和通信, 1948( Cybernetics, or control and communication in the animal and machine, 1948 )（三）控制理论的发展（三）控制理论的发展 1 1、经典控制论（、经典控制论（2020世纪世纪4040年代）年代） 应用方法应用方法: : 时域法、频域法、根轨迹法时域法、频域法、根轨迹法 研究对象研究对象: : 单输入，单输出单输入，单输出 研究内容研究内容: : 随动调节随动调节 数学模型数学模型: : 微分方程，传递函数微分方程，传递函数 数学工具数学工具: : 微分方程，复变函数，

10、拉普拉微分方程，复变函数，拉普拉 斯变换斯变换 适用系统适用系统: : 简单系统简单系统自动防空火力控制系统自动防空火力控制系统 在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。这一新的科学领域。经典控制论的应用经典控制论的应用p模拟计算机模拟计算机p气动单元组合仪表气动单元组合仪表p智能化的仪表和控制器智能化的仪表和控制器 局部自动化的广泛应用局

11、部自动化的广泛应用 2 2、现代控制论（、现代控制论（2020世纪世纪7070年代）年代） 研究对象研究对象: : 多输入，多输出多输入，多输出 研究内容研究内容: : 多变量控制、最优控制多变量控制、最优控制 数学模型数学模型: : 状态方程状态方程 数学工具数学工具: : 线性代数，泛函分析线性代数，泛函分析 应用方法应用方法: : 时域法时域法 适用系统适用系统: : 复杂系统复杂系统p.庞特里亚金提出极大值原理庞特里亚金提出极大值原理pR.贝尔曼创立动态规划贝尔曼创立动态规划pR.卡尔曼提出状态空间法卡尔曼提出状态空间法p(可控性、可观性、最优状态估计等可控性、可观性、最优状态估计等)

12、现代控制理论的形成和发展现代控制理论的形成和发展 3 3、控制理论的发展、控制理论的发展 最优控制最优控制: :性能最优的控制律性能最优的控制律 自适应控制自适应控制: :系统特性变动下可自动调整控制系统特性变动下可自动调整控制 智能控制智能控制: :人工智能与自动控制的交叉，包括人工智能与自动控制的交叉，包括 模糊控制、神经网络、遗产变异、专家模糊控制、神经网络、遗产变异、专家 控制系统控制系统 大系统及其控制和计算机集成制造系统大系统及其控制和计算机集成制造系统以上控制都需要用计算机辅助实现以上控制都需要用计算机辅助实现 搬运机器人装配机器人四、各四、各工业自动化工业自动化注塑机弯管机绕线

13、机高速五轴龙门铣床高速五轴龙门铣床 龙门式五轴联动混联机床龙门式五轴联动混联机床汽车自动焊接生产线汽车自动焊接生产线全弹自动装配生产线 自动搬运车自动立体仓库采松果机器人挖树根机器人2、农业自动化、农业自动化嫁接机器人采摘机器人壁面清洗机器壁面清洗机器人人擦玻璃机器人擦玻璃机器人3 3、服务自动化、服务自动化飞机清洗机器人汽车加油机器人家用清洁机器人高压输电线维修（遥操作）机器人医用机器人中国骨科机器人系统法国远程医疗机器人各种军用机器人4 4、军事自动化、军事自动化 Mobile platform Manipulator Cameras 2-DOF turret 国产反恐机器人空间舱外舱内机

14、器人 五、控制系统的基本概念五、控制系统的基本概念（一）（一）基本概念基本概念1 1、自动控制、自动控制 没有人直接操作的情况下，利用控制装置使被控没有人直接操作的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量或工作状态自动地按照预定对象的某一物理量或工作状态自动地按照预定的规律运行或变化。的规律运行或变化。2 2、自动控制系统、自动控制系统 能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。由被控制对象和控制装置组成。由被控制对象和控制装置组成。比较比较执行执行被控对象被控对象测量测量被控量被控量干扰干扰给定值给定值3 3、被控制对象：、被控制对象：要求

15、实现控制的生产过程、设备和机要求实现控制的生产过程、设备和机器。器。4 4、控制装置：、控制装置：对被控制对象起控制作用的设备总体，对被控制对象起控制作用的设备总体，包括测量装置、比较和放大装置、执行机构等。包括测量装置、比较和放大装置、执行机构等。5 5、被控制量：、被控制量：被控制对象中要求保持给定数值或按要被控制对象中要求保持给定数值或按要求变化的物理量。求变化的物理量。6 6、给定值：、给定值：作用于控制系统输入端并作为控制依据的作用于控制系统输入端并作为控制依据的物理量物理量l例例1 1 恒值控制系统恒值控制系统: : 烘烤炉温度控制系统烘烤炉温度控制系统被控对象被控对象 烘炉烘炉被

16、控量被控量 温度温度给定值给定值 温度（电位器输出电压）温度（电位器输出电压）干扰干扰 工件温度、环境温度、煤气压力等工件温度、环境温度、煤气压力等测量元件测量元件 热电偶热电偶执行机构执行机构 电动机、阀门电动机、阀门l 例例2 2 位置随动系统位置随动系统被控对象被控对象 工作机械工作机械被控量被控量 工作机械角位置工作机械角位置给定值给定值 转角转角测量元件测量元件 两个相同的电位器两个相同的电位器干扰干扰 影响工作机械角位置的各种因素影响工作机械角位置的各种因素执行机构执行机构 电动机、减速器电动机、减速器思考题思考题： 调速系统（画出原理框图，确定调速系统（画出原理框图，确定各部件的

17、作用）各部件的作用） 被控对象被控对象 电动机电动机 被控量被控量 转速转速 给定值给定值 给定电位器给定电位器 输出电压输出电压 干扰干扰 影响转速的各种因素影响转速的各种因素 测量元件测量元件 测速发电机测速发电机（二）（二） 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统 1 1、 开环系统：开环系统： 组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系的系统用，没有反向联系的系统。即即：输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没有影响。输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没有影响。 （1 1）按给定值操纵的开环控制系统）按给定值操纵的

18、开环控制系统执行机构执行机构被控对象被控对象输出输出给定输入给定输入（2 2）按干扰补偿的开环控制系统）按干扰补偿的开环控制系统计算计算执行执行被控对象被控对象测量测量被控被控量量干扰干扰给定值给定值特点：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测对特点：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测对象及受控对象各功能部件内部参数变化对被控量象及受控对象各功能部件内部参数变化对被控量造成的影响，系统自身无法控制。造成的影响，系统自身无法控制。 2 2、闭环系统、闭环系统比较比较执行执行被控对象被控对象测量测量被控量被控量干扰干扰给定值给定值（1）组成系统的控制装置与被控对象之间既有顺向）组成系统的控制装置与被控

19、对象之间既有顺向作用，又有反向联系的系统作用，又有反向联系的系统（2) 2) 反馈反馈 ：输出送回至输入端并与输入信号进行：输出送回至输入端并与输入信号进行比较的过程。有正反馈和复反馈两种。比较的过程。有正反馈和复反馈两种。 开环系统：优点：成本低，易于构建，稳定；开环系统：优点：成本低，易于构建，稳定； 缺点：抗干扰能力差，无自动修正偏差的功能；缺点：抗干扰能力差，无自动修正偏差的功能； 适用于：系统的输入量事先知道，并且不存在不可适用于：系统的输入量事先知道，并且不存在不可测量的扰动的系统测量的扰动的系统 闭环系统：优点：控制精度高，抗干扰能力强，闭环系统：优点：控制精度高，抗干扰能力强，

20、可自动修正偏差可自动修正偏差 缺点：稳定性是主要问题，成本高；缺点：稳定性是主要问题，成本高； 适用于：存在着无法预计的扰动或系统中元件的适用于：存在着无法预计的扰动或系统中元件的参数存在着无法预计变化的系统。参数存在着无法预计变化的系统。两者比较两者比较: :1.1.1 1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成一、计算机控制一、计算机控制 用计算机代替常规控制系统中的模拟控制用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制。器对系统进行控制。1 1、在控制系统中，控制器是其核心部分，直、在控制系统中，控制器是其核心部分，直接影响控制系统的性能。接影响控制系统的性能。 2 2、早期的控

21、制系统都采用模拟控制器（仪器、早期的控制系统都采用模拟控制器（仪器仪表）。仪表）。 模拟控制器的优点是可靠性高，易于模拟控制器的优点是可靠性高，易于操作和维护。操作和维护。 3 3、随着生产向大型化、复杂化方向发展，对、随着生产向大型化、复杂化方向发展，对自动化的要求也越来越高，常规的模拟控制器自动化的要求也越来越高，常规的模拟控制器已难以实现如自适应、最优控制等复杂控制。已难以实现如自适应、最优控制等复杂控制。 4 4、用计算机作控制器可以满足大型化、复杂、用计算机作控制器可以满足大型化、复杂化的要求，主要原因是：化的要求，主要原因是：（1 1）计算机得到了快速的发展，其特点是运）计算机得到

22、了快速的发展，其特点是运算速度快、存储容量大、有强大的逻辑判断能算速度快、存储容量大、有强大的逻辑判断能力、软件可灵活多变。力、软件可灵活多变。（2 2）出现了适用于控制系统的各种计算机，）出现了适用于控制系统的各种计算机，如单片机、可编程控制器、各类工业控制机。如单片机、可编程控制器、各类工业控制机。（3 3）与微机配套的）与微机配套的I/OI/O接口、输入接口、输入/ /输出通道输出通道齐全。齐全。（4 4）控制算法和控制软件不断发展可适用于）控制算法和控制软件不断发展可适用于各种不同类型的控制系统。各种不同类型的控制系统。二二 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成例例1 1：温度控制

23、系统：温度控制系统炉炉 窑窑热电偶热电偶 输入输入 A/D 计计 外外 阀门阀门 D/A 机机 操作台操作台算算设设输输出出例例2 2：机械手随动系统：机械手随动系统A/D D(Z) D/A 放大放大 KT压力传感器压力传感器 机械手机械手 由上面例子可看出：由上面例子可看出：（1 1）计算机控制系统由）计算机控制系统由计算机系统、检测和执行机计算机系统、检测和执行机构、通道与接口、外设和工业生产对象等部分组成。构、通道与接口、外设和工业生产对象等部分组成。（2 2）计算机经过检测和执行机构、输入）计算机经过检测和执行机构、输入/ /输出通道和输出通道和接口与被控对象连接；通过各种类型的外部设

24、备与操接口与被控对象连接；通过各种类型的外部设备与操作员相联系。作员相联系。 检测部分对被控对象进行检测，信号检测部分对被控对象进行检测，信号经通道与接口变换后送计算机处理。计算机处理后发经通道与接口变换后送计算机处理。计算机处理后发出控制信号驱动执行机构对被控对象进行控制。出控制信号驱动执行机构对被控对象进行控制。（3 3）计算机只能处理数字量，对模拟信号必需经）计算机只能处理数字量，对模拟信号必需经A/DA/D、D/AD/A转换。转换。 计算机控制系统由计算机控制系统由硬件和软件硬件和软件两大部分组成。两大部分组成。 硬件：硬件：由微型计算机、输入由微型计算机、输入/ /输出通道和接输出通

25、道和接口、检测元件仪表、执行机构和各种外设组成，口、检测元件仪表、执行机构和各种外设组成，是控制系统的基础。是控制系统的基础。 软件：软件：分为系统软件和应用软件；系统软件分为系统软件和应用软件；系统软件用于管理计算器的各种资源，方便用户的使用；用于管理计算器的各种资源，方便用户的使用；应用软件用于解决用户控制中的实际问题。应用软件用于解决用户控制中的实际问题。（一）计算机控制系统的硬件（一）计算机控制系统的硬件 计算机控制系统的硬件由五部分组成计算机控制系统的硬件由五部分组成 1 1、主机、主机 2 2、接口和输入、接口和输入/ /输出通道输出通道 3 3、通用外部设备、通用外部设备 4 4

26、、检测元件和仪表、执行机构、检测元件和仪表、执行机构 5 5、操作台、操作台 由于控制的对象不同，组成控制系统的硬件的多少由于控制的对象不同，组成控制系统的硬件的多少也不同，可以根据控制系统的需要进行合理的组合和也不同，可以根据控制系统的需要进行合理的组合和扩展。扩展。 1 1、主机、主机 主机采用一台和多台计算机，是计算机控主机采用一台和多台计算机，是计算机控制系统的核心。制系统的核心。 （1 1） 主机通过检测元件和主机通过检测元件和I/OI/O通道，接受通道，接受检测设备传来的信息；检测设备传来的信息； （2 2）对检测信息和参数进行处理、计算、）对检测信息和参数进行处理、计算、分析、逻

27、辑判断等；分析、逻辑判断等； （3 3）根据检测结果发控制命令，通过接口）根据检测结果发控制命令，通过接口和和I/OI/O通道驱动执行器工作，完成控制目标。通道驱动执行器工作，完成控制目标。 （4 4）通过通用外部设备进行人机交流。）通过通用外部设备进行人机交流。2 2、接口和输入、接口和输入/ /输出通道输出通道 接口和输入接口和输入/ /输出通道是主机和被控对输出通道是主机和被控对象之间进行信息交换的纽带。象之间进行信息交换的纽带。 按功能分，接口可分为并行接口、串行按功能分，接口可分为并行接口、串行接口、接口、A/DA/D和和D/AD/A转换接口等；转换接口等； 按通道处理信息的类型分，

28、通道可分为按通道处理信息的类型分，通道可分为模拟量输入模拟量输入/ /输出通道、数字量输入输出通道、数字量输入/ /输出输出通道和开关量输入通道和开关量输入/ /输出通道。输出通道。 3 3、 通用外部设备通用外部设备 通用外设是计算机系统与操作人员联系的界面，用通用外设是计算机系统与操作人员联系的界面，用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。常用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。常用的通用外部设备有显示器、打印机、键盘、鼠标、磁的通用外部设备有显示器、打印机、键盘、鼠标、磁盘驱动器、大屏幕等。盘驱动器、大屏幕等。 4 4、 检测元件、仪表和执行机构检测元件、仪表和执行机构 （1

29、1） 检测元件和仪表用于测量生产对象中的某些检测元件和仪表用于测量生产对象中的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量。参数，并将非电量的被测参数转换为电量。 常用的检测元件是传感器，例如热电偶将温度变成常用的检测元件是传感器，例如热电偶将温度变成电压信号，该电压信号经过仪表转换成统一标准的计电压信号，该电压信号经过仪表转换成统一标准的计算机标准电平后再送入计算机进行分析和处理。算机标准电平后再送入计算机进行分析和处理。（2 2）执行器接受）执行器接受CPUCPU的命令完成规定的控制动作，执的命令完成规定的控制动作，执行器分为电动、液压和气动三大类。行器分为电动、液压和气动三大类。 5 5、操

30、作台、操作台 在较大型的控制系统中需要设置操作台，用来实在较大型的控制系统中需要设置操作台，用来实现人机之间的联系。现人机之间的联系。 操作人员通过操作台向计算机输入程序，修改，操作人员通过操作台向计算机输入程序，修改，发出数据，发出操作命令，并通过显示器显示控制系发出数据，发出操作命令，并通过显示器显示控制系统的状况，监视整个生产过程及各个回路的实时参数统的状况，监视整个生产过程及各个回路的实时参数和工作状态。和工作状态。计算机操作控制台计算机操作控制台 （二）计算机控制系统的软件二）计算机控制系统的软件 计算机控制系统常用软件完成各种控制功能。计算机控制系统常用软件完成各种控制功能。 软件

31、分为软件分为系统软件和应用软件系统软件和应用软件 1 1、系统软件、系统软件 是由计算机设计和制造者为用户提是由计算机设计和制造者为用户提供的、专门用来管理和方便使用的计算机程序。供的、专门用来管理和方便使用的计算机程序。 系统软件主要包括操作系统、各种工具软件和语言系统软件主要包括操作系统、各种工具软件和语言及语言处理程序等。及语言处理程序等。 操作系统的主要部分驻留在主存储器中，称为操作操作系统的主要部分驻留在主存储器中，称为操作系统的内核，通常由进程管理、存储管理、设备管理、系统的内核，通常由进程管理、存储管理、设备管理、文件和作业管理等组成。操作系统对外联系界面称为文件和作业管理等组成

32、。操作系统对外联系界面称为系统调用。系统调用。 对计算机控制系统而言，要求操作系统具有实时对计算机控制系统而言，要求操作系统具有实时特性，多任务调度，可多道程序并行操作，并能满特性，多任务调度，可多道程序并行操作，并能满足控制对时间的要求和限制。足控制对时间的要求和限制。 实时操作系统应保证在异常情况下，系统能及时实时操作系统应保证在异常情况下，系统能及时发现、处理、并纠正随机性错误，并具有抵制错误发现、处理、并纠正随机性错误，并具有抵制错误操作和错误输入信息的能力，此外还需要有友善的操作和错误输入信息的能力，此外还需要有友善的人机界面。人机界面。 其他系统软件：其他系统软件： 语言及处理程序

33、语言及处理程序 ( (汇编语言，高级语言，解释汇编语言，高级语言，解释或编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系或编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系统维护程序）、统维护程序）、 数据库及信息管理系统等。数据库及信息管理系统等。 2 2、应用软件：、应用软件： 微机控制系统的应用程序从功能分为两大类：微机控制系统的应用程序从功能分为两大类： (1) (1) 专用控制程序：专用控制程序： 数据采集程序，实时控制程序，控制算法程序等。数据采集程序，实时控制程序，控制算法程序等。 (2) (2) 常用控制程序：常用控制程序： 数据处理，数字滤波，标度变换，显示和键盘程序数据处理，数字滤波，标

34、度变换，显示和键盘程序，通信，报警程序等。，通信，报警程序等。 1.2 1.2 计算机控制系统的主要特征计算机控制系统的主要特征 计算机控制系统是一个实时系统，当生产过程计算机控制系统是一个实时系统，当生产过程中发生不正常的情况时，计算机控制系统应及时进中发生不正常的情况时，计算机控制系统应及时进行处理和报警，对过程中出现的微小变化要及时进行处理和报警，对过程中出现的微小变化要及时进行判断和响应，以便使计算机控制系统工作在最佳行判断和响应，以便使计算机控制系统工作在最佳的状态。的状态。 为了达到上述目标，需要在计算机控制系统为了达到上述目标，需要在计算机控制系统的硬件和软件两方面进行保证。的硬

35、件和软件两方面进行保证。 （1 1）硬件方面，应当配置高速计算机、接口电）硬件方面，应当配置高速计算机、接口电路和优先级中断处理电路；路和优先级中断处理电路； （2 2）软件方面，应当采用汇编或）软件方面，应当采用汇编或C C语言编写软语言编写软件程序，并有完善的中断处理程序件程序，并有完善的中断处理程序。一个完善的计算机控制系统应当具有以下特征：一个完善的计算机控制系统应当具有以下特征： 1 1、实时性、实时性 实时性指系统在限定时间内对外部事物做出反实时性指系统在限定时间内对外部事物做出反应的特性，限定时间的长短因生产过程不同而变应的特性，限定时间的长短因生产过程不同而变化，主要考虑以下两

36、个方面的因素：化，主要考虑以下两个方面的因素：（1 1）生产过程中出现的事件能保持的时间。）生产过程中出现的事件能保持的时间。（2 2）计算机控制系统在这段时间内能否对出现的）计算机控制系统在这段时间内能否对出现的事件作出必要和及时的反应。事件作出必要和及时的反应。 计算机控制系统必须在尽可能短的时间内处理计算机控制系统必须在尽可能短的时间内处理出现的问题，为了较好的实时性，应当选用速度出现的问题，为了较好的实时性，应当选用速度高的计算机和配套的外部通道与接口。高的计算机和配套的外部通道与接口。 2 2、良好的输入、良好的输入/ /输出能力输出能力 （1 1）计算机控制系统控制的量有模拟量、数

37、字量和）计算机控制系统控制的量有模拟量、数字量和开关量。开关量。 （2 2）计算机控制系统需要与多种仪器仪表、执行器、）计算机控制系统需要与多种仪器仪表、执行器、传输接口、各种外设相联系传输接口、各种外设相联系 因此计算机控制系统应当有很强的输入因此计算机控制系统应当有很强的输入/ /输出能力、输出能力、足够多的足够多的I/OI/O通道和扩充能力。通道和扩充能力。 3 3、标准化和系列化、标准化和系列化 计算机控制系统应尽量采用国际上通用的计算机、计算机控制系统应尽量采用国际上通用的计算机、总线、接口和各种器件。使用标准化和系列化的器件总线、接口和各种器件。使用标准化和系列化的器件可降低成本，

38、提高系统的性能，避免底层次重复性开可降低成本，提高系统的性能，避免底层次重复性开发，缩短设计、制造、调试和开通的时间周期发，缩短设计、制造、调试和开通的时间周期。 4 4、模块化的系统结构、模块化的系统结构 将计算机控制系统的各部分按功能分成若干个模将计算机控制系统的各部分按功能分成若干个模块，对不同的控制系统采用不同的模块进行组合和设块，对不同的控制系统采用不同的模块进行组合和设计。计。 采用模块化后可以提高系统的开发效率和系统的采用模块化后可以提高系统的开发效率和系统的可靠性。减少二次开发过程和设计中的工作量，降低可靠性。减少二次开发过程和设计中的工作量，降低系统的成本，提高系统的质量。系

39、统的成本，提高系统的质量。（1 1）用现成的功能模块可迅速配套组成各种不同类）用现成的功能模块可迅速配套组成各种不同类型的系统。型的系统。（2 2）功能模块由企业成批生产，可使产品质量稳定，）功能模块由企业成批生产，可使产品质量稳定，价格低廉。价格低廉。（3 3）系统的结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。）系统的结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。 5 5、可靠性、可靠性 计算机控制系统的工作环境往往十分恶劣，控制计算机控制系统的工作环境往往十分恶劣，控制现场存在着温度、湿度、粉尘、震动、电磁干扰、电现场存在着温度、湿度、粉尘、震动、电磁干扰、电压不稳定等干扰因素，因此必须采取一系列措施防止压

40、不稳定等干扰因素，因此必须采取一系列措施防止干扰，提高系统的可靠性。计算机控制系统应当符合干扰，提高系统的可靠性。计算机控制系统应当符合以下的要求：以下的要求：（1 1）长的平均无故障时间）长的平均无故障时间 控制系统可以采用平均无故障时间控制系统可以采用平均无故障时间MTBFMTBF（mean mean time before failurestime before failures）来衡量系统的可靠性。来衡量系统的可靠性。 在设计和制造系统时要尽可能使在设计和制造系统时要尽可能使MTBFMTBF高一些，例如，高一些，例如，对 板 级 产 品 可 选对 板 级 产 品 可 选 M T B F

41、 1 0M T B F 1 05 5H H ， 对 于 系 统 可 选对 于 系 统 可 选MTBF10MTBF104 4H H。 （2 2）强的抗干扰能力）强的抗干扰能力 计算机控制系统应采用抗干扰能力强的工业级电源计算机控制系统应采用抗干扰能力强的工业级电源和地线隔离、屏蔽地线、浮空等技术，防止电网电压和地线隔离、屏蔽地线、浮空等技术，防止电网电压波动带来的脉冲干扰和由传感器、执行器引入的地线波动带来的脉冲干扰和由传感器、执行器引入的地线干扰。干扰。 （3 3）具有定时自动启动功能和硬件自检功能）具有定时自动启动功能和硬件自检功能 计算机控制系统应配有看门狗电路（计算机控制系统应配有看门狗

42、电路（watch dogwatch dog），），当系统的计算机受到干扰使控制程序偏离时，能自动当系统的计算机受到干扰使控制程序偏离时，能自动从入口处重新启动。另外，计算机控制系统应能在运从入口处重新启动。另外，计算机控制系统应能在运行中定时对主机和行中定时对主机和I/OI/O通道进行自检。通道进行自检。1.3 1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机控制系统大致可分为以下五类：计算机控制系统大致可分为以下五类： 1 1、数据采集系统、数据采集系统（DASDAS，Data Acquision System） 2 2、直接数字控制系统、直接数字控制系统（DDCDDC，Direct

43、 Digital Control） 3 3、计算机监督系统、计算机监督系统（SCCSCC，Supervisory Computer Control） 4 4、分布式控制系统、分布式控制系统（DCSDCS，Distributed Control System） 5 5、现场总线控制系统、现场总线控制系统（FCSFCS，Fieldbus Control System） 1 1、数据采集系统、数据采集系统 数据采集系统简称：数据采集系统简称：DASDAS 计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，并将处理后的数据输出。操作人员根据输出的数理，并将

44、处理后的数据输出。操作人员根据输出的数据，对生产过程出现的问题进行处理，计算机不直接据，对生产过程出现的问题进行处理，计算机不直接参与生产过程的控制，该系统结构简单，安全可靠。参与生产过程的控制，该系统结构简单，安全可靠。 2 2、直接数字控制系统、直接数字控制系统 直接数字控制系统简称：直接数字控制系统简称：DDCDDC（1 1）直接数字控制系统中，计算机经输入（直接数字控制系统中，计算机经输入（AIAI或或DIDI）对生产过程进行数据采集。对生产过程进行数据采集。（2 2）采集的数据进入计算机后与预先设定的采集的数据进入计算机后与预先设定的值进行比较，或按照要求进行处理。值进行比较，或按照

45、要求进行处理。（3 3）计算机根据比较和分析的结果，按照控计算机根据比较和分析的结果，按照控制规律（如制规律（如PIDPID）经输出（经输出（AOAO或或DODO）对生产过对生产过程进行直接控制程进行直接控制。 DDCDDC是计算机控制技术中最常用的方法之一是计算机控制技术中最常用的方法之一。其优点是灵活性大、可靠性高，可以实现较。其优点是灵活性大、可靠性高，可以实现较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、滞复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、滞后控制等。后控制等。 3 3、计算机监督系统、计算机监督系统 计算机监督系统简称：计算机监督系统简称：SCCSCC 计算机监督系统实际是两级计算机控

46、制系计算机监督系统实际是两级计算机控制系统，上一级为统，上一级为SCCSCC，下一级为下一级为DDCDDC。SCC 计计 算算 机机DDC计算计算机机 输出通道输出通道 输入通道输入通道生生产产过过程程 （1 1）生产过程采集数据经生产过程采集数据经AIAI、DIDI送送DDCDDC的同时的同时也送也送SCCSCC。 （2 2）SCCSCC根据采集的数据，经过计算后获得最根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送给佳设定值传送给DDCDDC。 （3 3）DDCDDC对设定值和测量值进行比较，比较后对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经的结果经AOAO、DODO送出，对生产过程进行控制。送出

47、，对生产过程进行控制。 （4 4）对计算机监督系统，要求对计算机监督系统，要求SCCSCC级具有强大级具有强大的数据处理能力，存储容量大；的数据处理能力，存储容量大；DCCDCC则需要实时则需要实时性好、可靠性高和环境适应性好。性好、可靠性高和环境适应性好。 4 4、分布式计算机控制系统、分布式计算机控制系统 简称：简称：DCS DCS 又称集散式控制系统。又称集散式控制系统。 为什么采用分布式计算机控制系统为什么采用分布式计算机控制系统 （1 1）随着生产方式的不断发展，现代工业企业中随着生产方式的不断发展，现代工业企业中需要测控的对象种类多、数量大；需要测控的对象种类多、数量大； （2 2

48、）并且被测点位置不集中，往往分散在生产现并且被测点位置不集中，往往分散在生产现场的各个地方。场的各个地方。 （3 3）除需要对生产过程进行自动控制外，有些部除需要对生产过程进行自动控制外，有些部门希望在更高的层次上实现对生产过程的调度和管门希望在更高的层次上实现对生产过程的调度和管理的自动化。理的自动化。 监控监控计算计算机机站机站机站机站机站机站机站机站机采集机采集机采集机采集机采集机采集机（4 4）分布式计算机控制系统的特点是分布式计算机控制系统的特点是“控制分散，控制分散，管理集中管理集中”，往往要采用两级或两级以上的计算机系，往往要采用两级或两级以上的计算机系统。如图所示为一个铁路信号

49、检测系统，是一个分布统。如图所示为一个铁路信号检测系统，是一个分布式计算机控制系统，该系统有三级计算机。式计算机控制系统，该系统有三级计算机。采集机。它的任务是通过采集机。它的任务是通过I/OI/O接口板采集现场的信接口板采集现场的信号，用单片机实现。号，用单片机实现。站机。它的任务是接收采集机发来的信息并进行站机。它的任务是接收采集机发来的信息并进行实时的处理，采用工控机实时的处理，采用工控机IPC-610IPC-610。监控计算机。用于信号的调度管理和网络服务，监控计算机。用于信号的调度管理和网络服务，采用高档服务器采用高档服务器+ +终端。终端。 该分布式计算机控制系统的硬件可配置各种不

50、同该分布式计算机控制系统的硬件可配置各种不同类型的类型的I/OI/O采集板、声光报警设备、大屏幕显示器、采集板、声光报警设备、大屏幕显示器、操作台等，软件平台采用操作台等，软件平台采用WINDOWS/NTWINDOWS/NT，各级计算机各级计算机之间采用现场总线之间采用现场总线CANCAN或或485485连接。连接。 分布式计算机系统的结构和特点分布式计算机系统的结构和特点 （1 1）分布式计算机控制系统的结构）分布式计算机控制系统的结构 主要考虑信息的存储方法、网络的扩展性、系统的主要考虑信息的存储方法、网络的扩展性、系统的可靠性。常用的系统结构有分级结构、网状结构、星可靠性。常用的系统结构

51、有分级结构、网状结构、星型结构、总线式结构。型结构、总线式结构。 （2 2）分布式计算机控制系统有以下特点：分布式计算机控制系统有以下特点： 可靠性高可靠性高 由于分布式计算机控制系统的控制由于分布式计算机控制系统的控制功能分散，每台计算机的任务减少，功能明确，因此功能分散，每台计算机的任务减少，功能明确，因此系统的可靠性大大提高系统的可靠性大大提高。 速度快速度快 分布式计算机控制系统中，各级计算分布式计算机控制系统中，各级计算机并行工作，数据采集、处理和控制功能分散到各子机并行工作，数据采集、处理和控制功能分散到各子系统中去执行，减少了数据集中处理的时间，提高了系统中去执行，减少了数据集中

52、处理的时间，提高了系统的运算、处理和控制速度。系统的运算、处理和控制速度。 系统模块化系统模块化 由于控制分散和功能的重复，可由于控制分散和功能的重复，可以更好地采用模块化结构，使系统便于操作，方便组以更好地采用模块化结构，使系统便于操作，方便组装，易于维修。装，易于维修。 成本较低成本较低 由于在不同场合可以选用不同档次由于在不同场合可以选用不同档次的计算机和外设，因此成本较集中式控制系统低。的计算机和外设，因此成本较集中式控制系统低。企业级管理计算机企业级管理计算机厂级管理计算机厂级管理计算机车间级监督计算机车间级监督计算机(SCC)设备控制级设备控制级(DDC)厂级管理计算机厂级管理计算

53、机生产过程生产过程A车间级监督计算机车间级监督计算机(SCC)设备控制级设备控制级(DDC)生产过程生产过程B设备控制级设备控制级(DDC)生产过程生产过程C设备控制级设备控制级(DDC)生产过程生产过程DMIS级级SCC级级DDC级级 5 5、现场总线控制系统（、现场总线控制系统（FCSFCS） （1 1）FCSFCS是建立在网络基础的计算机控制系统。是建立在网络基础的计算机控制系统。 （2 2）现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统的数字式网络。的数字式网络。 （3 3）现场总线使控制系统实现了现场网络通信、设现场总线使控制系统实现了现场网络通信、

54、设备互连与互操作、全数字通信等。备互连与互操作、全数字通信等。 （4 4）现场总线的组成现场总线的组成 由监控设备、服务器和网桥、执行器、变送器、由监控设备、服务器和网桥、执行器、变送器、辅助设备等部分组成。辅助设备等部分组成。 现场总线控制网络模型现场总线控制网络模型 FCSFCS与与DCSDCS系统相比有以下特点系统相比有以下特点： （1 1）全数字信息传输全数字信息传输 传统分布式计算机控制系统的中、底层到控制站传统分布式计算机控制系统的中、底层到控制站之间信息传送采用之间信息传送采用420mA420mA电流模拟信号；采用电流模拟信号；采用FCSFCS后，传感器、执行器、控制器之间的现场

55、中、底层后，传感器、执行器、控制器之间的现场中、底层的信号传输全部实现数字化，提高了信息传输的可的信号传输全部实现数字化，提高了信息传输的可靠性。靠性。（2 2）系统结构更合理）系统结构更合理 DCSDCS控制系统一般采用控制系统一般采用“现场仪表现场仪表控制站控制站操操作站作站”三层主从式结构。三层主从式结构。 FCSFCS则采用智能节点式的多主结构，将输入则采用智能节点式的多主结构，将输入/ /输出输出单元和控制功能分散到各节点的现场仪表中去，使单元和控制功能分散到各节点的现场仪表中去，使每个智能节点具有测量、校正、调节诊断等功能，每个智能节点具有测量、校正、调节诊断等功能，降低了系统的故

56、障风险，实现了彻底的分散型体系降低了系统的故障风险，实现了彻底的分散型体系，提高了控制系统的可靠性。，提高了控制系统的可靠性。 （3 3）方便的互操作性）方便的互操作性 FCS FCS具有互连和互操作性，不同厂商生产的产品具有互连和互操作性，不同厂商生产的产品都可以直接挂接在现场总线上，组成统一的系统，都可以直接挂接在现场总线上，组成统一的系统，改变了改变了DCSDCS系统产品不能兼容的缺点，使用户使用更系统产品不能兼容的缺点，使用户使用更方便。方便。一、测控技术的发展历程一、测控技术的发展历程 2020世纪世纪5050年代以前的人工控制阶段（基地式仪表年代以前的人工控制阶段（基地式仪表控制系

57、统）控制系统） 20 20世纪世纪6060年代的模拟式仪表控制阶段（电动单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）元组合式仪表控制系统） 20 20世纪世纪7070年代的计算机集中控制阶段年代的计算机集中控制阶段 20 20世纪世纪8080年代的集散式控制阶段（分布式控制年代的集散式控制阶段（分布式控制系统）系统） 1.1.4 4 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况仪表集中控制室仪表集中控制室 计算机集中监控室计算机集中监控室 二、计算机控制系统发展过程二、计算机控制系统发展过程 大致可分为三个阶段：大致可分为三个阶段： 1 1、开创阶段、开创阶段 20 20世纪世

58、纪5050年代中期，在炼油、工业酒精、聚丁橡胶年代中期，在炼油、工业酒精、聚丁橡胶、乙烯等生产过程中使用计算机控制，取得了一定程、乙烯等生产过程中使用计算机控制，取得了一定程度的成功。度的成功。 1959 1959年美国德克萨斯州的年美国德克萨斯州的PORT ARTHURPORT ARTHUR炼油厂采用炼油厂采用TRW-300TRW-300计算机对炼油过程进行控制，该计算机用于对计算机对炼油过程进行控制，该计算机用于对炼油装置的炼油装置的2626个流量、个流量、3 3个压力、个压力、7272个温度和个温度和3 3个成分个成分进行分析和控制，取得了成功，提高了炼油的质量。进行分析和控制，取得了成

59、功，提高了炼油的质量。 由于早期的计算机运算速度慢、价格昂贵、体积由于早期的计算机运算速度慢、价格昂贵、体积庞大并且可靠性差，所以只能用于巡回检测、数据庞大并且可靠性差，所以只能用于巡回检测、数据处理等简单的控制。处理等简单的控制。 2 2、小型计算机阶段、小型计算机阶段 从从2020世纪世纪6060年代开始，控制系统开始使用小型计年代开始，控制系统开始使用小型计算机，如算机，如CDC-1700CDC-1700、PDP-11PDP-11等机型。由于小型计算等机型。由于小型计算机体积小、速度快、价格相对便宜，因此得到了推机体积小、速度快、价格相对便宜，因此得到了推广应用。此阶段开始使用广应用。此

60、阶段开始使用DDCDDC控制方式，计算机成为控制方式，计算机成为闭环控制回路的组成部分。闭环控制回路的组成部分。 3 3、微型计算机阶段、微型计算机阶段 20 20世纪世纪7070年代，微型计算机的问世，使计算机控制年代，微型计算机的问世，使计算机控制技术进入了飞速发展的阶段。微型计算机价格便宜、技术进入了飞速发展的阶段。微型计算机价格便宜、体积小、速度快，使控制系统都能用计算机来实现，体积小、速度快，使控制系统都能用计算机来实现，实现了集散式控制（实现了集散式控制（DCSDCS）。）。 计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径，自计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径，自动控制理论的发展又