第章计算机控制系统概述学习教案

1、会计学1第章计算机控制系统第章计算机控制系统(kn zh x tn)概概述述第一页，共83页。第一章第一章 计算机控制系统计算机控制系统(kn zh x tn)概述概述 回顾：自动控制基本概念回顾：自动控制基本概念 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 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 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类(fn li) 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第1页/共83页第二页，共83页。第2页/共83页第三页，共83页。 回顾：自动控制的基本概念回顾：自动控制的基本概念一、自动控制理论的形成和发展一、自动控

2、制理论的形成和发展（一）（一）2020世纪世纪4040年代形成年代形成 生物条件反射生物条件反射 反馈控制论反馈控制论 自动调节自动调节原理原理 最早应用于工业过程中的自动反馈控最早应用于工业过程中的自动反馈控制器，是英国人瓦特制器，是英国人瓦特(wt)(wt)（James James WaltWalt）在）在17691769年发明的飞球控制器，它年发明的飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。被用来控制蒸汽机的转速。 机械装置测量驱动杆的转速并利用飞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，控制进入蒸汽机球的转动来控制阀门，控制进入蒸汽机的蒸汽流量。转速增大时，飞球离开轴的蒸汽流量。

3、转速增大时，飞球离开轴线，于是关紧阀门。线，于是关紧阀门。第3页/共83页第四页，共83页。 瓦特的蒸汽机转速瓦特的蒸汽机转速(zhun s)控制系统控制系统第4页/共83页第五页，共83页。（二）自动控制的三大领域（二）自动控制的三大领域 工程控制论、生物控制论、经济工程控制论、生物控制论、经济(jngj)(jngj)控制论控制论（三）控制论所要解决的主要问题（三）控制论所要解决的主要问题 系统建模系统建模 （实际问题抽象，数学描述）（实际问题抽象，数学描述） 系统分析系统分析 （稳定性，（稳定性， 动动/ /静态性能）静态性能） 系统综合系统综合 （方案选择，设计（方案选择，设计) ) 系

4、统验证系统验证 （数字仿真，半实物（数字仿真，半实物 / /实物仿真）实物仿真）第5页/共83页第六页，共83页。（四）控制论的研究方法（四）控制论的研究方法1 1、模型化的方法、模型化的方法 系统系统建模建模分析分析综合综合2 2、数学、数学(shxu)(shxu)化的手段化的手段 “ “规律化、定量化、普适化规律化、定量化、普适化”3 3、计算机辅助、计算机辅助“计算机仿真，借计算机辅助设计，虚拟现实计算机仿真，借计算机辅助设计，虚拟现实”第6页/共83页第七页，共83页。 军事上：火力控制，自动跟踪控制，武器装 备的精确制导工业：自动化生产线,各类工业控制设备航空航天：勇气号，神舟六号交

5、通：无人自动驾驶，交通灯智能控制，列 车运行自动控制家电(ji din)：冰箱、空调、洗衣机、微波炉（五）控制论的应用（五）控制论的应用(yngyng)第7页/共83页第八页，共83页。（六）控制论分类（六）控制论分类 1 1、经典控制论、经典控制论 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(duxing): (duxing): 单输入，单单输入，单输出输出 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，拉普拉微分方程，复变函数，拉普拉 斯变换

6、斯变换 适用系统适用系统: : 简单系统简单系统第8页/共83页第九页，共83页。2 2、现代控制论、现代控制论 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(nirng): (nirng): 多变量控制、多变量控制、最优控制最优控制 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: : 复杂系统复杂系统第9页/共83页第十页，共83页。 （七）控制理论的发展（七）控制理论的发展 计算机空控制：用计算机代替常规控制器；计算机空控制：用计算机代替常规控制器；

7、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 系统、学习控制；系统、学习控制； 鲁棒控制鲁棒控制: :模型出现模型出现(chxin)(chxin)偏差仍可保持性偏差仍可保持性能。能。 第10页/共83页第十一页，共83页。 二、控制系统的基本概念二、控制系统的基本概念（一）基本概念（一）基本概念1 1、自动、自动(zdng)(zdng)控制控制

8、没有人直接操作的情况下，利用控制装置没有人直接操作的情况下，利用控制装置使被控使被控对象的某一物理量或工作状态自动对象的某一物理量或工作状态自动(zdng)(zdng)地按照预定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、自动(zdng)(zdng)控制系统控制系统 能够对被控制对象的工作状态进行自动能够对被控制对象的工作状态进行自动(zdng)(zdng)控制的系统。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。第11页/共83页第十二页，共83页。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：要求实现、被控

9、制对象：要求实现(shxin)(shxin)控制的生产过程、设备控制的生产过程、设备和机器。和机器。4 4、控制装置：对被控制对象起控制作用的设备总体，包括测、控制装置：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。量装置、比较和放大装置、执行机构等。5 5、被控制量：被控制对象中要求保持给定数值或按要求变化、被控制量：被控制对象中要求保持给定数值或按要求变化的物理量。的物理量。6 6、给定值：作用于控制系统输入端并作为控制依据的物理量、给定值：作用于控制系统输入端并作为控制依据的物理量第12页/共83页第十三页，共83页。l例例1 1 恒值控制系统恒值控制系统:

10、 : 烘烤烘烤(hn(hn ko) ko)炉炉温度控制系统温度控制系统第13页/共83页第十四页，共83页。被控对象被控对象 烘炉烘炉被控量被控量 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 工件工件(gngjin)(gngjin)温度、环境温度温度、环境温度、煤气压力等、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、阀门第14页/共83页第十五页，共83页。l 例2 位置(wi zhi)随动系统第15页/共83页第十六页，共83页。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

11、测量元件测量元件 两个两个(lin(lin )相同的电位器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、减速器第16页/共83页第十七页，共83页。思考题：思考题： 调速系统（画出原理调速系统（画出原理(yunl)(yunl)框框图，确定各部件的作用）图，确定各部件的作用）第17页/共83页第十八页，共83页。 被控对象 电动机 被控量 转速(zhun s) 给定值 给定电位器 输出电压 干扰 影响转速(zhun s)的各种因素 测量元件 测速发电机第18页/共83页第十九页，共83页。执行机构执行机构被控对象被控对象输出

12、输出给定输给定输入入例：固定时间例：固定时间(shjin)定时的交通灯、烤箱、数控机定时的交通灯、烤箱、数控机床、老式洗衣机床、老式洗衣机第19页/共83页第二十页，共83页。（2 2）按干扰补偿）按干扰补偿(bchng)(bchng)的开环控制系统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干扰扰给定值给定值特点：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测对象特点：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测对象(duxing)及受控对象及受控对象(duxing)各功能部件内部参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。数变化对被控量造成的影响，系统自身无法控制。例：

13、稳压例：稳压(wn y)电源，稳压电源，稳压(wn y)二极管二极管第20页/共83页第二十一页，共83页。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对象之间既有顺向作用，又有反向作用，又有反向(fn xin)联系的系统联系的系统（2) 反馈反馈 ：输出送回至输入端并与输入信号进行比：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。较的过程。有正反馈和复反馈两种。第21页/共83页第二十二页，共83页。 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

14、，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，并且不存在不可测量适用于：系统的输入量事先知道，并且不存在不可测量(cling)的扰动的系统的扰动的系统 闭环系统：优点：控制精度高，抗干扰能力强，可自动修正偏差 缺点：稳定性是主要(zhyo)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参数存在着无法预计变化的系统。两者比较两者比较(bjio):(bjio):第22页/共83页第二十三页，共83页。1.1 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 自动控自动控制理论制理论 计算机控制系统：计算机控

15、制系统： 计算机技术计算机技术 通讯网络通讯网络(wnglu)(wnglu)技术技术第23页/共83页第二十四页，共83页。第24页/共83页第二十五页，共83页。（1 1）计算机得到了快速）计算机得到了快速(kui s)(kui s)的发展，的发展，其特点是运算速度快、存储容量大、有强大的其特点是运算速度快、存储容量大、有强大的逻辑判断能力、软件可灵活多变。逻辑判断能力、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

16、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。第25页/共83页第二十六页，共83页。二二 计算机控制系统计算机控制系统(kn(kn zh x tn zh x tn) )的组成的组成例例1 1：温度：温度(wnd)(wnd)控制系统控制系统炉炉 窑窑热电偶热电偶 输入输入(shr) A/D 计计 外外 阀门阀门 D/A 机机 操作操作台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

17、机械手手第26页/共83页第二十七页，共83页。 由上面例子可看出：（1）计算机控制系统由计算机系统、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。（2）计算机经过检测和执行机构、输入/输出通道和接口与被控对象连接；通过(tnggu)各种类型的外部设备与操作员相联系。 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。计算机处理后发出控制信号驱动执行机构对被控对象进行控制。（3）计算机只能处理数字量，对模拟信号必需经A/D、D/A转换。第27页/共83页第二十八页，共83页。 计算机控制系统由硬件和软件两大部分组成。计算机控制系统由硬件和软件两大部分组成。 硬件：由微

18、型计算机、输入硬件：由微型计算机、输入/ /输出通道和接口输出通道和接口(ji ku)(ji ku)、检测元件仪表、执行机构和各种、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。外设组成，是控制系统的基础。 软件：分为系统软件和应用软件；系统软件软件：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。第28页/共83页第二十九页，共83页。（一）计算机控制（一）计算机控制(kngzh)(kngzh)系统的硬件系统的硬件 计算机控制计算机控制(k

19、ngzh)(kngzh)系统的硬件由五部系统的硬件由五部分组成分组成 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、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 由于控制由于控制(kngzh)(kngzh)的对象不同，组成控制的对象不同，组成控制(kngzh)(kngzh)系统的硬件的多少也不同，可以根系统的硬件的多少也不同，可以根据控制据控制(kngzh)(kngzh)系统的需要进行合理的组合系统的需要进行合理的组合和扩展。和扩展。第29页/共83页第三十页，共83页。 1、主机、主机 主机

20、采用一台和多台计算机，是计算机控制系统主机采用一台和多台计算机，是计算机控制系统的核心。的核心。 （1） 主机通过检测元件和主机通过检测元件和I/O通道，接受检测设备通道，接受检测设备传来的信息；传来的信息； （2）对检测信息和参数进行处理、计算、分析、）对检测信息和参数进行处理、计算、分析、逻辑判断等；逻辑判断等； （3）根据检测结果发控制命令，通过接口和）根据检测结果发控制命令，通过接口和I/O通通道驱动执行器工作道驱动执行器工作(gngzu)，完成控制目标。，完成控制目标。 （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。第30页/共83页第三十一页，共83页。 2

21、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象之间进行输出通道是主机和被控对象之间进行信息交换的纽带。信息交换的纽带。 按功能分，接口可分为并行接口、串行接口、按功能分，接口可分为并行接口、串行接口、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，通道可分为模拟量输入按通道处理信息的类型分，通道可分为模拟量输入/ /输出通道、数字输出通道、数字(shz)(shz)量输入量输入/ /输出通道和开关量输输出通道和开关量输入入/ /输出通道。输出通道。第31页/共83页第三十二页，共83页。 3 3、 通用外部设备通

22、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，用来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。常用的通完成信息的记录、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、磁盘驱动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。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 1） 检测元件和仪表用于测量检测元件和仪表用于测量(cling)(cling)生产对象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。中的某些参数，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

23、器，例如热电偶将温度变成电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算机压信号，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。标准电平后再送入计算机进行分析和处理。第32页/共83页第三十三页，共83页。（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，执行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。器分为电动、液压和气动三大类。 5 5、操作台、操作台 在较大型的控制系统中需要设置操作台，用来实现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。人机之间的联系。 操作

24、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(xigi)(xigi)，发出数据，发出操作命令，并通过显示器，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和工作状态。实时参数和工作状态。第33页/共83页第三十四页，共83页。计算机操作控制台计算机操作控制台 第34页/共83页第三十五页，共83页。第35页/共83页第三十六页，共83页。 （二）计算机控制系统的软件（二）计算机控制系统的软件(run jin)(run jin) 计算机控制系统常用软件计算机控制系统常用软

25、件(run jin)(run jin)完成各种控制功能。完成各种控制功能。 软件软件(run jin)(run jin)分为系统软件分为系统软件(run jin)(run jin)和应用软件和应用软件(run jin)(run jin) 1 1、系统软件、系统软件(run jin) (run jin) 是由计算机设计和制造者为用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。户提供的、专门用来管理和方便使用的计算机程序。 系统软件系统软件(run jin)(run jin)主要包括操作系统、各种工具软件主要包括操作系统、各种工具软件(run jin)(run jin)和

26、语言及语言处理程序等。和语言及语言处理程序等。 操作系统的主要部分驻留在主存储器中，称为操作系统的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、文件和作业内核，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系统调用。管理等组成。操作系统对外联系界面称为系统调用。第36页/共83页第三十七页，共83页。 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，并能满足足(mnz)控制对时间的要求和限制。控制

27、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： 语言及处理程序语言及处理程序 (汇编语言，高级语言，解释或汇编语言，高级语言，解释或编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系统编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系统维护程序）、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。第37页/共83页第

28、三十八页，共83页。 2、应用软件： 微机控制系统的应用程序从功能分为两大类： (1) 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。 (2) 常用控制程序： 数据处理，数字滤波，标度变换，显示(xinsh)和键盘程序，通信，报警程序等。第38页/共83页第三十九页，共83页。第39页/共83页第四十页，共83页。 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程中发生不正常(zhngchng)(zhngchng)的情况时，计算机的情况时，计算机控制系统应及时进行处理和报

29、警，对过程中出现的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判断和响应，以便使计算机控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的状态。制系统工作在最佳的状态。 为了达到上述目标，需要在计算机控制系为了达到上述目标，需要在计算机控制系统的硬件和软件两方面进行保证。统的硬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，应当有完善的中断处理程序。）软件方面，应当有完善的中断处理程序。第40页/共83页第四十一页，共83页。一个完善

30、的计算机控制系统一个完善的计算机控制系统(xtng)(xtng)应当具有以下应当具有以下特征：特征： 1 1、实时性、实时性 实时性指系统实时性指系统(xtng)(xtng)在限定时间内对外部事物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做出反应的特性，限定时间的长短因生产过程不同而变化，主要考虑以下两个方面的因素：变化，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）计算机控制系统(xtng)(xtng)在这段时间内能否对在这段时间内能否对出现的事件作出必要和及时的反应。出现的事件

31、作出必要和及时的反应。 计算机控制系统计算机控制系统(xtng)(xtng)必须在尽可能短的时间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，应当选用速内处理出现的问题，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。度高的计算机和配套的外部通道与接口。第41页/共83页第四十二页，共83页。 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、数字量和开关量。）计算机控制系统控制的量有模拟量、数字量和开关量。 （2 2）计算机控制系统需要与多种仪器仪表、执行器、传输）计算机控制系统需要与多种仪器仪表、执行器、传输接口接口(

32、ji ku)(ji ku)、各种外设相联系。、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、足够输出能力、足够多的多的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、总线、计算机控制系统应尽量采用国际上通用的计算机、总线、接口接口(ji ku)(ji ku)和各种器件。使用标准化和系列化的器件可和各种器件。使用标准化和系列化的器件可降低成本，提高系统的性能，避免底层次重复性开发，缩短降低成本，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

33、时间周期。设计、制造、调试和开通的时间周期。第42页/共83页第四十三页，共83页。 4 4、模块、模块(m kui)(m kui)化的系统结构化的系统结构 将计算机控制系统的各部分按功能分成若干模块将计算机控制系统的各部分按功能分成若干模块(m (m kui)kui)，对不同的控制系统采用不同的模块，对不同的控制系统采用不同的模块(m kui)(m kui)进进行组合和设计。行组合和设计。 采用模块采用模块(m kui)(m kui)化后可以提高系统的开发效率和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，系统的可靠性。减少二次开发过程和设计中的工作量，降低系统

34、的成本，提高系统的质量。降低系统的成本，提高系统的质量。（1 1）用现成的功能模块）用现成的功能模块(m kui)(m kui)可迅速配套组成各种可迅速配套组成各种不同类型的系统。不同类型的系统。（2 2）功能模块）功能模块(m kui)(m kui)由企业成批生产，可使产品质由企业成批生产，可使产品质量稳定，价格低廉。量稳定，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。第43页/共83页第四十四页，共83页。 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，控制现场存计算机控制系统的工作环境往往十分恶劣，控制现场存在

35、着温度、湿度、粉尘、震动、电磁干扰、电压不稳定等在着温度、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干扰，提高系统干扰因素，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以下的要求的可靠性。计算机控制系统应当符合以下的要求(yoqi)(yoqi)：（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 time mean time before failuresbefore 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

36、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，对高一些，例如，对板级产品可选板级产品可选MTBF105HMTBF105H，对于系统可选，对于系统可选MTBF104HMTBF104H。 第44页/共83页第四十五页，共83页。 （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，防止电网源和地线隔离、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、执行器引入电压波动带来的脉冲干扰和由传感器、执行器引入的地线干扰。的地线干扰。 （3 3）具有定时自动启

37、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动从入口处重新启动。另外，计算机控制系统应能在运行中定时对主机在运行中定时对主机(zhj)(zhj)和和I/OI/O通道进行自检。通道进行自检。第45页/共83页第四十六页，共83页。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计算机控制系统大致可分为(fn wi

38、)(fn wi)以下五以下五类：类： 1 1、数据采集系统（、数据采集系统（DASDAS，Data Acquision Data Acquision SystemSystem） 2 2、直接数字控制系统（、直接数字控制系统（DDCDDC，Direct Digital Direct Digital ControlControl） 3 3、计算机监督系统（、计算机监督系统（SCCSCC，Supervisory Supervisory Computer ControlComputer Control） 4 4、分布式控制系统（、分布式控制系统（DCSDCS，Distributed Distribut

39、ed Control SystemControl System） 5 5、现场总线控制系统（、现场总线控制系统（FCSFCS，Fieldbus Fieldbus Control SystemControl System）第46页/共83页第四十七页，共83页。 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：DAS 计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理(chl)，并将处理，并将处理(chl)后的数据输出。操作人员根据输出的数据，对后的数据输出。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生产过程出现的问题进

40、行处理(chl)，计算机不直接参与生产过，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。程的控制，该系统结构简单，安全可靠。第47页/共83页第四十八页，共83页。第48页/共83页第四十九页，共83页。第49页/共83页第五十页，共83页。第50页/共83页第五十一页，共83页。 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：DDC（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（AI或或DI）对生产过程进）对生产过程进行数据采集。行数据采集。（2）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）采集的数据进

41、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。求进行处理。（3）计算机根据比较和分析的结果）计算机根据比较和分析的结果(ji gu)，按照控制规律（如，按照控制规律（如PID）经输出（）经输出（AO或或DO）对生产过程进行直接控制。）对生产过程进行直接控制。第51页/共83页第五十二页，共83页。 DDC DDC是计算机控制技术中最常用是计算机控制技术中最常用(chn yn)(chn yn)的方法之一的方法之一。其优点是灵活性大、可靠性高，可以实现较复杂的控制规。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、滞后控制等。律，如串级控制、前馈控制、滞后控制等

42、。第52页/共83页第五十三页，共83页。 3 3、计算机监督、计算机监督(jind)(jind)系统系统 计算机监督计算机监督(jind)(jind)系统简称：系统简称：SCCSCC 计算机监督计算机监督(jind)(jind)系统实际是两级计算机控制系统，上系统实际是两级计算机控制系统，上一级为一级为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(tngdo) 输入通道输入通道(tngdo)生生产产过过程程第53页/共83页第五十四页，共83页。 （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

43、同时也送的同时也送SCCSCC。 （2 2）SCCSCC根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送传送(chun sn)(chun sn)给给DDCDDC。 （3 3）DDCDDC对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经AOAO、DODO送出，对生产过程进行控制。送出，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级具有强大的数据处级具有强大的数据处理能力，存储容量大；理能力，存储容量大；DCCDCC则需要实时性好、可靠性高和则需要实时性好、可靠性高和环境适应性好。环境

44、适应性好。第54页/共83页第五十五页，共83页。第55页/共83页第五十六页，共83页。 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，现代工业企业中需）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要测控的对象(duxing)(duxing)种类多、数量大；种类多、数量大； （2 2）并且被测点位置不集中，往往分散在生产现场）并且被测点位置不集中，往往分散在生产现场的各个地方。的各个地方。 （3 3）除需要对生产过

45、程进行自动控制外，有些部门）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理的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。自动化。 第56页/共83页第五十七页，共83页。站站机机站站机机站机站机站站机机监控监控计算计算机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，管理集中控制分散，管理集中”，往往要采用两级或两级以上的计算机系统。如图所示为，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检测一个铁路信号检测(jin c)(jin c)系统，是一个分布式计算机控

46、系统，是一个分布式计算机控制系统，该系统有三级计算机。制系统，该系统有三级计算机。第57页/共83页第五十八页，共83页。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号，接口板采集现场的信号，用单片机实现。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实时的站机。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，采用高监控计算机。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同类型的该分布式计算

47、机控制系统的硬件可配置各种不同类型的I/OI/O采集板、声光报警设备、大屏幕显示器、操作台等，采集板、声光报警设备、大屏幕显示器、操作台等，软件平台采用软件平台采用WINDOWS/NTWINDOWS/NT，各级，各级( ( j) j)计算机之间采计算机之间采用现场总线用现场总线CANCAN或或485485连接。连接。第58页/共83页第五十九页，共83页。 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。常用统的可靠性。常用(c

48、hn(chn yn yn) )的系统结构有的系统结构有分级结构、网状结构、星型结构、总线式结构。分级结构、网状结构、星型结构、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，功能明确制功能分散，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。，因此系统的可靠性大大提高。第59页/共83页第六十页，共83页。 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，各级计算机并行机并行(bngxng)(bngxng)工作，

49、数据采集、处理和控制功工作，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，提高了系统的运算、处理和控制速度。的时间，提高了系统的运算、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。组装，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。第60页/

50、共83页第六十一页，共83页。第61页/共83页第六十二页，共83页。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级级第62页/共83页第六十三页，共83页。 5 5、现场总线控制系统（、现场总线控制系统（FCSFCS） （1 1）FCSFCS是建立是建

51、立(jinl)(jinl)在网络基础的计算机控制在网络基础的计算机控制系统。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、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。 第63页/共83页第六十四页，共83页。第64页/共83页第六十五页，共

52、83页。第65页/共83页第六十六页，共83页。现场总线现场总线(zn xin)控制网络模型控制网络模型 第66页/共83页第六十七页，共83页。 FCS FCS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、控制器之间的现场后，传感器、执行器、控制器之间的现场(xinchng)(xinchng)中、底层的信号传输全部实现数字化中、底层的信号

53、传输全部实现数字化，提高了信息传输的可靠性。，提高了信息传输的可靠性。（2 2）系统结构更合理）系统结构更合理 DCS DCS控制系统一般采用控制系统一般采用“现场现场(xinchng)(xinchng)仪表仪表控制站控制站操作站操作站”三层主从式结构。三层主从式结构。 第67页/共83页第六十八页，共83页。 FCS FCS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/ /输出单元和控输出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，降低了系统的故障风险，实测量、校正、调节诊

54、断等功能，降低了系统的故障风险，实现了彻底的分散型体系，提高现了彻底的分散型体系，提高(t go)(t go)了控制系统的可靠性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都可以直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，改变了接挂接在现场总线上，组成统一的系统，改变了DCSDCS系统产品系统产品不能兼容的缺点，使用户使用更方便。不能兼容的缺点，使用户使用更方便。第68页/共83页第六十九页，共83页。一、测控技术一、测控技术(jsh)的发展历程的发展历程 20世纪世纪50年代以前的

55、人工控制阶段（基地式仪表控制系统）年代以前的人工控制阶段（基地式仪表控制系统） 20世纪世纪60年代的模拟式仪表控制阶段（电动单元组合式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）仪表控制系统） 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 20世纪世纪80年代的集散式控制阶段（分布式控制系统）年代的集散式控制阶段（分布式控制系统） 1.4 1.4 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展(fzhn)(fzhn)概况概况第69页/共83页第七十页，共83页。仪表仪表(ybio)(ybio)集中控制室集中控制室 第70页/共83页第七十一页，共83页。计算机集中计算

56、机集中(jzhng)(jzhng)监控室监控室 第71页/共83页第七十二页，共83页。 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世纪世纪5050年代中期，在炼油、工业酒精、聚丁橡年代中期，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，取得了一胶、乙烯等生产过程中使用计算机控制，取得了一定定(ydng)(ydng)程度的成功。程度的成功。 1959 1959年美国德克萨斯州的年美国德克萨斯州的PORT ARTHURPORT ARTHUR炼油厂采炼油厂采用用TRW-300TRW-300计算

57、机对炼油过程进行控制，该计算机计算机对炼油过程进行控制，该计算机用于对炼油装置的用于对炼油装置的2626个流量、个流量、3 3个压力、个压力、7272个温度个温度和和3 3个成分进行分析和控制，取得了成功，提高了个成分进行分析和控制，取得了成功，提高了炼油的质量。炼油的质量。 第72页/共83页第七十三页，共83页。 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(kngzh)。 2、小型计算机阶段、小型计算机阶段 从从20世纪世纪60年

58、代开始，控制年代开始，控制(kngzh)系统开始使系统开始使用小型计算机，如用小型计算机，如CDC-1700、PDP-11等机型。由于等机型。由于小型计算机体积小、速度快、价格相对便宜，因此小型计算机体积小、速度快、价格相对便宜，因此得到了推广应用。此阶段开始使用得到了推广应用。此阶段开始使用DDC控制控制(kngzh)方式，计算机成为闭环控制方式，计算机成为闭环控制(kngzh)回路回路的组成部分。的组成部分。第73页/共83页第七十四页，共83页。 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，使计算机控制技术进入年代，微型计算机的问世，使计算机

59、控制技术进入了飞速发展的阶段。微型计算机价格便宜、体积小、速度了飞速发展的阶段。微型计算机价格便宜、体积小、速度(sd)(sd)快，使控制系统都能用计算机来实现，实现了集散式控快，使控制系统都能用计算机来实现，实现了集散式控制（制（DCSDCS）。）。 计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径，自动控制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给计算机控制增添了理论基础，两者的相互结合理论的发展又给计算机控制增添了理论基础，两者的相互结合必将使计算机的控制技术推向新的发展阶段。必将使计算机的控制技术推向新的发展阶段。第74页/共83页第七十五页，共83页。三、计算机控制系统

60、的发展三、计算机控制系统的发展(fzhn)(fzhn)趋势和展望趋势和展望 1 1、发展趋势、发展趋势 纵观目前的计算机控制技术的发展，纵观目前的计算机控制技术的发展，其趋势主要体现在以下其趋势主要体现在以下(yxi)(yxi)几个方面：几个方面：（1 1）工业控制逐步地从单机的监控）工业控制逐步地从单机的监控(jin kn(jin kn) )、直接数字控制（直接数字控制（DDCDDC）发展到集散型控制系统（）发展到集散型控制系统（DCSDCS）、）、网络化分布式控制系统（网络化分布式控制系统（NCSNCS）。）。 （2 2）DCSDCS、PLCPLC和工业控制计算机技术正在相互渗透发展，和工