计算机控制课程实施大纲

1、四川理工学院本科课程实施大纲计算机控制基本信息课程代码：10000724课程名称：计算机控制 （Computer Control）学 分：2.5总 学 时：38（32理论+6实验）学 期：第6学期上课时间： 上课地点： 答疑时间和方式：课前、课后、固定地点辅导答疑、网络及电话答疑地点：上课的教室，教师办公室（实验一楼429）或者教研室（实验一楼541）授课对象：自动化本科任课教师：陈昌忠学 院：自动化与电子信息学院邮 箱：c-zchen联系电话61682（V网短号）1教学理念自动化专业致力于培养适应新世纪社会主义现代化建设需要的德、智、体、美全面发展的，素质、能力、知

2、识协调统一的，掌握电工技术、电子技术、自动检测与仪表、控制理论、计算机技术与应用、信息处理、系统工程和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和现代自动化领域基本理论知识及专业技能，富有创新精神和协作能力、实践能力强、全面发展的高级复合型自动化工程技术人才。计算机控制课程除了掌握基本知识和基本理论以外，更重要的是培养学生的自学能力、实践能力和系统设计能力，在老师的理论教学和实践教学过程中，遵循理论联系实际和因材施教的原则，使学生在循序渐进的教学过程中获得系统的科学知识，并能够做到学以致用。计算机控制课程所涉及知识较广，要求有较全面的工程数学、微型计算机原理及接口技术、程序设计以及电路原理和电路设计等

3、知识，考虑到该课程的前期基础课程较多，学生基础相对比较薄弱的特点，在教学计算机控制的知识的过程中，区分计算机控制课程的新知识和运用的前期课程知识，计算机控制课程的新知识理清思路、讲透原理；运用的前期课程知识，告诉同学们该知识点具体属于那门课程及章节，并讲透如何使用这些知识点等。整个教学实施过程中，我的教学风格是：（1）认真的对待每位学生。在教学过程中，我将以民主、平等、尊重、严格的态度对待每位学生，对不同类型的学生以及关系密切程度不同的学生做到一视同仁，对每一位学生都关心、爱护。（2）以多重教学方法传递知识。为了避免学生因为知识较难而产生课程学习的畏难情绪。课程实施主要采用讲授法、引导法、提问

4、法、对比法、归纳法、演示法以及实例分析法等多种教学方法，同时结合教师自身的教学经验，充分调动学生的学习兴趣，使学生通过积极的思维、练习，主动地获取知识，确保学生学有所得。在上课形式上，运用多媒体教学手段，方便引入前期学习知识内容，便于学生了解和掌握本课程的知识，以实现良好的教学效果。（3）以深入浅出的逻辑思路讲解知识。在教学过程中，我尽量寻求学生易于接受的教学方法和思维方式引导学生，尽量获取更多的知识信息。尽可能地引用前期课本中的相关例子、前期课程设计中的内容，用最浅显易懂的语言表达课程中比较复杂抽象知识，让学生积极参与整个教学环节，通过理论学习和实践教学，较好地掌握该课程。（4）积极引导学生

5、的主动学习。在教学过程中，我将通过现实生活的实际计算机控制系统，分析系统中的关键技术，引导同学们去思考实现这个计算机控制系统所需的知识，并如何应用这些知识去完成系统的设计，让学生掌握如何去分析问题和解决问题。这样充分调动学生学习兴趣，积极主动地学习。2课程描述计算机控制属于信息技术学科，该课程是我国高等学校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化等专业的一门专业技术课。它是继微控制器原理及应用、自动控制原理、单片机原理与应用、可编程控制器、数字电路、模拟电路、算法语言、检测技术、控制装置等课程之后的一门综合性较强的专业主干课程。计算机控制本课程主要学习计算机控制系统的概念、结构、类别

6、，计算机控制系统硬件的一般组成，数字控制器的常用控制算法，系统硬、软件抗干扰技术，计算机控制系统设计等。要求学生们能够从被控对象出发，综合考虑工艺、性能指标、系统硬件与软件、控制规律等诸多方面，设计出符合要求的计算机控制系统。计算机控制是自动化专业的限选专业课程，也是一门理论性和实践性都很强的课程。该课程的知识主要解决控制系统自动运行、智能解决运行中的问题以及系统设备之间进行信息交互问题等，是机器、装置、产品等必不可少的知识组成部分。计算机控制主要研究将计算机技术和自动控制技术相结合，是自动控制发展中的高级阶段，是自动控制的重要分支，广泛应用于日常生活、工农业生产、军事国防、管理等各个领域。现

7、随着信息化、数字化、智能化、网络化技术的发展，与微电子技术、控制技术、计算机技术、网络与通信技术、显示技术的发展密切相关，互为因果，相互补充、相互促进，目前计算机控制系统主要向综合化、虚拟化、智能化、绿色化等方向发展。3教师简介陈昌忠，硕士研究生，副教授，自动化与电子信息学院自动化教研室。1997.07大学本科毕业于四川大学自动控制专业，获工学硕士；2009.06硕士研究生毕业于四川理工学院模式识别与智能系统专业，获工学工学硕士。主要研究方向：微控制器技术，检测技术及信息处理，智能控制以及非线性控制。4先修课程高等数学工程数学、电路原理、模拟电路、数字电路、算法语言、电机拖动基础电力电子技术自

8、动控制原理、微控制器原理及应用、单片机原理与应用、可编程控制器、检测技术、控制装置先修课程与本课程的关系：高等数学：主要微分、积分和泰勒级数等知识，在控制器算法设计、数据预处理、线性化、非线性误差、标度变换等需要这些学知识。工程数学：在计算机控制器设计时，要使用拉氏变换、Z变换、差分方程、矩阵知识等。电路原理、模拟电路、数字电路：计算机控制电路设计需要这些课程的知识。检测技术、控制装置：在计算机控制系统设计中需要正确选用传感器和执行机构，以及对传感器输出信号和输入执行机构信号进行处理。电机拖动基础、电力电子技术：电机拖动基础为计算机控制课程用到的控制对象步进电机提供理论基础，电力电子技术为实现

9、计算机控制提供控控制方法。自动控制原理：其理论支撑计算机控制算法实现，是计算机控制课程关于控制的直接基础知识。微控制器原理及应用、单片机原理与应用、可编程控制器、算法语言：这些课程的知识都是计算机控制课程的直接基础知识，学习计算机控制的时候，涉及到计算机方面的知识都是直接使用。与本课程相关的后续课程：系统工程设计、系统综合训练、集散控制系统和现场总线控制系统、毕业设计等。5课程目标5.1知识与技能方面知识：掌握计算机控制系统的概念、结构特点、工作原理；理解和掌握计算机控制系统的组成，计算机控制系统过程通道，计算机控制系统数据预处理技术，数字控制器的常用控制算法；了解计算机控制系统分类及发展趋势

10、，工业控制计算机，数字控制器的复杂控制算法及先进控制技术，计算机控制系统硬、软件抗干扰技术，工业控制网络技术；理解计算机控制系统设计与实现等。技能：能够分析现实生活中计算机控制系统的组成、工作原理；能够根据需求设计出直接数字控制系统（DDC）。5.2过程与方法方面计算机控制理论学习32学时，每周4学时，共开课8周；实践课程6学时，伴随相应教学之后进行。理论教学由讲解、演示以及示例等完成，实验教学由构建电路、连接计算机以及编程等完成，学生学习由预习、课堂学习、复习以及作业完成，最后通过考核完成学习过程。教学与学习过程中，通过多种教学方法（讲授法、引导法、提问法、对比法、归纳法、演示法以及实例分析

11、法等）学习本次课程内容，每次课程给出下一次课程讲解的内容、需要的前期课程知识；学生们进行预习、复习、做作业，认真完成实践教学。5.3情感、态度与价值观方面总体目标：不仅教会学生知识，还要教会学生做人。老师要认真备课、讲解和批改作业，上课按时就位、态度认真、尽职尽责；学生课前要预习，课中要积极认真，课后要复习、认真作业，实践课程一定理解和动手完成；师生在上课期间不要与他人讨论与本课程无关的内容，或者玩手机、上网、打电话、吃东西等。老师对待学生以民主、平等、尊重的态度，重视学生的发言，认真思考学生的提出意见和建议，并反馈相应信息；学生要尊重老师和其他同学，诚实守信，遵守课堂纪律，学生要学会理解和尊

12、重他人，学会与人交往的基本礼仪，注重在公众场所的言谈举止等。6课程内容6.1 选用教材简介计算机控制技术（Computer Control Technology）（第3版）顾德英 罗云林 马淑华 编著北京邮电大学出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材高等院校自动化新编系列教材6.2 课程教学章节及学时安排总学时安排：38学时，其中（理论教学32学时，实验教学6学时）理论教学安排如下：绪言 计算机控制系统关键技术 2学时第1章 计算机控制系统概述 3学时第2章 工业控制计算机 2学时第3章 输入输出与信息通道技术 7学时第4章 计算机控制系统抗干扰技术 2学时第5章 数字控制技术 3学时第6

13、章 常规及复杂控制技术 5学时第7章 计算机控制系统软件设计技术 4学时第8章 先进控制技术 自学（0学时）第9章 工业控制网络技术 2学时第10章 计算机控制系统设计与实现 2学时实验教学安排如下：PID控制实验 3学时最小拍控制 3学时6.3课程教学内容、重点难点绪言 计算机控制系统关键技术（一）教学内容0.1 计算机控制基础0.2 计算机控制系统的关键技术0.3 本课程讲解的知识（二）重点：计算机控制的定义，计算机控制系统中的关键技术。（三）难点：计算机控制的定义，计算机控制系统关键技术的理解。第1章 计算机控制系统概述（一）教学内容1.1 计算机控制特征与组成1.2 计算机控制系统的分

14、类1.3 计算机控制系统的发展概况及趋势（二）重点：计算机控制的组成、特征、工作原理以及工作方式。（三）难点：计算机控制的控制过程、实时工作方式。第2章 工业控制计算机（一）教学内容2.1 IPC工控机2.2 可编程序控制器（PLC）(自学，前期课程内容)2.3 嵌入式系统(自学，前期课程内容)（二）重点：IPC工控机的概念、组成，计算机控制系统总线。（三）难点：IPC工控机的总线结构和输入输出模板。第3章 输入输出与信息通道技术（一）教学内容3.1 数字量输入输出通道3.2 模拟量输入通道3.3 模拟量输出通道3.4 人机交互通道（二）重点：过程通道的的组成，A/D、D/A结构与应用、计算机

15、控制系统的显示器和键盘。（三）难点：组成过程通道的器件的灵活使用、计算机控制系统基本显示电路软硬件设计和非编码键盘的软硬件设计。第4章 计算机控制系统抗干扰技术（一）教学内容4.1 计算机控制系统主要干扰分析4.2 过程通道抗干扰技术4.3 接地技术4.4 供电技术（二）重点：干扰的定义，干扰产生的机理及消除干扰的方法，计算机控制系统的接地技术。（三）难点：干扰产生的机理及消除干扰的方法，计算机控制系统接地的方法。第5章 数字控制技术（一）教学内容5.1 数字控制系统5.2 逐点比较法插补原理5.3 步进电机伺服控制技术5.4 直流伺服电机控制技术 （二）重点：数字程序控制的概念及组成，数字控

16、制原理和实现方法，步进电机的工作原理及其控制。（三）难点：数字程序控制实施的原理，步进电机控制电路设计及其软件设计。第6章 常规及复杂控制技术（一）教学内容6.1 数字控制器模拟化设计6.2 计算机控制系统的离散化设计6.3 纯滞后控制技术（二）重点：数字控制器的设计方法，数字控制器的连续化设计方法和离散化设计方法的一般步骤，PID算法、最少拍算法、大林算法。（三）难点：数字控制器的连续化设计方法和离散化设计方法具体实施过程。第7章 计算机控制系统软件设计技术（一）教学内容7.1 程序设计技术7.2 测量数据预处理技术7.3 软件抗干扰技术 7.4 数字PID控制器的工程实现(自学，在DCS课

17、程中具体讲)（二） 重点：程序设计的步骤，测量数据预处理技术，软件抗干扰技术。（三） 难点：各种数据预处理方法实现原理。第8章 先进控制技术（自学内容）（一）自学内容8.1 模糊控制技术8.2 神经网络控制技术8.3 预测控制技术（二） 重点：理解模糊控制、神经网络控制及预测控制的工作原理及实现。（三） 难点：模糊控制、神经网络控制及预测控制的原理。第9章 工业控制网络技术（一）教学内容9.1 工业控制网络概述9.2 控制网络技术基础9.3工业以太网（自学）9.4 集散控制系统（DCS）（自学,自动化开设专门课程）9.5 现场总线控制系统(FCS) （自学,自动化开设专门课程）9.6 综合自动

18、化系统（自学）9.7 物联网监控技术 （自学）（二）重点：工业控制网络的类型、网络协议、介质访问控制技术。（三）难点：集散控制系统、现场总线控制系统、物联网技术体系结构的理解。第10章 计算机控制系统设计与实现（一）教学内容10.1系统设计的原则与步骤10.2 系统的工程设计与实现10.3 电热油炉温度单片机控制系统设计10.4 换热站监控系统设计10.5 三维直线运动平台PLC控制系统设计（二）重点：计算机控制系统设计的原则与步骤，计算机控制系统设计实现。（三）难点：计算机控制系统设计的实现、计算机控制系统设计实例理解。7.课程教学实施授课章节绪言 计算机控制系统关键技术本章总学时3教学性质

19、理论课单元学时2教学课次（总课次）1（16）1单元教学目标了解日常生活中常见的计算机控制系统，理解和掌握计算机控制的定义，理解计算机控制系统中的关键技术2单元教学内容（含重点、难点）讲解计算机控制基础，计算机控制系统的关键技术重点：计算机控制的定义，计算机控制系统中的关键技术。难点：计算机控制的定义，计算机控制系统关键技术的理解。3单元教学过程及教学方法0.1 计算机控制基础一、计算机控制系统的结构原理图（课堂讲授）二、计算机控制的定义（课堂讲授）1 计算机控制就是对被控对象的有关参数（如温度、压力、流量、转角等）进行采样并转换成统一标准信号，通过输入通道把数字量和模拟量（转换成数字量）表示的

20、各种参数信息传送给计算机，计算机根据这些信息，按照预先规定的控制规律进行运算和处理，并通过输出通道把运算结果以数字量或模拟量的形式去控制被控对象，使被控制的参数达到预期的目标。2 计算机控制是“计算机技术”与“自动化控制系统”融为一体的一门综合性学问，计算机控制系统是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。3 从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。三、日常生活中常见的计算机控制系统举例（讨论与探究法）0.2 计算机控制的关键技术（课堂讲授）4单元作业安排及课后反思试举例生活中的某计算机控制系统，并进行分析

21、该系统用了哪些知识。5（单元）课前准备情况及其他相关特殊要求（教师、学生）了解生活中的计算机控制系统。授课章节绪言 计算机控制系统关键技术本章总学时3教学性质理论课单元学时1教学课次（总课次）2（16）1单元教学目标理解计算机控制系统中的关键技术，了解本课程的学习内容。2单元教学内容（含重点、难点）实例讲解计算机控制的关键技术，本课程的学习内容。重点：理解和掌握计算机控制系统中的关键技术需要的相关知识。难点：理解计算机控制系统中的关键技术。3单元教学过程及教学方法0.2 计算机控制的关键技术实例：电感式滚珠直径分选控制系统（案例分析、讨论与探究法、实验与演示法等）1 控制目标2 被控对象3 完

22、成控制需要做的任务： （1） 信号检测有哪些？（2） 控制点有哪些？（3）控制核心：控制器、控制方案；（4）装置选择。4 信号特征计算机控制的关键技术内容（案例分析） 1 硬件系统构成多路开关、程控放大器、采样保持器、A/D和D/A 放大器；2 控制规律算法：PID、最小拍算法实现方式；知识基础拉氏变换、Z变换、差分方程；3 信号处理自动校准、线性化、标度变换、硬件抗干扰、软件抗干；4 软件系统软件、应用软件（前期课程、工业组态软件）。示例：工业组态软件控制控制系统的工业组态图（图例展示）0.3 本课程的学习内容（课堂讲授）1 计算机控制的定义；2 计算机控制的工作原理；3 计算机控制的组成；

23、4 信号检测输入通道5 信号输出控制通道6 软件设计（算法、编程、组态软件）7 可靠性（数据预处理、抗干扰技术）8 系统的设计教学章节第0章 绪言第1章 计算机控制系统概述第2章 工业控制计算机第3章 输入输出接口与信息通道技术第4章 计算机控制系统抗干扰技术第5章 数字控制技术第6章 常规控制技术第7章 计算机控制系统软件设计技术第10章 计算机控制系统设计与实现4单元作业安排及课后反思了解生活中的某些控制系统可以用计算机实现，准备好本课程的前期课程的课本。5（单元）课前准备情况及其他相关特殊要求（教师、学生）要求课前分析生活中的计算机控制系统。授课章节第1章 计算机控制系统概述本章总学时3

24、教学性质理论课单元学时1教学课次（总课次）2（16）1单元教学目标了解典型计算机控制系统原理结构图，理解计算机控制系统的特征、工作原理和工作方式。2单元教学内容（含重点、难点）计算机控制系统特征，计算机控制系统工作原理、工作方式。重点：计算机控制系统结构特征，计算机控制系统工作原理、工作方式。难点：计算机控制系统与模拟控制系统工作原理的区别，“实时”概念的理解。3单元教学过程及教学方法1.1 计算机控制系统特征与组成（课堂讲授）1.1.1 自动控制 自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应功能，实现预定目标 自

25、动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。开环控制系统： 所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制对象或系统能按照约定来运动或变化。闭环控制系统： 闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。1.1.2 计算机控制系统的工作原理（课堂讲授） 1 计算机控制的定义（1）从结构图定义计算机控制系统是以计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象的系统，由计算机和被控对象两大部分组成。（2）从组成定义计算机控制系统是硬件和软件两个基本部分组成。（3）从信息流定义计算机控制就是对被控对象的有关参数（如温度、压力、流量、转

26、速、转角、电压、电流、相位、功率、状态等）进行采样并转换成统一的标准信号，通过输入通道把表示各种参数信息的开关量和模拟量转换成数字量并传送给计算机，计算机根据这些信息，按照预先规定的控制规律进行运算和处理，并通过输出通道把运算结果以开关量和模拟量的形式去控制被控对象，使被控制的参数达到预定的目标。2 计算机控制的工作原理（工作过程）（1）实时数据采集 对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。（2）实时控制决策 对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。（3）实时控制输出 实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。上述过程依次不断循环

27、进行，使被控变量稳定在设定值上。3 计算机控制系统工作的方式(1)在线方式和离线方式生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式，反之称为离线方式。生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。(2)实时方式实时 ：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制 。 2个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间（允许滞后）；其二：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应（计算机响应时间）。一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是

28、在线系统。1.2.3 计算机控制系统的特征（1）结构特征 执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统 控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；可同时控制多个回路 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。 （2）信号特征 模拟控制系统和计算机控制系统的信号差异：模拟控制系统：均为连续模拟信号；计算机控制系统：模拟信号、离散信号、数字信号。（3）控制方法特征常用的设计方法有两种：模拟调节规律离散化设计法使用模拟自动控制系统理论设计，计算机控制器实现间接设计方法PID控制；离散化设计方法使用的数字控制理论，计算机控制器实现直接设计法 最少拍控制。（4）功能特征以软件代替硬件 数

29、据存储 状态、数据显示 管理功能 4单元作业安排及课后反思（1）习题1-1。（2）请描述计算机控制系统的工作原理（工作过程）。（3）请计算机控制系统的结构特征。5（单元）课前准备情况及其他相关特殊要求（教师、学生）要求课前预习。授课章节第1章 计算机控制系统概述本章总学时3教学性质理论课单元学时2教学课次（总课次）3（16）1单元教学目标了解计算机控制系统硬件组成、软件组成，了解计算机控制系统的分类，了解计算机控制系统的发展概况、发展过程和发展趋势。2单元教学内容（含重点、难点）计算机控制系统硬件组成，计算机控制系统系统软件，计算机控制系统的分类，计算机控制的发展概况及发展趋势。重点：计算机控

30、制系统组成、分类。3单元教学过程及教学方法1.2.4 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成包括硬件和软件两大部分。硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础。软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。1 硬件组成（1）主机主机是指用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道

31、中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。 （2）I/O接口 CPU与外部设备的连接和数据交换都需要通过I/O接口设备来实现。I/O接口存在的原因：速度不匹配，时序不匹配，信息格式不匹配。（3）过程通道 (输入输出通道)过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号方向和形式，过程控制通道可分为： 模拟量输入通道（AI）完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的数字信号。 模拟量输出通道（AO）目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，

32、而计算机处理、决策后的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并保持。 数字量输入通道（DI）数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。 数字量输出通道（DO）数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备。（4）操作控制台操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序。操作控制台一般应包括： 信息的显示， 信息的记录， 工作方式状态

33、的选择， 信息输入。一般由四部分组成: 显示器， 作用开关， 功能键， 数字键。（5） 检测元件与执行机构检测元件： 传感器：将被测参数转变为电学量， 变送器：电变量转换为计算机接口使用的电信号。执行机构： 电动执行器， 气动执行器， 液动执行器。2 计算机控制系统软件组成软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包

34、括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。应用软件是面向生产过程的程序，如A/D、D/A转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。1.2 计算机控制系统的分类按照控制方式分类：开环控制和闭环控制；按照控制规律分类：程序和顺序控制，比例积分微分控制（PID控制），有限拍控制，复杂规律控制，智能控制等；按照系统的功能、工作特点分类：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统

35、、分布式计算机控制系统、计算机集成制造系统。1. 操作指导控制系统 操作指导控制系统（Operational Information SystemOIS）指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作。 2 直接数字控制系统（DDC）直接数字控制系统(Direct Digital Control system-DDC)是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。3监督计算机系统（SC

36、C）监督计算机控制（Supervisory Computer ControlSCC）系统：计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。4 集散控制系统（DCS）集散控制系统（DCS：Distributed Control System）又称为分布控制系统。该系统采用分散控制、集中管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构,每一级都有自己的功能，基本上是独立的，但级与级之间或同级之间

37、又有信息交互。直接控制层是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。5 现场总线控制系统(FCS)现场总线控制系统（Field Bus SystemsFCS）的核心是现场总线。现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。现在国际上流行的设备级的通信网络,如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF 等。现场总线的能源提供：总线

38、供电；信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连; 系统结构采用全分散化, 现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等； 现场设备具有互操作性,改变了DCS 控制层的封闭性和专用性,不同厂家的现场设备既可互连也可互换,并可以统一组态； 通信网络为开放式互连网络,可极其方便地实现数据共享; 技术和标准实现了全开放,面向任何一个制造商和用户；现场总线控制系统的结构模式为：“工作站现场总线智能仪表”二层结构。6 计算机集成制造系统(ClMS)计算机集成制造系统(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System)是计算机

39、技术,网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术、系统工程技术等新技术发展的结果将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来,进行统一控制,求得生产活动的最优化。 CIM的理念包括两个基本出发点第一点是企业的各个生产环节不可分割的，需要统一考虑；第二点整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。 主要应包括工程设计自动化、产品加工自动化和生产管理信息化等三个方面。 1.3 计算机控制的发展概况及趋势1.3.1 计算机控制系统概述 计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。

40、计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。1. 计算机控制系统产生的原因随着科学发展、技术进步和对控制要求的提高，控制对象越来越复杂，控制系统也随之复杂，出现了多输入-多输出多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。对这些系统，使用常规控制方法和手段实现十分困难。电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大飞跃。2. 计算机控制技术的发展微电子技术和计算机技术的发展，为

41、计算机控制的发展奠定了坚实的基础。自1946年世界上第一台可以由程序控制的计算机（称为电子数字器与计算器）ENICA诞生以来，人们就试图将这种运算速度快，又能存储又能进行算术和逻辑计算的机器应用于自动控制系统中来。然而这种昂贵的运算机器在作为控制器来说是大材小用，于是人们希望用这种计算机来完成许多回路的数据采集与控制，而当时计算机的可靠性又难以胜任作为控制器所需要的高可靠性。20世纪50年代初，美国首先用计算机来完成对生产过程进行巡检数据采集和数据处理。1959年美国TRW航空公司和Texaco公司合作成功地在得克萨斯州的一家炼油厂将一台计算机投入在线控制。该控制系统以综合指标出发确定了热水循

42、环系统的最佳参数，同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。在20世纪60年代计算机控制系统已成功的应用于化工、钢铁和电力等不同的领域，但这些系统还都是以数据的采集和处理为主。1962年英国帝国化工公司制造出一套可以直接取代常规仪表对生产过程直接进行控制的计算机控制系统，开创了直接数字控制的新时期。自1971世界上第一片四位微处理器的出现，微型计算机得以快速发展，1993年Pentium处理器的出现更使微型计算机在运算速度等诸多方面得以长足发展，同时也使计算机控制得以飞速发展。微处理器和微型计算机的诞生与发展为实现分散控制创造了良好的条件。1975年美国Honeywell公司研制成功世界上第一套集散型

43、控制系统TDC-2000并投入使用，开创了计算机应用于实际生产过程控制的新纪元。随后一直到80年代末，集散控制系统迅速发展，有几万套集散系统投入运行，不但得到使用者的高度评价同时也为制造商和使用企业带来了巨大的经济效益。随着3C技术和网络技术的发展，现场总线控制系统和网络控制系统应运而生。可编程控制器（PLC）的综合应用已打破了原工业控制的格局，并共同融入到计算机控制系统的大门类之中。 3 计算机控制系统的发展过程50年代的起步期1959年世界上第一台过程控制计算机在美国德克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行。该系统控制有26个流量、72个温度、3个压力和3个成份.主要用于数据处理和操作指导。60

44、 年代的试验期1962年英国的帝国化学工业公司实现了一个DDC系统，其中数据采集量为244个，它控制129个阀门。70年代以来的推广期70年代从传统的集中控制系统革新为分散控制系统(DCS)。世界上几个主要的计算机和仪表制造厂于1975年几乎同时生产集散控制系统。例如，美国Honeywell公司的TDC-2000，日本横词公司的CENTUM等。80年代的成熟期80年代推出具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控制和管理融为一体的新型分散控制系统。90年代后进一步发展期90年代，在流程工业中，计算机管控一体化系统，从生产过程的全局出发，通过对生产活动所需的各种信息的集成，实现常规的过程控制、先

45、进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能。1.3.2 计算机控制理论与新型控制策略 1 计算机控制理论采样控制理论计算机控制系统理论主要包括： 离散系统理论 采样系统理论 数字系统理论 离散系统理论研究离散系统分析和设计的各种方法，包括：差分方程及z变换理论常规设计方法按极点配置的设计法最优设计方法 系统辨识及自适应控制采样系统理论除了离散系统的理论外，还包括：采样理论连续模型及性能指标的离散化性能指标函数的计算采样控制系统的仿真采样周期的选择数字系统理论数字系统理论除了包括离散系统和采样系统的理论外，还包括：数字信号整量化效应数字控制器的实现2 先进控制技术鲁棒控制 预测控制 模

46、糊控制 神经控制 专家控制 遗传算法 （1）鲁棒控制在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控对象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素，如：参数变化；未建模动态特性；平衡点的变化；传感器噪声；不可预测的干扰输入；所以我们所建立的对象模型只能是实际物理系统的不精确的表示。鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在其他变化因素的条件下，使系统仍能保持预期的性能。如果模型的变化和模型的不精确不影响系统的稳定性和其它动态性能，这样的系统我们称它为鲁棒控制系统。鲁棒性(Robustness) 所谓鲁棒性，是指标称系统所具有的某一种性能品质对于具有不确定性的系统集的所有成员均成立，如果所关心的是系统

47、的稳定性，那么就称该系统具有鲁棒稳定性；如果所关心的是用干扰抑制性能或用其他性能准则来描述的品质，那么就称该系统具有鲁棒性能。（2） 预测控制预测控制是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略，其基本思想类似于人的思维与决策，即根据头脑中对外部世界的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从中择优予以实施。 模型预测滚动优化反馈校正等三条基本原理 （3）模糊控制模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法。模糊控制是一种能够提高工业自动化能力的控制技术。凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合都可采用模糊控制技术。（4）神经网络控制神经网络控制是一种基本上不依赖于模型的控制方法，它比较

48、适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和学习功能。（5）专家控制专家控制系统是一种已广泛应用于故障诊断、各种工业过程控制和工业设计的智能控制系统。工程控制论与专家系统的结合形成了专家控制系统。专家控制系统分专家控制系统和专家控制器两种主要形式。专家控制系统：采样黑板结构是一种强功能的专家系统结构和问题求解模型，它能够处理大量不同的、错误的和不完全的知识，以求解问题。基本黑板结构是由一个黑板（BB）、一套独立的知识源（KSs）和一个调度器组成。专家控制器：多为工业专家控制器。（6）遗传算法遗传算法是一种新发展起来的优化算法，基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法。它将“适

49、者生存”这一基本的达尔文进化理论引入串结构，并且在串之间进行有组织但又随机的信息交换。基因任意组合所构成的串的集合 1.3.3计算机控制系统的发展趋势： 综合化虚拟化智能化绿色化4单元作业安排及课后反思请查阅关于计算机控制系统组成、分类以及发展概述方面的书籍。5（单元）课前准备情况及其他相关特殊要求（教师、学生）要求课前预习。授课章节第2章 工业控制计算机本章总学时2教学性质理论课单元学时2教学课次（总课次）4（16）1单元教学目标了解工业控制计算机的组成与特点，理解工控机的内部总线、外部总线，了解工控机的输入输出模板。2单元教学内容（含重点、难点）IPC工控机，可编程序控制器（PLC），嵌入

50、式系统。重点：IPC工控机的概念、组成，计算机控制系统总线。难点：IPC工控机的总线结构和输入输出模板。3单元教学过程及教学方法2.1 工控机（课堂讲授、实例法）工控机(Industrial Personal ComputerIPC)：亦即工业控制计算机、工业计算机，是以计算机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信息，再根据控制要求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。工控机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，它作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。 2.1.1 工控机IPC的组成与特点（课堂讲授、实例法）1 工控机的硬件

51、组成常规构件：加固型工业机箱、工业电源、主板机、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等。各个部件均采用模块化结构。（2） 工控机的结构硬件:主机板（CPU、内存储器）、系统总线、过程输入输出通道、人机接口、通信设备、系统支持板、磁盘系统。 主机板主机板是工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程 。 系统总线系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信

52、息传送的公共通道，是一组信号线的集合。常用的内部总线有IBM PC总线和STD总线。外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线有RS-232C、RS485和IEEE-488通信总线。 人-机接口人-机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。通过人-机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。 通信接口通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的通道。常用IEEE-488、RS-232C和RS485接口。为方便主机系统集成，USB总线接口技术正日益受到重视。 输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。包括模拟量输入

53、通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关量）输出通道（DO）。 系统支持系统支持功能主要包括：A 监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）,B 电源掉电监测, C 后备存储器, D 实时日历时钟。 磁盘系统半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘 3 工控机的软件组成工业控制机的软件可分为：系统软件、支持软件、应用软件三部分。 系统软件用来管理IPC的资源，并以简便的形式向用户提供服务 工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。 4 工控机的特点 可靠性高，实时性好，环境适应性强，丰富的输入输出模板，系统扩充性和开放性好，系统通信功能强，控制软件包功能强 ，冗余性2.1.2 IPC的总线结构（课堂讲授、实例法）1 总线概述总线分为几种：中央处理器内部的总线、计算机内部各组成部分之间的总线、计算机与外部设备之间的总线。总线的定义：是一组传送规定信息的信号线的集合。通过它们可以把各种数据和命令传送到各