第1章 绪论-4

1、School of Automation Engineering第1章 绪论n1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述n1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成n1.3 计算机控制系统的典型应用形式计算机控制系统的典型应用形式n1.4 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况n1.5 计算机控制系统的理论与设计问题计算机控制系统的理论与设计问题School of Automation Engineering1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述一、一、 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念 控制器执行机构被控对象被控参数设定值控制器执行机构被控对象变送器传

2、感器设定值被控参数a. a. 开环控制系统开环控制系统b. b. 闭环控制系统闭环控制系统School of Automation Engineering 所谓计算机控制系统，就是由计算机去取代了传所谓计算机控制系统，就是由计算机去取代了传统控制系统中控制器的相关功能。统控制系统中控制器的相关功能。 a. a. 开环控制结构开环控制结构b. b. 闭环控制结构闭环控制结构School of Automation Engineeringn实时数据采集实时数据采集 对被控参数进行实时检测，并输对被控参数进行实时检测，并输入计算机；入计算机； n实时决策实时决策 对采集到的数据进行处理、分析，并对采

3、集到的数据进行处理、分析，并按事先确定的控制规律，决定需要采取的控制策按事先确定的控制规律，决定需要采取的控制策略与控制信号；略与控制信号； n实时控制实时控制 根据控制决策，实时地向执行器发出根据控制决策，实时地向执行器发出控制信号控制信号。 以上三个步骤按顺序执行，并不断循环。以上三个步骤按顺序执行，并不断循环。 School of Automation Engineeringn上述三个步骤每个步骤均需要一定的计算机处理上述三个步骤每个步骤均需要一定的计算机处理时间，这样从信号的输入到控制作用的产生就会时间，这样从信号的输入到控制作用的产生就会有一定的延迟时间，为了达到期望的控制效果，有一

4、定的延迟时间，为了达到期望的控制效果，这个延迟时间必须足够小，即要求这个延迟时间必须足够小，即要求 “实时实时” 。n所谓所谓“实时实时”，就是指信号的输入、分析与处理，就是指信号的输入、分析与处理和输出控制都要在一定的时间范围内完成，即计和输出控制都要在一定的时间范围内完成，即计算机对信号的采样与处理要有足够快的处理速度，算机对信号的采样与处理要有足够快的处理速度，并在一定时间内作出反应或实施控制，超出这个并在一定时间内作出反应或实施控制，超出这个时间，就会失去控制的有效时机，控制也就失去时间，就会失去控制的有效时机，控制也就失去了意义了意义 。School of Automation En

5、gineering n计算机直接与生产过程的设备相联，并进行相计算机直接与生产过程的设备相联，并进行相应的输入输出及决策操作，称为应的输入输出及决策操作，称为“在线在线”方式方式或或“联机联机”方式；方式； n计算机不直接控制生产过程设备，而是通过中计算机不直接控制生产过程设备，而是通过中间记录介质，靠人工进行联系并进行相应操作间记录介质，靠人工进行联系并进行相应操作的方式，称为的方式，称为“离线离线”方式或方式或“脱机脱机”方式。方式。 School of Automation Engineering二二 计算机控制系统的主要特点计算机控制系统的主要特点 n计算机控制系统通常为模拟与数字部件

6、的混合系计算机控制系统通常为模拟与数字部件的混合系统；统；n存在多种信号形式；存在多种信号形式；n一台计算机可以采用分时控制的方式，同时控制一台计算机可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路，；多个回路，；n具有较好的灵活性与适应性；具有较好的灵活性与适应性；n能够较为方便地实现常规控制器难以实现的复杂能够较为方便地实现常规控制器难以实现的复杂控制规律；控制规律；n可以将整个生产过程的各个部分有效地联结成一可以将整个生产过程的各个部分有效地联结成一个有机的整体，以实现整个生产过程的综合自动个有机的整体，以实现整个生产过程的综合自动化。化。 n系统一般具有较好的可维护性系统一般具有较好的可维护性

7、 。School of Automation Engineeringn硬件组成硬件组成 主要由计算机系统（包括主机和外部设备）主要由计算机系统（包括主机和外部设备）和过程输入输出通道、检测与执行装置、人机和过程输入输出通道、检测与执行装置、人机交互设备和被控对象等。交互设备和被控对象等。1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。School of Automation Engineeringn硬件一般组成框图硬件一般组成框图School of Automation Engineeringn软件组成软件组成 一般由

8、系统软件与应用软件两大部分组成。一般由系统软件与应用软件两大部分组成。 在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。高质量的控制系统。School of Automation Engineering 1 数据采集与操作指导系统数据采集与操作指导系统 计算机不直接参与过程控制，主要用于对被控过程的计算机不直接参与过程控制，主要用于对被控过程的现场状态进行实时数据采集和处理，进行必要

9、的集中记录、现场状态进行实时数据采集和处理，进行必要的集中记录、显示、报警或打印输出，对现场状况的集中监视，并为操显示、报警或打印输出，对现场状况的集中监视，并为操作人员提供操作指导信息。作人员提供操作指导信息。 1.3 计算机控制系统的典型应用形式计算机控制系统的典型应用形式 School of Automation Engineering2 直接数字控制系统直接数字控制系统DDC 计算机通过检测单元对过程参数进行巡回检测，并经计算机通过检测单元对过程参数进行巡回检测，并经过输入通道将检测数据输入计算机，计算机按照一定的控过输入通道将检测数据输入计算机，计算机按照一定的控制规律进行运算，得到

10、相应的控制信息，并通过输出通道制规律进行运算，得到相应的控制信息，并通过输出通道去控制执行机构，从而使系统的被控参数达到期望的要求。去控制执行机构，从而使系统的被控参数达到期望的要求。 计算机被控过程检测装置执行机构输入通道输出通道人机交互设备School of Automation Engineering 3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统SCC ： 控制参数与控制规律需预先设控制参数与控制规律需预先设定，且在控制过程中不能被修改，因而对变定，且在控制过程中不能被修改，因而对变化较大的过程来说，其适应性较差。化较大的过程来说，其适应性较差。：，由，由DDC完成对完成对生产过程的直接控制

11、，生产过程的直接控制，SCC计算机则根据过计算机则根据过程工况，进行优化分析，自动产生最优设定程工况，进行优化分析，自动产生最优设定值，并传给值，并传给DDC系统，从而使被控过程处于系统，从而使被控过程处于最优工况。最优工况。School of Automation EngineeringnSCC系统有两种不同的结构形式：系统有两种不同的结构形式：n SCC模拟调节器模拟调节器 School of Automation EngineeringnSCCDDC School of Automation Engineering4 计算机分级分布式控制系统计算机分级分布式控制系统 n计算机分级分布式控

12、制系统采用分级分散型控计算机分级分布式控制系统采用分级分散型控制原理、集中操作、分级管理、分散控制、综制原理、集中操作、分级管理、分散控制、综合协调的设计原则，将系统由下至上可分为现合协调的设计原则，将系统由下至上可分为现场分布式控制级、过程控制集中监控级、生产场分布式控制级、过程控制集中监控级、生产管理级以及企业经营管理级等，各级之间通过管理级以及企业经营管理级等，各级之间通过高速通讯通道相互连接，传递信息，协调工作。高速通讯通道相互连接，传递信息，协调工作。n其典型形式为集散控制系统，也称分布式控制其典型形式为集散控制系统，也称分布式控制系统（系统（DCS）。）。 School of Au

13、tomation Engineeringn分级分布式控制系统一般结构分级分布式控制系统一般结构School of Automation Engineering5 数据采集与监督控制系统数据采集与监督控制系统SCADA nSCADA系统是对分布距离远、生产单位分系统是对分布距离远、生产单位分散的生产系统进行数据采集、集中监视和分散的生产系统进行数据采集、集中监视和分散控制的一种计算机控制系统，它可以实现散控制的一种计算机控制系统，它可以实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调节远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，其核心是对以及各类信号报警等各项功能，其核心是对现场信

14、息进行远程检测与采集，并集中监视，现场信息进行远程检测与采集，并集中监视，同时进行必要的远程控制或报警处理。同时进行必要的远程控制或报警处理。 School of Automation EngineeringnSCADA系统的一般组成系统的一般组成 School of Automation Engineering6 现场总线控制系统现场总线控制系统 n现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）是在）是在DCS基础上发展起基础上发展起来的一种高级形式，其核心是引入了现场总线。来的一种高级形式，其核心是引入了现场总线。n现场总线是连接过程控制现场各种智能设备与中央现场总线是连接过程控制现场各种智

15、能设备与中央监控室之间的全数字、开放式双向通信网络，是一监控室之间的全数字、开放式双向通信网络，是一种专门面向工业控制现场的实时、高可靠性数据传种专门面向工业控制现场的实时、高可靠性数据传输网络。输网络。nFCS主要改变了现场控制层的结构，摒弃了传统主要改变了现场控制层的结构，摒弃了传统DCS中的相对集中现场控制站，而将其化整为零，中的相对集中现场控制站，而将其化整为零，分散于各种现场仪表与现场设备，并通过现场总线分散于各种现场仪表与现场设备，并通过现场总线构成相应的控制回路，实现了真正的分散控制构成相应的控制回路，实现了真正的分散控制 。 School of Automation Engin

16、eeringn现场控制系统一般结构现场控制系统一般结构School of Automation Engineering一一 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程 n20世纪世纪50年代初至年代初至60年代中期，计算机控制开创年代中期，计算机控制开创与试验阶段。与试验阶段。n50年代初，自动测量与数据处理；年代初，自动测量与数据处理；n50年代中期至年代中期至60年代中期，年代中期，DDC产生与发展；产生与发展；n60年代中期至年代中期至70年代初期，以年代初期，以DDC为主的计算机为主的计算机控制进入逐步推广应用阶段。控制进入逐步推广应用阶段。n随着随着1972年微型计算机的出现，

17、以微型计算机为年微型计算机的出现，以微型计算机为核心的核心的DDC系统逐渐得到普遍应用。系统逐渐得到普遍应用。 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School of Automation Engineeringn70年代中期，随着微处理器技术的发展，促使了年代中期，随着微处理器技术的发展，促使了以微控制器为基础的分散型计算机控制系统的诞以微控制器为基础的分散型计算机控制系统的诞生，将这些分散的控制器通过数据网络实现集中生，将这些分散的控制器通过数据网络实现集中管理，即发展为集散控制系统（即管理，即发展为集散控制系统（即DCS）。）。n 80年代中后期到年代中后期到90年代

18、，年代，DCS得到了更为广泛的得到了更为广泛的应用，并占据了工业控制领域的主导地位。应用，并占据了工业控制领域的主导地位。 n20世纪世纪80年代逐渐兴起的计算机集成制造系统年代逐渐兴起的计算机集成制造系统（CIMS）技术，对现代制造技术产生了重要的）技术，对现代制造技术产生了重要的影响。影响。 School of Automation Engineeringn20世纪世纪70年代开始出现的可编程逻辑控制器年代开始出现的可编程逻辑控制器（PLC）技术在工业控制中获得了巨大的成功，）技术在工业控制中获得了巨大的成功，并得到飞速发展，并得到飞速发展， 成为现代工业控制系统中成为现代工业控制系统中的

19、主要控制器；的主要控制器；n计算机数值控制（计算机数值控制（CNC）系统）系统数控机床数控机床中重要支撑技术中重要支撑技术n基于网络的控制系统基于网络的控制系统 School of Automation Engineering二、计算机控制系统的发展趋势二、计算机控制系统的发展趋势 n嵌入式控制系统普遍应用嵌入式控制系统普遍应用 n可编程逻辑控制器的功能更为精细与强大可编程逻辑控制器的功能更为精细与强大 n现场总线控制系统趋于标准化现场总线控制系统趋于标准化 n网络控制系统日臻成熟网络控制系统日臻成熟 School of Automation Engineering1. 计算机控制系统的理论问

20、题计算机控制系统的理论问题 n控制系统理论控制系统理论n采样系统理论采样系统理论n z 变换理论变换理论n 数字系统理论数字系统理论1.5 计算机控制系统的理论与设计问题计算机控制系统的理论与设计问题 School of Automation Engineering2. 计算机控制系统的设计问题计算机控制系统的设计问题 n基于连续系统理论的设计方法基于连续系统理论的设计方法 把计算机控制系统看作是一个连续系统，基于连把计算机控制系统看作是一个连续系统，基于连续控制系统理论设计与数字控制器价的连续控制器，续控制系统理论设计与数字控制器价的连续控制器，再采用相应的一些离散化的方法将该等价连续控制器再采用相应的一些离散化的方法将该等价连续控制器离散化。离散化。School of Automation Engineeringn离散域直接设计方法离散域直接设计方法 把计算机控制系统看作一种离散时间信号系统，把计算机控制系统看作一种离散时间信号系统，先将系统中所有连续部分离散化，然后直接在离散先将系统中所有连续部分离散化，然后直接在离散域进行设计，得到相应的数字控制器，并在