第一章 计算机控制系统概述

计算机控制技术主讲：高艳玲手机箱：yanlinggao163@163.com电气工程系课程教学安排总学时：40学时理论学时：32学时实验学时：8学时考试形式：笔试15十二月2023教材:

15十二月2023主要参考书目15十二月202315十二月2023参考教材《微型计算机控制技术实用教程》，潘新民主编，电子工业出版社，2006《微型计算机控制技术》，赖寿宏主编，机械工业出版社，2005《微型计算机控制技术》，于海生主编，清华大学出版社，2000《微型计算机控制技术及应用》，徐大诚主编，高等教育出版社，2003《微型计算机控制技术》，曾庆波主编，电子科技大学出版社，200715十二月2023前导技术基础课电类基础课微机原理及接口技术C语言程序设计单片机原理及应用传感器及测试技术电路模电数电计算机控制技术课程间的关系:自动控制原理15十二月2023课程简介计算机控制技术课程较全面地介绍了计算机控制的基本理论和应用技术。主要包括计算机控制系统的一般概念、分类和组成；I/O接口和I/O通道的构成、工作原理、典型电路与系统连接的基本知识和应用举例；常用控制程序设计；采用离散化方法进行数字PID控制器及其改进算法设计的原理、参数整定、程序实现和设计举例；数字控制器直接设计方法的原理、方法；微机控制系统设计的方法、步骤、硬件、软件设计及其常用应用程序；现场总线的基础知识。15十二月2023课程基本要求学习本课程后，应达到下列基本要求：1.对控制技术的基本概念和基本组成有明确的认识；2.能熟练掌握接口的设计一般要求、I/O通道的模式；3.掌握典型D/A、A/D芯片与计算机的接口设计以及相应的程序设计；4.掌握键盘接口技术与LED显示接口技术以及相应的程序设计；5.掌握数字程序控制技术的原理与实现技术；6.掌握PID控制中各环节的作用及参数整定的方法；7.了解微型机控制系统的设计方法与步骤。

15十二月2023第一章

计算机控制系统概述本章主要内容本章主要介绍计算机控制系统的一般概念、组成、分类以及发展趋势。15十二月20231.1

计算机控制系统的一般概念

1.2计算机控制系统的组成 1.3计算机控制系统的分类 1.4计算机控制系统的发展趋势

第一章

计算机控制系统概述15十二月2023

计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。20世纪50年代中期，经典的控制理论已经发展成熟和完备，并在不少工程技术领域中得到了成功的应用。

在这个基础上发展起来的模拟式自动控制系统也达到了相当完善的程度，到现在，它仍然在许多工业部门占有相当重要的地位，许多元件和系统都已经形成标准化和系列化产品。

尽管这种模拟式控制系统对单输入单输出系统是很有效的，对一些较复杂的多输入和多输出的参数相互耦合的系统也曾起过积极的作用。但它的进一步发展受到了限制，在控制规律的实现、系统的优化、可靠性等方面越来越不能满足更高的要求。15十二月2023

现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础。而计算机技术的发展为新型控制规律的实现提供了非常有效的手段，计算机技术和现代控制技术的结合极大地推动了自动控制技术的发展。

15十二月20231.1.1计算机控制的发展过程世界上第一台电子计算机于1946年在美国问世，在生产过程控制中采用数字计算机控制的思想出现在20世纪50年代中期，控制理论与计算机技术结合，产生了计算机控制系统，为自动控制系统的应用与发展开辟了新的途径。经过多年的研究，到20世纪50年代末，已经将计算机用于过程控制。1962年，英国帝国化学工业公司实现了一个直接数字控制系统（DDC）系统，它的数据采集点为244点，控制阀为129个。这时的计算机控制系统逐步由早期的操作指导系统转变为直接数字控制系统。1.1

计算机控制系统的一般概念15十二月2023操作指导控制系统：指仅仅向操作人员提供反映生产过程的数据，并给出指导信息。直接数字控制系统：直接数字控制系统可以完全代替原有的模拟控制仪表，由计算机根据生产过程数据，对生产过程直接发出控制作用。随着微型计算机特别是单片机的出现，使计算机控制由集中式的控制结构（一台计算机控制多个回路）转变为分散控制结构，形成分散控制、集中操作和分级管理的布局即分散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）系统。15十二月2023从20世纪80年代后期到90年代，计算机技术又有了飞速的发展，微处理器已由16位发展到32位，并且进一步向64位过渡。20世纪90年代，随着分散控制系统的广泛使用和工厂综合自动化的要求，对各种控制设备提出了很强烈的通信需求，要求计算机控制的核心设备，这种系统在连续生产过程中被称为计算机集成生产／过程系统（CIPS:ComputerIntegratedProduction/ProcessSystem）。与此相对应，在机械制造行业，称为计算机集成制造系统（CIMS:ComputerIntegratedManufacturingSystem）。劳动密集向技术密集转变的过程15十二月2023

自动控制系统可以按照多种方式组成，但总的归纳起来有两种，即开环控制系统和闭环控制系统。1.1.2

计算机控制系统的基本结构图1-1

控制系统的一般形式

自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工、比较和控制。控制器是关键部件，决定了控制系统的控制性能和应用范围。15十二月2023

将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就构成了计算机控制系统。控制器15十二月2023在计算机控制系统中，计算机的作用主要有三个方面：对于复杂控制系统的控制规律的计算工作量很大，采用模拟解算装置难以实现，因而需要采用计算机进行处理。用计算机的软件程序实现对控制系统的校正以保证控制系统具有所要求的动态特性。由于计算机具有快速完成复杂工程计算的能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适应控制等高级控制功能及多功能计算调节。15十二月2023计算机控制系统的控制过程可以归结为以下三个步骤：实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测并输入。实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。实时控制：根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。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，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出反应或进行控制，超出这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。15十二月2023.实时的概念不能脱离具体过程。例如炉温控制过程和火炮控制过程。.影响系统实时性的因素：一次仪表的延迟、过程输入量的延迟、计算和逻辑判断的延迟、控制量输出的延迟和数据传输的延迟等等。一个联机系统不一定是实时系统，但实时系统必是联机系统。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；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。15十二月2023（1）由于计算机的运算速度快，精度高，含丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此能实现复杂的控制规律，从而达到较高的控制质量。（2）由于计算机具有分时操作的功能，所以一台计算机能代替多台控制仪器，实现群控。对于计算机控制系统来说，增加一个控制回路的费用是很少的，控制规律的改变和复杂程度的提高由编制程序实现，不需改变硬件而增加成本，有很高的性能价格比。1.1.3

计算机控制系统的特点（3）由于软件功能丰富，编程方便和硬件体积小，重量轻以及结构设计上的模块化、标准化，使计算机控制系统有很强的灵活性。硬件配置上可装配性，可扩允性好。（4）由于采取有效的抗干扰、抗噪声办法，并采用各种冗余、容错等技术，使计算机控制系统有很高的可靠性。（5）由于计算机有监控、报警、自诊断功能，使计算机控制系统有很强的可维护性。如有的工控机一旦出现故障，能迅速指出故障点和处理办法，便于立即修复。（6）技术更新快、信息综合性强、操作便利等也都是计算机控制系统的一些特点。15十二月2023

计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。1.2

计算机控制系统的组成外部设备操作台计算机输出通道执行机构输入通道检测装置被控对象图1-3计算机控制系统的组成15十二月20231.计算机

计算机是计算机控制系统的核心，通过接口可以发出各种命令，同时对被控对象进行实时检测及处理。具体功能是完成程序存储、程序执行、数值计算、逻辑判断和数据处理等工作。2.过程输入输出通道该部分是计算机和被控对象（或生产过程）之间设置的信息传送和转换的连接通道。过程输入输出通道一般分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。15十二月2023

3.外部设备

实现计算机和外界交换价息的设备称为外部设备（简称外设），外部设备包括人—机通信设备、输入输出设备和外存储器等。

输入设备：键盘、鼠标等；输出设备：打印机、记录仪、显示器等；外存储器：磁盘、光盘、U盘等。 4.操作台

操作台是操作人员与计算机控制系统进行“对话”的装置，主要包括如下几部分：显示装置、功能键、数字键。

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5.软件

软件是指能够完成各种功能的计算机控制的程序系统，它是计算机系统的神经中枢。整个系统的动作，都是在软件的指挥下进行协调动作的。它由系统软件和应用软件组成。

系统软件是指为提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用、维护和管理计算机提供方便的程序的总称，一般随硬件一起由计算机生产厂家提供。

应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序，在计算机控制系统中则是指完成系统内各种任务的程序。15十二月2023

计算机控制系统的分类方法很多，根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，可将计算机控制系统分为以下几种类型：

数据采集系统（DAS）

计算机操作指导控制系统（OGC）

直接数字控制系统（DDC）

监督计算机控制系统（SCC）

计算机分级控制系统

集散控制系统（DCS）

现场总线控制系统(FCS)

计算机集成制造系统(CIMS)1.3

计算机控制系统的分类15十二月2023

数据采集系统(DataAcquisitionSystem)--是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。

1.3.1数据采集系统（DAS）计算机工业对象器换转D/A采样器测量元件统系集采据数显示终端打印机15十二月2023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。1.3.2

计算机操作指导控制系统(OGC)计算机执行机构输入通道显示、打印、报警检测装置被控对象操作者图1-4计算机操作指导控制系统操作指导控制系统是开环控制结构，该系统优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要人工操作，速度受到限制，故不适合用于快速过程的控制和多个对象的控制。15十二月2023计算机工业对象器换转D/A采样器测量元件显示终端打印机控制仪表图1-4操作指导控制系统15十二月2023

计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回检测，经采样、A/D转换等过程把模拟量转换为数字量，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使各个被控制量达到预定的要求。1.3.3

直接数字控制系统（DDC）

DirectDigitalControl外部设备操作台D/A转换计算机执行机构A/D转换被控对象检测装置图1-5直接数字控制系统

该系统中，计算机直接参与闭环控制过程，实现多回路的控制，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能有效的实现较复杂的控制。15十二月20231.3.4

监督计算机控制系统(SCC)

SupervisoryComputerControl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，它的作用是改变给定值，所以又称给定值控制。SCC系统的结构有两种：

1、SCC+模拟控制器控制系统

2、SCC+DDC控制系统15十二月2023检测装置SCC计算机控制系统模拟控制器A/D转换被控对象执行机构D/A转换图1-6SCC+模拟控制器控制系统检测装置SCC计算机控制系统A/D转换被控对象执行机构D/A转换DDC计算机图1-7SCC+DDC控制系统15十二月2023计算机分级控制系统的结构如图1-8所示。其中DDC级直接用于控制生产过程，包括数据采集、监督报警等工作。SCC级既要实现一些高级控制又要向上级反馈信息，以便上一级的管理工作。1.3.5计算机分级控制系统这种分级(或分布式)计算机控制系统的特点是将控制任务分散，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能实现管理。管理计算机SCC计算机SCC计算机DDC计算机生产过程DDC计算机生产过程DDC计算机生产过程DDC计算机生产过程15十二月2023

集散控制系统是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统。集散控制系统是控制、计算机、数据通信和屏幕显示技术的综合应用，通常也将集散控制称为4C技术。

1.3.6集散控制系统(DCS)

DistributedControlSystem集散控制系统对企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，实现集散控制、集中管理的系统。这种系统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的计算机之间又有一定的联系，相互之间可以实现通信。

15十二月2023决策管理计算机决策管理网络决策管理计算机决策管理计算机计算机网关生产管理计算机生产管理网络生产管理计算机生产管理计算机计算机网关决策管理层操作员站控制网络工程师站监控计算机站计算机网关过程控制站生产过程过程控制站过程控制站过程控制站生产管理层操作监控层直接控制层图1-9分布式计算机控制系统结构图分散控制、集中操作、分级管理、分而治之、综合协调。15十二月20231.3.7

现场总线控制系统（FCS)

FieldbusControlSystem

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。

现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器等。但不是传统的单功能现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。现在国际上流行的设备级的通信网络,如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF等15十二月2023现场总线控制系统即FCS--是新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。15十二月2023FCS与DCS相比具有以下特点：1、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互连2、系统结构采用全分散化，废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取代。3、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。4、通讯网络为开放式互连网络，可极为方便地实现数据共享。5、技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户15十二月202315十二月20231.3.8

计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（CIMS：ComputerIntegratedManufacturingSystem）是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术和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。

15十二月2023CIM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。15十二月20231.4

计算机控制系统的发展趋势计算机控制发展的趋势主要集中在如下几个方面：综合化、网络化、智能化、虚拟化、绿色化。15十二月2023

1．综合自动化综合自动化包括计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程系统(CIPS)，是过程控制业中的CIMS。

CIM是基于制造技术(使用数控机床、机器人等加工)、信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术的一门发展中的综合性技术。它的最大特点是多种技术的“综合”与全企