计算机集成控制系统概述

计算机集成控制系统概述

讨算机控制系统是讨算机技术与自动控制理论、

自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技

术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的数值

计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制索

统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制

方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力

的工具。现代计算机控制系统已经将企业的经营、

计划、执行、生产连为一体，构成了综合自动化

的集成索统。

1计算机控制系统的基本概念

计算机控制宗统就是利用计算机来实现生产过程

自动控制的宗统。

自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过

控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

控制计算机生产过程

processor

A/DD/A

*cart

•无力计算机运行速度多快，计算机控制都是在离

散的时间点执行。计算机仅仅利用连续信号的釜

样值。从控制理论角度来说，计算机控制属于离

藏控制O

•在计算机控制中，各类控制任务的实现存在执行

时间。同时，计算机还需要执行其他的任务。所

以计算机控制实际上是实时系统。

•计算机控制系统理论分析的主要工具包括：离散

时间控制系统的分析，实时系统的分析

2计算机控制系统的组成和特点

操作台

/卜

多路开关

I/OA/D

接口

计

工

算

I/O业

接口

机

对

象

主

机I/O

接口

通用外部I/O接I/O接I/O通道信号检测

设备口电路作台口电路及妥送被控对象

计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。

硬件组成：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、被控对象、执行器、检

测变送环节等组成。

软件组成：系统软件和应用软件。

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合和协

调，只有这样才能研制出满足生产要亲的高质量的

控制系统。

硬件组成：

1、主机

即微型计算机或CPU。常见的包括：51、96等各类单片机；8086、6800处理

器；DSP、ARM；工业控制讨算机；PC机等。

2、I/O接口

接口实现主机和外部设备之间教据交换。常用的接口包括：

并行接口：8255、8155串行接口：8251

DMA接口：8237中新接口：8259

定时器/记数器接口：8253

3、输入/输出通道

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

4、外部设备

输入设备（如检测设备）、输出设备（如执行机构）

5、操作台

输出显示（CRT,LED、报警和状忐显示等）、输入键盘（功能键、数字键、

开关等）

软件组成

1系统软件

系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行

程序，如美国Intel公司推出的iRMX86实时多任务操作

统，美国ReadySystem公司推出的送入式实时多任务操作

系统VRTX/OS。除了实时多任务掾作系统以外，也常常

我用MS—DOS和Windows等统软件。

2支持软件

支持软件包括编程语言（汇编语言、高级语言）、编程支

持软件（编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序）O

3应用软件

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。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程

输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。

计算机控制系统的特点

在计算机控制系统中，被控制量通常是模

拟量,而计算机本身的输入输出量都是数字量O

因此，计算机控制系统大都具有数室一模拟混

合式的结构。

e«)

模拟信号----时间上和幅值上都连续的信号。

离散模拟信号——时间上离散幅值上连续的信号。

数字信号——时间上离散，幅值也离散的信号。

象样——将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。

量化——采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转

换成数字信号。

3计算机控制系统的典型形式

L数据采集和监视余统

生

计产

算过

机程

优堂：转构椅隼,控制灵活我安全。

款支；要由人工糅作，速度爱到限制，系犍控制多个对象。

2.直接数字控制余统

CRT

生

产

打印机计

过

算

程

机

报警

操作台

行具机闭环控喇系统。可竞合取代核加倜节器，实现

多回路的尸勿控制，而且只要改变福本就可。实现复绿的

控制规律。

3、监督控制系统

(a)

生调节

产

测量

过

程

(b)

其作用是改变给定他，又称核定值控制。它的但务弟童

在控制规律的修正号实现，电量优控制、自适应按喇萼。

4.分散型控制系统

采用今枚控制、集中糅作、令您管理我除合例调的核行

晨则号网络化的控制给构，彩虱今您合布式控制。

5.现场总线控制余统

转构模式为:“工

作站一现场总俵智

怩仪表”二层错构,

党戚了软纥中的三

层秸构功惚，降低

了戚奉，提裔了可

磕楹，并且森疡一

国陈标率下可实现现场设备

方正的许数式互接

系统秸构。

4计算机控制系统的性能及其指标

1.必算机控制系疫的稳定喉

CaJ发散振荡

CbJ衰减振荡

(c)等幅振荡

(d)非周期衰减

Cd

2.奸算机控喇系疣的怩捏喉和混现则喘

能控性和能观性从状忠的控制能力和狼忐的测

辨能力两个方面揭示了控制条统的两个基本问题。

能控性

祭统控制的主要目的是驱动系统队第一状去到达指

定的状志。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作

用，使系统状态从初始状去到达指定状态。

能观性

用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得

系统状出的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系

统被称为是不能观的。

£按喇系疫的劭态猾标

动忐指标能够比AXO

较直观地反映控

制宗统的过渡过

%

程特性，动态指y0

标包括超调量，

调节时间，峰值

时间，衰减比和ps

荡次

・超调量4

。口表示了系统过冲的程度。设输出量的最大值为

ym，输出量y«）的稳态值为歹8，则超调量定义为

ym~八

anxlOO%

Joo

超调量通常以百分数表示，它反映了系统动忐过

程的平稳性。

・调整时间ts

调整时间t反映了过渡过程时间的长短，当

S

，>，时，若y(t)-<A则，定义为调

SS

整时间，式中Jm是输出量,(，)的稳态值，A

TO.02或0.05o它反映了动态过程进行

Jv8Jvoo

的快慢，是系统的快速性指标。

4,按喇系疣的稳态婚标

稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳

忐误差来表征。稳点误差是输出量的稳忐值

歹8与要求值儿的差值，定义为

%=歹0一心

5,按制京统的徐合猾株

综合性能指标通常有3种类型

1）积分型指标

♦误差平方的积分

J

这种性能指标着重权衡大的误差，而较少颜

及小的俣差，但这种指标教学上易于处理，可以

得到教学斛折斛，因此经常使用。

♦时间乘误差平方的积分

<Z=j^

这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡

过波特性后期出现的误差，有较好的选择性。该

指标反映了控制系统的快速性和精确性。

♦加权二次型性能指标

对于多变量控制系统，可用:

J=J。(eTQe+Ru)At

£（夕逐；+夕2只+）d，+£（4"；+6"；+）也

不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制

信号的功率。

2)末值型指标

J-s[*(%]

当要求系统在求值时刻G具有最小稳出误差，

最准确的定住或最大射程的求值控制中，就可系用未

值型性能指标。

3）复合型指标

J~s[x（O）"f]+1f/

复合型指标是积分型和末值型指标的复合，是

一个更普遍的性能指标形式。

5计算机控制系统的装置

⑴可编程逐属控制器

简称可编程控制器或PLC,是计算机技术与继电近握控制

概念相结合的产物，其低端为常规继电逐转控制的标代装

置，而高瑞为一种高展能的工会控制计算机。它主要由

CPU、存储器、解入组件、输出组件、也源及编程器等组

成。其居点：

•专为工业环境下应用而设定；

•采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逆转运算、顺

序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、

模拟式的输入和输出；

•不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、

过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；

•PLC具有系统构成灵活，犷展今易，编程简单，调试宏易,

抗干扰能力强；

(2)可编程调节器

又称智能调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、

过程1/。(输入/输出J率元、面板单元、通信单元、硬

手操单元和编程单元等组成。其特点：

一种仪表化了的微型控制计算机；

易操作，易编程、方便灵活；

设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计；

软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言;

具有新也保护、自诊新功能、通信等功能；

可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控制和管理;

大型分散控制系统中最基层的控制单元；

适用于连续过程中模拟量信号的控制条统中;

(3)总线式工控机IPC

总线式工控机是基于总线技术和模块化结构的一种专用于

工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简

称为工业控制机或工控机。通常，并算机的生产厂彖是按

照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各

种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的

生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所

需的计算机羟第1家统。

外壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱，机箱密封并加

正压送风散热，疝箱内的原普通计算机右大主政变就通用

的底板总线插座系统，将主板分解成几块PC插件，采用工

业级抗干扰也源和工业级总片，并配以相应的工业应用软

件。

常用工业总线标准：ISA总线、PCI总线、STD总线、PC/104

由于开发软件丰富，在大型计算机控制系统中常采用工控

况作为主计算丸。

C4）送人式计算机控制

所谓送入式计算机控制，不是工作在一个自动化设备的外部，

而是“嵌L人”（Embeded）到设备内部，提供用户接口，管理教

据输入、输出，指导设备工作的计算机。陵人式豕统是以应用

为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、迨应应用豕统

对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算

机系统。具有在恶劣的工业环境里长期可靠工作的能力。

与通用型计算机系统相比，陵人式系统在硬件上具有体积小、

重量轻、成本低、可靠性离、使用专用的送八式CPU等特点。

在软件上具有代码体积小、效率高、要求响应速度快，能够处

理异步并发事件、具有实时处理能力等特点。

随着嵌L人式系统功能的日趋复杂，软件编写难度的增加以及对

软件可重用性的重视，需要有一个屏薮底层硬件的功能强大的

操作系统作为支撑，所以陵人式实时操作系统成为陵入式余统

中软件的最重要的组件。

常用的嵌L八式实时操作系统有VxWorks、uC/OS-lULinux等。

单片机是将CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计

教器、小至A/D转换器、脉宽调制器、等功能部件

全都集成在一块大规模集成也路桧片上，构成了一

个完整的具有相当控制功能的微控制器。

单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，

面句单片机结构的高级语言,如KeilC51等。

由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格

低廉、功能方展衮易、使用方便灵活、易于产品化

等诸多优点，使它在工业控制、智能仪表、外设控

制、彖用也器、机器人等方面得到了极为广泛的应

用。辛片机有4枚、8住、16住、32住等。在小型测

控宗统与智能化仪器仪表的应用领域里，8住单片机

因其品种多、功能强、价格廉，仍然是单片机索列

的王流。

6计算机控制的发展过程及趋势

•早期的计算机系用包子管，它不仅运算速

度慢、价格昂贵，而且体积大，可靠性差,

所以主要用于数据处理和操作指导，没有

控制功能。

•60年代，陵着半导体技术的发畏，计算机

运算速度的加快和可靠性的提高,1962年

开始系用直接数室控制系统（DDQ,计算机

集中控制有了较大的发展。

70年代，随着大规模集成也路技术的发畏，计算

机控制技术进入一