计算机控制技术与系统 课件 01 绪论

第1章绪论1.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的组成及分类1.3计算机控制研究的课题与发展趋势11.1计算机控制系统概述（1）21.1计算机控制系统概述（2）应用：农业、国防、航空航天、导航制导、化工、炼油、冶金、制药、汽车典型工业过程连续过程（ContimuousProcess）：产品是流体（气体、液体）。

例如：炼油、海水淡化离散过程（DiscreteProcess）：产品是固体。按件计量。例如：汽车制造批量过程（BatchProcess）：连续、离散间歇交替。例如：制药31.1计算机控制系统概述（3）概念计算机控制技术：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。在线（On-line）：联机，过程和计算机直接相连，受计算机控制。离线（Off-line）：脱机，过程和计算机不直接相连，不受计算机控制，靠人联系。实时（Real-time）：信息的采集、计算、输出在一定时间范围内完成，超出即失去意义。在线不一定实时，实时一定在线!41.1计算机控制系统概述（4）计算机、自动控制理论、控制工程、电子学、自动化仪表、通信技术、网络技术特点：系统性、综合性机器四肢计算机大脑传感与检测感官通信与网络神经传导和信息传递51.1计算机控制系统概述（5）替代：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。核心：升华：基础平台、派生出各种技术、各种技术关联融合问题、课程、学科6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。控制方案：使用常规控制方法和手段实现十分困难。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。计算机控制系统产生的原因71.1计算机控制系统概述（6）8微电子技术和计算机技术：为计算机控制的发展奠定了坚实的基础1946年世界上第一台数字计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator：ENIAC）诞生占地170M2，重量30吨，耗电150KW，18000个电子管，计算速度是每秒5000次加法或400次乘法，是手工计算的20万倍。主要用途：弹道计算的数值分析计算机控制技术的发展1.1计算机控制系统概述（7）9世界上第一台电子计算机ENIAC20世纪50年代的起步期20世纪60年代的试验期20世纪70年代的推广期20世纪80年代的成熟期20世纪90年代的进一步发展期计算机控制系统的发展历程101.1计算机控制系统概述（8）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环系统的最佳参数，同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。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。111.1计算机控制系统概述（9）1971年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，特别是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。1975年美国Honeywell公司研制成功世界上第一套集散型控制系统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。121.1计算机控制系统概述（10）近年来，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，人工智能和物联网的蓬勃发展和应用，逐渐改变了计算机控制的面貌，并共同融入到计算机控制系统的大门类之中。目前，计算机控制技术正沿着深度和广度两方面不断发展。在广度方面，向着大系统或系统工程的方向发展，向着管理控制一体化的方向发展。在深度方面，则向着智能化方向发展。131.1计算机控制系统概述（11）1.2计算机控制系统的组成及分类1.2.1计算机控制系统1.2.2计算机控制系统的硬件组成1.2.3计算机控制系统的软件组成1.2.4计算机控制系统的分类141.2.1计算机控制系统（1）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，使之具有一定的状态和性能，完成相应功能，实现预定目标。自动控制系统一般可以分为：开环控制系统闭环控制系统15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。控制器被控对象被控参数设定值图1.1开环控制系统框图1.开环控制系统161.2.1计算机控制系统（2）被控参数控制器被控对象设定值图1.2闭环控制系统框图+-2.闭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。171.2.1计算机控制系统（3）控制器被控对象D/AA/D计算机图1.3计算机控制系统基本框图（闭环）+-3.计算机控制系统若用计算机替代系统中的控制器就形成了计算机控制系统181.2.1计算机控制系统（4）计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程可归纳为三个过程：（1）信息的获取:计算机通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息（2）信息的处理:计算机根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理（3）信息的输出:计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况191.2.1计算机控制系统（5）计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分硬件：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：安装在计算机主机中的程序和数据，它能够完成对其接口和外部设备的控制，实现对信息的处理。系统软件:维持计算机主机工作应用软件:完成控制而进行信息处理201.2.1计算机控制系统（6）1.2.2计算机控制系统的硬件组成（1）典型硬件主要包括：计算机主机过程通道操作控制台通信和网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。21主机过程通道AIAODIDO操作台（通讯）控制对象（系统）CPUMEM图1.4典型的计算机控制系统的硬件组成框图221.2.2计算机控制系统的硬件组成（2）用于控制的计算机：CPU、存储器和接口，是整个系统的核心。类型：单片机、PLC、工业PC等。作用数据和程序的存取程序的执行控制外部设备和过程通道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含CPU设备和网络设备的控制1.主机231.2.2计算机控制系统的硬件组成（3）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标准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，而计算机运算决策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2.过程通道241.2.2计算机控制系统的硬件组成（4）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2.过程通道(续)251.2.2计算机控制系统的硬件组成（5）人机交互的关键设备操作人员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的选择信息输入3.操作控制台261.2.2计算机控制系统的硬件组成（6）27企业信息化的需求也要求生产过程的数据和企业管理信息系统之间进行实时交换。计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。网络和通信设备已成为计算机硬件的一个重要部分，这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。4.通信和网络设备281.2.2计算机控制系统的硬件组成（7）1.2.3计算机控制系统的软件组成（1）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：指完成各种功能的计算机程序和数据的总和。系统软件应用软件2930系统软件作用：管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。组成：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。1.2.3计算机控制系统的软件组成（2）应用软件自行编译的各种程序包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘处理、控制算法、输出与控制等程序。用于应用软件开发的程序设计语言有：汇编语言、C、C++、Python、Java、MATLAB、Rust和Go等组态软件：专门用于控制，功能强、使用方便、组态灵活311.2.3计算机控制系统的软件组成（1）1.2.4计算机控制系统的分类（1）在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式按计算机参与的形式：开环和闭环控制系统按采用的控制方案：程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）根据控制目标：运动控制系统和过程控制系统根据实时性要求：实时控制系统和非实时控制系统3233根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态并参考以往的教材进行分类的。一般分为六大类：（1）操作指导控制系统（2）直接数字控制系统（3）监督控制系统（4）集散控制系统（5）现场总线控制系统（6）计算机集成制造系统1.2.4计算机控制系统的分类（2）1.操作指导控制系统

（OperationGuideControl，OGC）操作指导控制系统是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统341.2.4计算机控制系统的分类（3）351.2.4计算机控制系统的分类（4）计算机的作用：通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员的作用：根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。应用：复杂的不便由计算机进行直接控制的场合361.2.4计算机控制系统的分类（5）直接数字系统是计算机控制系统最基本形式，也是应用最多的一类计算机控制系统，可以实现在线控制。2.直接数字控制系统

（DirectDigital

Control，DDC）371.2.4计算机控制系统的分类（6）381.2.4计算机控制系统的分类（7）在线实时控制计算机替代模拟调节器（典型）多回路多参数的控制灵活性大可靠性高从常规到先进的控制方式391.2.4计算机控制系统的分类（8）计算机监督控制系统是一种两级计算机控制系统3.计算机监督控制系统

（SupervisoryComputer

Control，SCC）401.2.4计算机控制系统的分类（9）管理命令报告SCC计算机给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告SCC计算机给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关........SCC+模拟调节器控制系统原理图SCC+DCC控制系统原理图类似计算机操作指导控制系统SCC计算机输出，直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。完成生产过程控制的参数优化协调各直接控制回路的工作不直接参与直接的控制安全性可靠性较高集散系统的最初、最基本的模式421.2.4计算机控制系统的分类（10）4.集散控制系统（分布控制系统）

(Distributed

ControlSystem，DCS)设计原则：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调分级：过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。过程控制级：集散控制系统的基础，直接控制生产过程，控制器：计算机、PLC、专用数字控制器优点：生产过程控制分别由独立控制器进行控制，可以分散控制器故障，局部故障不会影响整个系统工作，提高了系统工作可靠性

431.2.4计算机控制系统的分类（11）5.现场总线控制系统

(FieldBusControlSystem，FCS)20世纪90年代兴起概念：利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个多分支结构和多点通信的通信网络。特点：生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构和控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。可构成不同层次的复杂控制网络。441.2.4计算机控制系统的分类（12）H1……………H2服务器现场控制器H2H2现场总线自动监督系统操作站局域网···451.2.4计算机控制系统的分类（13）46H1树型菊花链型总线型点对点H1H1H2H2H1H1H1网桥471.2.4计算机控制系统的分类（14）6.计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)20世纪70年代美国的哈灵顿提出的工业生产的全过程集成：包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式制造集成转换为信息集成，并融入企业全面管理和市场营销CIMS是一项庞大的系统工程，实现的是企业物流、资金流和信息流统一。CIMS工程是企业真正走向现代化的方向481.2.4计算机控制系统的分类（15）1.3计算机控制研究的课题与发展趋势企业管理控制一体化控制的概念也远远超出了以往生产设备和生产线的控制计算机控制技术的研究课题丰富而多样，涵盖了从基础理论到实际应用的广泛领域491.3.1

计算机控制研究的课题（1）计算机控制研究的课题：控制理论计算机控制系统硬件计算机控制系统软件501.控制理论方面涉及到的课题数字描述和分析方法严格地讲，在实际处理过程中计算机控制系统是离散系统计算机控制系统有模拟和离散两种分析方法离散系统的描述通常我们都会用差分方程和Z变换以及离散状态空间方法来进行分析。511.3.1

计算机控制研究的课题（2）采样周期的选取模拟系统离散化一个非常关键的问题就是计算机控制系统采样周期的选择，两个概念：信号采集的采样周期计算机控制输出的控制周期采样周期满足SHANNON采样定理：采样的最低频率须大于信号最高变化频率的两倍。521.3.1

计算机控制研究的课题（3）控制周期对一般的系统来说，离散系统的控制周期越小，系统的控制质量越好，系统越稳定。但对一些纯滞后环节的系统，一般取控制周期等于纯滞后时间，这样可以补偿纯滞后时间，从而取得较好的控制效果。由于采样周期和控制周期的差异，在选择采样周期时必须综合上述两种因素考虑，从系统的整体考虑。531.3.1

计算机控制研究的课题（4）现代控制系统的研究深度强化学习（DRL）自适应控制和鲁棒控制神经网络控制模糊逻辑控制多智能体系统边缘计算与云计算结合数字孪生技术数据驱动控制混合智能控制541.3.1

计算机控制研究的课题（5）2.应用于控制系统计算机硬件技术的研究典型的标准化机型（1）可编程序控制器（PLC）电子器件替代继电器，实现过去由硬件完成的逻辑控制PLC增加了许多专用的过程控制模块和网络通讯模块PLC成为计算机控制系统中的主力军551.3.1

计算机控制研究的课题（6）56（2）可编程序调节器仪表化的微型计算机应用：系统中的单元控制，分散性能很强的系统，独立的控制系统（3）嵌入式系统微电子技术与超大规模集成技术的发展，以单片机为代表，计算机控制研究的一个重要分支（4）总线型工控机特点：科学化、标准化和模块化统一标准：总线系统和开放式体系结构；小型化、模板化、组合化和标准化571.3.1

计算机控制研究的课题（7）（5）新型微型控制单元技术：超大规模集成电路和无线通信应用：微型的监测控制单元微型和超微型无线智能传感器（6）集散控制系统（7）现场总线控制系统(8)物联网控制系统（InternetofThingsControlSystem，IoTCS）物联网控制系统：指以物联网为通信媒介，将控制系统元件进行互联，使相关控制信息进行安全交互和共享，达到预期控制目标。58