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1、新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材,计算机控制及网络技术 龙志强 李讯 刘建斌 编著 邹逢兴 主审 ISBN 978-7-5084-4400-0 中国水利水电出版社,第一章 绪论,1、概述 2、计算机控制系统的组成 3、计算机控制系统的类型 4、控制网络与网络化控制系统 5、计算机控制系统的发展历程与趋势,1、概述,1、1 计算机控制系统概念,将控制系统中的控制器功能通过计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1-1所示。因此，计算机控制系统可以说是由各种各样的计算机参与控制的一类控制系统。,图1-1 传统的计算机控制系统结构框图,1、概述,计算机控制系统的控制过
2、程一般可归纳为三个步聚： （1）实时采集：对被控参数的瞬时值实时采集，通过A/D转换通道输入计算机。 （2）实时处理：对采集到的被控参数状态量进行分析，控制器按已确定的控制规律，决策进一步的控制行为。 （3）实时输出：根据做出的控制决策，通过D/A转换通道，实时地向执行机构发出控制信号，在线、实时地进行控制。 以上过程不断重复，使整个系统按照一定的性能指标工作。此外，计算机控制系统还应能对被控参数和设备本身可能出现的异常状态进行及时检测和诊断。,1、概述,1.2 计算机控制系统特点,计算机控制系统的主要特点有： 1、利用计算机的存储记忆、数字运算和显示功能，可以同时实现多种模拟仪表的功能，并且
3、便于监视和操作。 2、可以实现一台计算机同时控制多个回路，并且还可以同时实现直接数字控制、监督控制、顺序控制等多种控制功能。 3、可以实现复杂的控制运算。,1、概述,1.2 计算机控制系统特点,计算机控制系统的主要特点有： 4、系统调试、参数整定灵活方便 。 5、利用网络的分布结构可以构成计算机控制、管理集成系统，实现工业生产与经营的管理、控制一体化，大大提高企业的综合自动化水平。 6、利用控制网络技术可将所有的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器等)与控制器用一根电缆连接在一起，构成网络化的控制系统实现现场状态监测、控制、远程传输等功能，使企业信息的采集控制直接延伸到生产现场。,2、计算机控
4、制系统的组成,计算机是计算机控制系统中的核心装置，是系统中信号处理和决策的机构。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。,2、1 计算机控制系统的硬件组成,图1-2 计算机控制系统的硬件组成框图,2、计算机控制系统的组成,2、1 计算机控制系统的硬件组成,1、主机。主要由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM和 ROM）、I/O接口以及连接系统的总线组成，主机是控制 计算机 的核心，也是计算机控制系统的核心。 2、通用I/O设备。常用的通用I/O设备有4类：输入设备、输 出设备、外存储器和通信设备。,2、计算机控制系统的组成,2、1 计算机控制系统的硬件组成,3、过程I/O设备。是计算机与被控对
5、象之间的信息传递通 道，主要有：A/D通道、DI通道、D/A通道、DO通道等组成。 A/D通道：用来将被控对象的模拟信号转换为数字信 号， 输入计算机。 D/I通道：用来将被控对象的数字信号或开关量信号 经转换输入计算机。 D/A通道：将计算机产生数字控制信号转换为模拟信号。 D/O通道：用于将计算机产生的数字量或开关量信号直 接输出去驱动相应的机构动作。,2、计算机控制系统的组成,2、1 计算机控制系统的硬件组成,4、被控对象。被控对象包括传感器、执行机构和被控制的物理对象，一般来说，被控对象是连续模拟环节，而计算机输出数字信号，该信号经 D/A转换、保持器后成为连续信号，加到被控对象上。,
6、2、计算机控制系统的组成,1、2 计算机控制系统的软件组成,1、系统软件。系统软件即计算机的通用性软件， 主要包括操作系统、数据库系统和一些公共平台软件等。 2、应用软件。应用软件是计算机在系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。计算机控制系统的应用软件一般包括控制程序，输入输出接口程序，人机接口程序，显示、打印、报警和故障联锁程序等。,3、计算机控制系统的类型,3.1 按照功能以及结构分类,1、操作指导控制系统,图1-3 操作指导控制系统结构框图,3、计算机控制系统的类型,2、 直接数字控制系统,图1-4 直接数字控制系统结构框图,3、计算机控制系统的类型,3、监督计算机控制系统，有两种形
7、式,（1）SCC+模拟调节器,图1-5 SCC+模拟调节器控制系统框图,3、计算机控制系统的类型,（2）SCC+DDC系统,图1-6 SCC+DDC控制系统框图,3、计算机控制系统的类型,4、集散控制系统,核心思想是集中管理、分散控制。上位机用于实现集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递 。,图1-7 集散控制系统示意框图,3、计算机控制系统的类型,5、现场总线控制系统 现场总线控制系统（Fieldbus Control System，简称FCS）是新一代分布式控制系统，现场总线通过一对传输线，可挂接多个设备，实现多个数字信号
8、的双向传输，数字信号完全取代420mA的模拟信号，实现了全数字通信。 是一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统，因此现场总线控制系统具有良好的开放性、互操作性与互用性。,3、计算机控制系统的类型,图1-8 现场总线控制系统示意图,3、计算机控制系统的类型,6、以太网控制系统,工业以太网控制系统具有其它网络无法比拟的优势，主要体现在： （1）开放性：采用公开的标准和协议。 （2）平台无关性：可以选择不同厂家、不同类型的设备和服务。 （3）提供多种信息服务：提供E-mail、WWW、FTP等多种信息服务。 （4）图形用户界面：统一、友好、规范化的图形界面，操作简单，易学易用。 （5）信息传递：快
9、速、准确。 （6）易于实现多现场总线的集成。 （7）易于实现多系统集成。,3、计算机控制系统的类型,图 1-9基于工业以太网的多总线控制系统,3、计算机控制系统的类型,3.2 按照控制规律分类,1、程序和顺序控制 程序控制要求被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间的函数，与被控制对象无关。,2、比例积分微分控制（简称PID控制） PID控制是在工程实践中应用较广的控制技术，PID控制器结构简单、参数容易调整。,3、计算机控制系统的类型,3、最少拍控制 最少拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间里完成控制系统的调节，常用在数字随动系统的控制中。,4、复杂规律的控制
10、在实际工作中，控制系统常常存在随机扰动，且性能指标也不仅是过渡过程的品质，还包括能耗最小、产量最高、质量最好等综合性指标。如果采用PID控制，有时难以达到满意的性能指标的，因此，针对实际的控制过程，可以引进各种复杂规律的控制，例如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制、自适应控制、预测控制、非线性控制、鲁棒控制、自学习控制等。,4、控制网络与网络化控制系统,1、控制网络与现场总线,控制网络是一种数字化的串行双向通信系统。这一技术可将所有的现场设备(如传感器、执行机构、驱动器等)与控制器用一根电缆连接在一起，形成现场设备级和车间级的数字化通信控制网络，可完成现场状态监测、控
11、制、远程传输等功能。,4、控制网络与网络化控制系统,2、网络化控制系统,（1）网络化控制系统的基本概念,NCS有狭义和广义之分。狭义的网络控制系统是指在某个区域内，把一些现场监测、控制及操作设备通过网络集成起来，构成闭环控制系统，这类控制系统称为一种狭义上的网络化控制系统。广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统，还包括通过企业信息网络以及Internet/Intranet实现的对工厂车间、生产线甚至现场设备的监控调度、优化等。本书所讨论的仅仅局限于狭义上的NCS。,4、控制网络与网络化控制系统,（2）网络化控制系统的结构,根据网络传输在控制系统中的位置和作用不同，可以把网络化控制系统分为
12、如下几种：,a、网络化遥控系统。,图1-10 网络化遥控系统,4、控制网络与网络化控制系统,b、网络化参数调整系统。,图1-11 网络化参数调整系统,c、网络化传感系统。,图1-12 网络化传感系统,4、控制网络与网络化控制系统,d、网络化执行系统,图1-13网络化执行系统,e、通用网络化控制系统,图1-14通用网络化控制系统,4、控制网络与网络化控制系统,3、网络控制系统的技术特点,（1）网络控制系统的特点,系统的开放性 互操作性 现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性,4、控制网络与网络化控制系统,（2）网络控制系统的优点,由于现场总线等控制网络的特点，使网
13、络控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。,节省硬件数量与投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性,5、计算机控制系统的发展 趋势和展望,计算机控制技术的发展同计算机技术的发展有着紧密的联系，计算机每更新换代一次，计算机控制就前进一步，上一个新台阶。 从国际上的计算机控制技术发展来看，在进行计算机控制试验基础上，大体经历了集中式、分级式和分布式三个大阶段。,20世纪90年代以后计算机控制系统步入了分布式网络化的控制阶段。,5、计算机控制系统的发展 趋势和展望,计算机控制技术的发展趋势,纵观目前的计算机控制技术的发展
14、，其趋势主要体现在以下几个方面：,（1）、工业控制逐步地从单机的监控、直接数字控制（DDC）发展到集散型控制系统（DCS）、网络化分布式控制系统（NCS）。,（2）DCS、PLC和工业控制计算机技术正在相互渗透发展，并扩大各自的应用领域。,5、计算机控制系统的发展 趋势和展望,（3）、现代通信与网络技术在现代控制领域广泛进行渗透， Ethernet将成为工厂底层控制网络的信息传输主干，Ethernet+TCP/IP的传感器、变送器可望直接成为网络的节点。,（4）工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展。,（5）工业控制软件已向组态化方向发展，工业控制软件主要包括人机界面软件、控制软件以及生产管理软件等。,
