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1、教学模块教学模块教学模块教学模块1 1 计算机控制系统导学与概述计算机控制系统导学与概述计算机控制系统导学与概述计算机控制系统导学与概述东北大学刘建昌教学单元教学单元2计算机控制系统概述计算机控制系统概述主要内容：主要内容：u 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念u 计算机控制系统的基本结构计算机控制系统的基本结构计算机控制系统的基本结构计算机控制系统的基本结构u 计算机控制系统的性能指标计算机控制系统的性能指标计算机控制系统的性能指标计算机控制系统的性能指标u 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程
2、计算机控制系统的发展历程u 计算机控制系统的基本类型计算机控制系统的基本类型计算机控制系统的基本类型计算机控制系统的基本类型教学单元教学单元2计算机控制系统概述计算机控制系统概述（1 1）什么是计算机控制系统）什么是计算机控制系统）什么是计算机控制系统）什么是计算机控制系统uu 定定定定义义义义：计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统就就就就是是是是利利利利用用用用计计计计算算算算机机机机来来来来实实实实现现现现自自自自动动动动控控控控制制制制的的的的系系系系统统统统，即即即即应应应应用用用用计计计计算算算算机机机机参参参参与与与与控控控控制制制制并并并并借借借借助助助助一一
3、一一些些些些辅辅辅辅助助助助部部部部件件件件与与与与被被被被控控控控对象对象对象对象相相相相联系联系联系联系，以获得一定，以获得一定，以获得一定，以获得一定控制目的控制目的控制目的控制目的而构成的系统。而构成的系统。而构成的系统。而构成的系统。计计计计算算算算机机机机：指指指指各各各各种种种种规规规规模模模模的的的的数数数数字字字字计计计计算算算算机机机机，如如如如从从从从微微微微型型型型到到到到大大大大型型型型的的的的通通通通用用用用或专用计算机；或专用计算机；或专用计算机；或专用计算机；控制：控制：控制：控制：使事物按照一定的规律运行使事物按照一定的规律运行使事物按照一定的规律运行使事物按
4、照一定的规律运行( (变化变化变化变化) )。辅助部件：辅助部件：辅助部件：辅助部件：主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。2.1 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念被控对象：被控对象：被控对象：被控对象：包括生产过程、机械装置、机器人、实验包括生产过程、机械装置、机器人、实验包括生产过程、机械装置、机器人、实验包括生产过程、机械装置、机器人、实验装置、仪器仪表等。装置、仪器仪表等。装置、仪器仪表等。装置、仪器仪表等。与被控对象和部件之间的联系与被控对
5、象和部件之间的联系与被控对象和部件之间的联系与被控对象和部件之间的联系：可以是有线方式，如：可以是有线方式，如：可以是有线方式，如：可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。行联系。行联系。行联系。控制目的：控制目的：控制目的：控制目的：可以是使被
6、控对象的状态或运动过程可以是使被控对象的状态或运动过程可以是使被控对象的状态或运动过程可以是使被控对象的状态或运动过程达到达到达到达到某种要求某种要求某种要求某种要求，也可以是，也可以是，也可以是，也可以是达到某种最优化目标达到某种最优化目标达到某种最优化目标达到某种最优化目标。（2 2）计算控制系统的主要特点）计算控制系统的主要特点）计算控制系统的主要特点）计算控制系统的主要特点数字信号（数字信号（时间上离散、幅值上量化时间上离散、幅值上量化）：）：r(k)给定输入，给定输入，y(k)系统系统 输出，输出，e(k)= r(k)- y(k)偏差信号，偏差信号，u(k)控制信号；控制信号；模拟信
7、号模拟信号（时间上连续、幅值上连续时间上连续、幅值上连续） ：y(t)系统输出（被控量），系统输出（被控量）， u(t)控制量；控制量；离散模拟信号离散模拟信号（时间上离散，幅值上连续时间上离散，幅值上连续） ： y*(t)被控量信号。被控量信号。数数 字字 控控制制 器器执执 行行机机 构构被被 控控对对 象象D/AA/D测测 量量变变 送送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k) u(t)+-计算机计算机采样开关采样开关A/DA/D转换器转换器转换器转换器结构混合结构混合结构混合结构混合：控制器是离散的，而被控对象一般是连续的；：控制器是离散的，而被控对象一般是连续的；：
8、控制器是离散的，而被控对象一般是连续的；：控制器是离散的，而被控对象一般是连续的；信号混合信号混合信号混合信号混合：包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。结结结结构构构构混混混混合合合合的的的的特特特特点点点点决决决决定定定定了了了了计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统存存存存在在在在两两两两类类类类设设设设计计计计方方方方法：离散化设计方法和模拟化设计方法。法：离散化设计方法和模拟化设计方法。法：离散化设计方法和模拟化设计方法。法：离散化设计方法和模拟
9、化设计方法。信信信信号号号号混混混混合合合合的的的的特特特特点点点点使使信信号号变变换换和和分分析析问问题题成成为为计计算算机机控控制制系统的基础理论问题系统的基础理论问题。（2 2）计算控制系统的主要特点）计算控制系统的主要特点）计算控制系统的主要特点）计算控制系统的主要特点（3 3）计算机控制系统的基本工作原理）计算机控制系统的基本工作原理）计算机控制系统的基本工作原理）计算机控制系统的基本工作原理计算机控制系统的基本工作原理可概括为：计算机控制系统的基本工作原理可概括为：计算机控制系统的基本工作原理可概括为：计算机控制系统的基本工作原理可概括为：（1 1）实实实实时时时时数数数数据据据据
10、采采采采集集集集：对对对对来来来来自自自自测测测测量量量量变变变变送送送送装装装装置置置置的的的的被被被被控控控控物物物物理理理理量量量量的瞬时值进行检测并输入；的瞬时值进行检测并输入；的瞬时值进行检测并输入；的瞬时值进行检测并输入；（2 2）实实实实时时时时控控控控制制制制决决决决策策策策：对对对对采采采采样样样样到到到到的的的的被被被被控控控控量量量量进进进进行行行行分分分分析析析析和和和和处处处处理理理理，按给定的控制规律，决定将要采取的控制行为；按给定的控制规律，决定将要采取的控制行为；按给定的控制规律，决定将要采取的控制行为；按给定的控制规律，决定将要采取的控制行为；（3 3）实实实
11、实时时时时控控控控制制制制输输输输出出出出：根根根根据据据据控控控控制制制制决决决决策策策策，适适适适时时时时地地地地对对对对执执执执行行行行机机机机构构构构发出控制信号，完成控制任务。发出控制信号，完成控制任务。发出控制信号，完成控制任务。发出控制信号，完成控制任务。实实实实时时时时信信信信号号号号的的的的输输输输入入入入、计计计计算算算算和和和和输输输输出出出出都都都都要要要要在在在在一一一一定定定定的的的的时时时时间间间间范范范范围内完成。围内完成。围内完成。围内完成。2.2 计算机控制系统的基本结构计算机控制系统的基本结构实例：电阻炉炉温计算机控制系统实例：电阻炉炉温计算机控制系统实例
12、：电阻炉炉温计算机控制系统实例：电阻炉炉温计算机控制系统 电电电电阻阻阻阻炉炉炉炉温温温温度度度度信信信信号号号号经经经经过过过过热热热热电电电电偶偶偶偶检检检检测测测测后后后后变变变变成成成成电电电电信信信信号号号号（毫毫毫毫伏伏伏伏级级级级），再再再再经经经经过过过过变变变变送送送送器器器器变变变变成成成成标标标标准准准准信信信信号号号号（15V15V或或或或420mA420mA），经经经经A/DA/D转转转转换换换换器器器器采采采采样样样样后后后后变变变变成成成成数数数数字字字字信信信信号号号号，在在在在计计计计算算算算机机机机中中中中，与与与与给给给给定定定定温温温温度度度度信信信信号
13、号号号进进进进行行行行比比比比较较较较，得得得得到到到到温温温温度度度度偏偏偏偏差差差差信信信信号号号号，经经经经控控控控制制制制器器器器运运运运算算算算得得得得到到到到数数数数字字字字控控控控制制制制信信信信号号号号，再再再再经经经经D/AD/A转转转转换换换换器器器器将将将将该该该该数数数数字字字字控控控控制制制制信信信信号号号号转转转转换换换换成成成成模模模模拟拟拟拟量量量量，控控控控制制制制触触触触发发发发器器器器，进进进进而而而而控控控控制制制制双双双双向向向向晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管对对对对交交交交流流流流电电电电压压压压进进进进行行行行PWMPWM调调调调制制制制，改改改改变变变
14、变加加加加热热热热电电电电阻阻阻阻两两两两端端端端电电电电压压压压和和和和电电电电流流流流，并并并并最终达到控制温度的目。最终达到控制温度的目。最终达到控制温度的目。最终达到控制温度的目。220V220V计计计计算算算算机机机机A/DA/D转换器转换器转换器转换器D/AD/A转换器转换器转换器转换器变送器变送器变送器变送器热电偶热电偶热电偶热电偶触发器触发器触发器触发器双向晶双向晶双向晶双向晶闸管闸管闸管闸管电阻炉电阻炉电阻炉电阻炉R R将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统将类似上述炉温
15、计算机控制系统的各类计算机控制系统抽象化，可得到计算机控制系统典型结构：抽象化，可得到计算机控制系统典型结构：抽象化，可得到计算机控制系统典型结构：抽象化，可得到计算机控制系统典型结构： 2.2 计算机控制系统的基本结构计算机控制系统的基本结构数数 字字 控控制制 器器执执 行行机机 构构被被 控控对对 象象D/AA/D测测 量量变变 送送y(t)y(t)y*(t)y(k)r(k)e(k)u(k) u(t)+-计算机计算机采样开关采样开关A/DA/D转换器转换器转换器转换器2.3 计算机控制系统的性能指标计算机控制系统的性能指标（1 1）稳定性）稳定性）稳定性）稳定性稳稳稳稳定定定定性性性性是
16、是是是指指指指当当当当扰扰扰扰动动动动作作作作用用用用消消消消失失失失后后后后，系系系系统统统统恢恢恢恢复复复复原原原原平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态的的的的能力能力能力能力。稳定性是控制系统最重要的性能指标稳定性是控制系统最重要的性能指标稳定性是控制系统最重要的性能指标稳定性是控制系统最重要的性能指标。闭闭闭闭环环环环系系系系统统统统极极极极点点点点（特特特特征征征征根根根根）的的的的位位位位置置置置决决决决定定定定了了了了系系系系统统统统的的的的稳稳稳稳定定定定性性性性：连连连连续续续续系系系系统统统统稳稳稳稳定定定定的的的的充充充充分分分分必必必必要要要要条条条条件件件件是是是是闭闭闭
17、闭环环环环系系系系统统统统的的的的极极极极点点点点位位位位于于于于s s平平平平面面面面的的的的左左左左半半半半平平平平面面面面；离离离离散散散散系系系系统统统统稳稳稳稳定定定定的的的的充充充充分分分分必必必必要要要要条条条条件件件件是是是是闭闭闭闭环环环环系系系系统的极点位于统的极点位于统的极点位于统的极点位于z z平面的单位圆内。平面的单位圆内。平面的单位圆内。平面的单位圆内。（2 2）稳态指标）稳态指标）稳态指标）稳态指标稳稳稳稳态态态态指指指指标标标标是是是是衡衡衡衡量量量量控控控控制制制制系系系系统统统统控控控控制制制制精精精精度度度度的的的的指指指指标标标标，用用用用稳稳稳稳态态态
18、态误误误误差差差差来表示：来表示：来表示：来表示：稳态值稳态值稳态值稳态值给定值给定值给定值给定值2.3 计算机控制系统的性能指标计算机控制系统的性能指标（3 3）动态指标）动态指标）动态指标）动态指标动动动动态态态态指指指指标标标标能能能能够够够够比比比比较较较较直直直直观观观观地地地地反反反反映映映映控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的过过过过渡渡渡渡过过过过程程程程特特特特性性性性。动动动动态态态态指指指指标标标标包包包包括括括括：超超超超调调调调量量量量 、调调调调节节节节时时时时间间间间t ts s 、峰峰峰峰值值值值时时时时间间间间t tp p、震荡次数震荡次数震荡次数震荡次数
19、N N 。用得最多的是超调量。用得最多的是超调量。用得最多的是超调量。用得最多的是超调量 和调节时间和调节时间和调节时间和调节时间t ts s（4 4）综合指标）综合指标）综合指标）综合指标最最最最优优优优控控控控制制制制设设设设计计计计时时时时，既既既既要要要要考考考考虑虑虑虑到到到到能能能能对对对对系系系系统统统统的的的的性性性性能能能能做做做做出出出出正正正正确确确确的的的的评评评评价价价价，又又又又要要要要考考考考虑虑虑虑到到到到数数数数学学学学上上上上容容容容易易易易处处处处理理理理或或或或工工工工程程程程上上上上便便便便于于于于实实实实现现现现, ,因此，经常使用综合性能指标来评价
20、控制系统性能。因此，经常使用综合性能指标来评价控制系统性能。因此，经常使用综合性能指标来评价控制系统性能。因此，经常使用综合性能指标来评价控制系统性能。常用的综合性能指标为积分型综合指标：常用的综合性能指标为积分型综合指标：常用的综合性能指标为积分型综合指标：常用的综合性能指标为积分型综合指标： 计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的发发发发展展展展过过过过程程程程，是是是是生生生生产产产产过过过过程程程程对对对对控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的要要要要求求求求不不不不断断断断提提提提高高高高的的的的过过过过程程程程，也也也也是是是是计计计计算算算算机机机机技
21、技技技术术术术不不不不断断断断发发发发展展展展和和和和成成成成熟熟熟熟的的的的过过过过程程程程，这这这这两两两两个个个个要要要要素素素素在在在在计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的发发发发展展展展过过过过程程程程中中中中，起着根本性的起着根本性的起着根本性的起着根本性的主导和推动作用主导和推动作用主导和推动作用主导和推动作用。uu 19461946年年年年世世世世界界界界第第第第一一一一台台台台数数数数字字字字计计计计算算算算机机机机在在在在美美美美国国国国诞诞诞诞生生生生，起起起起初初初初计计计计算算算算机主要用于科学计算和数据处理。机主要用于科学计算和数据处理。
22、机主要用于科学计算和数据处理。机主要用于科学计算和数据处理。uu 19501950年年年年，在在在在航航航航空空空空工工工工业业业业领领领领域域域域，出出出出现现现现了了了了以以以以计计计计算算算算机机机机为为为为主主主主要要要要组组组组成成成成 部部部部 件件件件 的的的的 数数数数 字字字字 微微微微 分分分分 分分分分 析析析析 器器器器 DDADDA（ digital digital differential differential analyseranalyser），可以将其看成是），可以将其看成是），可以将其看成是），可以将其看成是计算机用于控制领域的起点计算机用于控制领域的起点
23、计算机用于控制领域的起点计算机用于控制领域的起点。2.4 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程uu 19521952年年年年，计计计计算算算算机机机机首首首首先先先先被被被被用用用用来来来来自自自自动动动动检检检检测测测测化化化化工工工工生生生生产产产产过过过过程程程程参参参参量量量量并并并并进进进进行行行行数数数数据据据据处处处处理理理理；19551955年年年年美美美美国国国国TRWTRW航航航航空空空空公公公公司司司司与与与与美美美美国国国国一一一一个个个个炼炼炼炼油油油油厂厂厂厂合合合合作作作作，联联联联合合合合研研研研制制制制TRW-300TRW-300计计计计算算算算机
24、机机机控控控控制制制制系系系系统统统统，19591959年年年年TRW-300TRW-300计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统在在在在美美美美国国国国德德德德克克克克萨萨萨萨斯斯斯斯州州州州阿阿阿阿塞塞塞塞港港港港炼炼炼炼油油油油厂厂厂厂的的的的聚聚聚聚合合合合装装装装置置置置上上上上投投投投运运运运成成成成功功功功。该该该该系系系系统统统统控控控控制制制制2626个个个个流流流流量量量量、7272个个个个温温温温度度度度、3 3个压力和成分等工艺变量。个压力和成分等工艺变量。个压力和成分等工艺变量。个压力和成分等工艺变量。 这这这这个个个个阶阶阶阶段段段段的的的的计计计
25、计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统属属属属于于于于操操操操作作作作指指指指导导导导型型型型计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统OGCSOGCS（operation operation guide guide control control systemsystem）人人人人直直直直接接接接参参参参与系统的工作过程。与系统的工作过程。与系统的工作过程。与系统的工作过程。2.4 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程uu 19621962年年年年英英英英国国国国的的的的帝帝帝帝国国国国化化化化学学学学工工工工业业业业集集集集团团团团（ICIICI）研研
26、研研制制制制了了了了一一一一台台台台用用用用于于于于过过过过程程程程控控控控制制制制的的的的计计计计算算算算机机机机，实实实实现现现现了了了了直直直直接接接接数数数数字字字字控控控控制制制制（direct direct digital digital controlcontrol，DDCDDC），可可可可直直直直接接接接测测测测量量量量224224个个个个实实实实时时时时变变变变量量量量，控控控控制制制制129129个个个个阀阀阀阀门门门门。该该该该系系系系统统统统的的的的出出出出现现现现标标标标志志志志着着着着直直直直接接接接数数数数字字字字控控控控制制制制(DDC)(DDC)系系系系统统统
27、统阶阶阶阶段段段段的的的的开开开开始始始始。19601960到到到到19651965年年年年，DDCDDC系系系系统统统统在在在在石石石石油油油油、化化化化工工工工、造造造造纸纸纸纸等等等等领领领领域域域域的的的的应应应应用用用用取取取取得得得得广广广广泛泛泛泛成成成成功功功功，是是是是DDCDDC的的的的大发展时期。大发展时期。大发展时期。大发展时期。 但但但但因因因因为为为为当当当当时时时时计计计计算算算算机机机机过过过过程程程程通通通通道道道道庞庞庞庞大大大大复复复复杂杂杂杂、价价价价格格格格昂昂昂昂贵贵贵贵，而而而而且且且且系系系系统统统统的的的的抗抗抗抗干干干干扰扰扰扰性性性性和和和
28、和可可可可靠靠靠靠性性性性较较较较差差差差，许许许许多多多多DDCDDC系系系系统统统统发发发发生生生生故障。故障。故障。故障。2.4 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程uu 19671967年年年年到到到到19751975年年年年，随随随随着着着着生生生生产产产产规规规规模模模模的的的的不不不不断断断断扩扩扩扩大大大大，被被被被控控控控对对对对象象象象的的的的被被被被控控控控参参参参数数数数越越越越来来来来越越越越多多多多，控控控控制制制制回回回回路路路路也也也也越越越越来来来来越越越越复复复复杂杂杂杂，加加加加之之之之小小小小 型型型型 机机机机 的的的的 出出出出 现现现现
29、 ， 人人人人 们们们们 提提提提 出出出出 了了了了 集集集集 中中中中 计计计计 算算算算 机机机机 控控控控 制制制制 系系系系 统统统统（integrated integrated control control system,system, ICSICS），即即即即把把把把几几几几十十十十个个个个甚甚甚甚至至至至几几几几百百百百个个个个上上上上千千千千个个个个控控控控制制制制回回回回路路路路及及及及过过过过程程程程变变变变量量量量的的的的检检检检测测测测、控控控控制制制制、显显显显示示示示、操作等控制集中到一台计算机上实现操作等控制集中到一台计算机上实现操作等控制集中到一台计算机上实
30、现操作等控制集中到一台计算机上实现。 ICSICS系系系系统统统统的的的的运运运运行行行行危危危危险险险险高高高高度度度度集集集集中中中中（把把把把全全全全部部部部鸡鸡鸡鸡蛋蛋蛋蛋都都都都放放放放在在在在一一一一个个个个篮篮篮篮子子子子里里里里）， 系系系系统统统统运运运运行行行行过过过过程程程程中中中中，潜潜潜潜伏伏伏伏着着着着极极极极大大大大的的的的不不不不安安安安全全全全风险。风险。风险。风险。2.4 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程uu 19721972年年年年开开开开始始始始，微微微微型型型型计计计计算算算算机机机机的的的的出出出出现现现现和和和和发发发发展展展展，推
31、推推推动动动动计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制进进进进入入入入了了了了崭崭崭崭新新新新的的的的发发发发展展展展阶阶阶阶段段段段，到到到到2020世世世世纪纪纪纪7070年年年年代代代代末末末末，产产产产生生生生集集集集散散散散计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统，也也也也称称称称为为为为分分分分布布布布式式式式计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统DCSDCS（distributed distributed control control systemsystem），并并并并逐逐逐逐步步步步取取取取代代代代模模模模拟拟拟拟系系系系统统统统而而而而成
32、成成成为为为为主主主主流流流流控控控控制制制制系系系系统统统统，2020世世世世纪纪纪纪8080年年年年代代代代，是是是是DCSDCS大大大大发发发发展时期。展时期。展时期。展时期。uu 2020世世世世纪纪纪纪8080年年年年代代代代中中中中后后后后期期期期，出出出出现现现现了了了了将将将将现现现现场场场场控控控控制制制制器器器器和和和和智智智智能能能能化化化化仪仪仪仪表表表表等等等等现现现现场场场场设设设设备备备备用用用用现现现现场场场场通通通通信信信信总总总总线线线线互互互互连连连连构构构构成成成成的的的的新新新新型型型型分分分分布布布布式式式式 计计计计 算算算算 机机机机 控控控控
33、制制制制 系系系系 统统统统 现现现现 场场场场 总总总总 线线线线 控控控控 制制制制 系系系系 统统统统 FCSFCS （fieldbus control system fieldbus control system ）2.4 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程uu 2121世世世世纪纪纪纪初初初初期期期期，以以以以工工工工业业业业以以以以太太太太网网网网为为为为代代代代表表表表的的的的网网网网络络络络控控控控制制制制系系系系统统统统NCSNCS （networked networked control control system system ）技技技技术术术术在在在在计
34、计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中开开开开始始始始应应应应用用用用。网网网网络络络络控控控控制制制制的的的的理理理理论论论论和和和和技技技技术术术术都都都都还还还还不不不不够够够够成成成成熟熟熟熟，但已经成为当前的研究热点但已经成为当前的研究热点但已经成为当前的研究热点但已经成为当前的研究热点2.4 计算机控制系统的发展历程计算机控制系统的发展历程DCSDCS的的的的思思思思想想想想引引引引导导导导着着着着计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的发发发发展展展展趋趋趋趋势势势势，随随随随着着着着计计计计算算算算机机机机技技技技术术术术、控控控
35、控制制制制技技技技术术术术、网网网网络络络络技技技技术术术术、软软软软件件件件技技技技术术术术、嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式技技技技术术术术、智智智智能能能能技技技技术术术术等等等等的的的的不不不不断断断断发发发发展展展展，以以以以FCSFCS、NCSNCS为为为为代代代代表表表表的的的的新新新新型型型型DCSDCS不不不不断断断断涌涌涌涌现现现现。网网网网络络络络化化化化、智智智智能能能能化化化化、综综综综合合合合自自自自动动动动化化化化将将将将是是是是未未未未来来来来计算机控制系统的主要特征。计算机控制系统的主要特征。计算机控制系统的主要特征。计算机控制系统的主要特征。l 计算机控制系统的发展
36、趋势计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势（1 1）操作指导型计算机控制系统）操作指导型计算机控制系统）操作指导型计算机控制系统）操作指导型计算机控制系统OGCS OGCS （产生于（产生于（产生于（产生于2020世纪世纪世纪世纪5050年代）年代）年代）年代）工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：计算机首先通过模拟量和数字量输入通道实时采计算机首先通过模拟量和数字量输入通道实时采计算机首先通过模拟量和数字量输入通道实时采计算机首先通过模拟量和数字量输入通道实时采集监控的工艺参数，然后根据预先建立的数学模型和控制算集监控的工艺参数，然后根据预先建立的数学模型
37、和控制算集监控的工艺参数，然后根据预先建立的数学模型和控制算集监控的工艺参数，然后根据预先建立的数学模型和控制算法进行运算的处理，并通过显示器和打印机法进行运算的处理，并通过显示器和打印机法进行运算的处理，并通过显示器和打印机法进行运算的处理，并通过显示器和打印机输出设定值等结输出设定值等结输出设定值等结输出设定值等结果，作为操作指导参数果，作为操作指导参数果，作为操作指导参数果，作为操作指导参数，由操作人员根据这些指导参数和实由操作人员根据这些指导参数和实由操作人员根据这些指导参数和实由操作人员根据这些指导参数和实际工作经验，操作各种常规的控制仪表或装置际工作经验，操作各种常规的控制仪表或装
38、置际工作经验，操作各种常规的控制仪表或装置际工作经验，操作各种常规的控制仪表或装置，对生产过程，对生产过程，对生产过程，对生产过程中被控对象进行控制。中被控对象进行控制。中被控对象进行控制。中被控对象进行控制。2.5 计算机控制系统的基本类型计算机控制系统的基本类型计计计计算算算算机机机机生生生生产产产产过过过过程程程程模拟输入通道模拟输入通道模拟输入通道模拟输入通道数字输入通道数字输入通道数字输入通道数字输入通道显示器显示器显示器显示器打印机打印机打印机打印机控制仪表控制仪表控制仪表控制仪表人人人人信息采集信息采集信息采集信息采集操作员操作员操作员操作员（2 2）直接数字控制系统（）直接数字
39、控制系统（）直接数字控制系统（）直接数字控制系统（DDCDDC系统，产生于系统，产生于系统，产生于系统，产生于2020世纪世纪世纪世纪6060年代初）年代初）年代初）年代初）计计计计算算算算机机机机生生生生产产产产过过过过程程程程模拟输入通道模拟输入通道模拟输入通道模拟输入通道数字输入通道数字输入通道数字输入通道数字输入通道信息采集信息采集信息采集信息采集模拟输出通道模拟输出通道模拟输出通道模拟输出通道数字输出通道数字输出通道数字输出通道数字输出通道控制控制控制控制外围设备外围设备外围设备外围设备操作控制台操作控制台操作控制台操作控制台基基基基本本本本工工工工作作作作原原原原理理理理：计计计计
40、算算算算机机机机首首首首先先先先通通通通过过过过模模模模拟拟拟拟量量量量和和和和数数数数字字字字量量量量输输输输入入入入通通通通道道道道采采采采实实实实时时时时集集集集生生生生产产产产过过过过程程程程参参参参数数数数，然然然然后后后后各各各各个个个个回回回回路路路路的的的的控控控控制制制制算算算算法法法法计计计计算算算算相相相相应应应应的的的的控控控控制制制制量量量量，并并并并通通通通过过过过模模模模拟拟拟拟量量量量和和和和数数数数字字字字量量量量输输输输出出出出通通通通道道道道输输输输出出出出到到到到个个个个回回回回路路路路的的的的执执执执行机构，实现各回路被控对象的控制。行机构，实现各回路
41、被控对象的控制。行机构，实现各回路被控对象的控制。行机构，实现各回路被控对象的控制。（3 3）计算机监督控制系统（）计算机监督控制系统（）计算机监督控制系统（）计算机监督控制系统（SCCSCC，产生于，产生于，产生于，产生于2020世纪世纪世纪世纪6060年代）年代）年代）年代）S SC CC C 计计计计 算算算算 机机机机生生生生产产产产过过过过程程程程信息采集信息采集信息采集信息采集输入通道输入通道输入通道输入通道外围设外围设外围设外围设备备备备操作控操作控操作控操作控制台制台制台制台输入输输入输输入输输入输出通道出通道出通道出通道DDCDDC计算机计算机计算机计算机输入输输入输输入输输
42、入输出通道出通道出通道出通道DDCDDC计算机计算机计算机计算机信息采信息采信息采信息采集集集集控制控制控制控制设定值设定值设定值设定值信息交信息交信息交信息交换换换换这这这这是是是是一一一一个个个个二二二二级级级级计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统，SCCSCC计计计计算算算算机机机机根根根根据据据据不不不不断断断断变变变变化化化化的的的的生生生生产产产产和和和和工工工工艺艺艺艺条条条条件件件件及及及及环环环环境境境境条条条条件件件件等等等等信信信信息息息息，按按按按照照照照生生生生产产产产过过过过程程程程的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型，计计计计算算算算出出出
43、出各各各各控控控控制制制制回回回回路路路路的的的的最最最最优优优优设设设设定定定定值值值值，输输输输出出出出给给给给对对对对应应应应的的的的DDCDDC系系系系统统统统，从从从从而而而而使使使使DDCDDC系系系系统统统统能能能能适适适适应应应应生生生生产产产产过过过过程程程程情情情情况况况况的的的的变变变变化化化化，始始始始终终终终工工工工作作作作在最优工作状态（最优质量、最低成本在最优工作状态（最优质量、最低成本在最优工作状态（最优质量、最低成本在最优工作状态（最优质量、最低成本）。）。）。）。（4 4）集中式计算机控制系统（）集中式计算机控制系统（）集中式计算机控制系统（）集中式计算机控
44、制系统（ICSICS）（）（）（）（1967197519671975年）年）年）年）控控控控 制制制制 计计计计 算算算算 机机机机生产过程生产过程生产过程生产过程外围设外围设外围设外围设备备备备操作控操作控操作控操作控制台制台制台制台输出通道输出通道输出通道输出通道控制控制控制控制2 2设备设备设备设备1 1输出通道输出通道输出通道输出通道设备设备设备设备2 2输出通道输出通道输出通道输出通道设备设备设备设备n n输入通道输入通道输入通道输入通道控制控制控制控制1 1控制控制控制控制n n信息采集信息采集信息采集信息采集高高高高度度度度集集集集中中中中的的的的控控控控制制制制结结结结构构构构
45、，功功功功能能能能过过过过于于于于集集集集中中中中，计计计计算算算算机机机机的的的的负负负负荷荷荷荷过过过过重重重重，计计计计算算算算机机机机出出出出现现现现的的的的任任任任何何何何故故故故障障障障都都都都会会会会产产产产生生生生非非非非常常常常严严严严重重重重的的的的后后后后果果果果，所所所所以以以以该该该该系系系系统统统统非非非非常常常常脆脆脆脆弱弱弱弱，安安安安全全全全可可可可抗抗抗抗性性性性得得得得不不不不到到到到保保保保障障障障。而而而而且且且且系系系系统统统统结结结结构构构构越越越越庞庞庞庞大大大大，系系系系统统统统开开开开发发发发周周周周期期期期越越越越长长长长，现现现现场场场场
46、调调调调试试试试、布布布布线线线线施施施施工工工工等等等等费费费费时时时时费费费费力，很难满足用户的要求。力，很难满足用户的要求。力，很难满足用户的要求。力，很难满足用户的要求。（5 5）集散控制系统（）集散控制系统（）集散控制系统（）集散控制系统（DCSDCS，产生于，产生于，产生于，产生于2020世纪世纪世纪世纪7070年代中期）年代中期）年代中期）年代中期）第第第第一一一一级级级级为为为为直直直直接接接接控控控控制制制制单单单单元元元元，也也也也称称称称下下下下位位位位机机机机，它它它它直直直直接接接接控控控控制制制制被控对象，完成实时控制。被控对象，完成实时控制。被控对象，完成实时控制
47、。被控对象，完成实时控制。第二级为中央处理机，又称第二级为中央处理机，又称第二级为中央处理机，又称第二级为中央处理机，又称为上位机，完成管理、监控为上位机，完成管理、监控为上位机，完成管理、监控为上位机，完成管理、监控等功能，实现最优控制。等功能，实现最优控制。等功能，实现最优控制。等功能，实现最优控制。监控计算机监控计算机监控计算机监控计算机控制控制控制控制单元单元单元单元1 1控制控制控制控制单元单元单元单元2 2控制控制控制控制单元单元单元单元n n生产过程生产过程生产过程生产过程二级结构模式下的二级结构模式下的二级结构模式下的二级结构模式下的DCSDCS高速数据通道高速数据通道高速数据
48、通道高速数据通道设备设备1传感传感器器执行执行机构机构设备设备2传感传感器器执行执行机构机构设备设备n传感传感器器执行执行机构机构DCSDCS充充充充分分分分体体体体现现现现了了了了“ “分分分分散散散散控控控控制制制制，集集集集中中中中管管管管理理理理的的的的原原原原则则则则” ”。控控控控制制制制功功功功能能能能分分分分散散散散以以以以后后后后，不不不不仅仅仅仅使使使使得得得得系系系系统统统统运运运运行行行行的的的的危危危危险险险险得得得得以分散，也给技术上的处理带来很大方便。以分散，也给技术上的处理带来很大方便。以分散，也给技术上的处理带来很大方便。以分散，也给技术上的处理带来很大方便。
49、由由由由于于于于上上上上位位位位机机机机不不不不直直直直接接接接控控控控制制制制现现现现场场场场设设设设备备备备，所所所所以以以以即即即即使使使使上上上上位位位位机机机机出出出出现现现现故故故故障障障障，也也也也不不不不会会会会直直直直接接接接影影影影响响响响下下下下位位位位机机机机对对对对现现现现场场场场设设设设备备备备的控制功能。的控制功能。的控制功能。的控制功能。u 集散控制系统（集散控制系统（集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）的）的）的）的特点：特点：特点：特点：（6 6）总线控制系统（）总线控制系统（）总线控制系统（）总线控制系统（FCSFCS，产生于，产生于，产生于，产生于
50、2020世纪世纪世纪世纪8080年代末、年代末、年代末、年代末、9090年代初）年代初）年代初）年代初）FCSFCS把把把把 原原原原 来来来来 DCSDCS系系系系统统统统中中中中处处处处于于于于控控控控制制制制室室室室的的的的控控控控制制制制单单单单元元元元、I/OI/O模模模模块块块块置置置置入入入入现现现现场场场场设设设设备备备备中中中中，现现现现场场场场设设设设备备备备具具具具有有有有通通通通信信信信能能能能力力力力，实实实实现现现现了了了了彻彻彻彻底底底底的的的的分分分分散控制散控制散控制散控制。FCSFCS中中中中用用用用数数数数字字字字信信信信号号号号代代代代替替替替了了了了模
51、模模模拟拟拟拟信信信信号号号号，大大大大大大大大简简简简化化化化了了了了系系系系统统统统结结结结构构构构，节节节节约约约约了了了了硬硬硬硬件件件件设设设设备备备备和和和和连连连连接接接接电电电电缆缆缆缆，系系系系统统统统的的的的开开开开放放放放性性性性、互互互互用用用用性、可靠性等得到提高性、可靠性等得到提高性、可靠性等得到提高性、可靠性等得到提高。监控计算机监控计算机监控计算机监控计算机控制单元控制单元控制单元控制单元1 1生产过程生产过程生产过程生产过程现场总线现场总线现场总线现场总线设备设备1传感传感器器执行执行机构机构设备设备2传感传感器器执行执行机构机构控制单元控制单元控制单元控制单
52、元2 2控制单元控制单元控制单元控制单元n n设备设备n传感传感器器执行执行机构机构（7 7）网络控制系统（）网络控制系统（）网络控制系统（）网络控制系统（NCSNCS，产生于，产生于，产生于，产生于2121世纪初）世纪初）世纪初）世纪初）互联网互联网控制计控制计算机算机1控制计控制计算机算机2控制计控制计算机算机n设备设备2传感传感器器执行执行机构机构设备设备1传感传感器器执行执行机构机构设备设备n传感传感器器执行执行机构机构随随随随着着着着嵌嵌嵌嵌入入入入式式式式微微微微处处处处理理理理机机机机技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展，嵌嵌嵌嵌入入入入了了了了智智智智能能能能芯芯芯芯片片片
53、片的的的的传传传传感感感感器器器器和和和和执执执执行行行行机机机机构构构构等等等等现现现现场场场场设设设设备备备备具具具具有有有有网网网网络络络络接接接接口口口口功功功功能能能能，可可可可以以以以作作作作为为为为独独独独立立立立的的的的节节节节点点点点直直直直接接接接连连连连入入入入网网网网络络络络，加加加加之之之之采采采采样样样样数数数数据据据据和和和和给给给给定定定定或或或或控控控控制制制制信信信信号号号号可可可可以以以以在在在在网络上传输，构成闭环控制回路。网络上传输，构成闭环控制回路。网络上传输，构成闭环控制回路。网络上传输，构成闭环控制回路。优优优优点点点点：由由由由于于于于控控控控
54、制制制制网网网网络络络络属属属属于于于于一一一一种种种种彻彻彻彻底底底底的的的的分分分分布布布布式式式式控控控控制制制制结结结结构构构构，因因因因此此此此它它它它具具具具有有有有连连连连线线线线少少少少、可可可可靠靠靠靠性性性性高高高高，易易易易于于于于系系系系统统统统扩扩扩扩展展展展以以以以及及及及能能能能够够够够实现信息资源共享等实现信息资源共享等实现信息资源共享等实现信息资源共享等。缺缺缺缺点点点点：存存存存在在在在信信信信息息息息传传传传输输输输的的的的延延延延时时时时，网网网网络络络络的的的的拥拥拥拥塞塞塞塞等等等等。一一一一旦旦旦旦主主主主干干干干网网网网发发发发生生生生信信信信息
55、息息息拥拥拥拥塞塞塞塞或或或或受受受受到到到到损损损损害害害害，则则则则整整整整个个个个NCSNCS系系系系统统统统会会会会完完完完全全全全陷陷陷陷入入入入瘫瘫瘫瘫痪痪痪痪，所所所所以以以以NCSNCS也也也也是是是是一一一一个个个个风风风风险险险险高高高高度度度度集集集集中中中中的的的的控控控控制制制制系系系系统统统统。相相相相关关关关的的的的理理理理论论论论和和和和技技技技术术术术问问问问题题题题已已已已经经经经成成成成为为为为计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的研研研研究究究究热点，我们期待这些研究取得突破性进展！热点，我们期待这些研究取得突破性进展！热点，我们期待这些研究取得突破性进展！热点，我们期待这些研究取得突破性进展！u 网络控制系统（网络控制系统（网络控制系统（网络控制系统（NCSNCS）的）的）的）的特点：特点：特点：特点：教学单元教学单元2结束结束
