03计算机控制系统ppt课件

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1、现代工程机械电液控制技术现代工程机械电液控制技术1;.第三讲第三讲 计算机控制系统计算机控制系统3.1 3.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述3.2 3.2 计算机控制系统的组成及分类计算机控制系统的组成及分类3.3 3.3 计算机控制研究的课题与发展方向计算机控制研究的课题与发展方向2;.3.1 3.1 3.1 3.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述计算机控制系统概述计算机控制系统概述 计算机控制，是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计算机控制，是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。的一门综合性学科与技术。 计算机控制是以

2、计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。表为基础的综合学科。 计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控计算机控制系统简单地说就是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。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。种升华。3;.3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 计算机控制系统的产生计算机控制系统的产生计算机控制系统的产生计算机控制系统的产生 随着科学发展、技术进步和

3、对控制要求的提高，控制对象越来越复杂，控制随着科学发展、技术进步和对控制要求的提高，控制对象越来越复杂，控制系统也随之复杂，出现了多输入系统也随之复杂，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。对这些系统，使用常规控制方法和手段实现十分困变和分布参数控制系统。对这些系统，使用常规控制方法和手段实现十分困难。难。 电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水电子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。平产生了巨大飞跃。4;.3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1

4、.2 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 微电子技术和计算机技术的发展，为计算机控制的发展奠定了坚实的基础。微电子技术和计算机技术的发展，为计算机控制的发展奠定了坚实的基础。 自自19461946年世界上第一台可以由程序控制的计算机（称为电子数字器与计算器）年世界上第一台可以由程序控制的计算机（称为电子数字器与计算器）ENICAENICA诞生以来，人们就试图将这种运算速度快，又能存储又能进行算术和诞生以来，人们就试图将这种运算速度快，又能存储又能进行算术和逻辑计算的机器应用于自动控制系统中来。然而这种昂贵的运算机器在作为逻辑计算的机器应用于自动控制

5、系统中来。然而这种昂贵的运算机器在作为控制器来说是大材小用，于是人们希望用这种计算机来完成许多回路的数据控制器来说是大材小用，于是人们希望用这种计算机来完成许多回路的数据采集与控制，而当时计算机的可靠性又难以胜任作为控制器所需要的高可靠采集与控制，而当时计算机的可靠性又难以胜任作为控制器所需要的高可靠性。性。5;.世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIACENIAC6;.3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 2020世纪世纪5050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年

6、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。数据处理。 19591959年美国年美国TRWTRW航空公司和航空公司和TexacoTexaco公司合作成功地在得克萨斯州的一家炼油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。系统的最佳参数，同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。 在在2020世纪世纪6060年代计算机控制系统已成功的应用于化工、钢铁和电力等不同的年代计算机控制系统已成功的应用于化工、钢铁和电力

7、等不同的领域，但这些系统还都是以数据的采集和处理为主。领域，但这些系统还都是以数据的采集和处理为主。19621962年英国帝国化工公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系统，开创了直接数字控制的新时期7;.3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 自自19711971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，世界上第一片四位微处理器的出现，微型计算机得

8、以快速发展，19931993年年PentiumPentium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。展，同时也使计算机控制得以飞速发展。 微处理器和微型计算机的诞生与发展为实现分散控制创造了良好的条件。微处理器和微型计算机的诞生与发展为实现分散控制创造了良好的条件。8;.3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 19751975年美国年美国HoneywellHoneywell公司研制成功世界上第一套集

9、散型控制系统公司研制成功世界上第一套集散型控制系统TDC-2000TDC-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。随后一直到并投入使用，开创了计算机应用于实际生产过程控制的新纪元。随后一直到8080年代末，集散控制系统迅速发展，有几万套集散系统投入运行，不但得到年代末，集散控制系统迅速发展，有几万套集散系统投入运行，不但得到使用者的高度评价同时也为制造商和使用企业带来了巨大的经济效益。使用者的高度评价同时也为制造商和使用企业带来了巨大的经济效益。 随着随着3C3C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。技术和网络技术的发展，现场总线控制系统和网络控

10、制系统应运而生。可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）的综合应用已打破了原工业控制的格局，并共同融入）的综合应用已打破了原工业控制的格局，并共同融入到计算机控制系统的大门类之中。到计算机控制系统的大门类之中。9;.3.1.2 3.1.2 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 5050年代的起步期年代的起步期 60 60 年代的试验期年代的试验期 7070年代以来的推广期年代以来的推广期 8080年代的成熟期年代的成熟期 9090年代后进一步发展期年代后进一步发展期10;.3.2 3.2 3.2 3.2 计算机控制系统的组成及分类计算机控制系统的组成及分类计算机控制系统的组成及分类计算机

11、控制系统的组成及分类 3.2.1 3.2.1 计算机控制系统计算机控制系统 3.2.2 3.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 3.2.3 3.2.3 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类11;.3.2.1 3.2.1 计算机控制系统计算机控制系统 在开、闭环控制系统中都少不了控制器环节在开、闭环控制系统中都少不了控制器环节 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 由于计算机处理的是数字信号，而现场的信号都是模拟信号，计算机要替代由于

12、计算机处理的是数字信号，而现场的信号都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/DA/D）和数字量到模拟量的）和数字量到模拟量的转换（转换（D/AD/A）控制器对象D/AA/D计算机计算机控制系统基本框图（闭环）计算机控制系统基本框图（闭环）+-12;.3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统 计算机控制系统的控制过程可归纳为三个过程：计算机控制系统的控制过程可归纳为三个过程： （1 1 1 1）信息的获取：）信息的获取：）信息的获取：）信息的获取：计算机通过计

13、算机的外部设备获取被控对象的实时信息和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人的指令性信息 （2 2 2 2）信息的处理：）信息的处理：）信息的处理：）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 3 3 3）信息的输出：）信息的输出：）信息的输出：）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13;.3.

14、2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统 在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分 硬件是由计算机主机、接口电路、操作控制设备、外部设备组成，是计算机硬件是由计算机主机、接口电路、操作控制设备、外部设备组成，是计算机控制系统的基础控制系统的基础 软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系

15、统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。14;.3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统 在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分 硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础 软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和

16、外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。15;.3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设。控制台和常用的外设

17、。 随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。少的一部分。16;.主机过程控制通道A/DD/AD/ID/O操作台（通讯）控制对象（系统）CPUMEM 典型的计算机控制系统的硬件组成框图典型的计算机控制系统的硬件组成框图17;.3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成(1)(1)(1)(1)主机主机主机主机: : : :是指用于控制的计算机，它主要由是指用于控制的计算机，它主要由CPUCPU、

18、存储器和接口三大部分组成，、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。是整个系统的核心。 目前使用的主机有：单片机、目前使用的主机有：单片机、PLCPLC、工业、工业PCPC等。等。 它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的它主要完成数据和程序的存取、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 由于由于CPUCPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含成对一些含CPUCPU

19、设备和网络设备的控制设备和网络设备的控制18;.3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成（2 2 2 2）过程控制通道：）过程控制通道：）过程控制通道：）过程控制通道：被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号方向和形被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号方向和形式，过程控制通道可分为：式，过程控制通道可分为： 模拟量输入通道（模拟量输入通道（模拟量输入通道（模拟量输入通道（AIAIAIAI）: : : :完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的

20、转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号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（模拟量输出通道（模拟量输出通道（模拟量输出通道（AOAOAOAO）：）：）：）：目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计目前，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换为模拟量并保持19;.3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成 数字量输入通道（数

21、字量输入通道（数字量输入通道（数字量输入通道（DIDIDIDI）：）：）：）：数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或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（数字量输出通道（数字量输出通道（数字量输出通道（DODODODO）：）：）：）：数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字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信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备20;.3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.

22、2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成（3 3 3 3）操作控制台）操作控制台）操作控制台）操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以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作人员可以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。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、工作方式状态的选择、操作控制

23、台一般应包括：信息的显示、信息的记录、工作方式状态的选择、信息输入信息输入21;.22;.3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成（4 4）通讯设备：）通讯设备：）通讯设备：）通讯设备：企业信息化的需求要求生产过程的数据能够实时的上传到企业企业信息化的需求要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。信息管理系统。 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。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。 通讯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

24、算机控制通讯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。系统的信息交换。23;.3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成 计算机控制系统除了硬件之外，还必须有软件。控制系统的功能和性能在很计算机控制系统除了硬件之外，还必须有软件。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。大程度上依赖于软件水平的高低。 所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。件

25、两大部分。24;.3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成(1)(1)系统软件：系统软件：系统软件：系统软件：是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、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。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。 这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机这些系统软件包括：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。语

26、言及解释、编译工具。 系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。25;.3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成(2)(2)应用软件：应用软件：应用软件：应用软件：根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而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

27、、输出与控制等程序。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、用于应用软件开发的程序设计语言有：汇编、C# C# 、C+C+、VBVB、VCVC、DelphiDelphi、PBPB等。目前也有一些专门用于控制的组态软件，这些软件功能强，使用方便，等。目前也有一些专门用于控制的组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很好的应用前景。组态灵活，具有很好的应用前景。26;.计算机控制系统的组成示意图计算机控制系统的组成示意图计算机控制系统的组成示意图计算机控制系统的组成示意图软件部分软件部分计算机控制系统计算机控制系统 硬件部分硬件部分控制计算机控制计算机主机、外

28、设、系统总线主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道生产过程输入输出通道人机联系设备、通信设备人机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等）现场仪表（测量传感器、执行机构等） 操作系统操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等通信网络软件、诊断程序等 系统软件系统软件 应用软件应用软件 过程输入过程输入/ /输出程序、过程控制程序输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序各种公共子程序 历史数据库、实时数据库历史数据库、实时数据库27;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4

29、 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 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样的结构和形式 按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统； 按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZYFUZZY控制、专家系统和神经网络控制、专

30、家系统和神经网络等）。等）。 28;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态控制系统的分类，是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。并参考以往的教材进行分类的。 一般分为六大类：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、一般分为六大类：操作指导控制系统、直接数字控

31、制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。29;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类(1)(1)操作指导系统：操作指导系统：操作指导系统：操作指导系统：基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统。基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统。计计算算机机数数据据采采集集输输出出设设备备人人人人控控制制器器生生产产过过程程30;.31;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分

32、类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的计算机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。结果显示或打印。 操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过操作人员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。程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。 该系统结构简

33、单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。32;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类(2(2) ) ) )直接数字系统（直接数字系统（直接数字系统（直接数字系统（Direct Digital ControlDirect Digital ControlDirect Digital ControlDirect Digital Control）：）：）：）

34、：计算机控制系统最基本形式，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，可以实现在线控制也是应用最多的一类计算机控制系统，可以实现在线控制操操作作台台级级处处理理设设备备计计算算机机过过程程控控制制通通道道生生产产过过程程33;.34;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 这类控制系统是计算机通过过程控制通道对工业生产过程进行在线实时控制。这类控制系统是计算机通过过程控制通道对工业生产过程进行在线实时控制。 该系统应该是典型的计算机替代模拟调节器，可实现对多回路多参数的控制，该系统应该

35、是典型的计算机替代模拟调节器，可实现对多回路多参数的控制，系统是灵活性大、可靠性高，能实现各种从常规到先进的控制方式。系统是灵活性大、可靠性高，能实现各种从常规到先进的控制方式。35;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类(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（Supervisory Computer ControlSupervisory Computer Control）：一种两级计算机一种两级计算机控制系统控制系统SCC计算机输入通道输出通道数字（

36、或模拟）控制器生产过程计算机监督控制系统36;.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+模拟模拟调节调节器控器控制系制系统原统原理图理图 SCC +DCC控制控制系统系统原理原理图图 37;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 该类系统类似计算机操作指导控制系统。它的区别是该类系统类似计算机操作指导控制系统。它的区别是SCCSCC计算机输出不通过计算机输出不通过人去改变，而直接控

37、制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程人去改变，而直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。的控制。 SCCSCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程控制的参数优化，协调各直计算机可以利用有效的资源去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，而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制系统是接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，同时又是计算机集散系统的最初、安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式。最基本的模式。38;.3.2.4 3.2.4 3.

38、2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类(4)(4)集散控制系统集散控制系统集散控制系统集散控制系统(Distributed Control System)(Distributed Control System)又称分布控制系统又称分布控制系统又称分布控制系统又称分布控制系统。该系统采用。该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级：过程控制级、控制管理级、生产管结构的分级分布式控制，一般分为四级：过程控

39、制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级理级和经营管理级。 过程控制级是集散控制的基础，直接控制生产过程，在这级参与直接控制的过程控制级是集散控制的基础，直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是可以是计算机也可以是PLCPLC或专用数字控制器，完成对现场设备直接监测和或专用数字控制器，完成对现场设备直接监测和控制，由于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，控制，由于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局部故障不会影响整个系统工作，提高了系统工作可靠性 39;.40;.41;.3.2.4

40、 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类(5)(5)(5)(5)现场总线控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统是是2020世纪世纪9090年代兴起的新型计算机控制系统，已广泛应用年代兴起的新型计算机控制系统，已广泛应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统利用现场总线将各智能现场在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统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，形成了一个数字式全分散双向串行传设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多点通

41、信的通信网络。输，多分支结构和多点通信的通信网络。 在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。现场总线可以直接连接其它的局域器都配有分级处理器，属智能现场设备。现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至网，甚至InternetInternet。可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业。可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之一控制体系结构发展的方向之一42;.H1 H2 服务器现场控制器H2 H2现场总线自动监督系统操作站局域网 现场

42、总线控制系统现场总线控制系统43;.H1树型树型菊花链型菊花链型总线型总线型点对点点对点H1H1H2H2H1H1H1网桥网桥44;.3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类(6)(6)计算机集成制造计算机集成制造计算机集成制造计算机集成制造的概念是在的概念是在2020世纪世纪7070年代美国的哈灵顿提出的。计算机集成年代美国的哈灵顿提出的。计算机集成制造是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括制造是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品

43、的检验出厂一体化的模式从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式 随着现代市场需求和企业模式现代化，计算机集成制造已将制造集成转换为随着现代市场需求和企业模式现代化，计算机集成制造已将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信息集成，并融入企业全面管理和市场营销 CIMSCIMS是一项庞大的系统工程，需要有许多基础的应用平台支持，实现的是是一项庞大的系统工程，需要有许多基础的应用平台支持，实现的是企业物流、资金流和信息流统一。由于涉及面广，应用存在困难较多，许多企业物流、资金流和信息流统一。由于涉及面广，应用存在困难较多，许多CIMSCIMS工程在规划实施中都提出了整体规划

44、分步实施策略。工程在规划实施中都提出了整体规划分步实施策略。 尽管目前尽管目前CIMSCIMS工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实是企业真正走工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实是企业真正走向现代化的方向向现代化的方向45;.CIMS组成框图46;.计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS） 经经 营营 决决策策企业管理企业管理生产调生产调度度过程优过程优化化过程控过程控制制第第五五层层：企企业业决决策策，生生产产规划规划第第四四层层：供供销销,财财务务,计计划划,管管理等理等第第三三层层：生生产产调调度度，系系统统优化优化第第二二层层：先先进进控控制制，过过程程优化优

45、化第第一一层层：单单元元自自动动化化,简简单单控制控制生生 产产 过过 程程 流程流程CIMS的递阶控制示意图的递阶控制示意图47;.3.3 3.3 3.3 3.3 计算机控制研究的课题与发展方向计算机控制研究的课题与发展方向计算机控制研究的课题与发展方向计算机控制研究的课题与发展方向 计计算算机机控控制制系系统统中中的的计计算算机机不不是是简简单单地地取取代代了了一一般般控控制制系系统统的的控控制制器器，由由于于计计算算机机和和网网络络技技术术的的飞飞速速发发展展同同时时也也带带动动自自动动控控制制技技术术的的发发展展。网网络络技技术术的的发发展展促促进进了了企企业业管管理理控控制制一一体体

46、化化的的进进程程，控控制制的的概概念念也也远远远远超超出出了了以以往往生生产产设备和生产线的控制。设备和生产线的控制。48;.3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题 计算机控制研究的课题主要是控制理论和控制理论在工程中的应用与实计算机控制研究的课题主要是控制理论和控制理论在工程中的应用与实现两个方面，在工程的实现又反映出硬件系统的结构和软件的实现两大类。现两个方面，在工程的实现又反映出硬件系统的结构和软件的实现两大类。49;.3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 计算机控制研究的课题计算机控制研

47、究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题(1) (1) 控制理论方面涉及到的课题控制理论方面涉及到的课题控制理论方面涉及到的课题控制理论方面涉及到的课题 数字描述和分析方法：数字描述和分析方法：数字描述和分析方法：数字描述和分析方法：计算机控制系统的外特性应该同模拟系统是一样的，计算机控制系统的外特性应该同模拟系统是一样的，但严格地讲，在实际处理过程中计算机控制系统是离散系统，所以计算机控但严格地讲，在实际处理过程中计算机控制系统是离散系统，所以计算机控制系统的设计和分析多年来一直存在模拟和离散两种分析方法；离散系统的制系统的设计和分析多年来一直存在模拟和离散两种分析方法；离散系统的描

48、述通常我们都会用差分方程和描述通常我们都会用差分方程和Z Z变换以及离散状态空间方法来进行分析。变换以及离散状态空间方法来进行分析。50;.3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题 采样周期的选取：采样周期的选取：采样周期的选取：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的采样周期的选择。严格地讲计算机控制系统的采样周期分为信号采集的采的采样周期的选择。严格地讲计算机控制系统的采样周期分为信号采集的采样周期和计算机控制算出的控制周期；

49、信号采样将模拟信号采样为离散信号，样周期和计算机控制算出的控制周期；信号采样将模拟信号采样为离散信号，采样周期越小越好，采样周期取决于计算机的运算速度，过小的采样周期，采样周期越小越好，采样周期取决于计算机的运算速度，过小的采样周期，计算机很难胜任，为了保证采样信号在采样后能够正确地反映模拟信号，信计算机很难胜任，为了保证采样信号在采样后能够正确地反映模拟信号，信号采集的采样周期选取就满足号采集的采样周期选取就满足SHANNONSHANNON采样定理：采样的最低频率须大于采样定理：采样的最低频率须大于信号最高变化频率的两倍。信号最高变化频率的两倍。51;.3.3.1 3.3.1 3.3.1 3

50、.3.1 计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题 现代控制系统的研究：现代控制系统的研究：现代控制系统的研究：现代控制系统的研究：由于计算机技术的发展使现代控制理论的许多设想可由于计算机技术的发展使现代控制理论的许多设想可以实现。智能控制、模糊控制、人工神经元等近代控制方法的研究也变得越以实现。智能控制、模糊控制、人工神经元等近代控制方法的研究也变得越来越热门。计算机来越热门。计算机CPUCPU技术的发展和并行处理可以大大提高计算机的运算速技术的发展和并行处理可以大大提高计算机的运算速度，使复杂运算应用于实时控制变为可能。度，使复杂运算应用于实时控制变

51、为可能。52;.3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题(2) (2) 应用于控制系统计算机硬件技术的研究应用于控制系统计算机硬件技术的研究 随着计算机控制逐渐取代常规的模拟控制系统的进展，计算机硬件技术随着计算机控制逐渐取代常规的模拟控制系统的进展，计算机硬件技术的发展也是研究的重要课题。为了适应不同行业、不同工艺设备需求，计算的发展也是研究的重要课题。为了适应不同行业、不同工艺设备需求，计算机制造厂家已研究出多种典型的标准化机型。机制造厂家已研究出多种典型的标准化机型。 可编程序控制器（可编程序控制器（

52、可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLC）：）：）：）：可编程序控制器也称为可编程序逻辑控制器，原可编程序控制器也称为可编程序逻辑控制器，原来是利用电子器件替代继电器，实现过去由硬件完成的逻辑控制，随着计算来是利用电子器件替代继电器，实现过去由硬件完成的逻辑控制，随着计算机控制系统的发展，机控制系统的发展，PLCPLC改变了以往主要用于开关量逻辑控制的用途，许多改变了以往主要用于开关量逻辑控制的用途，许多专用的过程控制模块和网络通讯模块已经结合专用的过程控制模块和网络通讯模块已经结合PLCPLC成为计算机控制系统中的成为计算机控制系统中的主力军。主力军。53;.54;.3.3.1 3.3.

53、1 3.3.1 3.3.1 计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题 可编程序调节器：可编程序调节器：可编程序调节器：可编程序调节器：可编程序调节器实际上是一台仪表化的微型计算机，它可可编程序调节器实际上是一台仪表化的微型计算机，它可以广泛地应用于计算机控制系统中的单元控制，尤其是一些分散性能很强的以广泛地应用于计算机控制系统中的单元控制，尤其是一些分散性能很强的系统或一些独立的控制系统采用可编程调节器也是一种很好的选择，可编程系统或一些独立的控制系统采用可编程调节器也是一种很好的选择，可编程调节器的研究也随着计算机控制系统研究的发展而快速发展。调节器的

54、研究也随着计算机控制系统研究的发展而快速发展。 单片微型计算机的应用研究：单片微型计算机的应用研究：单片微型计算机的应用研究：单片微型计算机的应用研究：随着微电子技术与超大规模集成技术的发展单随着微电子技术与超大规模集成技术的发展单片机在控制系统的应用也越来越广泛，并被作为计算机控制研究的一个分支。片机在控制系统的应用也越来越广泛，并被作为计算机控制研究的一个分支。由于系统与设备的智能化需求，嵌入式系统的研究已成为当今计算机控制系由于系统与设备的智能化需求，嵌入式系统的研究已成为当今计算机控制系统研究的重要课题。统研究的重要课题。55;.3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 计算机控

55、制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题 总线式工控机的研究：总线式工控机的研究：总线式工控机的研究：总线式工控机的研究：随着计算机设计日益科学化、标准化和模块化，一种随着计算机设计日益科学化、标准化和模块化，一种总线系统和开放式体系结构的概念应运而生。按照统一标准总线计算机生产总线系统和开放式体系结构的概念应运而生。按照统一标准总线计算机生产厂可以开发设计出若干有特定功能的模板以满足不同用户需求。研究开发更厂可以开发设计出若干有特定功能的模板以满足不同用户需求。研究开发更小型化、模板化、组合化和标准化的总线式工控机也是今后计算机控制系统小型化、模板化、组合化和

56、标准化的总线式工控机也是今后计算机控制系统硬件方面研究的课题。硬件方面研究的课题。 新型微型控制单元的研究：新型微型控制单元的研究：新型微型控制单元的研究：新型微型控制单元的研究：伴随超大规模集成电路的发展和无线通信的进一伴随超大规模集成电路的发展和无线通信的进一步开拓和普及应用，研究一种微型的监测控制单元，已经进入到了可行性阶步开拓和普及应用，研究一种微型的监测控制单元，已经进入到了可行性阶段。微型和超微型无线智能传感器已进入了实用阶段。该控制单元的研究和段。微型和超微型无线智能传感器已进入了实用阶段。该控制单元的研究和开发，又使人类对自然的控制能力大大加强。开发，又使人类对自然的控制能力大

57、大加强。56;.3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题(3)(3)计算机控制系统软件的研究与开发计算机控制系统软件的研究与开发计算机控制系统软件的研究与开发计算机控制系统软件的研究与开发 软件是计算机的灵魂，伴随着硬件技术课题的研究，计算机控制系统软件的软件是计算机的灵魂，伴随着硬件技术课题的研究，计算机控制系统软件的研究也从未放松过。研究也从未放松过。 新型的系统设计、仿真软件越来越得到控制工程师的青睐，嵌入式系统的大新型的系统设计、仿真软件越来越得到控制工程师的青睐，嵌入式系统的大量应用又为嵌入式操作

58、系统的研究带来了大量的课题。量应用又为嵌入式操作系统的研究带来了大量的课题。 随着计算机控制系统的普及应用，计算机控制系统的应用软件的研究和开发随着计算机控制系统的普及应用，计算机控制系统的应用软件的研究和开发带给用户的是一种更开放、更简单易操作的应用系统。带给用户的是一种更开放、更简单易操作的应用系统。57;.3.3.2 3.3.2 计算机控制系统的发展方向计算机控制系统的发展方向 计算机控制系统的未来的发展主要从深度和广度两个方面发展；更小型化，计算机控制系统的未来的发展主要从深度和广度两个方面发展；更小型化，超大容量，高速稳定的计算机应用，使复杂控制系统和大系统的控制能够有超大容量，高速

59、稳定的计算机应用，使复杂控制系统和大系统的控制能够有效得以实现。现代控制和近代控制理论，将会越来越多应用于实际的控制工效得以实现。现代控制和近代控制理论，将会越来越多应用于实际的控制工程中去；现代管理技术同计算机、网络技术的发展，使计算机控制同生产、程中去；现代管理技术同计算机、网络技术的发展，使计算机控制同生产、企业管理融为一体，自动化程度大大提高。企业管理融为一体，自动化程度大大提高。58;.3.3.2 3.3.2 计算机控制系统的发展方向计算机控制系统的发展方向 在广度方面，向大系统或系统工程的方向发展，向管理控制一体化的方向发在广度方面，向大系统或系统工程的方向发展，向管理控制一体化的

60、方向发展。从单一过程、单一对象的局部控制，发展到对整个工厂、整个企业，甚展。从单一过程、单一对象的局部控制，发展到对整个工厂、整个企业，甚至对社会经济、国土利用、生态平衡、环境保护等大规模复杂对象和系统进至对社会经济、国土利用、生态平衡、环境保护等大规模复杂对象和系统进行综合控制。行综合控制。 在深度方面，则向高速度、智能化方向发展，人们逐步地引入了自适应、自在深度方面，则向高速度、智能化方向发展，人们逐步地引入了自适应、自学习等控制方法，并且模拟生物的视觉、听觉和触觉，能够自动地识别图像、学习等控制方法，并且模拟生物的视觉、听觉和触觉，能够自动地识别图像、文字、语言，根据感知信息进行推理分析、直观判断、自学习、自行解决故文字、语言，根据感知信息进行推理分析、直观判断、自学习、自行解决故障和问题。计算机在控制系统中的应用，不但带动了计算机技术的发展，同障和问题。计算机在控制系统中的应用，不但带动了计算机技术的发展，同时也推动了自动控制理论和工程的发展。时也推动了自动控制理论和工程的发展。59;.