1、第一章第一章 計算機控制系統概述計算機控制系統概述1.1 計算機控制系統的組成計算機控制系統的組成1.2 計算機控制系統的分類計算機控制系統的分類1.3 計算機控制系統的控制核心計算機控制系統的控制核心1.4 計算機控制系統的發展概況及趨勢計算機控制系統的發展概況及趨勢1.1 計算機控制系統的組成計算機控制系統的組成1.1.1 1.1.1 控制系統概念控制系統概念閉環控制系統框圖閉環控制系統框圖有哪些重要的概念有哪些重要的概念? ?反饋反饋傳遞函數傳遞函數系統響應系統響應拉氏變化拉氏變化動態性能動態性能穩定性穩定性1.1 計算機控制系統的組成計算機控制系統的組成+re偏偏差差計計算算機機d/a

2、執執行行器器被被控控對對象象uqya/d測測量量變變送送器器z測測量量值值給給定定值值控控制制計計算算機機生生產產過過程程控控制制作作用用操操縱縱變變量量被被控控量量圖圖1 1- -3 3 計計算算機機控控制制系系統統原原理理框框圖圖-閉環控制系統框圖閉環控制系統框圖計算機控制系統：計算機控制系統：計算機控制系統框圖計算機控制系統框圖+re偏偏差差計計算算機機d/a執執行行器器被被控控對對象象uqya/d測測量量變變送送器器z測測量量值值給給定定值值控控制制計計算算機機生生產產過過程程控控制制作作用用操操縱縱變變量量被被控控量量圖圖1 1- -3 3 計計算算機機控控制制系系統統原原理理框框圖

3、圖-計算機控制系統原理圖計算機控制系統原理圖a.a.實時數據采集實時數據采集-對來自測量變送器的被控量的瞬時對來自測量變送器的被控量的瞬時值進行采集和輸入值進行采集和輸入 ；b.b.實時數據處理實時數據處理-對采集到的被控量進行分析、比較對采集到的被控量進行分析、比較和處理，按一定的控制規律運和處理，按一定的控制規律運算，進行控制決策；算，進行控制決策； c.c.實時輸出控制實時輸出控制-根據控制決策，適時地對執行器發根據控制決策，適時地對執行器發出控制信號，完成監控任務。出控制信號，完成監控任務。 1.1 計算機控制系統的組成計算機控制系統的組成1.1.2 1.1.2 計算機控制系統的硬件組

4、成計算機控制系統的硬件組成通用外部通用外部設備設備人機聯系人機聯系設備設備接口接口電路電路過程通道過程通道信息變換和傳遞信息變換和傳遞的作用的作用主機主機硬件僅為計算機控制系統的軀體，必須有軟件硬件僅為計算機控制系統的軀體，必須有軟件軟件軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，是指完成各種功能的計算機程序的總和，它是計算機控制系統的神經中樞，整個系統的它是計算機控制系統的神經中樞，整個系統的動作都是在軟件程序指揮下協調工作的。動作都是在軟件程序指揮下協調工作的。軟件通常分為軟件通常分為系統軟件系統軟件和和應用軟件應用軟件兩大類；兩大類；1.1 計算機控制系統的組成計算機控制系統的組成1.1.2

5、 1.1.2 計算機控制系統的軟件計算機控制系統的軟件廠家提供，用以管理廠家提供，用以管理計算機本身的程序。計算機本身的程序。由用戶根據控制系由用戶根據控制系統的需要設計統的需要設計匯編軟件、匯編軟件、c語言、組態軟件語言、組態軟件1.2.1 1.2.1 操作指導控制系統操作指導控制系統 (ogc)(ogc)1.2.2 1.2.2 直接數字控制系統（直接數字控制系統（ddcddc）1.2.3 1.2.3 監督計算機控制系統（監督計算機控制系統（sccscc）1.2.4 1.2.4 集散控制系統（集散控制系統（dcsdcs）1.2.5 1.2.5 現場總線控制系統（現場總線控制系統（fcsfcs

6、）1.2.6 1.2.6 計算機集成制造系統（計算機集成制造系統（cimscims）1.2 計算機控制系統的分類計算機控制系統的分類按功能和特點分類按功能和特點分類操作指導控制系統操作指導控制系統(operation guide control)(operation guide control) ： - -基于數據采集系統的一種開環結構。基于數據采集系統的一種開環結構。1.2.1 1.2.1 操作指導控制系統操作指導控制系統 (ogc)(ogc)操作指導控制系統操作指導控制系統(operation guide control)(operation guide control) ：1.2.1 1

7、.2.1 操作指導控制系統操作指導控制系統 (ogc)(ogc)1操作過程操作過程： （1）計算機只對系統過程參數進行收集、加工處理，而后）計算機只對系統過程參數進行收集、加工處理，而后輸出（顯示或打?。ㄌ峁蚀_的參照數據）。輸出（顯示或打?。ㄌ峁蚀_的參照數據）。 （2）現場人員參照顯示的數據，根據經驗對系統進行調節）現場人員參照顯示的數據，根據經驗對系統進行調節2應用場合：應用場合： 尚未摸清控制規律的系統（計算機系統的初級階段）。尚未摸清控制規律的系統（計算機系統的初級階段）。用來摸索新系統的數學模型和控制規律。用來摸索新系統的數學模型和控制規律。 3特點：特點： 簡單、可靠、人工操

8、作、慢、不能同時控制幾個回路。簡單、可靠、人工操作、慢、不能同時控制幾個回路。 計計算算機機生生產產過過程程顯示顯示打印機打印機報警報警操作臺操作臺）id，d/ a（入入輸輸程程過過）o d，a/d（出出輸輸程程過過 直接數字控制系統直接數字控制系統（direct digital controldirect digital control）：是）：是用一臺計算機完成對多個被控參數的數據采集，且按一定用一臺計算機完成對多個被控參數的數據采集，且按一定的控制規律進行實時決策，并通過輸出通道發出控制信號的控制規律進行實時決策，并通過輸出通道發出控制信號以實現對生產過程的閉環控制。以實現對生產過程的閉

9、環控制。1.2.2 1.2.2 直接數字控制系統（直接數字控制系統（ddcddc）1.2.3 直接數字控制系統（直接數字控制系統（ddcddc） 作法：作法： 計算機對多個參數進行巡回檢測；計算機對多個參數進行巡回檢測； 將檢測值與給定值加以比較；將檢測值與給定值加以比較； 根據偏差，按適當的控制規律對系統進行控制。根據偏差，按適當的控制規律對系統進行控制。 特點：特點： 一臺計算機可同時控制多回路；一臺計算機可同時控制多回路； 可靠?？煽?。 控制靈活：控制靈活： 每個參數的控制可各異；每個參數的控制可各異； 各參數在不同情況下可采用不同的控制規律或方法（各參數在不同情況下可采用不同的控制規律

10、或方法（ 串級、前饋、模糊、自適應控制等）；串級、前饋、模糊、自適應控制等）； 應用廣泛。應用廣泛。微機控制技術使檢測值使檢測值給定值給定值 1.2.3 1.2.3 監督計算機控制系統（監督計算機控制系統（sccscc） 監督計算機控制系統監督計算機控制系統（supervisory computer controlsupervisory computer control）：）：是是ogcogc系統與常規儀表系統或與系統與常規儀表系統或與ddcddc系統綜合而成的兩級系統。系統綜合而成的兩級系統。管理命令報告人工監管給定值測量值a/d多路開關檢測元件生產過程管理命令報告人工監管給定值測量值a/d

11、多路開關檢測元件生產過程ddcd/a反多路開關.scc+模模擬擬調調節節器器scc+dcc控控制制系系統統1.2.3 計算機監督系統（計算機監督系統（sccscc）作法：作法：（1）系統中，給定值不是人為預先給定，而是由計算機按照描）系統中，給定值不是人為預先給定，而是由計算機按照描述生產過程的數學模型，述生產過程的數學模型， 計算出最佳給定值。計算出最佳給定值。（2）送給模擬調節器）送給模擬調節器 或或 ddc ，對生產過程進行控制。，對生產過程進行控制。特點：特點： 更接近于生產的實際情況，增加了更接近于生產的實際情況，增加了“冗余量冗余量”，更可靠。，更可靠。 1.2.4 1.2.4 集

12、散控制系統（集散控制系統（dcsdcs） 集散控制系統集散控制系統（distributed control systemdistributed control system）：是以微處理）：是以微處理器為基礎，借助于計算機網絡對生產過程進行器為基礎，借助于計算機網絡對生產過程進行集中管理集中管理和和分散控制分散控制的先進計算機控制系統。又稱分散控制系統。的先進計算機控制系統。又稱分散控制系統。運運行行員員操操作作站站工工程程師師工工作作站站計算站計算站管管理理級級監監控控級級控控制制級級現現場場級級管理網絡管理網絡管管理理計計算算機機管理計算機管理計算機過程控過程控制站制站通信通信接口接口基本

13、控基本控制單元制單元基本控基本控制單元制單元基基本本控控制制單單元元通信通信接口接口監控網絡監控網絡控制網絡控制網絡控制網絡控制網絡數數據據輸輸入入輸輸出出單單元元數數據據輸輸入入輸輸出出單單元元數數據據輸輸入入輸輸出出單單元元數據數據采集站采集站m常規儀表常規儀表常規儀表常規儀表圖1-9 分散控制系統圖1-9 分散控制系統現場網絡現場網絡管理級管理級操作級操作級過程級過程級1.2.4 1.2.4 集散控制系統（集散控制系統（dcsdcs）作法：作法：（1）過程級過程級：直接控制生產過程。：直接控制生產過程。（2）操作級操作級：用于監控過程級各站點的所有信息，實現信息的：用于監控過程級各站點的

14、所有信息，實現信息的集中顯示和對生產過程的集中控制操作，實現各控制回路就集中顯示和對生產過程的集中控制操作，實現各控制回路就的組態、參數的設定和修改以及優化控制等。的組態、參數的設定和修改以及優化控制等。（3）管理級管理級：工廠管理信息系統，向決策者提供各種信息。：工廠管理信息系統，向決策者提供各種信息。特點：特點： 功能強大、性能優越、技術成熟、軟件支持廣泛。功能強大、性能優越、技術成熟、軟件支持廣泛。 傳送信號精度低、抗干擾能力差，系統復雜，維護管理麻煩傳送信號精度低、抗干擾能力差，系統復雜，維護管理麻煩1.2.5 1.2.5 現場總線控制系統（現場總線控制系統（fcsfcs） 現場總線控

15、制系統現場總線控制系統（fieldbus control systemfieldbus control system）：）：是現場總線為基礎，將現場控制裝置和現場智能儀表互聯是現場總線為基礎，將現場控制裝置和現場智能儀表互聯的實時網絡控制系統。的實時網絡控制系統。第六章詳細介紹第六章詳細介紹 現場總線現場總線（fieldbusfieldbus）：）：是是連接現場智能設備和自動化系連接現場智能設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的支結構的通信網絡通信網絡。特點：特點：全數字化、全分全數字化、全分散、雙向串行傳輸、多散、雙向串行傳輸、多分支結構、多點通信、分支結

16、構、多點通信、可互操作的和全開放式可互操作的和全開放式的新型控制系統的新型控制系統。 1.2.7 1.2.7 計算機集成制造系統（計算機集成制造系統（cimscims）cims cims 遞階層次結構圖遞階層次結構圖 計算機集成制造系統計算機集成制造系統（computer integrated manufacturing system）是計算機技術、網絡技術、自動化技術、信號處理技術、管理技術和系統工是計算機技術、網絡技術、自動化技術、信號處理技術、管理技術和系統工程技術等新技術發展的結果，它將企業的生產、經營、管理、計劃、產品設程技術等新技術發展的結果，它將企業的生產、經營、管理、計劃、產品

17、設計、加工制造、銷售及服務等環節和人力、財力、設備等生產要素集成起來，計、加工制造、銷售及服務等環節和人力、財力、設備等生產要素集成起來，進行統一控制，求得生產活動的最優化進行統一控制，求得生產活動的最優化 。1.3 計算機控制系統的控制核心計算機控制系統的控制核心1.3.1 1.3.1 單片機單片機1.3.2 dsp1.3.2 dsp1.3.3 arm1.3.3 arm1.3.4 1.3.4 工控機工控機1.3.5 1.3.5 可編程控制器可編程控制器1.3.1 1.3.1 單片微型計算機（單片機）單片微型計算機（單片機） 將將cpu、存儲器、時鐘及接口電路等主要計算機部件，、存儲器、時鐘及

18、接口電路等主要計算機部件，集成在一塊集成電路芯片上。集成在一塊集成電路芯片上。 集成度高，功能強集成度高，功能強 結構合理結構合理抗干擾能力強抗干擾能力強指令豐富指令豐富省電省電成本低成本低速度有限速度有限1.3.2 dsp1.3.2 dsp 專門用于數字信號處理的微處理器。專門用于數字信號處理的微處理器。 哈佛結構哈佛結構采用流水作業，獨立的乘法器和累加器采用流水作業，獨立的乘法器和累加器較高的時鐘速度和極快的運算能力較高的時鐘速度和極快的運算能力接口豐富接口豐富 代表：代表：ti公司的公司的tms320c2000/c5000/c6000常與常與fpga或或cpld配合使用：配合使用：用用f

19、pga硬件實現大量的低層信號預處理算法硬件實現大量的低層信號預處理算法所處理的數據，同時兼顧速度和靈活性。所處理的數據，同時兼顧速度和靈活性。高層處理算法采用運算速度高、尋址方式靈活、高層處理算法采用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的通信機制強大的dsp 芯片來實現芯片來實現1.3.3 arm 1.3.3 arm （advanced risc machinesadvanced risc machines）是一種微處理器。是一種微處理器。 體積小、低功耗、低成本、高性能。體積小、低功耗、低成本、高性能。大量使用寄存器，指令速度高。大量使用寄存器，指令速度高。大多數數據操作都在寄存器中完成。

20、大多數數據操作都在寄存器中完成。1.3.4 1.3.4 工控機工控機 工控機：工控機：是一種面向工業控制、采用標準總線是一種面向工業控制、采用標準總線技術和開放體系結構的計算機。技術和開放體系結構的計算機。（1）用通用底板總線插座代替個人計算機中的大母板；）用通用底板總線插座代替個人計算機中的大母板；（2）將母板分為）將母板分為 pc 插件（若干），如插件（若干），如 cpu板，存儲板板，存儲板 等；等；（3）把原）把原 pc 電源改為工業電源；電源改為工業電源；（4）采用密封機箱，內部壓送風；）采用密封機箱，內部壓送風；（5）配相應的工業軟件。）配相應的工業軟件。（6）既利用了）既利用了pc

21、 機豐富的資源，又在結構上實現了塊化。機豐富的資源，又在結構上實現了塊化。1.3.4 1.3.4 工控機工控機工控機與一般工控機與一般pc機比較機比較1.3.5 1.3.5 可編程邏輯控制器（可編程邏輯控制器（plcplc） 可編程控制邏輯器可編程控制邏輯器 ( programmable logical controller )，簡稱，簡稱 plc。 是是繼電器邏輯控制系統繼電器邏輯控制系統 與與 微型計算機技術微型計算機技術相結合的產物。相結合的產物。 plc 采用微處理器作為主控制器，大規模集成電路作為存儲器及采用微處理器作為主控制器，大規模集成電路作為存儲器及i/o接口。接口。 其可靠性

22、、功能、價格、體積都達到了較成熟和完美的境界。并其可靠性、功能、價格、體積都達到了較成熟和完美的境界。并以其卓越的技術指標和優異的抗干擾能力得到廣泛的應用，受到以其卓越的技術指標和優異的抗干擾能力得到廣泛的應用，受到工業界人士的矚目。工業界人士的矚目。 應用：單機自動化、工廠自動化，從柔性制造系統、機器人到工應用：單機自動化、工廠自動化，從柔性制造系統、機器人到工業局部網絡無不有它的蹤影。業局部網絡無不有它的蹤影。plc 的功能的功能 (1) 條件控制條件控制 (2) 定時控制定時控制 (3) 計數控制計數控制 (4) 順序控制順序控制 (5) 模數模數(a/d)、數模、數模(d/a)轉換轉換

23、 (6) 數據處理數據處理 (7) 通訊與聯網通訊與聯網微機控制技術廣泛應用在控制系統中廣泛應用在控制系統中1.3.5 1.3.5 可編程邏輯控制器（可編程邏輯控制器（plcplc）2plc 的特點的特點 (1)可靠性高可靠性高 (2)編程容易編程容易 (3)組合靈活組合靈活 (4)輸入輸出功能模塊齊全輸入輸出功能模塊齊全 (5)安裝方便安裝方便 (6)運行速度快運行速度快 1.3.5 1.3.5 可編程邏輯控制器（可編程邏輯控制器（plcplc） 3plc的分類的分類 (1）低檔）低檔plc (2）中檔）中檔plc (3）高檔）高檔plc1.3 計算機控制系統的發展概況及趨勢計算機控制系統的

24、發展概況及趨勢1.3.1 1.3.1 發展概況發展概況隨計算機技術的發展而發展隨計算機技術的發展而發展 （1 1）2020世紀世紀5050年代產生。年代產生。 （2 2） 20 20世紀世紀6060年代以來，集成電路和計算機技術的發展。年代以來，集成電路和計算機技術的發展。 （3 3） 2020世紀世紀9090年代以來，網絡技術的發展。年代以來，網絡技術的發展。計算機控制理論計算機控制理論隨自動控制理論的發展而發展隨自動控制理論的發展而發展 pid pid、魯棒控制、自適應控制、模糊控制、神經網絡等、魯棒控制、自適應控制、模糊控制、神經網絡等1 1大力推廣應用成熟的先進技術大力推廣應用成熟的先進技術 (1)(1)普及應用可編程序控制器普及應用可編程序控制器( plc )( plc ) (2) (2)廣泛使用智能化調節器廣泛使用智能化調節器 (3)(3)采用新型的采用新型的 dcs dcs 和和 fcsfcs (4)fpga(4)fpga將成為微型計算機控制技術的新寵將成為微型計算機控制技術的新寵1.3 計算機控制系統的發展概況及趨勢計算機控制系統的發展概況及趨勢1.3.2 1.3.2 發展趨勢發展趨勢2 2綜合自動化：綜合自動化：網絡技術、數據庫、接口技術、先進控制技術、網絡技術、數據庫、