1、2021/8/141第一章第一章 計算機控制概述計算機控制概述本章要點 1.了解計算機控制系統的構成原理2.了解計算機控制系統硬件組成與軟件組成。3. 初步認識微型計算機控制系統分類與裝置種類 2021/8/142本章主要內容 引言引言 1.1 計算機控制系統組成計算機控制系統組成 1.2 計算機控制系統分類計算機控制系統分類 1.3 計算機控制裝置種類計算機控制裝置種類 本章小結本章小結 思考題思考題2021/8/143 引言 計算機控制技術及工程應用計算機控制技術及工程應用-是把計算機技術與自動化控制系是把計算機技術與自動化控制系統融為一體的一門綜合性學問，是以計算機為核心部件的過程控制統

2、融為一體的一門綜合性學問，是以計算機為核心部件的過程控制系統和運動控制系統。從計算機應用的角度出發，自動化控制工程系統和運動控制系統。從計算機應用的角度出發，自動化控制工程是其重要的一個應用領域；而從自動化控制工程來看，計算機技術是其重要的一個應用領域；而從自動化控制工程來看，計算機技術又是一個主要的實現手段。又是一個主要的實現手段。本書立足于工業自動化的領域，討論這本書立足于工業自動化的領域，討論這種不同于普通計算機的計算機控制系統的結構組成、相關技術及其種不同于普通計算機的計算機控制系統的結構組成、相關技術及其工程應用工程應用。下圖為下圖為一個制藥車間的自動化生產流程。一個制藥車間的自動化

3、生產流程。 鏈接動畫鏈接動畫2021/8/1441.1 計算機控制系統的組成主要知識點主要知識點:n1.1.1 1.1.1 控制系統概念控制系統概念n1.1.2 1.1.2 硬件組成硬件組成n1.1.3 1.1.3 軟件組成軟件組成2021/8/1451.1.1 1.1.1 控制系統概念控制系統概念計算機控制系統計算機控制系統是由常規儀表控制系統演變而是由常規儀表控制系統演變而來的來的; ;常規儀表組成的自動控制系統根據不同的控制常規儀表組成的自動控制系統根據不同的控制要求，一般分成要求，一般分成閉環控制閉環控制( (圖圖1-1a1-1a所示所示) )與與開環開環控制控制( (圖圖1-1b1-

4、1b所示所示) )兩種結構形式兩種結構形式; ;計算機控制系統原理組成計算機控制系統原理組成用控制計算機代替用控制計算機代替圖圖1-11-1的控制器，如圖的控制器，如圖1-21-2所示；所示；2021/8/146（1）閉環控制系統 閉環控制系統閉環控制系統-閉環控制系統中，測量變送器對被控對象進行檢測，閉環控制系統中，測量變送器對被控對象進行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉換成電信號再反饋到控制器中，控制器將把被控量如溫度、壓力等物理量轉換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規律產生相應此測量值與給定值進行比較形成偏差輸入，并按照一定的控

5、制規律產生相應的控制信號驅動執行器工作，執行器產生的操縱變量使被控對象的被控量跟的控制信號驅動執行器工作，執行器產生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實現自動控制穩定生產的目的。這種信號傳遞形成了閉蹤趨近給定值，從而實現自動控制穩定生產的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進行控制的閉環反饋控制系統。合回路，所以稱此為按偏差進行控制的閉環反饋控制系統。euqy控制器控制器執行器執行器被控對象被控對象測量變送器測量變送器偏差偏差給定值給定值控制作用控制作用操縱變量操縱變量被控量被控量 測量值測量值r+_zf干擾干擾圖圖1-1(a) 閉環控制系統閉環控制系統2021/8

6、/147（2）開環控制系統 開環控制系統開環控制系統-不同于閉環系統，它不需要被不同于閉環系統，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據給定值驅動控對象的測量反饋信號，控制器直接根據給定值驅動執行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方執行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。環控制系統不能自動消除被控量與給定值之間向的。環控制系統不能自動消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環系統。的偏差，其控制性能不如閉環系統。 uqy控制器控制器執行器執行器被控對象被控對象給定值給定值控制作用控制作用操縱變量操縱變量被控量被控量 r(b) (b) 開環控制系統開環控制系統202

7、1/8/148（3）計算機閉環控制系統原理組成 計算機閉環控制系統的原理組成計算機閉環控制系統的原理組成-是把圖是把圖1-11-1中的控制中的控制器用控制計算機即微型計算機及器用控制計算機即微型計算機及A/DA/D（模（模/ /數）轉換接口與數）轉換接口與D/AD/A（數（數/ /模）轉換接口代替，由于計算機采用的是數字信號傳遞，模）轉換接口代替，由于計算機采用的是數字信號傳遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞，因此需要有而一次儀表多采用模擬信號傳遞，因此需要有A/DA/D轉換器將模轉換器將模擬量轉換為數字量作為其輸入信號，以及擬量轉換為數字量作為其輸入信號，以及D/AD/A轉換器將數字量轉換器將

8、數字量轉換為模擬量作為其輸出信號。轉換為模擬量作為其輸出信號。 +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圖- 圖圖1-2 計算機控制系統原理圖計算機控制系統原理圖 2021/8/149（4）計算機控制系統的監控過程步驟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對來自測量變送器的被控量的瞬時值進行采集和輸入瞬時值進行采集和輸入 ；b.b.實時數據處理實時數據

9、處理-對采集到的被控量進行分析、對采集到的被控量進行分析、比較和處理，按一定的控制規比較和處理，按一定的控制規律運算，進行控制決策；律運算，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，適時地對執行根據控制決策，適時地對執行器發出控制信號，完成監控任器發出控制信號，完成監控任務；務； 2021/8/14101.1.2 1.1.2 硬件組成硬件組成計算機控制系統硬件一般包括：計算機控制系統硬件一般包括：主機主機-CPU CPU RAMRAMROMROM系統總線系統總線 常規外部設備常規外部設備-輸入輸入/ /輸出設備、外存儲器等輸出設備、外存儲器等過程輸入輸出通道過程輸入輸出通

10、道AIAI、AOAO、DIDI、DODO操作臺操作臺CRTCRT、LEDLED、LCDLCD 等等通信設備通信設備交換機、交換機、modemmodem、集線器等、集線器等圖圖 1-31-3所示硬件組成框圖所示硬件組成框圖2021/8/1411CPURAMROM輸輸入入設設備備輸輸出出設設備備外外存存儲儲器器通通信信設設備備操操作作臺臺接接口口接接口口接接口口接接口口接接口口系系統統總總線線工工業業對對象象接接口口接接口口接接口口接接口口換換轉轉換換轉轉開開關關輸輸出出開開關關輸輸入入測測量量變變送送驅驅動動執執行行過過程程輸輸入入輸輸出出通通道道計計算算機機基基本本系系統統主主機機常常規規外外

11、部部設設備備圖1-4 計算機控制系統硬件組成框圖D/AA/D 圖圖1-3 1-3 計算機控制系統硬件組成框圖計算機控制系統硬件組成框圖 鏈接動畫鏈接動畫2021/8/14121.1.3 1.1.3 軟件組成軟件組成硬件僅為計算機控制系統的軀體。要使計算機正確地硬件僅為計算機控制系統的軀體。要使計算機正確地運行解決各種問題，必須為它編制軟件。運行解決各種問題，必須為它編制軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，它所謂軟件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，整個系統的動作都是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。在軟件程序

12、指揮下協調工作的。軟件通常分為系統軟件和應用軟件兩大類；系統軟件軟件通常分為系統軟件和應用軟件兩大類；系統軟件一般由計算機廠家提供，專門用來使用和管理計算機一般由計算機廠家提供，專門用來使用和管理計算機本身的程序；應用軟件是用戶針對生產過程要求而編本身的程序；應用軟件是用戶針對生產過程要求而編制的各種應用程序。制的各種應用程序。 2021/8/14131.2 控制系統分類 主要知識點主要知識點n1.2.1 1.2.1 數據采集系統（數據采集系統（DASDAS）n1.2.2 1.2.2 操作指導控制系統操作指導控制系統 (OGC)(OGC)n1.2.3 1.2.3 直接數字控制系統（直接數字控制

13、系統（DDCDDC）n1.2.4 1.2.4 監督計算機控制系統（監督計算機控制系統（SCCSCC）n1.2.5 1.2.5 分散控制系統（分散控制系統（DCSDCS）n1.2.6 1.2.6 現場總線控制系統（現場總線控制系統（FCSFCS）2021/8/14141.2.11.2.1 數據采集系統數據采集系統（DASDAS）計計 算算 機機工工業業對對象象器器換換轉轉D/A采采樣樣器器測測量量元元件件統統系系集集采采據據數數1 1圖圖5 5- -顯顯 示示 終終 端端打打 印印 機機 數據采集系統數據采集系統(Data Acquisition System)-(Data Acquisitio

14、n System)-是計算機應用于生產過程控制最早、是計算機應用于生產過程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖也是最基本的一種類型，如圖1-51-5所示。生產過程中被控對象的大量參數經測量變送所示。生產過程中被控對象的大量參數經測量變送儀表發送和儀表發送和A/DA/D通道或通道或DIDI通道巡回采集后送入計算機，由計算機對這些數據進行分析通道巡回采集后送入計算機，由計算機對這些數據進行分析和處理，并按操作要求進行屏幕顯示、制表打印和越限報警。和處理，并按操作要求進行屏幕顯示、制表打印和越限報警。 鏈接動畫鏈接動畫2021/8/14151.2.2 1.2.2 操作指導控制系統操作指導控制系統(O

15、GC)(OGC) 操作指導控制系統操作指導控制系統-是基于數據采集系統的是基于數據采集系統的一種開環結構，如圖一種開環結構，如圖1-61-6所示。計算機根據采集所示。計算機根據采集到的數據以及工藝要求進行最優化計算，計算出到的數據以及工藝要求進行最優化計算，計算出的最優操作條件，并不直接輸出控制被控對象，的最優操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據此去改變各個而是顯示或打印出來，操作人員據此去改變各個控制器的給定值或操作執行器，以達到操作指導控制器的給定值或操作執行器，以達到操作指導的作用。它相當于模擬儀表的作用。它相當于模擬儀表控制系統的手動與半控制系統的手動與半

16、自動工作狀態。自動工作狀態。OGCOGC系統的優點是結構簡單，控系統的優點是結構簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能同時控制多個回路。限制，不能同時控制多個回路。 2021/8/1416計計 算算 機機工工業業對對象象器器換換轉轉D/A采采樣樣器器測測量量元元件件顯顯示示終終端端打打印印機機控控制制儀儀表表 圖圖1 1- -6 6 操操作作指指導導控控制制系系統統鏈接動畫鏈接動畫2021/8/14171.2.31.2.3 直接數字控制系統直接數字控制系統（DDCDDC） DDC DDC系統系統-是用一臺計算機不僅完成對多個被控參

17、數的是用一臺計算機不僅完成對多個被控參數的數據采集，而且能按一定的控制規律進行實時決策，并通過過數據采集，而且能按一定的控制規律進行實時決策，并通過過程輸出通道發出控制信號，實現對生產過程的閉環控制，為了程輸出通道發出控制信號，實現對生產過程的閉環控制，為了操作方便，操作方便，DDCDDC系統還配置一個包括給定、顯示、報警等功能系統還配置一個包括給定、顯示、報警等功能的操作控制臺。的操作控制臺。DDCDDC系統中的一臺計算機不僅完全取代了多個系統中的一臺計算機不僅完全取代了多個模擬調節器，而且在各個回路的控制方案上，不改變硬件只通模擬調節器，而且在各個回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序

18、就能過改變程序就能有效地有效地實現各種各樣的復雜控制實現各種各樣的復雜控制。2021/8/1418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）OD，A/D（出出輸輸程程過過圖圖1-7 1-7 直接數字控制系統直接數字控制系統鏈接動畫鏈接動畫2021/8/14191.2.41.2.4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即監督計算機控制系統即SCCSCC-是是OGCOGC系統與常規系統與常規儀表控制系統或與儀表控制系統或與DDCDDC系統綜合而成的兩級系統，如圖系統綜合而成的兩級系統，如圖1-1-8 8所

19、示。顯然，這屬于計算機在線最優控制的一種形式。所示。顯然，這屬于計算機在線最優控制的一種形式。當上位機出現故障時，可由下位機獨立完成控制。下位當上位機出現故障時，可由下位機獨立完成控制。下位機直接參與生產過程控制，要求其實時性好，可靠性高機直接參與生產過程控制，要求其實時性好，可靠性高和抗干擾能力強；而上位機承擔高級控制與管理任務，和抗干擾能力強；而上位機承擔高級控制與管理任務，應配置數據處理能力強，存儲容量大的高檔計算機。應配置數據處理能力強，存儲容量大的高檔計算機。2021/8/1420工藝數據工藝數據工藝數據工藝數據顯示顯示打印打印報警報警顯示顯示打印打印報警報警機機算算計計CCS機機算

20、算計計CCS測量測量測量測量控制控制控制控制模擬控制器CDD生生產產過過程程生生產產過過程程用用計計算算機機(a)統統系系器器制制控控擬擬模模+ +CCS圖1-8 監督計算機控制系統的兩種結構形式圖1-8 監督計算機控制系統的兩種結構形式給定值給定值給定值給定值采集采集采集采集統統系系制制控控CDD+CCS (b)鏈接動畫鏈接動畫2021/8/14211.2.51.2.5 分散控制系統（分散控制系統（DCSDCS） 分散控制系統分散控制系統-是是以微處理器為基礎，借助于以微處理器為基礎，借助于計算機網絡對生產過程進行集中管理和分散控制的計算機網絡對生產過程進行集中管理和分散控制的先進計算機控制

21、系統。由于早期開發的分散控制系先進計算機控制系統。由于早期開發的分散控制系統在體系結構上具有分散式系統的特征，因此國外統在體系結構上具有分散式系統的特征，因此國外將該類系統取名為分散控制系統，國內也有人將其將該類系統取名為分散控制系統，國內也有人將其稱為集散型控制系統，或者是分布式控制系統。分稱為集散型控制系統，或者是分布式控制系統。分散控制系統簡稱為散控制系統簡稱為DCSDCS。DCS DCS 采用分散控制、集中采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協調的設計原則。操作、分級管理、分而自治和綜合協調的設計原則。它的結構組成如圖它的結構組成如圖12-112-1所示。所示。鏈接動畫鏈接

22、動畫2021/8/14221.2.61.2.6 現場總線控制系統（現場總線控制系統（FCSFCS） 現場總線控制系統即現場總線控制系統即FCS-FCS-是新一代分布式控制結構。是新一代分布式控制結構。該系統改進了該系統改進了DCSDCS成本高和由于各廠商的產品通信標準不成本高和由于各廠商的產品通信標準不統一而造成的不能互聯等弱點，采用集管理控制功能于一統一而造成的不能互聯等弱點，采用集管理控制功能于一身的工作站與現場總線智能儀表的二層結構模式，把原身的工作站與現場總線智能儀表的二層結構模式，把原DCSDCS控制站的功能分散到智能型現場儀表中去，形成一個控制站的功能分散到智能型現場儀表中去，形成

23、一個徹底的分散控制模式。它的結構組成如圖徹底的分散控制模式。它的結構組成如圖12-612-6所示。每個所示。每個現場儀表現場儀表( (例如變送器、執行器例如變送器、執行器) )都作為一個智能節點，都都作為一個智能節點，都帶帶CPUCPU單元，可分別獨立完成測量、校正、調節、診斷等單元，可分別獨立完成測量、校正、調節、診斷等功能，靠網絡協議把它們連接在一起統籌工作。功能，靠網絡協議把它們連接在一起統籌工作。2021/8/14231.3 控制裝置種類 主要知識點主要知識點n1.3.1 可編程控制器n1.3.2 可編程調節器n1.3.3 總線式工控機n1.3.4 單片微型計算機n1.3.5 其他控制

24、裝置2021/8/14241.3.11.3.1 可編程控制器可編程控制器 可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器-簡稱可編程控制器或簡稱可編程控制器或PLCPLC，是計，是計算機技術與繼電邏輯控制概念相結合的產物，其低端為算機技術與繼電邏輯控制概念相結合的產物，其低端為常規繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的常規繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業控制計算機。它主要由工業控制計算機。它主要由CPUCPU、存儲器、輸入組件、輸、存儲器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示。出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示。鏈接動畫鏈接動畫2021/8/1425可編程控制器（

25、可編程控制器（PLCPLC）特點：）特點：一種數字運算操作的電子系統一種數字運算操作的電子系統, ,專為工業環專為工業環境下應用而設定境下應用而設定; ;采用可編程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、采用可編程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術操作的指令，并通過數字順序控制、定時、計數和算術操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出；式、模擬式的輸入和輸出；應用廣泛應用廣泛-不僅在順序程序控制領域中具有優勢，而且不僅在順序程序控制領域中具有優勢，而且在運動控制、過程控制、網絡通信領域方面也毫不遜色；在運動控制、過程控制、網絡通信領域方面也毫不遜色； PLCPL

26、C具有系統構成靈活，擴展容易，編程簡單，調試容具有系統構成靈活，擴展容易，編程簡單，調試容易，抗干擾能力強；易，抗干擾能力強； 2021/8/14261.3.21.3.2 可編程調節器可編程調節器 可編程調節器可編程調節器-又稱單回路調節器、智能調節器、數又稱單回路調節器、智能調節器、數字調節器。它主要由微處理單元、過程字調節器。它主要由微處理單元、過程I IO O（輸入（輸入/ /輸出）輸出） 單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖所示。組成。外觀如圖所示。 鏈接動畫鏈接動畫2021/8/1427可編程調節器特點：可編程

27、調節器特點：一種儀表化了的微型控制計算機一種儀表化了的微型控制計算機易操作，易編程、方便靈活易操作，易編程、方便靈活設計時無需考慮接口、通訊的硬件設計設計時無需考慮接口、通訊的硬件設計軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態語言軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態語言具有斷電保護、自診斷功能、通信等功能具有斷電保護、自診斷功能、通信等功能可以組成多級計算機控制系統，實現各種高級控可以組成多級計算機控制系統，實現各種高級控制和管理制和管理 大型分散控制系統中最基層的控制單元大型分散控制系統中最基層的控制單元適用于連續過程中模擬量信號的控制系統中適用于連續過程中模擬量信號的控制系統中 2021/8

28、/14281.3.3 1.3.3 總線式工控機總線式工控機 總線式工控機，總線式工控機，是基于總線技術和模塊化結構的一是基于總線技術和模塊化結構的一種專用于工業控制的通用性計算機，一般稱為工業控制種專用于工業控制的通用性計算機，一般稱為工業控制計算機，簡稱為工業控制機或工控機。通常，計算機的計算機，簡稱為工業控制機或工控機。通常，計算機的生產廠家是按照某個總線標準，設計制造出若干符合總生產廠家是按照某個總線標準，設計制造出若干符合總線標準、具有各種功能的各式模板，而控制系統的設計線標準、具有各種功能的各式模板，而控制系統的設計人員則根據不同的生產過程與技術要求，選用相應的功人員則根據不同的生產

29、過程與技術要求，選用相應的功能模板組合成自己所需的計算機控制系統。總線式工控能模板組合成自己所需的計算機控制系統。總線式工控機的外形類似普通計算機，如圖所示。機的外形類似普通計算機，如圖所示。2021/8/1429 不同的是它的外殼采用全鋼標準的工業加固型機不同的是它的外殼采用全鋼標準的工業加固型機架機箱，機箱密封并加正壓送風散熱，機箱內的原普架機箱，機箱密封并加正壓送風散熱，機箱內的原普通計算機的大主板變成通用的底板總線插座系統，將主通計算機的大主板變成通用的底板總線插座系統，將主板分解成幾塊板分解成幾塊PCPC插件，采用工業級抗干擾電源和工業級插件，采用工業級抗干擾電源和工業級芯片，并配以

30、相應的工業應用軟件。芯片，并配以相應的工業應用軟件。 總線式工控機具有總線式工控機具有小型化、模板化、組合化、標準小型化、模板化、組合化、標準化化的設計特點，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，的設計特點，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業環境中可靠地運行。因而，它廣泛應又能在惡劣的工業環境中可靠地運行。因而，它廣泛應用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個回路的中等規用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個回路的中等規模的控制系統中。模的控制系統中。鏈接動畫鏈接動畫2021/8/14301.3.4 1.3.4 單片微型計算機單片微型計算機 隨著微電子技術與超大規模集成技術的發展，隨

31、著微電子技術與超大規模集成技術的發展，計算機技術的另一個分支計算機技術的另一個分支超小型化的單片微超小型化的單片微型計算機型計算機(Single Chip Microcomputer)(Single Chip Microcomputer)簡稱單簡稱單片機誕生了。它是將片機誕生了。它是將CPUCPU、存儲器、串并行、存儲器、串并行I/OI/O口、口、定時定時/ /計數器、甚至計數器、甚至A/DA/D轉換器、脈寬調制器、轉換器、脈寬調制器、 圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規模集圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規模集成電路芯片上，構成了一個完整的具有相當控制成電路芯片上，構成了一個完整的具

32、有相當控制功能的微控制器功能的微控制器。2021/8/1431 單片機的應用軟件可以采用面向機器的匯編語言，單片機的應用軟件可以采用面向機器的匯編語言，但這需要較深的計算機軟硬件知識，而且匯編語言的但這需要較深的計算機軟硬件知識，而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結構化語言的發展，通用性與可移植性差。隨著高效率結構化語言的發展，其軟件開發環境正在逐步改善。目前，市場上已推出其軟件開發環境正在逐步改善。目前，市場上已推出面向單片機結構的高級語言，如早期的面向單片機結構的高級語言，如早期的Archimedes CArchimedes C和和Franklin CFranklin C，現在的，現在的Keil C51Keil C51、DynamicCDynamicC等語言。等語言。 由于單片機具有體積小、功耗低、性能可靠、價由于單片機具有體積小、功耗低、性能可靠、價格低廉、功能擴展容易、使用方便靈活、易于產品化