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第一章 计算机控制系统概述 本课程所涵盖的相关基础知识本课程所涵盖的相关基础知识(1)(1) 计算机控制系统组成 控制策略 被控对象 计算机软硬件 检测仪表及执行器 第一章 计算机控制系统概述 本课程所涵盖的相关基础知识本课程所涵盖的相关基础知识(2)(2) 计算机技术计算机技术 控制理论控制理论 工程技术工程技术 自动化仪表自动化仪表 计算机控计算机控 制系统制系统 第一章 计算机控制系统概述 本课程主要内容本课程主要内容 计算机控制基础计算机控制基础 输入输出接口技术输入输出接口技术 数据通信技术数据通信技术 计算机网络技术计算机网络技术 计算机控制策略及实现计算机控制策略及实现 控制系统软件与数据库技术控制系统软件与数据库技术 计算机控制系统的设计与实施，以及实例计算机控制系统的设计与实施，以及实例 第一章 计算机控制系统概述 本课程拟采用的教学方法本课程拟采用的教学方法 课堂教学与同学研究性学习相结合,部分章节内容考 虑由同学查阅资料、结合小课题综述、分析、设计 、仿真、讨论、汇报交流 倡导讨论, 鼓励质疑 有教材，但不拘泥于教材 提倡主动地学习，扩大知识面,由教师提供一些引导 ，广泛阅读参考书籍与参考文献，包括上网查阅资 料，灵活多样地学习方式 成绩：平时（作业成绩：平时（作业10%+10%+小课题小课题20%20%）笔试（）笔试（70%70% ） 第一章 计算机控制系统概述 本课程的要求本课程的要求 实事求是的学习态度 具有创新意识与挑战精神 在浩如烟海的信息中保持清醒的头脑 注意到专业课与基础课的学习方法有很 大不同 第一章 计算机控制系统概述 第一章 计算机控制系统概述 1.1 计算机控制系统的组成 1.2 工业控制机的特点 1.3 微型计算机控制系统的主要结构类型 1.4 微型计算机控制系统的发展 习题 第一章 计算机控制系统概述 1.1 计算机控制系统的组成 计算机控制系统是以计算机为核心的自动控制系统。是由计 算机和工业对象两大部分组成的。 计算机控制技术是关于计算机控制系统方面的计算机、控制 技术、网络通信等多学科内容的集成。 第一章 计算机控制系统概述 图1-1 控制信号的一般形式 (a) 闭环控制系统框图； (b) 开环控制系统框图 第一章 计算机控制系统概述 在工业领域中，自动控制技术已获得了广泛的 应用。 图1-1(a)示出了按偏差进行控制的闭环 控制系统。 图1-1(a)是闭环控制系统的原理框图，在闭 环控制系统中， 测量元件对被控对象的被控参 数(如温度、压力、流量、转速、 位移等)进行 测量； 变换发送单元将被测参数变成电压(或 电流)信号，反馈给控制器； 控制器将反馈回 来的信号与给定值进行比较， 控制器就根据偏 差产生控制信号来驱动执行机构工作， 使被控 参数的值达到预定的要求。 第一章 计算机控制系统概述 图1-1(b)示出了开环控制系统的原理框图， 它与闭环控制 系统不同的是， 它的控制器直接根据给定值去控制被控对象工 作， 被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。它与闭 环控制系统相比，因没有反馈环节，结构相对简单，但控制性 能要差一些。 开环控制系统和闭环控制系统根据控制对象和控 制要求的不同， 分别用于不同的应用场合。 第一章 计算机控制系统概述 由图1-1可以看出， 自动控制系统的基本功能是信号的 传递、 加工和比较。 这些功能是由测量元件、 变换发送单 元、控制器和执行机构来完成的。控制器是控制系统中最重 要的部分， 它决定了控制系统的性能和应用范围。 第一章 计算机控制系统概述 如果把图1-1中的控制器用计算机来代替，这样就可以构 成计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。如果计算机是 微型计算机，就组成微型计算机控制系统。在微型计算机控制 系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程 序。 微处理器执行这样的程序， 就能实现对被控参数的控制 。在计算机控制系统中，由于计算机的输入和输出信号都是数 字信号，而大部分被控对象的被控参数和控制量都是模拟信号 ， 因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字 信号的ad转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的da 转换器。 第一章 计算机控制系统概述 图1-2 计算机控制系统基本框图 第一章 计算机控制系统概述 在计算机控制系统中，计算机的作用主要有三 个方面： 信息处理，对于复杂的控制系统，输入信号 和根据控制规律的要求实现的输出偏差信号的 计算工作量很大，采用模拟解算装置不能满足 精度要求，因而需要采用计算机进行处理； 用计算机的软件程序实现对控制系统的校正 以保证控制系统具有所要求的动态特性； 由于计算机具有快速完成复杂的工程计算的 能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适 应控制等高级控制功能及多功能计算调节。 第一章 计算机控制系统概述 计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下两个步骤： (1) 数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测， 并将数 据传送给计算机。 (2) 控制：对采集到的被控参数的状态量进行分析， 并 按已定的控制规律， 决定控制过程， 适时地对控制机构发出 控制信号。 第一章 计算机控制系统概述 上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的性能指标 进行工作， 并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时 监督并做出迅速处理。 工业生产过程是连续进行的，应用于工业控制的微型计算 机系统通常是一个实时控制系统，它包括硬件和软件两部分。 第一章 计算机控制系统概述 (补充） 采样、量化及与保持 典型的计算机控制系统的结构如图2.1所示 r(t) a/ d 转 换 数字控 制器 (计算机) y(t)u(t) u*(t) u(kt)e(kt) d/ a 转 换 保 持 器 被控 对象 采 样 器 e*(t) e(t) 图2.1 典型计算机控制系统结构框图 第一章 计算机控制系统概述 采样器、保持器和数字控制器的结构形式和控制 规律决定系统动态特性，是研究的主要对象。控制系 统的稳态控制精度由a/d、d/a转换器的分辨率决定。 这说明a/d和d/a转换器只影响系统稳态控制精度。不 影响动态指标。 为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的基本 问题。为了便于数学上分析和综合，在分析和设计计 算机控制系统时，常常假定a/d、d/a转换器的精度足 够高，使得量化误差可以忽略，于是a/d、d/a只存在 物理上意义而无数学上意义。即：数字信号与采样信 号e(kt)与e*(t)，u(kt)与u*(t)是等价的。图2.1可进一步 简化为如图2.2所示。 第一章 计算机控制系统概述 数字控制 器 (计算机) y(t)u(t) u*(t)u(kt) e(kt) r(t) 保 持 器 被控 对象 e*(t) e(t) 图2.2 计算机控制系统结构简化框图 t t 第一章 计算机控制系统概述 采样过程的数学表示 信号的基本形式 控制系统中信号的基本形式分为5种类型。 1）连续信号 连续信号是指时间上连续的、幅值上连续的信号。 2）离散信号 离散信号是指分开的和可以区分的数据表示。 3）采样信号 它是时间上离散、幅值上连续的信号。 4)数字信号 5）采样保持信号 第一章 计算机控制系统概述 第一章 计算机控制系统概述 采样过程的数学表示 在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或数字 序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列的过程 叫做采样过程；实现采样的装置叫采样开关。 采样过程的原理见图2.3所示，其中采样开关为理 想的采样开关，它从闭合到断开以及从断开到闭合的 时间均为零。采样开关平时处于断开状态，其输入为 连续信号f(t)，在采样开关的输出端得到采样信号f *(t) 。 第一章 计算机控制系统概述 t f(t) 0 t 2t 3t 4t 5t t f *(t) 0 t 2t 3t 4t 5t (b) 连续信号 (c) 采样信号 图2.3 信号的采样过程 f *(t)f (t) t (a) 采样开关 第一章 计算机控制系统概述 f(t)为被采样的连续信号，f *(t)是经采样后 的脉冲序列，采样开关的采样周期为t。若采 样开关的接通时间为无限小，则采样信号f *(t) 就是f(t)在开关合上瞬时的值，即脉冲序列 f(0) ，f(t)，f(2t)，f(kt)， 可用理想脉冲函数将采样后的脉冲序列f*(t) 表示成： 对于实际系统，当t0 时，f(t)=0，故有： 第一章 计算机控制系统概述 采样信号的恢复 计算机控制系统是利用离散的信号进行控制运算 ，这就带来一个问题：采用离散信号能否实施有效的 控制，或者连续信号所含的信息能否由离散信号表示 ，或者从离散信号能否一定能代表原来的连续信号。 例如：有两个不同的连续信号f1(t)和f2(t)，假设选 择采样周期都为t，如图2.4所示，从图中可以看出， f1(t)和f2(t)具有相同的采样信号f *(t)，这说明f *(t)未必能 完全反映或近似的反映连续信号。 第一章 计算机控制系统概述 t f(t) f *(t) f2(t) f1(t) 0 t 2t 3t 图2.4 两个不同的连续信号的采样过程 第一章 计算机控制系统概述 香农(shannon)采样定理 一个连续时间信号f(t)，设其频带宽度是有限的，其 最高频率为max(或fmax)，如果在等间隔点上对该信号 f(t)进行连续采样，为了使采样后的离散信号f *(t)能包 含原信号f(t)的全部信息量。则采样角频率只有满足下 面的关系： s2max 采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现f(t)。否则 不能从f *(t)中恢复f(t)。其中，max是最高角频率，s是 采样角频率。它与采样频率fs、采样周期t的关系为： 第一章 计算机控制系统概述 采样周期t的选择方法 1)采样周期的上下限 每次采样间隔不应小于设备输入/输出及计算机执行程 序的时间，这是采样周期的下限值tmin。故采样周期应 满足 tminttmax 采样周期的选择要兼顾系统的动态性能指标、抗干扰 能力、计算机的运算速度及给定值的速率、执行机构 的动作快慢等因素综合考虑。 2)以给定值的变化频率选择采样周期 3)以执行机构的类型选择采样周期 第一章 计算机控制系统概述 4)4)以被控参量的性质选择采样周期以被控参量的性质选择采样周期 在工程实践中，一般可根据系统被控对象的惯性大小和加在工程实践中，一般可根据系统被控对象的惯性大小和加 在该对象上的预期干扰程度及性质来选择采样周期。在该对象上的预期干扰程度及性质来选择采样周期。 被控物理量采样周期t备注 流量15(s)优先选用2s 压力310(s)优先选用8s 液面68(s)优先选用7s 温度1520(s)优先选用纯滞后时间 成份1520(s)优先选用18s 位置1050(ms)优先选用30ms 第一章 计算机控制系统概述 5)以复现信号误差选择采样周期 保持器的复现信号误差与采样次数或采样频率有关， n越大，采样保持误差就越小。 可以根据期望的误差值来选择采样频率。 每周期采样次数 n 25102050100200500 零阶保持1.50.60.30.150.060.030.0150.006 第一章 计算机控制系统概述 6)以被控对象的时间常数选择采样周期 设被控对象由多个环节组成，其传递函数为 由采样定理知，采样周期的最大值应为环节中最小时 间常数的1/2，即 而在实际工作中，选择采样周期为最大采样周期的1/2 ，即 第一章 计算机控制系统概述 7)以控制算法选择采样周期 pi控制器典型的经验公式为 pid控制器典型的经验公式为 式中，n3是微分增益系数，n3=320，常取n3=10。 第一章 计算机控制系统概述 8)以控制回路数选择采样周期 采样周期需不小于所有回路执行时间的总和，即 第一章 计算机控制系统概述 量化 量化：用有限字长的一组数码去整量化或逼近时间离 散、幅值连续的采样信号。 量化单位：数字量最低有效位所对应的模拟量的值。 量化误差：由量化引起的误差。 第一章 计算机控制系统概述 信息的恢复过程和零阶保持器 在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的输入 信号一般为连续信号，这就必须将计算机输出的数字 信号序列还原成连续信号，这就是信号的恢复过程。 由于采样信号在两个采样点时刻上才有值，而在两 个采样点之间无值，为了使得两个采样点之间为连续 信号过渡，以前一时刻的采样值为参考基值作外推， 使得两个采样点之间的值不为零值，这样来近似连续 信号。将数字信号序列恢复成连续信号的装置叫采样 保持器。 第一章 计算机控制系统概述 已知某一采样点的采样值为f(kt)，将其连续信 号f(t)在该点邻域展开成泰勒级数为： 外推的项数称为保持器的阶数。 取等式右端第一项近似，有 f(t) f(kt) ktt(k+1)t 称零阶保持器，表示为zoh。 取等式右端两项之和近似，有 ktt(k+1)t 称一阶保持器。 同样，可以取等式前n项之和近似，就构成了n阶保持 器。 第一章 计算机控制系统概述 在计算机控制系统中，最广泛采用的一类 保持器是零阶保持器。零阶保持器将前一个采样 时刻的采样值f(kt)恒定地保持到下一个采样时刻 (k+1)t。也就是说在区间 kt，(k+1)t 内零价保 持器的输出为常数。如图2.5所示。 0 t 2t 3t 4t 5t f(kt) t f(t) 0 t 2t 3t 4t 5t f(t) t 图2.5 应用零阶保持器恢复的信号 第一章 计算机控制系统概述 可以认为零阶保持器在(t)作用下的脉冲响应 h(t)，如图2.6所示。 而h(t)又可以看成单位阶跃函数1(t)与1(t-t)的迭 加，h(t)=1(t)-1(t-t)。 1 h(t) 0 t t 图2.6 零阶保持器的脉冲响应 取拉氏变换，得零阶保持 器的传递函数: 第一章 计算机控制系统概述 零阶保持器的特性分析 把阶梯信号各线段的中 点光滑地连接起来，得 到一条形状与原连续信 号f (t)基本一致但在 时 间上滞后t/2的响应曲线 ， 如图所示。 第一章 计算机控制系统概述 其频率特性如图所示。 计算机的存储器、锁存器、缓冲器等都具有零阶保持功能， 而a/d转换器是典型的采样零阶保持器。 第一章 计算机控制系统概述 1.1.1 计算机控制系统的硬件组成 微型计算机(简称微型机)控制系统的硬件一般由微型机、 外部设备、 输入输出通道和操作台等组成， 如图1-3所示。 第一章 计算机控制系统概述 图1-3 微型计算机控制系统的基本组成 第一章 计算机控制系统概述 1. 微型机 微处理器是微型计算机的中央处理器， 它是微型计算机 的核心， 担负微型计算机运算器和控制器的功能。 而微型机 则是具有完整运行功能的计算机，它除了有相应的微处理器作 为核心部件外， 还包括存储器、输入输出电路以及其他配套 电路。 在控制系统中，微型机完成程序存储、 程序执行等工 作， 即进行必要的数值计算、逻辑判断和数值处理。 第一章 计算机控制系统概述 2. 外部设备 实现微型机和外界交换信息功能的设备称为外部设备(简 称外设)。 外部设备包括人机通信设备、 输入输出设备和外 存储器等。 输入设备主要用来输入程序和数据。 常用的输入设备有 键盘、 鼠标、 扫描仪等。 输出设备主要用来把各种信息和数据提供给操作人员， 以便及时了解控制过程的情况。常用的输出设备有打印机、 显示器(数码显示器或crt显示器)、记录仪、 绘图仪等。 外存储器(简称外存)， 如磁带装置、磁盘装置， 兼有输 入输出功能， 主要用于存储系统程序和数据。 第一章 计算机控制系统概述 3. 输入输出通道 输入输出通道是计算机和生产过程之间信息传递和变换的 连接通道， 它的作用有两个方面： 一方面将工业对象的生产 过程参数取出，经传感器(一次仪表)、变送器、a/d转换器等变 换成计算机能够接受和识别的代码；另一方面将计算机输出的 控制命令和数据，经过变换后作为操作执行机构的控制信号， 以实现对生产过程的控制。 第一章 计算机控制系统概述 输入输出通道一般分为：开关量输入通道、开关量输出通 道、模拟量输入通道、模拟量输出通道。它们的详细情况后面 将有专门章节叙述。 输入输出通道与工业对象通过各种仪表发生联系。自动化 仪表则包括测量元件、 检测仪表、 显示仪表、 调节仪表、 执 行机构等。 第一章 计算机控制系统概述 4. 操作台人机接口 操作台是操作人员用来与微型机控制系统进行“对话”的 ， 其基本功能如下： (1) 有显示装置， 如显示屏幕或荧光数码显示器， 以显 示操作人员要求显示的内容或报警信号。 (2) 有一组或几组功能键，功能键旁应有标明其作用的标 志或字符， 对功能键进行操作，微型机就能执行该标志所标 明的动作。 第一章 计算机控制系统概述 (3) 有一组或几组输入数字的按键， 用来输入某些数据 或修改控制系统的某些参数。 (4) 操作台在设计时应设有保护装置，即使操作人员操作 错误， 也不应造成严重后果。 操作台有多种形式， 键盘式是 常用的一种形式， 有时把它和微型机控制台结合在一起。 第一章 计算机控制系统概述 1.1.2 计算机控制系统的软件 软件是指计算机控制系统的程序系统。 软件通常分为两 大类： 一类是系统软件， 另一类是应用软件。 系统软件包括程序设计系统、诊断程序、操作系统以及与 计算机密切相关的程序，带有一定的通用性，由计算机制造厂 家或软件供应商提供。 第一章 计算机控制系统概述 计算机控制系统的软件构成 软软件系统软统软件 操作系统统管理程序、磁盘盘操作系统统程序 诊诊断系统统调节调节程序、诊诊断程序等 开发发系统统数据管理系统统 信息处处理文字翻译译、企业业管理 应应用软软件 过过程监视监视 上、下限检查检查及报报警、巡回检测检测、操作面板服务务、滤滤波及标标 度变换变换、判断程序、过过程分析等 过过程控制计计算 控制算法程序 pid算法、最优优化控制、串级级 调节调节、系统统辨识识、比值调节值调节 、前馈调节馈调节 、其他 事故处处理程序 信息管理程序文件管理、输输出、打印、显显示 公共服务务 数码转换码转换 程序、格式编辑编辑程序、函数运算程序、基本运算程 序 第一章 计算机控制系统概述 应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程 序。 在微型机控制系统中，每个控制对象或控制任务都配有 相应的控制程序， 通过这些控制程序来实现各个控制对象的 不同要求。 这种为实现特定控制目的而编制的程序， 通常 称为应用程序。 这些程序的编制涉及到对生产工艺、 生产 设备、 控制工具、控制规律的深入理解。 首先要建立符合 实际的数学模型，确定控制算法和控制功能， 然后将其编成 相应的程序。 计算机控制系统随着硬件技术的日臻完善，对软件提出 了越来越高的要求。只有软件和硬件相互间有机地配合，才 能充分发挥计算机的优势， 研制出完善的计算机控制系统。 第一章 计算机控制系统概述 1.2 工业控制机的特点 数字计算机的运算和逻辑功能可以有效地满足当代复杂生 产过程的控制要求。 专门用于生产过程控制的数字计算机， 通常称为生产过程控制用计算机系统，也称为工业控制计算机( 简称工控机)。 第一章 计算机控制系统概述 工业控制机一般有以下特点： (1) 工控机的可靠性和可维修性是两项非常重要的因素， 它们决定着系统在控制上的可用程度。 可靠性的简单含义是 指设备在规定的时间内运行不会发生故障。为此，需采用可靠 性技术来解决。 为了实现高度的可用性，可维修性是重要的 。另外， 维修工控机必须有诊断程序，这些程序能在闲余时 间里通过检验和测试计算机的不同部位来确定故障。 第一章 计算机控制系统概述 (2) 环境的适应性强：工控机一般应用在生产现场，易受 环境条件，如强电流、强磁场、腐蚀性气体、 灰尘、温度变 化的影响，这些都会影响计算机的可靠性和使用寿命。而工控 机应该能够在这样的环境下保证正常工作。 第一章 计算机控制系统概述 (3) 控制的实时性：所谓“实时”是指信号的输入、计 算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入 信息，以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反 应或进行控制， 超出了这个时间，就失去了控制的时机， 控制也就失去了意义。为此，工控机必须配有实时时钟和完 善的中断系统。 第一章 计算机控制系统概述 (4) 较完善的输入输出通道：为了对生产装置和生产过程 进行控制，计算机要经常不断地与被控制的工业对象交换信息 。 通常，需要配备较完善的输入输出通道，如模拟量输入、 开关量输入、 模拟量输出、开关量输出、人机通信设备等 。 (5) 较丰富的软件：工控机应配备有比较完整的操作系统 和适合生产过程控制的应用程序， 使机器的操作简单、 使用 合理、 控制性能好。 第一章 计算机控制系统概述 (6) 适当的计算精度和运算速度： 一般工业对象，对于 精度和运算速度的要求并不苛刻，通常字长为832位，速度 在几万次每秒至100万次每秒，内存容量为464 kb等。但随着 自动化程度的发展， 对于精度和运算速度的要求也在不断提 高， 应根据具体的应用对象及使用方式选取合适的机型。 第一章 计算机控制系统概述 1.3 微型计算机控制系统的主要结构类型 1.3.1 计算机操作指导控制系统 计算机操作指导控制系统的结构图如图1-4所示。 图1-4 计算机操作指导控制系统的结构图 第一章 计算机控制系统概述 该系统属于数据采集与处理系统。早期的生产过程很少有 数字传感器，数字量输入多为开关量，故仅有模拟量输入和数 字开关量输入部分。生产过程需要收集的参数，经多路模拟量 输入、多路数字开关量输入送进微机，进行数据采集和分析处 理，并将采集处理的数据以一定的形式显示或打印出来。 这些 数据可以在存储器中保存，当出现异常时发出声光报警。 这种 系统中的微机不直接参与影响生产的过程控制，只是为操作人 员提供指导信息， 供操作人员参考。操作人员根据计算机的指 导通过控制仪器对生产过程进行控制。 第一章 计算机控制系统概述 原理： 计算机只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输 出数据。 特点： 由操作人员（或别的控制装置）根据测量结果来改变设定 值或者进行必要的操作。 优点： 一台计算机可代替大量常规显示和记录仪表，从而对整个 生产过程进行集中监视，可得到更精确的结果，对指导生 产过程有利。 第一章 计算机控制系统概述 132 直接数字控制系统(ddc) 直接数字控制(direct digital control)系统， 简称ddc ， 一般是在线实时系统， 结构图如图1-5所示。 微机通过模 拟量输入通道及接口ai、数字开关量输入通道及接口di进行实 时数据采集， 然后按已定的控制规律进行实时控制决策， 最 后通过模拟量输出通道及接口ao、数字开关量输出通道及接口 do输出控制信号，实现对生产过程的直接控制。 ddc属于计算 机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应 用方式。 为提高利用率，一台计算机有时要控制几个或几十 个回路。 第一章 计算机控制系统概述 图1-5 直接数字控制系统结构图 第一章 计算机控制系统概述 原理： 用一台计算机对多个被控参数巡回检测，对生产过程进行 控制，使被控参数稳定在给定值上。 特点： 计算机直接参与控制，系统经计算机构成了闭环。 优点： 一台计算机可以取代多个模拟调节器，它利用了计算机的 分时能力。 第一章 计算机控制系统概述 133 监督计算机控制系统(scc) 监督计算机控制(supervisory computer control)系统 ， 简称scc，系统结构图如图1-6 所示。 图1-6 监督计算机控制系统结构图 第一章 计算机控制系统概述 scc系统是一种两级微型计算机控制系统，其中ddc级微机 完成生产过程的直接数字控制；scc级微机则根据生产过程的 工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化给定 值， 送给ddc级执行。scc级微机承担高级控制与管理任务， 要求数据处理功能强，存储容量大等，一般用较高档微机。 第一章 计算机控制系统概述 原理： 计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳 给定值后，送给模拟调节器或ddc计算机，并由 模拟调节器或ddc计算机控制生产过程。 scc+ddc控制系统特点： 系统为两级计算机控制系统。一级为监督级 scc，其作用与scc+模拟调节器控制系统中 的scc一样，用来计算最佳给定值；给定值 是计算得到的，以保证系统在最优工作状态 下运行，其控制规律可以改变，使用起来更 加灵活。 优点： 根据工作状态的变化，改变给定值，以实现最优 控制 。 第一章 计算机控制系统概述 134 集散型控制系统(dcs) 集散型控制系统也叫分散型控制系统(distributed control system)，简称dcs。采用分散控制、集中操作、分 级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从下到上 分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级， 形成 分级分布式控制，其结构图如图1-7 所示。 第一章 计算机控制系统概述 三级系统由高速数据通路hw和局域网络lcn两级通信线路 相连。 控制管理级与过程控制级为操作站控制站现场仪 表三层结构模式，由现场控制站、输入输出过程接口单元piu 、 crt显示操作站、高速数据通路、监控计算机五部分组成。 在高速数据通路上可以挂接可编程控制器plc、智能调节器或 其他可连测控装置。 控制管理级的监控计算机通过协调各控 制站的工作， 达到生产过程的动态最优化控制。 生产管理级 的上位机具有制定生产计划和工艺流程以及产品、财务、人员 的管理等功能， 以实现生产管理的优化。生产管理级可具体 细分为工段、车间、厂、公司等几层，由上层其他局域网络互 相连接，传递信息，进行更高层次的管理、协调工作。 第一章 计算机控制系统概述 图1-7 dcs的组成结构图 第一章 计算机控制系统概述 原理： 分散过程控制级是dcs的基础，用于直接控制生 产过程。 特点： 基本上属于ddc系统的形式，但工作任务由各工 作站来完成，局部的故障不会影响整个系统的工 作。 优点： 优点：该系统通用性强、组态灵活、控制功能完 善、数据处理方便、调试方便、运行安全可靠， 能够适应工业生产过程的多种需要。 第一章 计算机控制系统概述 现场总线控制系统 1现场总线的基本内容和发展概况 现场总线是一种工业数据总线，它是自动控制领域中 ，计算机通信体系最低层的低成本网络。 国际电工委员会（iec）的标准和现场总线基金会（ ff）的定义为：“现场总线是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络”。 现场总线技术的基本内容：以串行通信方式取代传统 的420ma的模拟信号，一条现场总线可为众多的可 寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设 备与高层的系统之间利用公用传输介质交换信息。 第一章 计算机控制系统概述 近年来，智能传感器的发展，导致须用数字信号取代4 20 ma(dc)模拟信号， 这就形成了现场总线。 现场总线是连 接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、 双向、 多站点的串行通信网络。 现场总线不单单是一种通信技术， 也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，它是用新一代现场总 线控制系统fcs代替集散型控制系统dcs，实现现场总线通信 网络与控制系统的集成。 现场总线被称为21世纪工业控制的 网络标准。 第一章 计算机控制系统概述 135 现场总线控制系统(fcs) 现场总线控制系统(fieldbus control system)， 简称fcs， 是新一代分布式控制结构，如图 1-8所示。 该系统克服了dcs 系统成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不 能互联等弱点， 采用集管理控制功能于一身的工作站现 场总线智能仪表的二层结构模式，完成了dcs中三层结构模式 的功能，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可 实现真正的开放式互联体系结构。 第一章 计算机控制系统概述 图1-8 现场总线控制系统结构图 第一章 计算机控制系统概述 2现场总线控制系统的特点 现场总线技术具有以下主要特点： 数字信号完全取代420ma模拟信号。 基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场 完成。 使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息 及补偿信息等。 实现现场管理和控制的统一。 真正实现系统的开放性、互操作性。 图所示为fcs和dcs的网络结构比较。 第一章 计算机控制系统概述 fcs与dcs相比，其系统结构大幅度简化，成本显著 降低，现场设备自治性加强，系统性能全面提高，信 号传输的可靠性和精度提高，真正实现全分散、全数 字化的控制网络，用户始终拥有系统集成权。 图7-25 fcs和dcs的网络结构比较 第一章 计算机控制系统概述 136 工业过程计算机集成制造系统(cims) 随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化，现代化工业 要求计算机系统不仅要完成直接面向过程的控制和优化任务， 而且要在获取尽可能多的全部生产过程信息的基础上，进行整 个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。由于自动化技 术、计算机技术、数据通信技术等的迅速发展，满足这些要求 已不是梦想，能实现这些功能的系统称之为计算机集成制造系 统(cims)。当cims用于流程工业时，简称为流程cims。 流程工 业计算机集成制造系统按其功能可以自下而上地分为若干层， 如过程直接控制层、过程监控优化层、生产调度层、企业管理 层和经营决策层等，其结构框图如图1-9所示。 第一章 计算机控制系统概述 图1-9 流程工业计算机集成制造系统结构示意图 第一章 计算机控制系统概述 从图中可以看到，这类系统除了常见的过程直接控制、 先进控制与过程优化功能之外，还具有生产管理、 收集经济 信息、计划调度和产品订货、销售、运输等非传统控制的诸多 功能。因此，计算机集成制造系统所要解决的不再是局部最优 问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任 务的全局多目标最优， 也即企业综合自动化问题。最优化的 目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、 成本 最低、可靠性最高、对环境污染最小等指标，它反映了技术、 经济、环境等多方面的综合性要求，是工业过程自动化及计算 机控制系统发展的一个方向。 第一章 计算机控制系统概述 计算机集成制造系统 计算机集成制造系统（computer integrated manufacturing system，cims）体现了一种对企业生产过程与生产管理 进行优化的新理念。 原理： cims采用多任务分层体系结构，其基本控制思想是递阶 控制。 特点： 越是处于高层的单元，对系统性能影响范围就越广，决策 周期比低层单元长，很难进行定量公式化描述。 优点： 在递阶结构中，各级分担不同工作，同级中又可并行工作 ，效率高；级间协调通信比各单元相互通信有效得多。 第一章 计算机控制系统概述 计算机控制系统按照控制规律的分类 1程序和顺序控制系统 2 . 比例积分微分控制 3. 最少拍控制 4. 复杂规律的控制 5. 智能控制 返回本节 第一章 计算机控制系统概述 3人工智能 人工智能是用计算机模拟人类大脑的逻辑判断功能， 其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人 。 所谓专家系统即计算机专家咨询系统，是一个存储了 大量专门知识的计算机程序系统。不同的专家系统将 不同领域专家的知识，以适当的形式存放于计算机中 。根据这些专家知识，专家系统可以对用户提出的问 题做出判断和决策，以回答用户的咨询。 机器人是一种能模拟人类智能和肢体动作的装置，从 本世纪70年代微处理机问世以来，机器人便逐渐涉足 于各工业生产领域和科学研究领域。目前已出现的机 器人可以分为两类，工业机器人和智能机器人。 返回本节 第一章 计算机控制系统概述 4神经网络控制系统 国外在20世纪80年代掀起了神经网络（neural network ）计算机的研究和应用热潮，我国在90年代也开始了 这方面的研究。由于神经网络的特点（大规模的并行 处理和分布式的信息存储，良好的自适应性、自组织 性和很强的学习功能、联想功能及容错功能），使它 的应用越来越广泛，其中一个重要的方面是智能控制 ，包含机器人控制。 返回本节 第一章 计算机控制系统概述 1.4 微型计算机控制系统的发展 141 计算机控制系统的发展过程 1946年世界上第一台电子计算机正式使用以来，数字计算 机在世界各国得到了极大的重视和迅速发展。20世纪70年代微 型计算机的推广，标志着计算机的发展和应用进入了新的阶段 。 计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径。现代控制 理论以及各种新型控制规律和组合控制规律的发展又给自动控 制系统增添了理论支柱。经典的和现代的控制理论与计算机相 结合， 出现了新型的计算机控制系统。 第一章 计算机控制系统概述 从美国工业控制机的发展和应用来看，用计算机来控制生产过程，大 体上经历了三个阶段： 1965年以前是试验阶段 1952年， 化工生产中实现了自动测量和数据处理。 1954年，开始用计算机构成开环系统。 1957年，采用计算机构成的闭环系统开始应用于石油蒸馏过程的 调节。 1959年，在美国一个炼油厂建成了第一台闭环计算机控制装置。 1960年，在合成氨和丙烯晴生产过程中实现了计算机监督控制。 第一章 计算机控制系统概述 19651969年是计算机控制进入实用和开始逐步普及的阶段。 由于小型计算机的出现，使可靠性不断提高，成本逐 年下降，计算机在生产过程中的应用得到了迅速的发展，但 这个阶段仍然主要是集中型的计算机控制系统。 经验证明， 在高度集中控制时，若计算机出现故障， 将对整个生产装置和整个生产系统带来严重影响，虽然采用 多机并用的方案可以提高集中控制的可靠性， 但这样就要增 加投资。 第一章 计算机控制系统概述 1970年以后是大量推广和分级控制阶段。 现代一些工业的特点是高度连续化、大型化，装置与装 置、设备与设备之间的联系日趋密切。因此，为了降低能量消 耗、提高产品质量和数量，仅仅实现局部范围内的孤立的控制 ， 是难以取得显著效果的。为了实现对现代化工业企业的综 合管理和最优控制， 已开始运用系统工程学的方法来实现大 规模综合管理系统。 这种控制系统通常不是由一台计算机或数台独立的、 相互无关的小型机来进行控制的，而是由大、中、小型计算机 组合起来， 形成计算机系统来进行控制的。近几年来，微型 计算机具有可靠性高、价格低廉、使用方便等优点，为分级计 算机控制的发展创造了良好的条件。 第一章 计算机控制系统概述 142 近年来计算机控制系统在我国的发展趋势 微型计算机控制系统的发展是与组成该控制系统的核心部 分微型机的发展紧密相连的。 微型机和微处理器自从20世纪70年代崛起以来，发展极为 迅猛： 芯片的集成度越来越高；半导体存储器的容量越来越 大； 控制和计算性能，几乎每两年就提高一个数量级。另外 ， 大量新型接口和专用芯片不断涌现、软件的日益完善和丰 富， 大大扩大了微型计算机的功能，这为促进微型计算机控 制系统的发展创造了有利的条件。 第一章 计算机控制系统概述 1. 以工业pc为基础的低成本工业控制自动化将成为主流 从20世纪60年代开始， 西方国家就依靠技术进步（即新 设备、 新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造， 使工业得到飞速发展。 然而这种自动化需要投入大量的资金 ， 是一种高投资、 高效益同时是高风险的发展模式，很难 为大多数中小企业所采用。在我国，中小型企业以及准大型 企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。工业控制自动 化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自 动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。 第一章 计算机控制系统概述 传统的自动化系统，基础自动化部分基本被plc和dcs所 垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程 计算机或小型机组成，其硬件、 系统软件和应用软件的价格 之高令众多企业望而却步。 20世纪90年代以来，由于pc-based的工业计算机（简称工 业pc）的发展，以工业pc、 i/o装置、监控装置、控制网络组 成的pc-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本 工业自动化的重要途径。我国的许多大企业也拆除了原来dcs 或单回路数字式调节器，而改用工业pc来组成控制系统，并 采用模糊控制算法， 获得了良好效果。 第一章 计算机控制系统概述 由于基于pc的控制器被证明可以像plc一样可靠， 并且被 操作和维护人员接受，因此，一个接一个的制造商至少在部分 生产中正在采用pc控制方案。基于pc的控制系统易于安装和使 用， 有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择 ， 从长远角度看，pc控制系统维护成本低。 第一章 计算机控制系统概述 近年来，工业pc在我国得到了迅速的发展。 从世界范围 来看，工业pc主要包含两种类型：ipc工控机和compact pci 工控机以及它们的变形机， 如at96总线工控机等。由于基础 自动化和过程自动化对工业pc的运行稳定性、热插拔和冗余 配置要求很高， 因此，现有的ipc已经不能完全满足要求， 将逐渐退出该领域，取而代之的将是 compact pci-based工 控机， 而ipc将占据管理自动化层。 第一章 计算机控制系统概述 几年前，当“软plc”出现时，业界曾认为工业pc将会取 代plc， 然而，时至今日工业pc并没有代替plc，主要有两个 原因：一个是系统集成原因； 另一个是软件操作系统windows nt的原因。 一个成功的pc-based控制系统要具备两点： 一是 所有工作要由一个平台上的软件完成； 二是向客户提供所需 要的所有东西。可以预见， 工业pc与plc的竞争将主要在高端 应用上， 其数据复杂且设备集成度高。工业pc不可能与低价 的微型plc竞争， 这也是plc市场增长最快的一部分。从发展 趋势看， 控制系统的将来很可能存在于工业pc 和 plc之间， 这些融合的迹象已经出现。 第一章 计算机控制系统概述 2. plc在向微型化、网络化、pc化和开放性方向发展 长期以来，plc始终处于工业控制自动化领域的主战场， 为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与dcs 和工业pc形成了三足鼎立之势。同时，plc也承受着来自其他技 术产品的冲击， 尤其是工业pc所带来的冲击。 目前，全世界plc生产厂家约200家，生产300多种产品。 国内plc市场仍以国外产品为主， 如siemens、modicon、a-b、 omron、三菱、ge等产品。 经过多年的发展，国内plc生产厂家 约有30家，但都没有形成具有一定规模的生产能力和名牌产品 ， 可以说plc在我国尚未形成制造产业化。在plc应用方面， 我国是很活跃的，应用的行业也很广。 第一章 计算机控制系统概述 微型化、网络化、pc化和开放性是plc未来发展的主要方向 。 在基于plc自动化的早期，plc体积大而且价格昂贵，但在最 近几年， 微型plc（小于32 i/o）已经出现， 价格只有几百欧 元。 随着软plc（soft plc）控制组态软件的进一步完善和发 展， 安装有软plc组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步 得到增长。 当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是ethernet技 术的扩展，plc也不例外。 现在越来越多的plc供应商开始提供 ethernet接口。 可以相信，plc将继续向开放式控制系统方向 转移， 尤其是基于工业pc的控制系统。 第一章 计算机控制系统概述 3. 面向测控管一体化设计的dcs系统 集散控制系统dcs（distributed control system）问世 于1975年， 生产厂家主要集中在美、日、德等国，我国从20 世纪70年代中后期起引入国外的dcs。 20世纪80年代初期在 引进、消化和吸收的同时， 开始了国产化dcs的技术攻关。 第一章 计算机控制系统概述 “九五”以来，我国dcs系统研发和生产发展很快，崛起 了一批优秀企业，这批企业研制生产的dcs系统，不仅品种数 量大幅度增加，而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水 平。 短短几年，国外dcs系统在我国一统天下的局面从此不再 出现。 这些专业化公司不仅占据了一定的市场份额， 积累了 发展的资本和技术， 同时使得国外引进的dcs系统价格也大幅 度下降， 为我国自动化推广事业做出了贡献。与此同时，国 产dcs系统的出口也在逐年增长。 第一章 计算机控制系统概述 虽然国产dcs的发展取得了长足进步，但国外dcs产品在国 内市场中占有率还较高，其中主要是honeywell和横河公司的产 品。小型化、多样化、pc化和开放性是未来dcs发展的主要方向 。 目前小型dcs所占有的市场，已逐步与plc、工业pc、 fcs共 享。 今后小型dcs可能首先与这三种系统融合，而且“软dcs” 技术将首先在小型dcs中得到发展。pc-based控制将更加广泛地 应用于中小规模的过程控制， 各dcs厂商也将纷纷推出基于工 业pc的小型dcs系统。 开放性的dcs系统将同时向上和向下双向 延伸， 使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动， 实现信息技术与控制技术的无缝连接， 向测控管一体化方向发 展。 第一章 计算机控制系统概述 4. 控制系统正在向现场总线（fcs）方向发展 由于3c（computer、 control、communication）技术的发 展，过程控制系统将由dcs发展到fcs（fieldbus control system）。fcs可以将pid控制彻底分散到现场设备（field device）中。 基于现场总线的fcs又是全分散、 全数字化、 全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现 场一对一的420 ma模拟信号线， 给传统的工业自动化控制系 统体系结构带来革命性的变化。 第一章 计算机控制系统概述 根据iec6115