第1讲计算机控制系统概述

1、计算机控制技术与工程应用任务1-1、计算机控制系统综述2计算机控制技术课程说明 2、前续基础课程1、课程的性质. .自动控制理论（经典自动控制理论（经典/ /现代）现代）. .检测技术与自动化仪表检测技术与自动化仪表. .微机原理（单片机）与接口技术微机原理（单片机）与接口技术. .程序设计技术（汇编、程序设计技术（汇编、C/C+/VCC/C+/VC、VBVB）开课目的和任务开课目的和任务工业控制是计算机的一个重要应用领域工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。它为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。它主要主要

2、研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程的自动控制产过程的自动控制。目的在于目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系控制系统的硬件统的硬件、软件基础知识软件基础知识和和基本应用技术基本应用技术。43、指定参考书和阅读期刊参考书： . .谢剑英，谢剑英，微型计算机控制技术微型计算机控制技术，国防工业出版社，国防工业出版社 . .何克忠，何克忠，计算机控制系统计算机控制系统，清华大学出版社，清华大学出版社 . .王锦标，王锦标，计算机控制系统计算机控制系统，清华大学出版社，清华大学出版社 . .

3、孙增圻，孙增圻，计算机控制理论及应用计算机控制理论及应用清华大学出版社清华大学出版社阅读期刊： 工业控制机、控制工程、测控技术、电气自动化、自动化仪工业控制机、控制工程、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表 等等。等等。 http:/ http:/ 本课程的研究内容n基本原理n系统数学模型的描述方法n连续系统的传递函数n离散系统的脉冲传递函数n控制算法的实现n工业上最常用的数字PID控制算法n参数整定。 本课程的研究内容n主要技术n与被控对象联系最紧密的n传感器与执行器技术；n信号处理与过程通道技术；n控制用计算机及

4、接口技术n包括人机交互技术；n控制系统中的n数据通信和网络技术；7任务1-1、计算机控制系统综述 计算机控制系统是计算机控制系统是利用计算机（包括其他多种控制利用计算机（包括其他多种控制器）来实现生产过程或运动对象自动控制的系统。器）来实现生产过程或运动对象自动控制的系统。 计算机控制技术是一门综合性的技术：计算机控制技术是一门综合性的技术： 以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，综合接口技术、可编程控制技术、单片机技术、计算础，综合接口技术、可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术、通信技术、自动化检测技术、显示技术、软机网络技术、通信

5、技术、自动化检测技术、显示技术、软件工程技术等。件工程技术等。 最终实现：最终实现： 生产技术的精密化；生产技术的精密化； 生产设备的信息化；生产设备的信息化； 生产过程的自动化；生产过程的自动化； 机电控制系统的最佳化。机电控制系统的最佳化。8（1）闭环控制系统框图 （2）开环控制系统框图1. 常规控制系统的一般形式 给定值 控制器 执行机构 被控对象 被控参数 测量元件 变换发送 给定值 控制器 执行机构 被控对象 被控参数 根据偏差量和预定算法产生控制量。9早期控制系统监控环境计算机控制系统监控环境10现代控制系统监控环境2010年12月 摄于 银河集团（安县）计算机控制系统监控环境11

6、2. 计算机控制系统工作原理用计算机来代替原来的控制器，就构成了计算机控制系统使控制系统的设计更加灵活： 利用计算机强大的计算、逻辑判断、记忆和信息传递能力，实现复杂的控制规律-非线性控制、逻辑控制、自适应控制、智能控制。 反馈控制系统 控制器将设定值和反馈信号进行比较，求得实际输出信号和设定值之间的偏差，再根据偏差的大小去调节执行机构，由执行机构的输出（称为操纵变量操纵变量）去影响被控制量，达到减小或消除偏差的目的，最后使系统又恢复到原先的平衡状态。这种系统中，输出量反馈到输入端与设定值进行比较，故称为反馈控制系统。 反馈控制系统的工作原理 检测偏差，纠正偏差。检测偏差，纠正偏差。 反馈控制

7、系统框图（1）被控对象被控对象：自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。（2）被控制量被控制量：被控对象内要求实现自动控制的物理量。（3）检测元件检测元件：对系统输出量进行测量的装置。（4）比较元件比较元件：对系统的输入量和输出量进行比较，给出偏差信号，起信号综合作用。（5）放大元件放大元件：对微弱偏差信号进行放大，使之可输出足够的功率。（6）控制器控制器：或称为校正装置校正装置，将偏差信号进行比例、积分、微分等控制运算的器件，产生控制信号操纵执行元件，用于改善系统的性能。（7）执行元件执行元件：根据控制器的命令，改变操纵变量的大小，使被控制的输出量与给定值一致。 1.1.3 反馈控制

8、系统的组成反馈控制系统的组成1定值控制系统定值控制系统 反馈控制系统中的输入量如果恒定不变，就称为定值控制系统。如给定量按已知规律 变化，该系统仍称为定值控制系统。2随动系统随动系统 给定量的变化不为人们所预知，但仍要求系统输出量能迅速地跟随给定量变化。这类系统 既要迅速跟随给定量的变化，又要克服扰动量对 系统的影响，所以称为随动系统。3程序控制系统程序控制系统 如果设定信号r(t)的变化规律为已知函数，即事先确定的程序，则称这类控制系统为程序控制系统。4数字控制 用数字量控制机器部件运动的一种控制。1.1.4 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成n计

9、算机控制系统由计算机和生产过程两大部分组成。计算机是指按生产过程控制特点和要求设计的工控机或单片机系统等,它包括硬件和软件两部分：硬件由主机、通用外部设备、接口和输入输出通道等组成；软件是指系统软件和应用软件等能完成系统各种功能的程序总和。生产过程包括被控对象、测量变送装置、执行机构和电气开关等。 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成n 计算机控制系统的组成框图 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成n 计算机控制系统实例采用采用铂热电阻铂热电阻Pt100温度传感器进行温度测量；温度传感器进行温度测量；选择选择工业调节器工业调节器作为温度变送器；作为温度变送器；通过研华的通过研华的接线端

10、子接线端子PCLD8115将测量的模拟信号接入将测量的模拟信号接入数据采集卡数据采集卡PCL-818L进行进行A/D转换转换，然后输入，然后输入研华工控机研华工控机IPC-610H；处理后的数字量通过处理后的数字量通过康拓开关量功放输出卡康拓开关量功放输出卡IPC5373驱动低压继电器；驱动低压继电器；继电器带动交流接触器继电器带动交流接触器，实现，实现电加热丝或是冷却泵电加热丝或是冷却泵的通电与断电控制，的通电与断电控制，从而实现对被控对象（带夹套锅炉）的温度进行升温和降温处理。从而实现对被控对象（带夹套锅炉）的温度进行升温和降温处理。19从本质上讲，计算机测控系统的工作过程可归纳为以下三步

11、：从本质上讲，计算机测控系统的工作过程可归纳为以下三步：1 1）实时数据采集实时数据采集：对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行：对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；采集和输入；2 2）实时控制决策实时控制决策：对采集到的被控量进行分析、比较和处理，：对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按预定的控制规律运算，进行控制决策；按预定的控制规律运算，进行控制决策；3 3）实时输出控制实时输出控制：根据控制决策，实时地向执行机构发出控：根据控制决策，实时地向执行机构发出控制信号，完成系统控制任务或输出其它有关信号，如报警信号制信号，完成系统控制任务或输出其它有关信号，如报警信号等等 计算机

12、测控系统的组成计算机测控系统的组成 实时计算机系统实时计算机系统 20 几个重要概念. .在线方式（在线方式（on-lineon-line）: : 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；的方式称为在线方式或联机方式；. .离线方式离线方式(off-line):(off-line): 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。式或脱机方式。. .实时实时(real-time)(rea

13、l-time)： 指信号的输入、计算和输出都要在指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间一定的时间范围内范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的速度进行控制，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。时机，控制也就失去了意义。 ！而且这个而且这个时间范围时间范围的大小跟被空对象联系非常的大小跟被空对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同。的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同。1.2.1. 计算机控制系统的结构n基于现场总线的结构框图 1.2.2. 计算机控制系统的分类n(

14、1). 按系统结构的分类n开环系统与闭环系统n(3). 按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类nOGC操作指导nDDC数字直接控制nSCC监督计算机控制nDCS分布式控制/集散控制nFCS现场总线控制nCIMS计算机集成制造系统1.2.2. 计算机控制系统的分类n(3). 按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类nOGCn操作指导1.2.2. 计算机控制系统的分类 计算机不直接用来控制生产过程，计算机不直接用来控制生产过程，主要是对系统过程参数进行主要是对系统过程参数进行收集收集，并按照预定的算法计算各控制量，求出最佳值，通过显示，并按照预定的算法计算各控制量，求出最佳值，通过显示或打印设备

15、输出数据，或打印设备输出数据，以供操作人员进行参考以供操作人员进行参考；操作人员根据所操作人员根据所获取的这些数据，对系统进行必要的操作与控制。获取的这些数据，对系统进行必要的操作与控制。nSCC-监督计算机控制1.2.2. 计算机控制系统的分类 监督控制系统（监督控制系统（Supervisory Computer Control SystemSupervisory Computer Control System，SCCSSCCS）是）是计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，其他方法，能够自动地

16、改变能够自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的控制模拟调节器或以直接数字控制方式工作的控制计算机中的计算机中的给定值，给定值，从而使生产过程始终处于最优工况，保持高质量、高从而使生产过程始终处于最优工况，保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等。效率、低消耗、低成本等等。nDCSn分布式控制n集散控制1.2.2. 计算机控制系统的分类nFCS （Field bus Control System）现场总线控制系统n建立在网络基础上的高级分布式控制系统。 1.2.2. 计算机控制系统的分类 现场总线（现场总线（FieldBusFieldBus）是将自动化系统最底层的现场控制器和现场智）是将自

17、动化系统最底层的现场控制器和现场智能仪表设备进行互联的实时控制、数字式、双向传输、多分支结构的通信能仪表设备进行互联的实时控制、数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。网络。 现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFieldbus Control System，FCSFCS）是一种以现场）是一种以现场总线为基础的分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现总线为基础的分布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。场自动化系统。有两个显著的特点，一是信号传输实现了全数字化有两个显著的特点，一是信号传输实现了全数字化；二是二是实

18、现了彻底分散。实现了彻底分散。1.4 1.4 计算机控制技术的学习要点计算机控制技术的学习要点 计算机控制技术涵盖了计算机控制技术涵盖了计算机技术、接口技术、自动控制理论、计算机技术、接口技术、自动控制理论、运动控制、过程控制、检测技术及仪表、工程技术运动控制、过程控制、检测技术及仪表、工程技术等相关基础知识，等相关基础知识，主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。设计出所需要的计算机控制系统。学习的过程中需要注意以下问题：学习的过程中需要注意以下问题：（1 1）注意区分几种控制系统）

19、注意区分几种控制系统连续时间控制系统连续时间控制系统离散时间控制系统离散时间控制系统采样控制系统采样控制系统数字控制系统数字控制系统（2 2）了解计算机控制技术涉及的相关理论）了解计算机控制技术涉及的相关理论信号采样理论：信号采样理论：采样定理采样定理等。等。经典控制理论：经典控制理论：频率频率相应相应法、根轨迹法、根轨迹法、拉氏变换、传递函数、法、拉氏变换、传递函数、Z Z变变换、换、BodeBode图等。图等。现代控制理论现代控制理论：状态空间法、系统辨识、最优控制、自适应控制、状态空间法、系统辨识、最优控制、自适应控制、最佳滤波理论等。最佳滤波理论等。智能控制理论智能控制理论：模糊控制模

20、糊控制、神经网络控制神经网络控制、专家专家系统、系统、学习控制学习控制等。等。（3 3）掌握一些硬件设计的相关知识）掌握一些硬件设计的相关知识 与硬件设计相关的主要知识包括：模拟电子技术、数字电子技术、与硬件设计相关的主要知识包括：模拟电子技术、数字电子技术、接口技术、单片机技术、接口技术、单片机技术、ARMARM微处理器技术、微处理器技术、DSPDSP技术、技术、FPGAFPGA/ /CPLDCPLD技技术、总线技术、计算机应用技术、智能仪表应用技术、术、总线技术、计算机应用技术、智能仪表应用技术、PLCPLC技术等。技术等。 学习时，可以有重点的、带有选择性的掌握。学习时，可以有重点的、带有选择性的掌握。（4 4）掌握相关的一些应用软件）掌握相关的一些应用软件v工业组态软件：工业组态软件：组态王组态王、力控、力控、InTouchInTouch软件、软件、i iFIXFIX组态软件、组态软件、WinCCWinCC组态软件等。组态软件等。主要用于监控程序的设计。主要用于监控程序的设计。vPLCPLC编程软件：编程软件：GE CGE Cimplicityimplicity软件、软件、西门子西门子Step7Step7软件等，主要用于软件等，主要用于PLCPLC的程序设计的程序设计。v硬件仿真软件：硬件仿