计算机控制ppt1

1、第第1章章 计算机控制系统概论计算机控制系统概论主要内容：主要内容： 计算机控制的定义和工作原理计算机控制的定义和工作原理 计算机控制系统特征和组成计算机控制系统特征和组成 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机控制系统的发展概况及计算机控制系统的发展概况及发展发展趋势趋势 1.1 计算机控制系统特征与组成计算机控制系统特征与组成1.1.1 自动控制自动控制 自动控制自动控制是在是在非人工直接参与非人工直接参与的前提的前提下，应用下，应用自动控制装置自动控制装置自动地、有目的自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应功能

2、，实现定的状态和性能，完成相应功能，实现预定目标预定目标 自动控制系统一般可以分为：自动控制系统一般可以分为：开环开环控制系统控制系统和和闭环控制系统闭环控制系统两大类。两大类。开环控制系统：开环控制系统： 所谓开环控制系统是指控制器按照所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制对象或系统能按照约定来运动使被控制对象或系统能按照约定来运动或变化。或变化。控制器控制器被控对象被控对象被控参数被控参数设定值设定值图图1.1 1.1 开环控制系统框图开环控制系统框图执行机构执行机构闭环控制系统：闭环控制系统： 闭环控制系统较开环控制

3、系统增加闭环控制系统较开环控制系统增加了一个了一个比较环节比较环节和一个来自被控参数的和一个来自被控参数的反馈信号反馈信号。u(t)u(t)r(t)r(t)e(t)e(t)y(t)y(t)+ +图图1.2 1.2 闭环控制系统框图闭环控制系统框图控制器控制器被控对象被控对象执行机构执行机构测量环节测量环节变送器变送器图图1.3 1.3 计算机闭环控制系统结构图计算机闭环控制系统结构图设定值设定值控制器控制器D/A执行执行机构机构被控被控对象对象A/ D计算机计算机被控变量被控变量+测量变送测量变送1.1.2 计算机控制系统的工作原理计算机控制系统的工作原理计算机控制的定义计算机控制的定义 （1

4、）从结构图定义）从结构图定义 （2）从组成定义）从组成定义 （3）从信息流定义）从信息流定义（1）从结构图定义）从结构图定义（2）从组成定义）从组成定义（3）从信息流定义）从信息流定义 计算机控制就是对被控对象的有关参数（如温度、压力、流计算机控制就是对被控对象的有关参数（如温度、压力、流量、转速、转角、电压、电流、相位、功率、状态等）进行采样量、转速、转角、电压、电流、相位、功率、状态等）进行采样并转换成统一的标准信号，通过输入通道把表示各种参数信息的并转换成统一的标准信号，通过输入通道把表示各种参数信息的开关量和模拟量转换成数字量并传送给计算机，计算机根据这些开关量和模拟量转换成数字量并传

5、送给计算机，计算机根据这些信息，按照预先规定的控制规律进行运算和处理，并通过输出通信息，按照预先规定的控制规律进行运算和处理，并通过输出通道把运算结果以开关量和模拟量的形式去控制被控对象，使被控道把运算结果以开关量和模拟量的形式去控制被控对象，使被控制的参数达到预定的目标。制的参数达到预定的目标。 计算机控制系统是以计算机为控制器去控制具有连续工作状计算机控制系统是以计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象的系统，由计算机和被控对象两大部分组成。态的被控对象的系统，由计算机和被控对象两大部分组成。 计算机控制系统是硬件和软件两个基本部分组成。计算机控制系统是硬件和软件两个基本部分组成。2

6、 计算机控制的工作原理（工作过程）计算机控制的工作原理（工作过程） （1）实时数据采集实时数据采集 对测量变送装置输出的对测量变送装置输出的信号经信号经A/D转换后进行处理。转换后进行处理。 （2）实时控制决策实时控制决策 对被控变量的测量值进对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。行运算。 （3）实时控制输出实时控制输出 实时地输出运算后的控实时地输出运算后的控制信号，经制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控转换后驱动执行机构，完成控制任务。制任务。 上述过程依次不断循环进行，使被控变量上述过程依次不断循环进行，使被控变

7、量稳定在设定值上稳定在设定值上(1)在线方式和离线方式在线方式和离线方式 生产过程和计算机直接连接，并受计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，算机控制的方式称为在线方式或联机方式，反之称为离线方式。反之称为离线方式。 生产过程不和计算机相连，且不受计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作相应操算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。作的方式称为离线方式或脱机方式。3 计算机控制系统工作的方式计算机控制系统工作的方式(2)实时方式实时方式 实时实时 ：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

8、在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，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控制以足够快的速度进行控制 。 2个要素：其一：根据工业生产过程出现的事个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间（允许滞后）；件能够保持多长的时间（允许滞后）； 其二：该事件要求计算机在多长的其二：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应（计算机响应时间），时间以内必须做出反应（计算机响应时间）， 一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。个实时控制系统必定是在线系统。3 计算机控制系统工作的方式计

9、算机控制系统工作的方式1.2.3 计算机控制系统的组成包括计算机控制系统的组成包括硬件硬件和和软件软件两大两大部分部分 硬件硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础组成，是计算机控制系统的基础 软件软件是安装在计算机主机中的程序，它能够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用软

10、件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。的关键。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

11、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、实时数据库图图1.5 微型计算机控制系统硬件组成原理图微型计算机控制系统硬件组成原理图1 硬件组成硬件组成主机主机主机是指用于控制的计算机，它主要由主机是指用于控制的计算机，它主要由CPU、存、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。储器和接口三大部分组成，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、PLC、工业、工业PC等。等。它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控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，实现对制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现

12、对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信被控对象的控制，实现人机对话和网络通信由于由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发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展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备设备和网络设备的控制和网络设备的控制.I/O接口接口 CPU与外部设备的连接和数据交换都需与外部设备的连接和数据交换都需要通过要通过I/O接口设备来实现。接口设备来实现。I/O接口存在的原因：接口存在的原因：速度不匹配速度不匹配时序不匹配时序不匹配信息格式不匹配信息格式不匹配.过程通道过程通道 (输入输出通道输入输出通道) 过程控制通道是被控对象与主机进行信息

13、交过程控制通道是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，过程控制通道换的通道，根据信号方向和形式，过程控制通道可分为：可分为： 模拟量输入通道模拟量输入通道（AI） 完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的数字信号。转换，使之成为计算机能够接收的数字信号。 模拟量输出通道模拟量输出通道（AO） 目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机处理、决策后的最终结果是数字信号。而计算机处理、决策后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通过模拟量输出通道

14、完成对数字量转换为模拟量并保持。并保持。.过程通道过程通道 (输入输出通道输入输出通道) 数字量输入通道数字量输入通道（DI） 数字量的输入通道是把过程和被控对象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（DO） 数字量输出通道是将计算机运算、决策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被控对象或外部设备.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

15、关键设备，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，操作人员可以及时了解被控过程的运通过操作控制台，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控制的操作命行状态，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。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：操作控制台一般应包括： 信息的显示信息的显示 信息的记录信息的记录 工作方式状态的选择工作方式状态的选择 信息输入信息输入一般由四部分组成一般由四部分组成: : 显示器显示器 作用开关作用开关 功能键功能键 数字键数字键图图1.6 计

16、算机控制系统的操作控制台外观图计算机控制系统的操作控制台外观图. 检测元件与执行机构检测元件与执行机构检测元件：检测元件： 传感器：将被测参数转变为电学量传感器：将被测参数转变为电学量 变送器：电变量转换为计算机接口使用变送器：电变量转换为计算机接口使用的电信号的电信号执行机构：执行机构： 电动执行器电动执行器 气动执行器气动执行器 液动执行器液动执行器2 计算机控制系统软件组成计算机控制系统软件组成 软件是指能完成各种功能的计算软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。它是微型计算机控制系机程序的总和。它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在统的神经中枢，整个系统的工作都是在程

17、序的指挥下进行协调工作的。控制系程序的指挥下进行协调工作的。控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低。件水平的高低。 软件通常分为两大类：一类是软件通常分为两大类：一类是系系统软件统软件，另一类是，另一类是应用软件应用软件。系统软件系统软件一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机一般是由计算机厂家提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操本身的资源、方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不作系统、各种编译软件、监控管理软件，这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是作为开发

18、应用软件的工具。需要用户自己设计，它们只是作为开发应用软件的工具。 应用软件应用软件是面向生产过程的程序，如是面向生产过程的程序，如A/DA/D、D/AD/A转换程序，转换程序，数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程数据采样，数字滤波程序、标度变换程序、控制量计算程序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。序等等。应用软件大都由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来应用软件的优劣，将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它的设计是非常重要的。很大的影响，它的设计是非常重要的。（1 1）结构特征结构特征 执行控制功能的核心部件

19、是计算机，是模数混合系统执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统 控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律；可同时控制多个回路可同时控制多个回路 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。制系统。 1.2.4 计算机控制系统的特征计算机控制系统的特征两者都是自动控制系统，两者都能实现两者都是自动控制系统，两者都能实现PID控制控制只能控制一个回路只能控制一个回路可控制多个回路可控制多个回路硬设备硬设备软设备软设备模拟控制器模拟控制器数字控制器数字控制器控制过程中算法不能改变控制过程中算

20、法不能改变控制过程中算法可以改变，可控制过程中算法可以改变，可实现除实现除PID以外的多种复杂控制以外的多种复杂控制模拟控制系统结构图模拟控制系统结构图计算机控制系统结构图计算机控制系统结构图模拟控制系统与计算机控制系统的比较模拟控制系统与计算机控制系统的比较（2 2）信号特征）信号特征 t2TTy*(t)y(nT)y(t)Ou(nT)tO110111010101OT2T110111010101OT2TOT2Ttttu*(t)模拟模拟信号信号e(nT)r (nT)y(t)u*(t)u(nt)y(nT)y*(t)控制控制器器D/AA/D执行执行器器被控被控对象对象传感传感器器y(t)采样器采样器

21、计算机计算机离散模离散模拟信号拟信号数字数字信号信号数字数字信号信号量化模量化模拟信号拟信号图图1.7 1.7 计算机控制系统的信号流程计算机控制系统的信号流程 模拟控制系统和计算机控制系统的信号差模拟控制系统和计算机控制系统的信号差异：异： 模拟控制系统：均为连续模拟信号；模拟控制系统：均为连续模拟信号； 计算机控制系统：模拟信号、离散信计算机控制系统：模拟信号、离散信号、数字信号。号、数字信号。（3 3）控制方法特征）控制方法特征 常用的设计方法有两种：常用的设计方法有两种： 模拟调节规律离散化设计法模拟调节规律离散化设计法使使用模拟自动控制系统理论设计，计算用模拟自动控制系统理论设计，计

22、算机控制器实现机控制器实现间接设计方法间接设计方法PID控制控制 离散化设计方法离散化设计方法使用的数字控使用的数字控制理论，计算机控制器实现制理论，计算机控制器实现直接直接设计法设计法 最少拍控制最少拍控制（4 4）功能特征）功能特征 以软件代替硬件以软件代替硬件 数据存储数据存储 状态、数据显示状态、数据显示 管理功能管理功能 1.2 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类按照控制方式分类：开环控制和闭环控制按照控制方式分类：开环控制和闭环控制按照控制规律分类：程序和顺序控制，比按照控制规律分类：程序和顺序控制，比例积分微分控制（例积分微分控制（PID控制），有限拍控制，控制），有限拍控

23、制，复杂规律控制，智能控制等复杂规律控制，智能控制等按照系统的功能、工作特点分类：操作指按照系统的功能、工作特点分类：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、分布式计算机控制系统、算机控制系统、分布式计算机控制系统、计算机集成制造系统计算机集成制造系统 1. 操作指导控制系统操作指导控制系统 操作指导控制系统（操作指导控制系统（Operational Information SystemOIS）指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系）指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员

24、根统过程参数进行收集、加工处理、然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作据这些数据进行必要的操作 2 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）显示显示打印打印接口接口计计算算机机执行执行机构机构检测检测输 入输 入通道通道生生产产过过程程接口接口输 出输 出通道通道设定值设定值 直接数字控制系统直接数字控制系统(Direct Digital Control system-DDC)(Direct Digital Control system-DDC)是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。 计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，

25、并计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。道直接控制调节阀等执行机构。3监督计算机系统（SCC） 监督计算机控制监督计算机控制（Supervisory Computer Control SCC）系统：计算机根据工艺参数和过程参量系统：计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调

26、节器或计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生计算机控制生产过程。产过程。 SCC系统有两种不同的结构形式。一种是系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。控制系统。SCC+DCC控制系统原理图控制系统原理图 A/D转换转换检测装置检测装置DDC计算机计算机执行机构执行机构SCC计计算算机机被被控控对对象象D/A转转换换保持器保持器（2）SCC+DDC控制系统控制系统3监督计算机系统（SCC）SCC+模拟调节器控制系统原理图模拟调节器控制系统原理图 A/D转换转换检测装置检测装置模拟控制器模拟控制器执行机构执行机构SCC计计算算

27、机机被被控控对对象象D/A转换转换保持器保持器（1）SCC +模拟调节器控制系统模拟调节器控制系统4 集散控制系统（集散控制系统（DCS） 集散控制系统（集散控制系统（DCS：Distributed Control System）又称为分布控制系统。该系统采用）又称为分布控制系统。该系统采用分散控分散控制制、集中管理集中管理、分而自治分而自治、综合协调综合协调形成具有层次化形成具有层次化体系结构体系结构,每一级都有自己的功能，基本上是独立的，每一级都有自己的功能，基本上是独立的，但级与级之间或同级之间又有信息交互。但级与级之间或同级之间又有信息交互。 直接控制层是集散控制的基础，用于直接控制生

28、直接控制层是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。4 集散控制系统（集散控制系统（DCS）生产管理生产管理计算机计算机操作员操作员站站工程师工程师站站

29、过程控过程控制站制站生产过程生产过程决策管理决策管理计算机计算机计算机计算机网关网关决策管理决策管理计算机计算机决策管理决策管理计算机计算机生产管理生产管理计算机计算机生产管理生产管理计算机计算机计算机计算机网关网关监控计监控计算机站算机站决策管理网络决策管理网络生产管理网络生产管理网络控制网络控制网络计算机计算机网关网关过程控过程控制站制站过程控过程控制站制站过程控过程控制站制站决策管理层决策管理层生产管理层生产管理层操作监控层操作监控层直接控制层直接控制层5 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 现场总线控制系统（现场总线控制系统（Field Bus SystemsFCS）的核心是的

30、核心是现场总线现场总线。 现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全全数字式、开放的、双向数字式、开放的、双向的通信网络。的通信网络。 现在国际上流行的设备级的通信网络现在国际上流行的设备级的通信网络,如如CANBUS、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF 等等 现场总线的能源提供：总线供电现场总线的能源提供：总线供电5 现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS) 信号传输实现了全数字化信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连最高层均采用通信网络互连; 系统结构采用全分散化系统结构采用全分散化, 现场总线

31、的节点现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。执行器等。 现场设备具有互操作性现场设备具有互操作性,改变了改变了DCS 控制控制层的封闭性和专用性层的封闭性和专用性,不同厂家的现场设备既不同厂家的现场设备既可互连也可互换可互连也可互换,并可以统一组态并可以统一组态; 通信网络为开放式互连网络通信网络为开放式互连网络,可极其方便可极其方便地实现数据共享地实现数据共享; 技术和标准实现了全开放技术和标准实现了全开放,面向任何一个面向任何一个制造商和用户。制造商和用户。5现场总线控制系统现场总线控制系统 现场总线控制系统的结构模式为：现

32、场总线控制系统的结构模式为：“工作站工作站现场总现场总线智能仪表线智能仪表”二层结构。二层结构。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6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ClMS) 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System) 是计算机技术是计算机技术,网络技术、自动化技术、信网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术、系统工程技术等号处理技术、管理技术、系统工程技术等新技术发展的结果新技术发展的结果 将企业的生产、经营、管理、计划、产品将企业的生产、

33、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来力、财力、设备等生产要素集成起来,进行进行统一控制统一控制,求得生产活动的最优化。求得生产活动的最优化。 6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ClMS) CIM的理念包括两个基本出发点的理念包括两个基本出发点 第一点是企业的各个生产环节不可分第一点是企业的各个生产环节不可分割的，需要统一考虑；割的，需要统一考虑； 第二点整个制造生产过程实质上是信第二点整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。息的采集、传递和加工处理的过程。 主要应包括工程设计自动

34、化、产品加主要应包括工程设计自动化、产品加工自动化和生产管理信息化等三个方工自动化和生产管理信息化等三个方面。面。 CIMS组成框图组成框图计算机通信网络和数据库分系统管理信息分系统制造自动化分系统质量保证分系统工程设计自动化分系统市场信息技术信息原材料销售服务信息产品6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ClMS) 经营决策经营决策企业管理企业管理生产调度生产调度过程优化过程优化过程控制过程控制第五层：企业决策，生产规划第五层：企业决策，生产规划第四层：供销第四层：供销,财务财务,计划计划,管理等管理等第三层：生产调度，系统优化第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第二层：

35、先进控制，过程优化第一层：单元自动化第一层：单元自动化,简单控制简单控制生生 产产 过过 程程 6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ClMS)流程流程CIMS的递阶控制示意图的递阶控制示意图1.3 计算机控制的发展概况及趋计算机控制的发展概况及趋势势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，是关于将计算机技术应用于计算机控制，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。性学科与技术。计算机控制是以计算机、自动控制理论、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自

36、动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。综合学科。计算机控制系统简单地说就是以计算机替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成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的简单的替代替代而是一种而是一种升华升华。 随着科学发展、技术进步和对控制要求的提随着科学发展、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，出现了多输入复杂，出现了多输入- -多输出多变量系统、非多输出多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数

37、控制系统。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对这些系统，使用常规控制方法和手段实现十分困难。十分困难。 电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用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于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大飞跃。大飞跃。1. 计算机控制系统产生的原因计算机控制系统产生的原因 微电子技术和计算机技术的发展，为计算机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。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年世界上第一台可以由程序控制的计算机（称为电

38、子数字器与计算器）算机（称为电子数字器与计算器）ENICAENICA诞生诞生以来，人们就试图将这种运算速度快，又能以来，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自动控制系统中来。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采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。任作为控制器所需要的高可靠性。2. 计

39、算机控制技术的发展计算机控制技术的发展世界上第一台电子计算机ENIAC时间：时间：1946年年2月月15日日地点：地点：美国宾夕法尼亚大学莫尔学院美国宾夕法尼亚大学莫尔学院主要人物和单位：主要人物和单位：维纳，约翰维纳，约翰莫克利，冯莫克利，冯诺依诺依曼曼 美国陆军弹道研究所，阿伯丁弹道实验室美国陆军弹道研究所，阿伯丁弹道实验室 计算机名称：计算机名称：ENIAC (电子数字积分计算器电子数字积分计算器) Electronic Numerical Integrator and Calculator运算速度：运算速度：5000次加法次加法/秒秒 ，3/1000秒时间内做秒时间内做完两个完两个10

40、位数乘法位数乘法主要用途：主要用途：弹道计算的数值分析弹道计算的数值分析 主要指标：主要指标：占地占地170M2 / 重量重量30吨吨 / 耗电耗电140KW 18000个电子管个电子管 / 7000个电阻个电阻 / 6000个开关个开关 10000个电容个电容 / 50万条线万条线/45万美元万美元2020世纪世纪5050年代初，美国首先用计算机来完成对年代初，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数据处理。生产过程进行巡检数据采集和数据处理。19591959年美国年美国TRWTRW航空公司和航空公司和TexacoTexaco公司合作成公司合作成功地在得克萨斯州的一家炼油厂将一台

41、计算机投入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在线控制。该控制系统以综合指标出发确定了热水。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。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领域，但这些系统还于化工、钢铁和电力等不同的领域，但这些系统还都是以数据的采集和处理为主。都是以数据的采集和处理为主。19621962年英国帝国化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工公司制造出一套可以直接取代常规仪

42、表对生产过程直接进行控制的计算机控制系统，开创了程直接进行控制的计算机控制系统，开创了直接数直接数字控制字控制的新时期。的新时期。 自自1971世界上第一片四位微处理器的出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，现，微型计算机得以快速发展，1993年年Pentium处理器的出现更使微型计算机在运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。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。实现分散控制创造了良好的条件。 1

43、975年美国年美国Honeywell公司研制成功世界上第一公司研制成功世界上第一套套集散型控制系统集散型控制系统TDC-2000并投入使用，开创了计并投入使用，开创了计算机应用于实际生产过程控制的新纪元。随后一直到算机应用于实际生产过程控制的新纪元。随后一直到80年代末，集散控制系统迅速发展，有几万套集散系年代末，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。造商和使用企业带来了巨大的经济效益。 随着随着3C技术和网络技术的发展，技术和网络技术的发展，现场总线控制现场总线控制系

44、统系统和和网络控制系统网络控制系统应运而生。应运而生。可编程控制器（可编程控制器（PLC）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。 1959年世界上第一台过程控制计算机在年世界上第一台过程控制计算机在美国德克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行。美国德克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行。该系统控制有该系统控制有26个流量、个流量、72个温度、个温度、3个压力个压力和和3个成份个成份.主要用于数据处理和操作指导。主要用于数据处理和操作指导。 1962年英国的帝国化学工业公司实现了年英国的帝国化

45、学工业公司实现了一个一个DDC系统，其中数据采集量为系统，其中数据采集量为244个，它个，它控制控制129个阀门。个阀门。 70年代从传统的集中控制系统革新为分散控年代从传统的集中控制系统革新为分散控制系统制系统(DCS)。世界上几个主要的计算机和仪表制。世界上几个主要的计算机和仪表制造厂于造厂于1975年几乎同时生产集散控制系统。例如，年几乎同时生产集散控制系统。例如，美国美国Honeywell公司的公司的TDC-2000，日本横词公司，日本横词公司的的CENTUM等。等。 80年代推出具有计算机辅助设计年代推出具有计算机辅助设计(CAD)、专、专家系统、控制和管理融为一体的新型分散控制系家

46、系统、控制和管理融为一体的新型分散控制系统。统。 90年代，在流程工业中，计算机管控一体年代，在流程工业中，计算机管控一体化系统，从生产过程的全局出发，通过对生产化系统，从生产过程的全局出发，通过对生产活动所需的各种信息的集成，实现常规的过程活动所需的各种信息的集成，实现常规的过程控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能。管理、经营决策等功能。1.3.2 计算机控制理论与新型计算机控制理论与新型 控制策略控制策略 计算机控制系统理论主要包括：计算机控制系统理论主要包括： 离散系统理论离散系统理论 采样系统理论采样系统理论 数字系统理论

47、数字系统理论 计算机控制理论计算机控制理论采样控制理论采样控制理论离散系统理论离散系统理论 差分方程及差分方程及z变换理论变换理论 常规设计方法常规设计方法 按极点配置的设计法按极点配置的设计法 最优设计方法最优设计方法 系统辨识及自适应控制系统辨识及自适应控制研究离散系统分析和设计的各种方法，包括：研究离散系统分析和设计的各种方法，包括：采样系统理论采样系统理论 采样理论采样理论 连续模型及性能指标的离散化连续模型及性能指标的离散化 性能指标函数的计算性能指标函数的计算 采样控制系统的仿真采样控制系统的仿真 采样周期的选择采样周期的选择除了离散系统的理论外，还包括：除了离散系统的理论外，还包

48、括：数字系统理论数字系统理论 数字信号整量化效应数字信号整量化效应 数字控制器的实现数字控制器的实现数字系统理论除了包括离散系统和采样系统的理论外，数字系统理论除了包括离散系统和采样系统的理论外，还包括：还包括：先进控制技术先进控制技术 鲁棒控制鲁棒控制 预测控制预测控制 模糊控制模糊控制 神经控制神经控制 专家控制专家控制 遗传算法遗传算法 在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控对在常规计算机控制中，我们总是假设已经知道了受控对象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素，如：象的模型，但由于实际中存在种种不确定因素，如： 参数变化；参数变化； 未建模动态特性；未建模动态特性； 平衡点的变化；平衡点的变化； 传感器噪声；传感器噪声； 不可预测的干扰输入；不可预测的干扰输入；等等，所以我们所建立的对象模型只能是实际物理系统的不等等，所以我们所建立的对象模型只能是实际物理系统的不精确的表示。鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存精确的表示。鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在其他变化因素的条件下，使系统仍能保持预期的性