计算机控制技术chapter1

1、 本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。第1章 绪论 计算机控制系统是自动控制理论、自动化技术与计算机技术紧密结合的产物，控制理论的发展，尤其是现代控制理论的发展，与计算机技术息息相关。 利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。 计算机控制系统应用简介 计算机控制系统应用于工业控制实践所提出来的一系列理论与工程上的问题，又进一步促进和推动了控制理论和计算机技术的发展。 计算机控制系统的应用领域非常广泛，不但是国防、航空航

2、天、导弹制导等高精尖学科必不可少的组成部分，而且在现代化的工、农、医等领域也已发挥着越来越重要的作用。 随着计算机技术、高级控制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大大提高。 计算机控制系统应用简介1.1 计算机控制系统概述1.2 工业控制机的组成结构及特点1.3 计算机控制的发展与展望内 容 计算机控制系统的应用领域非常广泛，控制对象和控制任务可从小到大，从简单到复杂，小到控制单个电机的运转或阀门的开关，大到可以控制和管理一条生产线、一个车间乃至整个企业；既可以是单回路参数的简单控制，又可以是复杂控制规律的自适应控制、最优控制、模糊控制和神经控制等。下面首先通过几个

3、典型的计算机控制系统介绍，以了解计算机控制系统的使用、组成结构、功能以及特点，进而给出计算机控制系统的分类。 1.1 计算机控制系统概述1.1.1 典型的计算机控制系统1.1.2 计算机控制系统的典型形式1.1.3 计算机控制系统的主要特征 计算机控制系统 (1)计算机控制系统的原理n自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。 1.1.1 典型的计算机控制系统控制器被控对象被测量 计算机控制系统 (1)计算机控制系统的原理 微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。图1-1给出了按偏

4、差进行控制的闭环控制系统框图。 图1-2中给出了开环控制系统框图。它与闭环控制系统不同，它的控制器直接根据给定信号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。与闭环控制系统相比，它的控制性能较差。 如果把图1-1中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如图1-3所示。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。 1.1.1 典型的计算机控制系统 计算机控制系统 (2)在线方式和离线方式 在线方式（或联机方式）： 在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算

5、机控制的方式。 离线方式（脱机方式）：生产过程不与计算机相连，并且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式。 (3)实时的含义 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。1.1.1 典型的计算机控制系统控制器执行机构被控对象变换发送单元给定信号被控参数测量元件+-图1-1 闭环控制系统框图图1-2 开环控制系统框图控制器被控对象执行机构给定信号被控参数图1-3 计算机控制系统基本框图AD转换器DA转换器被控对象执行机构被控参数微处理器微型计算机给定信号返回典型

6、计算机控制系统的组成 计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。计算机控制系统的组成框图如图1-4所示。 工业控制机：指按生产过程控制的特点和要求来设计的计算机，它包括硬件和软件两个部分。 生产过程：包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。工业控制机生产过程CPU/MEM人机接口系统支持板磁盘适配器内部总线模拟量输入（AI）通道模拟量输出（AO）通道数字量输入（DI）通道数字量输出（DO）通道测量变送执行机构电气开关电气开关被控对象图1-4 计算机控制系统的组成框图 微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如图1-5所示。图1-5 微

7、型计算机控制系统原理图硬件组成硬件组成1. 主机主机 (1) 采用一台或多台计算机，采用一台或多台计算机，是计算机控制系统的是计算机控制系统的核心核心； (2) 通过通过接口和输入接口和输入/输出输出(I/O)通道通道，接收检测设备接收检测设备传来的信息，并向控制系统的各部件发出命令传来的信息，并向控制系统的各部件发出命令； (3) 对系统的各个参数进行对系统的各个参数进行巡回检测、数据处理、巡回检测、数据处理、控制计算、分析报警、逻辑报警控制计算、分析报警、逻辑报警等。等。2. 接口和输入接口和输入/输出通道输出通道 (1) 是主机和被控对象之间进行信息交换的纽带是主机和被控对象之间进行信息

8、交换的纽带； (2) 接口按功能分：并行接口、串行接口、接口按功能分：并行接口、串行接口、D/A和和A/D接口；接口； (3) 通道按处理信息分：模拟量通道按处理信息分：模拟量I/O通道、数字量通道、数字量I/O通道、开关量通道、开关量I/O通道。通道。硬件组成硬件组成3. 通用外部设备通用外部设备 (1) 是计算机系统与操作人员交换界面，是计算机系统与操作人员交换界面，通常用来完通常用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传输等功能成信息的记录、存储、显示、打印、传输等功能； (2) 常用通用设备包括：显示器、打印机、键盘、鼠常用通用设备包括：显示器、打印机、键盘、鼠标、磁盘驱动器、大屏幕等。

9、标、磁盘驱动器、大屏幕等。4. 检测元件、仪表检测元件、仪表 (1) 检测元件、仪表检测元件、仪表用于测量生产对象中的某些参数，用于测量生产对象中的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量表示并将非电量的被测参数转换为电量表示； (2) 检测元件和仪表的精度直接影响计算机控制系统检测元件和仪表的精度直接影响计算机控制系统的精度；的精度； (3) 执行机构执行机构接收接收CPU的命令使被控对象完成规定的的命令使被控对象完成规定的控制动作控制动作。5. 操作台操作台 (1) 用来实现人机之间的交互功能用来实现人机之间的交互功能； (2) 功能：功能： 向计算机输入程序，修改、发送数据，输出操作向计

10、算机输入程序，修改、发送数据，输出操作命令；命令； 通过显示器显示控制系统的状态；通过显示器显示控制系统的状态； 监视整个生产过程及各个回路的实时参数和工作监视整个生产过程及各个回路的实时参数和工作状态。状态。硬件组成硬件组成 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统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。1.1.1 典型的计算机控制系统系统系统软件软件操作系统语言及处理程序工具软件数据库及信息管理系统进程管理，存储管理，设备管理，文件管理汇编语言，高级语言，解释或编译程序编辑、链接、诊断、系统维

11、护程序应用应用软件软件公共服务程序检测程序控制程序基本运算，函数运算，数制转换程序巡回检测，数据处理，上下限检查及报警，数字滤波，过程分析程序PID算法，最优控制，系统辨识，直接数字控制1.1.2 计算机控制系统的典型形式 根据计算机控制系统的功能及结构特点,可以将计算机控制系统大致分为: 操作指导控制系统 直接数字控制系统DDC 监督控制系统SCC 分散控制系统DCS 现场总线控制系统 操作指导控制系统的构成如图1-6所示。它属于开环控制型结构。这时计算机的输出与生产过程的各个控制单元不直接发生联系，控制动作实际上由操作人员接受计算机指示去完成。 计算机根据一定的控制算法、依据过程输入通道（

12、模拟量输入通道AI或开关量输入通道DI）输入的由测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机的输出信息，如CRT显示图形或数据、打印机输出等去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。 图1-6 操作指导控制系统组成框图 DDC的构成如图1-3所示。 计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回检测，经过程输入通道输入计算机，并根据规定的控制规律和给定值进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使各个被控制量达到预定的要求。 在DDC系统中，计算机不仅能完全取代模拟调节器参加闭环控制过程，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制规律

13、，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。 由于计算机直接与生产过程相连并承担控制任务，且工业现场环境比较恶劣，干扰多，故要求DDC计算机可靠性高，实时性好，抗干扰能力强，能独立工作。所以一般选用微型机和工控机作为DDC的计算机。DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的最典型的一种系统。在DDC系统中使用计算机作为数字控制器，在热工、化工、机械、冶金等部门已获得广泛应用。 如图1-7所示。在此系统中，由计算机系统对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型，计算出最佳给定值并送给模拟调节器。此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后，其偏差值经模拟调节器计算，然后输出到执行机构，以达到调节

14、生产过程的目的。当SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。监督控制系统有两种不同的结构形式： SCC模拟调节器 SCCDDC控制系统。 如图1-8所示。这实际上是一个两级计算机控制系统，一级为监控级SCC，另一级为DDC。监控级SCC的作用与SCC模拟调节器系统中的SCC一样，完成车间或工段等高一级的最优化分析和计算，并给出最佳给定值送给DDC级直接控制生产过程。两级计算机之间通过接口进行信息交流，当DDC级计算机出现故障时，可由SCC级计算机完成DDC的控制功能。因此，大大提高了系统的可靠性。 由于SCC级计算机承担了先进控制、过程优化与部分管理任务，信息存储量大，计算任务重，故

15、要求有较大的内存与外存和较为丰富的软件，所以一般选用高档微型机或小型机作为SCC级计算机。管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程.管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关.图1-7 SCC+模拟调节器控制系统原理图 图1-8 SCC+DCC控制系统原理图 集散控制系统（Distributed Control SystemDCS），又称分散或分布式控制系统分级计算机控制系统，是一个四级系统。各级计算机的功能如图1-9所示。 由于计算机控制和管理范围的缩小，使其应用灵活方便，可靠性增高；特点 装置控制级（DDC级） 车间监督级（S

16、CC级） 工厂集中控制级（MIS） 企业管理级（MIS） 将控制功能和危险性分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理； 电缆和敷缆成本低，易于施工，且施工周期短。 系统采用积木式结构，构成灵活，易于扩展； 采用CRT显示技术和智能操作平台，使操作、监视方便；企业级经营管理计算机工厂级集中控制计算机车间级监控计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D至其它工厂至其它工厂装置控制级（DDC）图1-9 分级计算机控制系统图图1.9 分散控制系统的典型结构分散控制系统的典型结构

17、Management NetworkSupervision NetworkControl NetworkFieldNetwork(1) 现代工业企业中需要测控的对象种类多、数量大，被测点不集中。除需要现代工业企业中需要测控的对象种类多、数量大，被测点不集中。除需要对生产过程进行自动控制外，有些部门希望在更高的层次上实现对生产过程对生产过程进行自动控制外，有些部门希望在更高的层次上实现对生产过程的调度和管理的自动化；的调度和管理的自动化；(2) 控制分散，管理集中；控制分散，管理集中；(3) 特点：特点： 可靠性高可靠性高 控制功能分散，单台计算机控制任务减少，功能明确控制功能分散，单台计算机控

18、制任务减少，功能明确 速度快速度快 各级计算机并行工作，数据采集、处理和控制分散到个各级计算机并行工作，数据采集、处理和控制分散到个子系统子系统 系统模块化系统模块化 控制分散、功能重复，便于采用模块化结构控制分散、功能重复，便于采用模块化结构 成本低成本低 不同场合可选用不同档次计算机和外设不同场合可选用不同档次计算机和外设(4) 别名：别名：集散控制系统、分布式控制系统集散控制系统、分布式控制系统实例实例：MTPL-2000生产线控制系统结构生产线控制系统结构实例：实例：南京科远自动化集团股份有限公司产品南京科远自动化集团股份有限公司产品 实例：实例：浙江威盛自动化有限公司产品浙江威盛自动

19、化有限公司产品 现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）是新一代分布式控制系统。采用了不同于DCS的结构模式：“工作站现场总线智能仪表”的二层结构，完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构。因此，FCS是一种正在发展的很有前途的计算机控制系统。1. 什么是现场总线什么是现场总线 是指连接是指连接智能现场设备智能现场设备和和自动化系统自动化系统的的数字式、双向传输、多分数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络支结构的通信控制网络。 现场总线概念是现场总线概念是20世纪世纪80年代提出的，发展至今，

20、已经形成了多年代提出的，发展至今，已经形成了多种多样的现场总线。种多样的现场总线。 市场上流行的主要有：市场上流行的主要有：CAN（控制局域网络）、（控制局域网络）、LonWorks（局（局部操作网络）、部操作网络）、Profibus（过程现场总线）、（过程现场总线）、HART（可寻址远程传（可寻址远程传感器数据通路）、感器数据通路）、FF（现场总线基金会）现场总线等。（现场总线基金会）现场总线等。 现场总线不仅仅是一个通信协议，也不仅仅是用智能仪表代替传现场总线不仅仅是一个通信协议，也不仅仅是用智能仪表代替传统模拟仪表，而是一个完整的控制系统框架，代替了传统的集散控制统模拟仪表，而是一个完整

21、的控制系统框架，代替了传统的集散控制系统系统DCS，实现了现场通信网络与控制系统的集成。，实现了现场通信网络与控制系统的集成。2. 现场总线的特点现场总线的特点 FCS是由是由DCS发展而来的，如下图所示。发展而来的，如下图所示。 DCS 和和FCS结构示意图结构示意图 (1) 全数字通信全数字通信 传统的传统的DCS采用采用420mA模拟信号传输方式。该种传输方式是一模拟信号传输方式。该种传输方式是一对一方式（一对传输电缆只能传送一路信号），因此中央控制主机对一方式（一对传输电缆只能传送一路信号），因此中央控制主机就不能得到除测量或控制信号以外的其他控制信息。而且，模拟信就不能得到除测量或控

22、制信号以外的其他控制信息。而且，模拟信号在传输过程中很容易被其他信号或环境噪声所干扰，传输精度不号在传输过程中很容易被其他信号或环境噪声所干扰，传输精度不高，经常成为改善控制性能的一块拦路石，即使控制器再好，控制高，经常成为改善控制性能的一块拦路石，即使控制器再好，控制效果总不太理想。效果总不太理想。 现场总线采用完全的数字信号传输。该种传输方式使得现场总线采用完全的数字信号传输。该种传输方式使得信号的信号的检错、纠错机制检错、纠错机制得以实现，因此它的得以实现，因此它的抗干扰能力和鲁棒性都比较高，抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度明显提高传输精度明显提高。 全数字通信使得多参数传输得以实现

23、全数字通信使得多参数传输得以实现。现场设备的测量、控制。现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息，如设备类型、型号、厂商信息、量程、信息以及其他非控制信息，如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何设备，如中央控制器等，从而消除了模拟信号的传输瓶颈。设备，如中央控制器等，从而消除了模拟信号的传输瓶颈。 2. 现场总线的特点现场总线的特点鲁棒性鲁棒性 鲁棒是鲁棒是Robust的音译，也就是健壮和强壮的意思。的音译，也就是健壮和强壮的意思。 鲁棒性（鲁棒性（robustness）就是系统的

24、健壮性。它是在异）就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。 所谓所谓“鲁棒性鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小），是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭

25、环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。鲁棒性鲁棒性 鲁棒性原是统计学中的一个专门术语，鲁棒性原是统计学中的一个专门术语，2020世纪世纪7070年年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。系统对特性或参数摄动的不敏感性。 在实际问题中，系统特性或参数的摄动常常是不可在实际问题中，系统特性或参数的摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面，一个是由于避免的。产生摄动的原因主要有两个方面，一个是由于量测的不精确使特性或参数的实际值会偏离

26、它的设计值量测的不精确使特性或参数的实际值会偏离它的设计值（标称值），另一个是系统运行过程中受环境因素的影（标称值），另一个是系统运行过程中受环境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此，鲁棒性已成为响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此，鲁棒性已成为控制理论中的一个重要的研究课题，也是一切类型的控控制理论中的一个重要的研究课题，也是一切类型的控制系统的设计中所必须考虑的一个基本问题。制系统的设计中所必须考虑的一个基本问题。鲁棒性鲁棒性 对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统，所涉及的领对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统，所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系域包括

27、稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性（频率域内表征控制系统稳定性裕量的一种性统的相对稳定性（频率域内表征控制系统稳定性裕量的一种性能指标）和不变性原理（自动控制理论中研究扼制和消除扰动能指标）和不变性原理（自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论）有着密切的联系，内模原理（把外部对控制系统影响的理论）有着密切的联系，内模原理（把外部作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理）的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推的一种设计原理）的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。当系

28、统中存在模型摄动或随机干扰等不确定性因素时动作用。当系统中存在模型摄动或随机干扰等不确定性因素时能保持其满意功能品质的控制理论和方法称为鲁棒控制。早期能保持其满意功能品质的控制理论和方法称为鲁棒控制。早期的鲁棒控制主要研究单回路系统频率特性的某些特征，或基于的鲁棒控制主要研究单回路系统频率特性的某些特征，或基于小摄动分析上的灵敏度问题。现代鲁棒控制则着重研究控制系小摄动分析上的灵敏度问题。现代鲁棒控制则着重研究控制系统中非微有界摄动下的分析与设计的理论和方法。统中非微有界摄动下的分析与设计的理论和方法。鲁棒性鲁棒性 控制系统的一个鲁棒性是指控制系统在某种类型的扰控制系统的一个鲁棒性是指控制系统

29、在某种类型的扰动作用下，包括自身模型的扰动下，系统某个性能指标保动作用下，包括自身模型的扰动下，系统某个性能指标保持不变的能力。持不变的能力。 对于实际工程系统，人们最关心的问题是一个控制系对于实际工程系统，人们最关心的问题是一个控制系统当其模型参数发生大幅度变化或其结构发生变化时能否统当其模型参数发生大幅度变化或其结构发生变化时能否仍保持渐近稳定，这叫稳定鲁棒性。进而还要求在模型扰仍保持渐近稳定，这叫稳定鲁棒性。进而还要求在模型扰动下系统的品质指标仍然保持在某个许可范围内，这称为动下系统的品质指标仍然保持在某个许可范围内，这称为品质鲁棒性。鲁棒性理论目前正致力于研究多变量系统具品质鲁棒性。鲁

30、棒性理论目前正致力于研究多变量系统具有稳定鲁棒性和品质鲁棒性的各种条件。它的进一步发展有稳定鲁棒性和品质鲁棒性的各种条件。它的进一步发展和应用，将是控制系统最终能否成功应用于实践的关键。和应用，将是控制系统最终能否成功应用于实践的关键。 (2) 多分支结构多分支结构 网络拓扑可分为：总线型、星型、树型等多种形式。网络拓扑可分为：总线型、星型、树型等多种形式。 该结构不仅大大节约了布线电缆，而且是布线简单、工程安装该结构不仅大大节约了布线电缆，而且是布线简单、工程安装周期短，维护也方便。周期短，维护也方便。 具有系统扩展性，如增加新的设备只需并行挂接即可，无需架具有系统扩展性，如增加新的设备只需

31、并行挂接即可，无需架设新的电缆，也无需系统停机。设新的电缆，也无需系统停机。 (3) 现场设备状态可控现场设备状态可控 通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加：功能模块组态、通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加：功能模块组态、参数状况、诊断和验证数据、设备材质和过程条件等。参数状况、诊断和验证数据、设备材质和过程条件等。 操作人员可在控制室对上述信息进行管理和利用：对现场设备操作人员可在控制室对上述信息进行管理和利用：对现场设备进行预防性维护，对现场设备进行参数调整和标定等。进行预防性维护，对现场设备进行参数调整和标定等。 系统会自动探测到新的设备，也能及时识别失效设备。系统会自动探测到

32、新的设备，也能及时识别失效设备。2. 现场总线的特点现场总线的特点 (4) 互操作性和互换性互操作性和互换性 现场总线是现场总线是开放的协议开放的协议，不同厂商生产的符合同一现场总线协，不同厂商生产的符合同一现场总线协议的设备可以连接在一起，统一组态和协同工作。议的设备可以连接在一起，统一组态和协同工作。 来自不同厂家的相同类型设备还可以互换，而无需专用的驱动程来自不同厂家的相同类型设备还可以互换，而无需专用的驱动程序，彻底地改变了传统控制系统控制层的封闭性和专用性。序，彻底地改变了传统控制系统控制层的封闭性和专用性。 因此，用户可以选用不同厂家的最好的设备和系统，而不必担因此，用户可以选用不

33、同厂家的最好的设备和系统，而不必担心兼容性，也不必为集成不同品牌的产品而增加额外的投资。心兼容性，也不必为集成不同品牌的产品而增加额外的投资。 (5) 控制分散控制分散 现场总线采用完全分散式控制。现场总线采用完全分散式控制。 现场设备既有检测、变换、工程量处理和补偿工，也有运算和现场设备既有检测、变换、工程量处理和补偿工，也有运算和控制功能。控制功能。 通过现场总线，将传统通过现场总线，将传统DCS、PLC等控制系统复杂的控制任务等控制系统复杂的控制任务进行分解，分散于现场设备中，由现场变送器或执行机构构成控制进行分解，分散于现场设备中，由现场变送器或执行机构构成控制回路，并行实现各部分的控

34、制。同时也简化了系统结构，提高了系回路，并行实现各部分的控制。同时也简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。统的可靠性、自治性和灵活性。2. 现场总线的特点现场总线的特点 (6) 统一组态统一组态 由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所以制造商由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所以制造商都使用相同的功能块，这样就是组态变得非常简单，用户不需要因都使用相同的功能块，这样就是组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同带来组态方法的不同而进行培训或为现场设备或现场仪表种类不同带来组态方法的不同而进行培训或学习组态方法及编程语言。学习组态方法及编程语言。

35、(7) 系统开放系统开放 现场总线标准实现了完全开放，无专利许可要求，面向世界上现场总线标准实现了完全开放，无专利许可要求，面向世界上任何一个制造商和用户。任何一个制造商和用户。 不同制造商生产的设备之间可实现完全的信息交换，用户可以不同制造商生产的设备之间可实现完全的信息交换，用户可以按自己的需要和考虑，自由集成来自不同厂商的产品，规模可大可小，按自己的需要和考虑，自由集成来自不同厂商的产品，规模可大可小，既可以与同层网络互联，也可以与不同层网络互联。既可以与同层网络互联，也可以与不同层网络互联。 系统集成的主动权完全掌握在用户而不是供应商或集成商手中。系统集成的主动权完全掌握在用户而不是供

36、应商或集成商手中。 一个全数字化、全分散式、可互操作、开放式互联网络的现一个全数字化、全分散式、可互操作、开放式互联网络的现场总线控制系统是自动控制系统的发展趋势。场总线控制系统是自动控制系统的发展趋势。2. 现场总线的特点现场总线的特点实例实例1. 实时性实时性 实时性是指系统在限定时间内对外部事物最初反应的特性，实时性是指系统在限定时间内对外部事物最初反应的特性，限定时间的长短因生产过程不同而变化，主要考虑一下两方面限定时间的长短因生产过程不同而变化，主要考虑一下两方面因素：因素： （1 1）生产过程只能够出现的事件持续时间；生产过程只能够出现的事件持续时间； （2 2）计算机控制系统在这

37、段时间能否对出现的事件作出计算机控制系统在这段时间能否对出现的事件作出必要的及时的反应。必要的及时的反应。 为了取得较好的实时性，应当选用为了取得较好的实时性，应当选用速度高的计算机和配套速度高的计算机和配套的外部通道与接口的外部通道与接口。 2. 良好的输入良好的输入/输出能力输出能力 （1 1）计算机控制系统控制量：计算机控制系统控制量：模拟量、数字量和开关量模拟量、数字量和开关量； （2 2）计算机控制系统需要与多种计算机控制系统需要与多种仪器仪表、执行机构、传仪器仪表、执行机构、传输接口、各种外设输接口、各种外设相联系；相联系； （3 3）计算机控制系统应当有计算机控制系统应当有很强的

38、很强的I/OI/O能力，足够多的能力，足够多的I/OI/O通道和扩充能力通道和扩充能力。 3. 标准化和系列化标准化和系列化 （1 1）应尽量采用国际上应尽量采用国际上通用的计算机、总线、接口和各通用的计算机、总线、接口和各种器件；种器件； （2 2）标准化和系列化的器件标准化和系列化的器件可降低成本、提高系统的性可降低成本、提高系统的性能，避免低层次重复性开发，缩短设计、制造、调试和生产的能，避免低层次重复性开发，缩短设计、制造、调试和生产的周期。周期。4. 模块化的系统结构模块化的系统结构 计算机各部分按功能可划分成若干模块，对不同的控制系计算机各部分按功能可划分成若干模块，对不同的控制系

39、统采用不同的模块进行组合和设计。这样，可大大提高系统的统采用不同的模块进行组合和设计。这样，可大大提高系统的开发效率和系统的可靠性，主要体现在：开发效率和系统的可靠性，主要体现在： （1 1）用现成的功能模块可用现成的功能模块可迅速配套组成各种不同类型的系迅速配套组成各种不同类型的系统；统； （2 2）功能模块由企业成批生产，可使功能模块由企业成批生产，可使产品质量稳定、价格产品质量稳定、价格低廉；低廉； （3 3）系统的系统的结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。 5. 可靠性可靠性 计算机控制系统的工作环境往往十分恶劣，控制现场存在着温度、计算机控制系统的

40、工作环境往往十分恶劣，控制现场存在着温度、湿度、粉尘、震动、电磁干扰、电压不稳定等干扰因素，因此必须采取湿度、粉尘、震动、电磁干扰、电压不稳定等干扰因素，因此必须采取一系列措施防止干扰，提高系统的可靠性。一系列措施防止干扰，提高系统的可靠性。计算机控制系统应当符合计算机控制系统应当符合一下要求：一下要求： （1 1）平均无故障时间（平均无故障时间（Mean Time Before Failures, MTBF） 可利用冗余技术来提高控制系统的可靠性。可利用冗余技术来提高控制系统的可靠性。 （2 2）抗干扰能力强抗干扰能力强 应当采用抗干扰能力强的应当采用抗干扰能力强的工业级电源、底线隔离、屏蔽

41、地线、工业级电源、底线隔离、屏蔽地线、浮空浮空等技术，防止等技术，防止电网波动带来的脉冲干扰和由传感器、执行器电网波动带来的脉冲干扰和由传感器、执行器引入的地线干扰引入的地线干扰。 （3 3）具有定时自动启动和硬件自检功能具有定时自动启动和硬件自检功能 应配有应配有自检和自诊断电路自检和自诊断电路，应能在运行中，应能在运行中定时对主机和定时对主机和I/OI/O通道进行自检通道进行自检，当，当系统硬件发生故障或收到干扰使控制程序偏离系统硬件发生故障或收到干扰使控制程序偏离时，能报警和重新启动时，能报警和重新启动。v1.2.1 工业控制机的组成v1.2.2 工业控制机的总线结构v1.2.3 工控机

42、特点工业控制机包括硬件和软件两个部分。 主机板、内部总线和外部总线、人-机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。 软件是指能够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。通常由系统软件、支持软件和应用软件组成。（1）系统软件：DOS、 WINDOWS （2）支持软件：汇编语言、高级语言、编译语言（3）应用软件：针对具体控制对象而开发的软件口等。 总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部个组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送与通信。总线是计算机控制系统的重要组成部分，包括内部总线和外部总线。 内部总线是计算机内部功能模板之间进行

43、通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。尽管各种内部总线数目不同，但按功能仍可分为：数据总线(Data Bus,DB)、地址总线(Address Bus,AB)、控制总线(Control Bus,CB)、电源总线(Power Bus,PB)四部分。总线工控机总线位总线位计算机总线内部总线STDPCIVESAEISAPCISA168 外部总线是计算机与计算机之间或计算机与其他智能设备之间进行通信的连线。常用的外部总线 串行总线 串行总线是计算机与计算机之间或计算机与其他智能设备之间进行串行通信的连线。常用的串行总线有RS-232C、RS-422、RS-485等。 并行总线 IEEE-

44、488并行总线也称GPIB(General PurposeInterface Bus)总线，60年代中期，美国HP(惠普)公司就开始研究如何解决接口标准化问题，并发表了接口系统，命名为HP-IB。1975年，IEEE以HP-IB为基础，制定了IEEE-488标准接口总线(GPIB)。目前该总线大量应用与船舶电气仪表中。（1） 可靠性、可维修性好（2） 环境适应性强（3） 控制的实时性（实时操作系统和强的中断系统）（4） 完善的输入/输出通道（5） 丰富的软件适当的运算速度（几万几百万次/ 秒）1.3 计算机控制的发展与展望 1.3.1 现代计算机控制系统概论 1.3.2 计算机控制系统发展趋势

45、 1.3.3 现代控制策略 1.3.4 智能控制策略开创时期（19551962年）直接数字控制时代（19621967年）小型计算机时期（19671972年）微型计算机时期（1972至今）采样定理差分方程Z变换法状态空间理论最优控制与随机控制代数系统理论系统辨识与自适应控制普及应用PLC广泛使用智能调节仪（4-20mA, RS-232/485）采用新型的DCS和FCS分级递阶智能控制系统模糊控制系统专家控制系统学习控制系统神经网络控制系统1.3.3 现代控制策略自适应控制变结构控制 鲁棒控制预测控制等目前，研究和工业应用较多的现代控制策略主要有：1.3.3 现代控制策略 自适应控制是针对对象特性

46、的变化、漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的，其基本思想是通过在线辨识使这种影响逐渐降低乃至消除。自适应控制有模型参考自适应控制和自校正控制两类。 自适应控制是一种逐渐修正、渐进趋向期望性能的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况，而不适用于环境干扰强的工业场合和比较复杂的生产过程。1.3.3 现代控制策略 首先，变结构控制中的“结构”不是指系统本身的物理结构，而是系统在状态空间中的状态轨迹的总体几何性质。其次，变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，与其他控制策略的区别在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当时的状态，以跃变的方式、有目的地不断变化，迫使系统按预定的“滑动模态

47、”的状态轨迹运动。 其优点在于它具有快速响应、对参数及外扰变化不灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单。但其设计比较复杂，且在状态轨迹到达滑模平面后，难以严格沿着滑模面向平衡点滑动，而窑在滑模面两侧来回穿越，产生颤动。这些限制了它的应用。1.3.3 现代控制策略 控制系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动小保持不变的程度（或对扰动不敏感的程度）。其基本思想是在设计中设法使系统对模型的变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，品质也保持在工程所能接受的的范围内。鲁棒控制主要有代数方法和频域方法，前者的研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式，讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制；后者是

48、从系统的传递函数矩阵出发，通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的范数取极小，来设计出相应的控制规律。鲁棒控制的理论研究十分热烈，取得了一系列成果，但其应用主要集中在飞行器、柔性结构、机器人上，而较少应用在工业过程控制领域中。其原因在于缺乏良好的设计方法，设计出的控制器可能高达数十阶，难以实现。1.3.3 现代控制策略 预测控制是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略，其基本思想类似于人的思维和决策，即根据头脑中对外部世界的了解，通过快速思维不断比较各种方案可能造成的后果，从中择优予以实施。它的各种算法是建立在模型预测滚动优化反馈校正等三条基本原理上的，其核心是在线滚动优化。这种“边走边看”的滚动优化控制策略可以随时顾及模型失配、时变、非线性或其他干扰因素等不确定性，及时进行弥补，减少偏差，以获得较高的综合控制质量。预测控制集建模、优化和反馈于一体，三者滚动进行，其深刻的控制思想和优良的控制效果，一直为学术界和工业界所瞩目。目前，国外已开发出商品化的预测控制软件包。但其缺点是在建模中未充分利用过程的知识，且计算耗时、工作量大。智能控制是自动控制与人工智能相结合的产物，其典型的控制方法有： 模糊控制专家控制神经控制遗传算法 模糊控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制不需要建立控制