计算机控制技术

1、计算机控制技术及工程应用 林敏 编著课时：32教师：吴正华电话箱：第一章第一章 计算机控制概述计算机控制概述本章要点本章要点: 1.了解计算机控制系统的构成原理了解计算机控制系统的构成原理2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。3. 初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类 本章主要内容本章主要内容 引言引言 1.1 1.1 计算机控制系统组成计算机控制系统组成 1.2 计算机控制系统分类计算机控制系统分类 1.3 计算机控制装置种类计算机控制装置种类 本章小结本章小结 思考题思考题 引言

2、引言 计算机控制技术计算机控制技术-是把是把计算机技术计算机技术与与自动化自动化控制系统控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。 从从计算机应用的角度计算机应用的角度出发，自动化控制工程出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；是其重要的一个应用领域； 从从自动化控制的领域自动化控制的领域来看，计算机技术又是来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。一个主要的实现手段。 本书立足于工业自动化的领域，讨论这种不本书立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的同于普通计算机

3、的计算机控制系统的结构组成、计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用相关技术及其工程应用。链接动画链接动画下图为下图为一个制药车间的自动化生产流程。一个制药车间的自动化生产流程。1.1 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成主要知识点主要知识点:1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念计算机控制系统计算机控制系统是由常规仪表控制系统是由常规仪表控制系统演变而来的演变而来的; ;常规仪表控制系统常规仪表控制系统，一般分成，一般分成闭环控制闭环控制

4、( (图图1-1a1-1a所示所示) )与与开环控制开环控制( (图图1-1b1-1b所示所示) )两种结构形式两种结构形式; ;计算机控制系统计算机控制系统用控制计算机代替图用控制计算机代替图1-11-1的控制器，如图的控制器，如图1-21-2所示；所示； （1 1）闭环控制系统）闭环控制系统 被控对象被控对象 被控量被控量 测量变送器测量变送器 测量值测量值 给定值给定值 偏差输入偏差输入 控制器控制器 控制规律控制规律 控制信号控制信号 执行器执行器 操纵变量操纵变量 按偏差进行控制的闭环反馈控制系统按偏差进行控制的闭环反馈控制系统euqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送

5、器测量变送器偏差偏差给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 测量值测量值r+_zf干扰干扰图图1-1(a) 闭环控制系统闭环控制系统（2）开环控制系统）开环控制系统给定值给定值 控制器控制器 控制作用控制作用 执行器执行器 被控对象被控对象按给定值直接进行控制的开环控制系统按给定值直接进行控制的开环控制系统uqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 r(b) (b) 开环控制系统开环控制系统（3 3）计算机闭环控制系统原理组成）计算机闭环控制系统原理组成 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 A/DA/D转换器转换器

6、D/AD/A转换器转换器 控制计算机控制计算机 把常规仪表控制系统中的控制器用控制计算机即计算机及把常规仪表控制系统中的控制器用控制计算机即计算机及A/DA/D（模（模/ /数）转换接口与数）转换接口与D/AD/A（数（数/ /模）转换接口代替。模）转换接口代替。 +re偏偏差差计计算算机机D/A执执行行器器被被控控对对象象uqyA/D测测量量变变送送器器z测测量量值值给给定定值值控控制制计计算算机机生生产产过过程程控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量图图1 1- -3 3 计计算算机机控控制制系系统统原原理理框框图图- 图图1-2 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图 （4 4）

7、计算机控制系统的监控过程步骤）计算机控制系统的监控过程步骤a.a.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对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入瞬时值进行采集和输入 ；b.b.实时数据处理实时数据处理-对采集到的被控量进行分析、对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；律运算，进行控制决策； c.c.实时输出控制实时输出控制-根据控制决策，适时地对执行根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任器发出控制信号，完成监控任务；务； 1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成计算机控制系统硬件一般包括：计算机控制系

8、统硬件一般包括：主机主机-CPU CPU RAMRAMROMROM系统总线系统总线 常规外部设备常规外部设备-输入输入/ /输出设备、外存储器等输出设备、外存储器等过程输入输出通道过程输入输出通道AIAI、AOAO、DIDI、DODO操作台操作台CRTCRT、LEDLED、LCDLCD 等等通信设备通信设备交换机、交换机、modemmodem、集线器等、集线器等图图 1-31-3所示硬件组成框图所示硬件组成框图CPURAMROM输输入入设设备备输输出出设设备备外外存存储储器器通通信信设设备备操操作作台台接接口口接接口口接接口口接接口口接接口口系系统统总总线线工工业业对对象象接接口口接接口口接接

9、口口接接口口换换转转换换转转开开关关输输出出开开关关输输入入测测量量变变送送驱驱动动执执行行过过程程输输入入输输出出通通道道计计算算机机基基本本系系统统主主机机常常规规外外部部设设备备图1-4 计算机控制系统硬件组成框图D/AA/D 图图1-3 1-3 计算机控制系统硬件组成框图计算机控制系统硬件组成框图 链接动画链接动画1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成硬件仅为计算机控制系统的躯体。硬件仅为计算机控制系统的躯体。软件软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程

10、序指挥下协调工作的。动作都是在软件程序指挥下协调工作的。软件通常分为软件通常分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类；两大类；1.2 控制系统分类 主要知识点主要知识点1.2.1 1.2.1 数据采集系统（数据采集系统（DASDAS）1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统 (OGC)(OGC)1.2.3 1.2.3 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）1.2.4 1.2.4 监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（SCCSCC）1.2.5 1.2.5 分散控制系统（分散控制系统（DCSDCS）1.2.6 1.2.6 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FC

11、SFCS）1.2.7 1.2.7 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS）1.2.11.2.1 数据采集系统数据采集系统（DASDAS）计计 算算 机机工工业业对对象象器器换换转转D/A采采样样器器测测量量元元件件统统系系集集采采据据数数1 1图图5 5- -显显 示示 终终 端端打打 印印 机机 数据采集系统数据采集系统(Data Acquisition System)(Data Acquisition System)是所是所有计算机控制系统的基础。有计算机控制系统的基础。 链接动画链接动画计计 算算 机机工工业业对对象象器器换换转转D/A采采样样器器测测量量元元件件显显示

12、示终终端端打打印印机机控控制制仪仪表表 图图1 1- -6 6 操操作作指指导导控控制制系系统统链接动画链接动画 操作指导控制系统操作指导控制系统(Operation Guide Control)(Operation Guide Control) - -基于数据采集系统的一种开环结构基于数据采集系统的一种开环结构1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统(OGC)(OGC)计计算算机机生生产产过过程程显示显示打印机打印机报警报警操作台操作台）ID，D/A（入入输输程程过过）OD，A/ D（出出输输程程过过图图1-7 1-7 直接数字控制系统直接数字控制系统链链接接动动画画 直接数

13、字控制系统（直接数字控制系统（Direct Digital ControlDirect Digital Control）-是用一台是用一台计算机完成对多个被控参数的数据采集，且按一定的控制规律进行计算机完成对多个被控参数的数据采集，且按一定的控制规律进行实时决策，并通过输出通道发出控制信号以实现对生产过程的闭环实时决策，并通过输出通道发出控制信号以实现对生产过程的闭环控制。控制。1.2.3 1.2.3 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）工工艺艺数数据据工工艺艺数数据据显显示示打打印印报报警警显显示示打打印印报报警警机机算算计计CCS机机算算计计CCS测测量量测测量量控控制制控控

14、制制模拟控制器CDD生生产产过过程程生生产产过过程程用用计计算算机机(a)统统系系器器制制控控拟拟模模+ +CCS图图1 1- -8 8 监监督督计计算算机机控控制制系系统统的的两两种种结结构构形形式式给给定定值值给给定定值值采采集集采采集集统统系系制制控控CDD+CCS (b)链链接接动动画画1.2.41.2.4监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（SCCSCC） 监督计算机控制系统监督计算机控制系统（Supervisory Computer ControlSupervisory Computer Control）-是是OGCOGC系统与常规仪表系统或与系统与常规仪表系统或与DDCDDC系

15、统综合而成的两级系统。系统综合而成的两级系统。1.2.5 1.2.5 分散控制系统（分散控制系统（DCSDCS） 分散控制系统（分散控制系统（Distributed Control SystemDistributed Control System）-是以微处理是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。的先进计算机控制系统。链接动画链接动画运运行行员员操操作作站站工工程程师师工工作作站站计算站计算站管管理理级级监监控控级级控控制制级级现现场场级级管理网络管理网络管管理理计计算算机机管理计算机

16、管理计算机过程控过程控制站制站通信通信接口接口基本控基本控制单元制单元基本控基本控制单元制单元基基本本控控制制单单元元通信通信接口接口监控网络监控网络控制网络控制网络控制网络控制网络数数据据输输入入输输出出单单元元数数据据输输入入输输出出单单元元数数据据输输入入输输出出单单元元数据数据采集站采集站M常规仪表常规仪表常规仪表常规仪表图1-9 分散控制系统图1-9 分散控制系统现场网络现场网络1.2.6 1.2.6 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS） 现场总线控制系统（现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFieldbus Control System）-

17、是一种全数字化、全分散式、可互操作的和全开放式的新是一种全数字化、全分散式、可互操作的和全开放式的新型控制系统型控制系统。 图图1-10 1-10 现场总线控制系统体系结构现场总线控制系统体系结构 1.2.7 1.2.7 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS） 图图1-111-11流程工业流程工业CIMSCIMS的递阶层次结构图的递阶层次结构图 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）是计算机）是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术和系统工程技术等新技术发技术、网络技术、自

18、动化技术、信号处理技术、管理技术和系统工程技术等新技术发展的结果，它将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务展的结果，它将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、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，进行统一控制，求得生产活动的最等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，求得生产活动的最优化优化 。1.3 控制装置种类 主要知识点主要知识点1.3.1 1.3.1 可编程控制器可编程控制器1.3.2 1.3.2 可编程调节器可编程调节器1.3.3 1.3.3 总线式工控机总线式工控机1.3.4 1.3.4 嵌入式计算机系统嵌入式计算

19、机系统1.3.5 1.3.5 其他控制装置其他控制装置1.3.11.3.1 可编程控制器可编程控制器 可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器，简称可编程控制器简称可编程控制器PLCPLC，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。为一种高性能的工业控制计算机。链接动画链接动画1.3.21.3.2 可编程调节器可编程调节器 可编程调节器，可编程调节器，又称单回路调节器、智能调又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器。节器、数字调节器。链接动画

20、链接动画1.3.3 1.3.3 总线式工控机总线式工控机 总线式工控机，总线式工控机，是基于总线技术和模块化结是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。机。链接动画链接动画1.3.4 1.3.4 嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统，嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统，是以应用简称嵌入式系统，是以应用为核心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁为核心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。嵌积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。嵌入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。基本要素。 1.3.5 1.3.5 其他控制装