第1章 计算机控制系统概述

1、第第1 1章章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述主要内容：计算机控制系统的一般概念主要内容：计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机控制系统的控制规律计算机控制系统的控制规律背景资料背景资料计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRTCRT显示技术、通信与显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展网络技术和微电子技术的高速发展自动控制技术正向着深度和广自动控制技术正向着深度和广度两个方向发展：度两个方向发展：广度方面，国民经济的各个领域广度方面，国民经济的各个领

2、域-从工业过程控制、农业生产和国防技从工业过程控制、农业生产和国防技术到家用电器已广泛使用计算机控制；控制对象也从单一对象的局部术到家用电器已广泛使用计算机控制；控制对象也从单一对象的局部控制发展到对整个工厂、整个企业、甚至是所有智能物体等大规模复控制发展到对整个工厂、整个企业、甚至是所有智能物体等大规模复杂对象的控制。杂对象的控制。深度方面，则向智能化发展，出现了自适应、自学习等智能控制方法。深度方面，则向智能化发展，出现了自适应、自学习等智能控制方法。计算机控制技术计算机控制技术计算机应用中最有潜力和最为活跃的一个领域计算机应用中最有潜力和最为活跃的一个领域计算机技术的飞速发展：计算机技术

3、的飞速发展：1.1 1.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念n自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器自动地、有目自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器自动地、有目的地控制或操纵控制对象，使生产过程自动地按照预定的规律运行。的地控制或操纵控制对象，使生产过程自动地按照预定的规律运行。 1 1、闭环控制系统闭环控制系统需要控制对象的反馈信号需要控制对象的反馈信号 特点：特点：信号传递形成闭合回路信号传递形成闭合回路即即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。 2 2、开环控制系统开环控制系统不需要被控对象的测量反馈信号，不需要被控对象

4、的测量反馈信号，控控制器直接根据制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象给定值驱动执行器去控制被控对象特点：特点：信号传递是单方向的信号传递是单方向的，结构简单结构简单。缺点：不能自动消除被控量与给定值之间的偏差缺点：不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，性能较差，性能较差 。 1.1 1.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念1.1 1.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念3 3、计算机闭环控制系统的原理组成计算机闭环控制系统的原理组成 图图1-11-1中的控制器用控制计算机代替中的控制器用控制计算机代替 计算机是数字系统，仪表多采用模拟信号传递，因此需要有计

5、算机是数字系统，仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/DA/D转转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/AD/A转换器将数字转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。如图量转换为模拟量作为其输出信号。如图1-21-2所示，计算机控制系统由所示，计算机控制系统由控制计算机和生产过程两大部分组成。控制计算机和生产过程两大部分组成。1.1 1.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念4、计算机控制系统的执行控制程序过程如下、计算机控制系统的执行控制程序过程如下： 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瞬时值进行采对

6、来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；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、比较和处理，对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；按一定的控制规律运算，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，适时地对执行器发出控制信根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成控制任务。号，完成控制任务。名词名词：实时实时、在线、在线1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.2.1 1.2.1 计算机控制系统硬件计算机控制系统硬件1.2.2 1.2.2 计算机控制系统软件计算机控制系统软件1.2.3 1.2.3

7、 计算机控制系统通信网络计算机控制系统通信网络n1.RS232C总线总线n2.RS485总线总线n3.MODBUS总线总线n4.IEEE802n5.各种现场总线各种现场总线n6.无线通信网络无线通信网络1.RS232C总线总线 RS-232CRS-232C串行总线是国际电子工业学会正式公布的串行总线标准，也是串行总线是国际电子工业学会正式公布的串行总线标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。采用计算机与外设之间的同步或异步通信。采用RS-232CRS-232C作为

8、串行通信时，通信作为串行通信时，通信距离可达距离可达12m12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps20kbps。 RS-232C RS-232C有一系列不足有一系列不足（5 5）： (1) (1)数据传输速率局限于数据传输速率局限于20kbps20kbps； (2)(2)传输距离较短；传输距离较短； (3)(3)该标准没有规定连接器，因而设计方案不尽相同，且有时互不兼容；该标准没有规定连接器，因而设计方案不尽相同，且有时互不兼容； (4)(4)每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线；每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线

9、； (5)(5)接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号成分间产生干扰。接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号成分间产生干扰。 RS-485/422 RS-485/422最大的通信距离约为最大的通信距离约为1219m1219m，最大传输速率为，最大传输速率为10Mbps10Mbps，传输，传输速率与传输距离成反比。速率与传输距离成反比。RS-485RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485RS-485总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个节点串接起来

10、，不支持环形或星型网络。节点串接起来，不支持环形或星型网络。 与与RS232RS232相比：速度快、传输距离远。相比：速度快、传输距离远。2.RS485总线总线3.MODBUS总线总线n是是MODICON公司为生产的公司为生产的PLC与外界通信而设计的一种通信协议。与外界通信而设计的一种通信协议。（可通过（可通过24总线命令实现）总线命令实现）n特点特点（3） ：n1）应用广泛：凡具有）应用广泛：凡具有RS232/485接口的接口的MODBUS协议设备都可以使协议设备都可以使用本产品实现与过程现场总线（用本产品实现与过程现场总线（PROFIBUS）的互连。）的互连。n2）应用简单：用户不必了解

11、）应用简单：用户不必了解PROFIBUS和和MODBUS技术细节以及复技术细节以及复杂编程，用户只需参考本手册及提供的应用实例，根据要求完成配置，杂编程，用户只需参考本手册及提供的应用实例，根据要求完成配置，即可在短时间内实现连接通信。即可在短时间内实现连接通信。n3）透明通信：用户可以依照）透明通信：用户可以依照PROFIBUS通信数据区和通信数据区和MODBUS通信通信数据区的映射关系，实现数据区的映射关系，实现PROFIBUS到到MODBUS之间的数据透明通之间的数据透明通信。信。 IEEEIEEE是英文是英文Institute of Electrical and Electronics

12、 EngineersInstitute of Electrical and Electronics Engineers的简的简称，其中文译名是电气和电子工程师协会。称，其中文译名是电气和电子工程师协会。IEEE 802IEEE 802规范定义了网卡如何规范定义了网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。途径。定义了定义了ISO/OSIISO/OSI的物理层（硬件线路连接

13、）和链路层（信息收发处理）：的物理层（硬件线路连接）和链路层（信息收发处理）：产品：网卡、桥接器、路由器及局域网其它组件产品：网卡、桥接器、路由器及局域网其它组件4.IEEE8025.各种现场总线各种现场总线n根据国际电工委员会（根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（）和美国仪表协会（ISA）的）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字定义，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。式、双向传输、多分支结构的通信网络。n目前较为流行的现场总线主要有以下五种：目前较为流行的现场总线主要有以下五种：nFF基金会现场总线基金会现场总线, nLO

14、NWORKS局部操作网局部操作网, nPROFIBUS过程现场总线过程现场总线,nCAN控制器局域网控制器局域网nHART可寻址远程传感器数据通路可寻址远程传感器数据通路。 现场总线的优点：现场总线的优点： 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的制设备，便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动

15、权。现场总线的缺点：现场总线的缺点： 网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。复杂，使控制系统的性能受到负面影响。 无线通信无线通信(Wireless Communication)(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性

16、进行信息交换的一种通信方式。中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 1 1）ZigBeeZigBee技术，技术，ZigBeeZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。高的各种电子设备之间。ZigBeeZigBee使用使用2.4 GHz2.4 GHz波段，采用跳频技术。它的基波段，采用跳频技术。它的基本速率是本速率是250kb/s250kb/s，当降低到，当降低到28kb/s28kb/s时，传输范围可扩大到时，传输范围可扩大到134m134m，并获得更，并获得更高的可靠性。高的可靠性。 2 2）GPRSGPRS技术技术

17、，GPRS-General Packet Radio ServiceGPRS-General Packet Radio Service，通用无线分组业，通用无线分组业务，是一种基于务，是一种基于GSMGSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IPIP连接。通俗地讲，连接。通俗地讲，GPRSGPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以是一项高速数据处理的技术，方法是以 分组分组 的的形式传送资料到用户手上。形式传送资料到用户手上。特点：按量计费，快捷登录，高速传输，自由切换。特点：按量计费，快捷登录，高速传输，自由切换。6.无线通信网络无

18、线通信网络1.3 1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类n1.3.1 1.3.1 操作指导控制系统操作指导控制系统n1.3.2 1.3.2 直接数字控制系统直接数字控制系统n1.3.3 1.3.3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统n1.3.4 1.3.4 集散控制系统集散控制系统n1.3.5 1.3.5 现场总线控制系统现场总线控制系统n1.3.6 1.3.6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统n1.3.7 1.3.7 物联网控制系统物联网控制系统1.3.1 1.3.1 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（OGC）是基于数据采集系统的一种开环结构

19、，）是基于数据采集系统的一种开环结构，计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，显示或打印出来，操作人员据此去改变各控制器的给定优操作条件，显示或打印出来，操作人员据此去改变各控制器的给定值或操作执行器，达到操作指导的作用。计算机不直接输出控制被控值或操作执行器，达到操作指导的作用。计算机不直接输出控制被控对象，对象，如图如图1-4所示。所示。n直接数字控制系统，计直接数字控制系统，计算机参与闭环控制过程，算机参与闭环控制过程，是用一台计算机不仅完是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数成对多个被控参数的

20、数据采集，而且能按一定据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，对生产过程的闭环控制，其机构图如图其机构图如图1-5所示。所示。 1.3.2 1.3.2 直接数字控制系统直接数字控制系统1.3.3 1.3.3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统 监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control, SCC）有两种不）有两种不同的结构形式：一种是同的结构形式：一种是SCC模拟调节器，另一种是模拟调节器，另一种是SCCDDC控制系统

21、控制系统。1.SCC模拟调节器模拟调节器 如图如图1-6（a）所示，在该系统中，计算机对工业对象的各个物理量进行巡）所示，在该系统中，计算机对工业对象的各个物理量进行巡回检测，并按生产过程的数学模型计算出最佳给定值，送给模拟调节器。回检测，并按生产过程的数学模型计算出最佳给定值，送给模拟调节器。检测元件获得的测量值与该给定值进行比较后，得到的偏差经模拟调节器检测元件获得的测量值与该给定值进行比较后，得到的偏差经模拟调节器分析计算后输出至执行机构，从而实现控制生产过程的目的。分析计算后输出至执行机构，从而实现控制生产过程的目的。 2.SCCDDC控制系统控制系统 如图如图1-6（b）所示，该系统

22、可看成是一种二级控制系统，）所示，该系统可看成是一种二级控制系统，SCC监督级的作监督级的作用是计算最佳给定值，送给用是计算最佳给定值，送给DDC直接控制生产过程，它与直接控制生产过程，它与DDC级计算机之级计算机之间通过接口进行信息交换。当间通过接口进行信息交换。当DDC级计算出现故障时，可由级计算出现故障时，可由SCC级计算代级计算代替，因此，大大提高了系统的可靠性。替，因此，大大提高了系统的可靠性。3、OGC、DDC、SCC比较：比较： 集散控制系统（集散控制系统（Distributed Control System，DCS）又称分散控制系）又称分散控制系统，其本质是采用分散控制和集中管

23、理的设计思想、分而自治和综合协调统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则，并采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制层、的设计原则，并采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层，如图操作监控层、生产管理层和决策管理层，如图1-7。它是以多台。它是以多台DDC计算计算机为基础，集成了多台操作、监控和管理计算机机为基础，集成了多台操作、监控和管理计算机，并采用上述层次化的体，并采用上述层次化的体系结构，从而构成了集中分散型控制系统。系结构，从而构成了集中分散型控制系统。DCSDCS是过程计算机控制领域的是过程计算机控

24、制领域的主流系统，它随着计算机技术、控制技术、通信技术和屏幕显示技术的发主流系统，它随着计算机技术、控制技术、通信技术和屏幕显示技术的发展而不断更新和提高，现已广泛应用于石油、化工、发电、水处理、冶金、展而不断更新和提高，现已广泛应用于石油、化工、发电、水处理、冶金、轻工、制药和建材等工业的自动化。轻工、制药和建材等工业的自动化。1.3.4 集散控制系统集散控制系统1.3.5 现场总线控制系统现场总线控制系统（Field-bus Control System，FCS） 现场总线控制系统（现场总线控制系统（Field-bus Control System，FCS）是一种以现场总线）是一种以现场总

25、线为基础的分布式网络自动化系统；它具有开放式数字通信功能，可与各种通为基础的分布式网络自动化系统；它具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互联；它把安装于生产现场的具有信号输入、输出、运算、控制和通信网络互联；它把安装于生产现场的具有信号输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表或现场设备作为现场总线的节点，并直接在现场总线信功能的各种现场仪表或现场设备作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路，如图上构成分散的控制回路，如图1-8所示。所示。 计算机集成制造系统计算机集成制造系统 （Computer Integrated Manufacturing System，CIMS

26、）是制造自动化、过程控制自动化、办公室自动化和经营管理自动）是制造自动化、过程控制自动化、办公室自动化和经营管理自动化相结合的一种产物。化相结合的一种产物。 CIMS由决策管理、规划调度、监控、控制四个功能层次的子系统构成，由决策管理、规划调度、监控、控制四个功能层次的子系统构成，实现管理控制的一体化。实现管理控制的一体化。 1.3.6 计算机集成制造系统计算机集成制造系统1.3.7 物联网控制系统物联网控制系统n“ 物联网物联网”(Internet of Things，IOT)指的是将各种信息传感指的是将各种信息传感设备，如射频识别设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、

27、装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。网络。 物联网控制系统具有物联网控制系统具有以下优势：以下优势：(1) 信号传输实现了全数字化信号传输实现了全数字化,从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连；从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连；(2) 信号传输实现了无线化，可以告别原来的有线通信模式，安装方便灵活，信号传输实现了无线化，可以告别原来的有线通信模式，安装方便灵活，成本低；成本低；(3) 系统结构采用全分散化系统结构采用全分散化, 无线网络节点是现场无线设备或现场无线传感器无线网络节点是

28、现场无线设备或现场无线传感器节点，如传感器、变送器、执行器等；节点，如传感器、变送器、执行器等； (4) 通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享；通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享；(5) 技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。1顺序控制和数值控制顺序控制和数值控制 都属于开环控制方式，在机床控制中有广泛应用。其中顺序控制按一定都属于开环控制方式，在机床控制中有广泛应用。其中顺序控制按一定的时间顺序或逻辑顺序进行操作，包括定时控制和逻辑控制；数值控制按给的时间顺序或逻辑顺序进行操作，包括定时控制和逻辑控制

29、；数值控制按给定的数据以一定的程序进行控制。定的数据以一定的程序进行控制。2数字数字PID控制（控制（Proportional-Integral-Differential ） 按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，称作按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，称作PID控制调节器。控制调节器。PID控制结构简单、参数容易调整、算法容易，是当前应用最广、最为广大控制结构简单、参数容易调整、算法容易，是当前应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。因此，无论模拟调节器还是数字调节器，大多使工程技术人员熟悉的技术。因此，无论模拟调节器还是数字调节器，大多使用用PID控制规律。控制规律。3数字控制

30、器的直接设计算法数字控制器的直接设计算法 直接设计算法是根据给定的性能指标直接得到直接设计算法是根据给定的性能指标直接得到Z域的数字控制器，控制域的数字控制器，控制规律及其算法可以针对不同对象的具体特性来确定。直接设计方法主要应用规律及其算法可以针对不同对象的具体特性来确定。直接设计方法主要应用于数字随动系统的设计中。于数字随动系统的设计中。1.4 计算机控制系统的控制规律计算机控制系统的控制规律4.分级递阶智能控制技术分级递阶智能控制技术 由由Saridis提出的分级递阶智能控制方法，是从工程控制论的角度出发，总提出的分级递阶智能控制方法，是从工程控制论的角度出发，总结了人工智能与自适应、自

31、学习和自组织控制的关系之后逐渐形成的。其控结了人工智能与自适应、自学习和自组织控制的关系之后逐渐形成的。其控制智能是根据分级管理系统中十分重要的制智能是根据分级管理系统中十分重要的“精度随智能提高而降低精度随智能提高而降低”的原理而的原理而分级分配的。分级递阶智能控制系统由组织级、协调级、执行级三级组成。分级分配的。分级递阶智能控制系统由组织级、协调级、执行级三级组成。5.模糊控制技术模糊控制技术 模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法。它一方面提供了一种基于模糊控制是一种应用模糊集合理论的控制方法。它一方面提供了一种基于知识的甚至语言描述的控制规律的新机理；另一方面又提供了一种改进非线知识