01计算机控制系统概述.docx
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01计算机控制系统概述
第一章计算机控制系统概述
一、授课时间：
年月日第1次
二、教学目的：
掌握计算机控制技术的应用和该课程对专业的帮助
掌握计算机控制系统的组成
掌握工业控制机的特点
三、教学的重点和难点：
重点：
计算机控制系统的组成。
难点：
工业控制机的特点。
四、教学的内容和过程：
1.1计算机控制系统的组成
计算机控制系统是由计算机和工业对象两大部分组成的。
在工业领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。
图1-1（a）示出了按偏差进行控制的闭环控制系统
图1-1控制信号的一般形式
（a）闭环控制系统框图；（b）开环控制系统框图
图1-1（a）是闭环控制系统的原理框图，在闭环控制系统中，测量元件对被控对象的被控参数（如温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量；变换发送单元将被测参数变成电压（或电流）信号，反馈给控制器；控制器将反馈回来的信号与给定值进行比较，控制器就根据偏差产生控制信号来驱动执行机构工作，使被控参数的值达到预定的要求。
图1-1（b）示出了开环控制系统的原理框图，它与闭环控制系统不同的是，它的控制器直接根据给定值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。
它与闭环控制系统相比，因没有反馈环节，结构相对简单，但控制性能要差一些。
开环控制系统和闭环控制系统根据控制对象和控制要求的不同，分别用于不同的应用场合
由图1-1可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。
这些功能是由测量元件、变换发送单元、控制器和执行机构来完成的。
控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。
如果把图1-1中的控制器用计算机来代替，这样就可以构成计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。
如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机控制系统。
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。
器。
图1-2计算机控制系统基本框图
计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下两个步骤：
（1）数据采集：
对被控参数的瞬时值进行检测，并将数据传送给计算机。
（2）控制：
对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定控制过程，适时地对控制机构发出控制信号。
上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的性能指标进行工作，并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并做出迅速处理。
工业生产过程是连续进行的，应用于工业控制的微型计算机系统通常是一个实时控制系统，它包括硬件和软件两部分
1.1.1计算机控制系统的硬件组成
微型计算机（简称微型机）控制系统的硬件一般由微型机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如图1-3所示。
图1-3微型计算机控制系统的基本组成
1.微型机
微处理器是微型计算机的中央处理器，它是微型计算机的核心，担负微型计算机运算器和控制器的功能。
而微型机则是具有完整运行功能的计算机，它除了有相应的微处理器作为核心部件外，还包括存储器、输入输出电路以及其他配套电路。
在控制系统中，微型机完成程序存储、程序执行等工作，即进行必要的数值计算、逻辑判断和数值处理。
2.外部设备
实现微型机和外界交换信息功能的设备称为外部设备（简称外设）。
外部设备包括人机通信设备、输入输出设备和外存储器等。
输入设备主要用来输入程序和数据。
常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。
输出设备主要用来把各种信息和数据提供给操作人员，以便及时了解控制过程的情况。
常用的输出设备有打印机、显示器（数码显示器或CRT显示器）、记录仪、绘图仪等。
外存储器（简称外存），如磁带装置、磁盘装置，兼有输入输出功能，主要用于存储系统程序和数据。
3.输入输出通道
输入输出通道是计算机和生产过程之间信息传递和变换的连接通道，它的作用有两个方面：
一方面将工业对象的生产过程参数取出，经传感器（一次仪表）、变送器、A/D转换器等变换成计算机能够接受和识别的代码；另一方面将计算机输出的控制命令和数据，经过变换后作为操作执行机构的控制信号，以实现对生产过程的控制。
4.操作台——人机接口
操作台是操作人员用来与微型机控制系统进行“对话”的，其基本功能如下：
（1）有显示装置，如显示屏幕或荧光数码显示器，以显示操作人员要求显示的内容或报警信号。
（2）有一组或几组功能键，功能键旁应有标明其作用的标志或字符，对功能键进行操作，微型机就能执行该标志所标明的动作。
1.1.2计算机控制系统的软件
软件是指计算机控制系统的程序系统。
软件通常分为两大类：
一类是系统软件，另一类是应用软件。
系统软件包括程序设计系统、诊断程序、操作系统以及与计算机密切相关的程序，带有一定的通用性，由计算机制造厂家或软件供应商提供。
应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。
在微型机控制系统中，每个控制对象或控制任务都配有相应的控制程序，通过这些控制程序来实现各个控制对象的不同要求。
这种为实现特定控制目的而编制的程序，通常称为应用程序。
这些程序的编制涉及到对生产工艺、生产设备、控制工具、控制规律的深入理解。
首先要建立符合实际的数学模型，确定控制算法和控制功能，然后将其编成相应的程序。
计算机控制系统随着硬件技术的日臻完善，对软件提出了越来越高的要求。
只有软件和硬件相互间有机地配合，才能充分发挥计算机的优势，研制出完善的计算机控制系统。
1.2工业控制机的特点
数字计算机的运算和逻辑功能可以有效地满足当代复杂生产过程的控制要求。
专门用于生产过程控制的数字计算机，通常称为生产过程控制用计算机系统，也称为工业控制计算机（简称工控机）。
工业控制机一般有以下特点：
（1）工控机的可靠性和可维修性是两项非常重要的因素，它们决定着系统在控制上的可用程度。
（2）环境的适应性强：
（3）控制的实时性：
（4）较完善的输入输出通道：
（5）较丰富的软件：
工控机应配备有比较完整的操作系统和适合生产过程控制的应用程序，使机器的操作简单、使用合理、控制性能好。
（6）适当的计算精度和运算速度：
五、课堂小结：
1.计算机控制系统的组成。
包括：
硬件系统的组成和软件系统的组成
2.工业控制机的特点。
六、布置作业：
P13第一题第二题
1.3微型计算机控制系统的主要结构类型
一、授课时间：
年月日第2次
二、教学目的：
掌握微型计算机控制系统的主要结构类型
了解近年来计算机控制系统在我国的发展趋势
三、教学的重点和难点：
重点：
微型计算机控制系统的五种类型
难点：
近年来计算机控制系统在我国的发展趋势
四、教学的内容和过程：
复习上节课内容
1.计算机控制系统的组成。
包括：
硬件系统的组成和软件系统的组成
2.工业控制机的特点。
讲解作业，导入新课
微型计算机控制系统的主要结构类型
1.3.1计算机操作指导控制系统
计算机操作指导控制系统的结构图如图1-4所示。
图1-4计算机操作指导控制系统的结构图
该系统属于数据采集与处理系统。
早期的生产过程很少有数字传感器，数字量输入多为开关量，故仅有模拟量输入和数字开关量输入部分。
生产过程需要收集的参数，经多路模拟量输入、多路数字开关量输入送进微机，进行数据采集和分析处理，并将采集处理的数据以一定的形式显示或打印出来。
这些数据可以在存储器中保存，当出现异常时发出声光报警。
这种系统中的微机不直接参与影响生产的过程控制，只是为操作人员提供指导信息，供操作人员参考。
操作人员根据计算机的指导通过控制仪器对生产过程进行控制。
1．3．2直接数字控制系统（DDC）
直接数字控制（DirectDigitalControl）系统，简称DDC，一般是在线实时系统，结构图如图1-5所示。
微机通过模拟量输入通道及接口AI、数字开关量输入通道及接口DI进行实时数据采集，然后按已定的控制规律进行实时控制决策，最后通过模拟量输出通道及接口AO、数字开关量输出通道及接口DO输出控制信号，实现对生产过程的直接控制。
DDC属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。
为提高利用率，一台计算机有时要控制几个或几十个回路。
图1-5直接数字控制系统结构图
1．3．3监督计算机控制系统（SCC）
监督计算机控制（SupervisoryComputerControl）系统，简称SCC，系统结构图如图1-6所示。
图1-6监督计算机控制系统结构图
SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微机完成生产过程的直接数字控制；SCC级微机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化给定值，送给DDC级执行。
SCC级微机承担高级控制与管理任务，要求数据处理功能强，存储容量大等，一般用较高档微机。
1．3．4集散型控制系统（DCS）
集散型控制系统也叫分散型控制系统（DistributedControlSystem），简称DCS。
采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从下到上分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级，形成分级分布式控制，其结构图如图1-7所示。
三级系统由高速数据通路HW和局域网络LCN两级通信线路相连。
控制管理级与过程控制级为操作站—控制站—现场仪表三层结构模式，由现场控制站、输入输出过程接口单元
PIU、CRT显示操作站、高速数据通路、监控计算机五部分组成。
图1-7DCS的组成结构图
1．3．5现场总线控制系统（FCS）
图1-8现场总线控制系统结构图
现场总线控制系统（FieldbusControlSystem），简称FCS，是新一代分布式控制结构，如图1-8所示。
该系统克服了DCS系统成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站——现场总线智能仪表的二层结构模式，完成了DCS中三层结构模式的功能，降低了成本，提高了可靠性。
1．3．6工业过程计算机集成制造系统（CIMS）
随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化，现代化工业要求计算机系统不仅要完成直接面向过程的控制和优化任务，而且要在获取尽可能多的全部生产过程信息的基础上，进行整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。
由于自动化技术、计算机技术、数据通信技术等的迅速发展，满足这些要求已不是梦想，能实现这些功能的系统称之为计算机集成制造系统（CIMS）。
当CIMS用于流程工业时，简称为流程CIMS。
其结构框图如图1-9所示。
图1-9流程工业计算机集成制造系统结构示意图
从图中可以看到，这类系统除了常见的过程直接控制、先进控制与过程优化功能之外，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售、运输等非传统控制的诸多功能。
因此，计算机集成制造系统所要解决的不再是局部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优，也即企业综合自动化问题。
最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、对环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求，是工业过程自动化及计算机控制系统发展的一个方向。
1.4微型计算机控制系统的发展
1．4．1计算机控制系统的发展过程
1946年世界上第一台电子计算机ENIAC正式使用以来，数字计算机在世界各国得到了极大的重视和迅速发展。
20世纪70年代微型计算机的推广，标志着计算机的发展和应用进入了新的阶段。
计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径。
现代控制理论以及各种新型控制规律和组合控制规律的发展又给自动控制系统增添了理论支柱。
经典的和现代的控制理论与计算机相结合，出现了新型的计算机控制系统。
从美国工业控制机的发展和应用来看，用计算机来控制生产过程，大体上经历了三个阶段：
1.1965年以前是试验阶段，
2.1965~1969年是计算机控制进入实用和开始逐步普及的阶段。
3.1970年以后是大量推广和分级控制阶段。
1．4．2近年来计算机控制系统在我国的发展趋势
微型计算机控制系统的发展是与组成该控制系统的核心部分——微型机的发展紧密相连的。
微型机和微处理器自从20世纪70年代崛起以来，发展极为迅猛：
芯片的集成度越来越高；半导体存储器的容量越来越大；控制和计算性能，几乎每两年就提高一个数量级。
另外，大量新型接口和专用芯片不断涌现、软件的日益完善和丰富，大大扩大了微型计算机的功能，这为促进微型计算机控制系统的发展创造了有利的条件。
1.以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流
2.PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展
3.面向测控管一体化设计的DCS系统
集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）问世于1975年，生产厂家主要集中在美、日、德等国，我国从20世纪70年代中后期起引入国外的DCS。
20世纪80年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了国产化DCS的技术攻关。
4.控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展
由于3C（Computer、Control、Communication）技术的发展，过程控制系统将由DCS发展到FCS（FieldbusControlSystem）。
FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（FieldDevice）中。
5.仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展
6.工业控制网络将向有线和无线相结合的方向发展
7.工业控制软件正向先进控制方向发展
自20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件已有20年的发展历史。
工业控制软件作为一种应用软件，是随着PC机的兴起而不断发展的。
工业控制软件主要包括人机界面软件（HMI），基于PC的控制软件以及生产管理软件等。
目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断格局。
通过在化工、石化、造纸等行业的应用，促进了企业的技术改造，提高了生产过程的控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效益。
五、课堂小结：
1.微型计算机控制系统的五种类型
2.近年来计算机控制系统在我国的发展趋势
六、布置作业：
P13第三题第四题
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