典型计算机控制系统简介
计算机控制系统典型结构
计算机控制系统典型结构典型的计算机控制系统结构如下：1.传感器传感器是计算机控制系统中的重要组成部分，用于感知环境变化并将其转化为电信号。
传感器可以测量温度、湿度、压力、光照强度、速度等物理量，将这些物理量转化为电信号，并输入给控制系统。
2.数据采集和信号处理模块数据采集和信号处理模块用于接收传感器传输的信号，并对信号进行处理和转换。
该模块主要包括模数转换器（A/D转换器），能够将模拟信号转化为数字信号；数字信号处理芯片，用于对数字信号进行滤波、放大、调制等处理。
3.控制器控制器是计算机控制系统中的核心部分，负责生成控制信号，并对执行器进行控制。
控制器根据传感器采集到的数据，结合预设的控制算法，计算出相应的控制信号，并将其输出给执行器。
4.执行器执行器是计算机控制系统中的输出部分，用于对控制信号进行物理操作。
执行器可以是电动机、电磁阀、液压缸等，它们根据收到的控制信号进行动作，将能量转化为机械运动或其他形式的输出。
5.人机界面人机界面使人们能够与计算机控制系统进行交互，包括显示器、键盘、触摸屏等。
通过人机界面，用户可以监控系统运行状态、设置参数、接收报警信息等。
6.通信模块通信模块用于与其他系统或设备进行数据交换和通信。
它可以实现计算机控制系统与其他控制系统、计算机网络或外部设备之间的数据传输。
通信模块可以使用串口、以太网、无线传输等方式。
7.控制算法控制算法是计算机控制系统中的重要组成部分，它决定着控制系统的性能和稳定性。
控制算法根据传感器采集的数据和预设的控制目标，对系统进行调度和控制。
常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。
8.数据存储与处理数据存储与处理模块用于存储和处理控制系统中产生的数据。
它可以将数据存储在内存、硬盘或其他存储介质中，以供后续分析和决策使用。
数据处理模块则根据需要对存储的数据进行分析、计算和统计。
以上是计算机控制系统的典型结构，其组成部分相互协作，完成物理操作的控制和调度。
第一章 计算机控制系统概述
第一章计算机控制系统概述§1．1概述随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。
近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。
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。
1．1．1计算机控制技术研究的内容及特点1、研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。
2、主要的特点：1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等4）理论与实践相结合5）实用性强6）应用广泛等1．1．2计算机控制技术这门课所应用到的技术：计算机技术、自动控制技术、微电子技术、信息处理技术、检测与传感技术、通信与网络技术、CRT显示技术等等1．1．3计算机控制技术的现状与发展趋势计算机控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分1．1．4目前，计算机控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
一、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流二、PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展三、面向测控管一体化设计的DCS系统四、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展六、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展七、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展八、工业控制软件正向先进控制方向发展► 1.2. 计算机控制系统的组成► 1.3 计算机控制系统分类► 1.4 计算机控制系统中的计算机► 1.5 微型计算机控制系统的发展趋势§1.2 计算机控制系统的组成★自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
DCS系统的介绍
第三章 DCS系统的介绍多级计算机分布控制系统又称集散控制系统（DCS,distributed control system），是网络技术和控制技术结合的产物。
它是根据分布设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，达到以分散控制为主，集中管理为辅。
3.1 DCS系统的定义DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control Systerm），在国内自控行业又称为集散控制系统。
即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。
3.2 DCS的组成集散控制系统DCS（Distributed Control Systerm）是基于“4C”技术（Computer Control Communicatiao CRT）在20世纪70年代中期出现的新型工业控制系统。
采用分布式的计算机系统结构，目的是为了减少风险，提高系统可靠性。
它将整个控制系统按照区域、功能和回路作适当分解，再通过总线或通讯网络将它们连接为有机整体。
1975年Honey-well公司推出了第一套DCS 控制系统，首先被应用于石油化工行业。
自1975年以来，DCS控制系统的硬件和软件功能不断完善和强化，已经经历了三代，但从基本结构来看特性相同，可分解为三大基本部分。
（1）过程控制站过程控制站是集散控制系统与生产过程之间的界面，生产过程的各种过程变量和状态信息通过过程控制站转化为操作监视的数据，而操作的各种信息业通过过程控制站送到执行机构。
在过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种控制算法的运算，以及对输入和输出量的数据处理等运算。
（2）操作站操作站是操作人员与集散控制系统的界面，操作人员通过操作站了解生产过程的运行状况，并通过他发出操作指令。
操作系统的发展历程与不同版本的特点
操作系统的发展历程与不同版本的特点简介：操作系统是计算机系统中最基本、最核心的软件之一，它负责管理和控制计算机系统的硬件和软件资源，并提供用户与计算机硬件之间的接口。
随着计算机技术的不断发展，操作系统也经历了多个版本的演变和更新。
本文将以操作系统的发展历程为线索，介绍操作系统的不同版本及其特点。
一、早期操作系统（20世纪40年代到60年代）在计算机技术刚刚诞生的早期，操作系统的概念并不明确。
20世纪40年代，第一台电子管计算机ENIAC诞生，但当时并没有操作系统的概念，计算任务完全由人工控制。
随着计算机的快速发展，20世纪50年代到60年代，出现了一系列早期操作系统，如EDSAC、UNIVAC 等。
这些早期操作系统主要特点是简单、粗糙，以批处理方式工作，无法并行处理。
二、批处理操作系统（20世纪60年代到70年代）1960年代末期，批处理操作系统开始出现。
批处理操作系统能够自动化地处理一批批的作业，无需人工干预，大大提高了计算机的利用率。
其中最具代表性的是IBM的OS/360系统，该系统采用了分时技术和虚拟存储器管理，使多用户能够同时共享计算机资源。
此外，这个时期也诞生了众多操作系统的发展方向，如分布式操作系统、实时操作系统等。
三、个人计算机操作系统（20世纪80年代到90年代）20世纪80年代，个人计算机开始普及，这也催生了个人计算机操作系统的发展。
其中最具代表性的是微软的MS-DOS和苹果的Mac OS。
MS-DOS是基于命令行界面的操作系统，用户需要通过输入指令来完成各种操作。
而Mac OS则是首个图形用户界面操作系统，用户可以通过鼠标进行操作。
这一时期，操作系统着重于提供用户友好的界面和多媒体功能。
四、网络操作系统（20世纪90年代至今）20世纪90年代，互联网的普及和发展推动着计算机系统的演进。
此时的操作系统更加注重网络通信和数据交换。
最典型的例子是Unix操作系统和Windows操作系统。
计算机控制系统
图2-1 输入输出过程通道组成结构图பைடு நூலகம்
表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途
信息种类
模拟量输入 数字量输入 脉冲计数器 模拟量输出 数字量输出
输入信息来源或输出信息的用途
温度、压力、物位、转速、成分等 接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等 流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等 控制执行装置、显示、记录等 对执行器进行控制、报警显示等
图2.12是采用晶闸管输出型光电隔离器驱动 双向晶闸管的电路图，图中与晶闸管并联的RC 网络用于吸收带感性负载时产生的与电流不同步 的过压，晶闸管门极电阻则用于提高抗干扰能力， 以防误触发。
图2.12 光电隔离的双向晶闸管输出
功率场效应管输出（了解）
功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其 栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S 之间即可导通。MOSFET的栅极控制电流为微安级，而 导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流，如 IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18A。
为便于后续的描述和分析，下面定义几种类型信号，并在图2. IN+ 的电压低于 IN- 的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3 组成的跟随器输出至输出端。 21是LF398典型应用电路。 W117、W217、W317是正输出三端电压可调式集成稳压器，使用方便，内部具有过热、过流等保护措施，比W7800系列稳压器有更
根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为 三极管型、晶闸管型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输 信号的媒介，实现电气隔离。
使用光电隔离器件的注意事项
输入侧导通电流
要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足 够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电 隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。
(完整版)DCS系统介绍
5.2 监控画面组态
5.3 工作站组态
• 用于监视控制显示画面及部分组态功能。
5.4 通讯组态
• 用于组态工作站，打印机及第三方控制器。
六、DCS的基础知识
• I/O信号 • 系统冗余 • DCS系统的特点
6.1 IO信号
• I/O：控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是 I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一 个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器。
2.2 1940~1970年
• 第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开 始尝试将计算机用于过程控制。但当时采用的办法是用一 台计算机控制几十甚至上百个回路，这样做的危险性很高， 如果计算机出现故障，会导致很严重的后果，这造成了危 险集中。
2.3 1970~1990年
• 直到上世纪70年代，随着计算机技术的日渐成熟，人们才 开始将危险分散。就是原来靠一台大计算机完成的任务， 现在用几十台微处理器来完成，从而大大降低了危险系数。 至此DCS就诞生了。
• 3.2管理级别分类：现场控制级、过程控制级、过程管理 级、经营管理级
• 3.3网络结构分类：一级网络、二级网络、三级网络
3.1硬件组成
3.2.1现场控制级
• 又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集 和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供操作站显 示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到 监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量 或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。 这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、 电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。
3.2.2过程控制级
DCS简介
容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。
此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
（2）开放性。
DCS采用开放式，标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
发展历史 DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
）它的发展大体分为三个阶段。
第一阶段：1975-1980年，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：1）采用微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能2）采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中操作 3）采用较先进的冗余通信系统第二阶段：1980—1985.，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为： 1）微处理器的位数提高，CRT显示器的分辨率提高 2）强化的模块化系统3）强化了系统信息管理，加强通信功能第三阶段，1985年以后，集散系统进入第三代，其技术特点表现为： 1）采用开放系统管理 2）操作站采用32位微处理器 3）采用实时多用户多任务的操作系统进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。
PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。
第二章 计算机数控系统CNC与控制原理总结
速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标 的 分速度。 开环系统:通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。
速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。 半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工，速度
计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮 廓步长。
可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出 故障后，通过系统重组仍可断继续工作。
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2.2 CNC装置的硬件结构
结构形式：可分：分布式、主从式、总线式。
分布式：各CPU独立、完整，通过外部通信链路连接起来，
数据交换和资源共享通过网络技术实现。
主从式：主控CPU、从控CPU，主控CPU才能控制和访问总
第二章 计算机数控系统CNC与控制原理
本章主要内容
第一节 概述 第二节 CNC装置的硬件结构 第三节 CNC装置的软件结构
第四节 可编程控制器（PLC）
第五节 典型的CNC系统简介
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2.1概述
1. CNC系统?
从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、速 度
（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运 动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控 制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专 用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。
两个以上任务处理。
♦ 并行处理的实现方式： ☆ 资源分时共享（单CPU）
☆ 资源重叠流水处理（多CPU）
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Have a Rest!
2.3 CNC系统的软件
资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）
♦ 在单CPU结构的CNC系统中，可采用 “资源分时共
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典型计算机控制系
统简介
第8章典型计算机控制系统简介
本章的教学目的与要求
掌握典型的计算机控制系统的结构、特点和设计方法。
●授课主要内容
●基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统
●基于数字调节器的计算机控制系统
●基于可编程控制器的计算机控制系统
●基于嵌入式系统的计算机控制系统
●分散控制系统（DCS）
●现场总线控制系统（FCS）
●计算机集成制造系统（CIMS）
●主要外语词汇
Micro-Controller Unit (MCU):微控器，Digital Signal Processor(DSP)数字信号处理器
●重点、难点及对学生的要求
说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容
●基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统***
●基于数字调节器的计算机控制系统***
●基于可编程控制器的计算机控制系统**
●基于嵌入式系统的计算机控制系统**
●分散控制系统（DCS）**
●现场总线控制系统（FCS）*
●计算机集成制造系统（CIMS）*
●辅助教学情况
多媒体教学课件（POWERPOINT）
●复习思考题
●基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统
●基于数字调节器的计算机控制系统
●基于可编程控制器的计算机控制系统
●基于嵌入式系统的计算机控制系统
●分散控制系统（DCS）
●现场总线控制系统（FCS）
●计算机集成制造系统（CIMS）
●参考资料
刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义
本章将简要介绍当前常见的比较典型的计算机控制系统，主要包括基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统；基于数字调节器的计算机控制系统；基于PLC的计算机控制系统；基于嵌入式系统的计算机控制系统；分散控制系统；现场总线控制系统和计算机集成制造系统。
8.1基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统
8.1.1PC总线的工业控制机简介
工业个人计算机（Industrial Personal Computer ─IPC）是一种加固的增强型个人计算机，是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机，它能够作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
1. 工业PC的结构
工业控制机的典型结构如图8.1所示，主要有以下几部分组成。
（1）全钢机箱
（2）无源底板
（3）工业电源
（4）CPU卡
图8.1 工控机典（5）其它配件
2. 工业PC的特点
专门为工业工程控制现场设计的工业PC机与普通微机相比，有以下特点：
（1）工业PC总线设计支持各种模块化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT总线接口板。
（2）所有卡（CPU卡﹑CRT卡﹑磁盘控制卡和I/O接口卡）采用高度集成芯片，以减少故障率，并均为模块化﹑插板式，以便安装﹑更换和升级换代。
所有的卡使用专用的固定架将插板压紧，防止震动引起的接触不良。
（3）开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。
（4）采用和PC /AT总线兼容的无源底板。
它使用带有电源层和地的4层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能力。
无源底板带有4，6，8，12，14或20槽，可插入PC/XT或PC/AT总线模板。
（5）机箱采用全刚机架，可防止电磁干扰；采用150W-350W 带除尘过滤器地工业开关电源，具有足够地负载驱动能力。
机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。
软盘驱动器安装采用橡皮缓冲防震，并有防尘门。
（6）可内装RAM/ROM电子盘卡以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下的操作具有高速﹑高可靠性﹑上电自动启动的功能。