第一章 计算机控制系统绪论new
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计算机控制系统 第1章 绪论
③ 支持软件 计算机控制系统的支持软件是系统的设计工具和设计环境， 用于为设计人员提供软件的设计接口，并为计算机控制系 统提供功能更新的途径。支持软件包括程序设计语言、程 序设计软件、编译连接软件、调试软件、诊断软件和数据 库六部分。 2．计算机控制系统软件的开发与运行环境 计算机控制系统软件对操作系统有特定的要求，其中稳定 性和实时性是主要要求。计算机控制系统要求操作系统长 时间无故障运行。 目前计算机控制系统采用Windows、Linux和定制系统三 种操作系统。
第1章 绪 论
随着现代化工业生产过程复杂性与集成度的提高，计 算机控制系统得到了迅速的发展。计算机控制系统是自动 控制系统发展中的高级阶段，是自动控制系统中非常重要 的一个分支。计算机控制系统利用计算机的软件和硬件代 替自动控制系统中的控制器，它以自动控制理论和计算机 技术为基础，综合了计算机、自动控制和生产过程等多方 面的知识。 由于计算机控制系统的应用，许多传统的控制结构和 方法被代替，工厂的信息利用率大大提高，控制质量更趋 稳定，对改善人们的劳动条件起着重要作用，因此，计算 机控制技术受到越来越广泛的重视。当前，计算机控制系 统已成为许多大型自动化生产线不可缺少的重要组成部分。 生产过程自动化的程度以及计算机在自动化中的应用程度 已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。
被控对象
图1-3 计算机控制系统的典型结构
计算机控制系统在结构上也可以分为开环控制系统和闭环 控制系统两种。 在计算机控制系统中，计算机处理的输入和输出信号都是 数字化量。因此，在这样的控制系统中，需要有将模拟信 号转换为数字信号的模/数（A/D）转换器，以及将数字控 制信号转换为模拟输出信号的数/模（D/A）转换器。 计算机控制系统执行控制程序的过程如下。 实时数据采集：对被控参数在一定的采样间隔进行测量， 并将采样结果输入计算机。 实时计算：对采集到的被控参数进行处理后，按一定的预 先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定当 前的控制量。 实时控制：根据实时计算结果，将控制信号送往控制的执 行机构。
第1章 计算机控制系统概述 《计算机控制系统》课件
能观性
用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得
系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系
统被称为是不能观的。
2020/10/29
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3. 控制系统的动态指标
动态指标能够比 较直观地反映控 制系统的过渡过 程特性，动态指 标包括超调量， 调节时间，峰值 时间，衰减比和 振荡次数。
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r
+e
控制器 u
D/A
给定量 -
A/D
控制计算机
执行机构
被控对象
测量变送 生产过程
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图1 计算机控制系统基本结构
y
被控量
3
计算机控制系统的特点
在计算机控制系统中，被控制量通常是模 拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。 因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混 合式的结构。
优点：结构简单，控制灵活和安全。 2020缺/10/点29 :要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。8
2. 直接数字控制系统
CRT
输入通道
（ AI ，DI）
生
打印机
计
产
算
过
报警
机
程
输出通道
操作台
（ AO，DO）
图5 直接数字控制系统框图
计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现
多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的
0 12 34 0 1 2 3 4 0 12 34
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 t/T
数字信号ห้องสมุดไป่ตู้
离散模拟信号
第一章--计算机控制系统概述
✓车间监督级(SCC级) /过程控制级 L2 控制层
✓工厂集中控制级(MIS) /企业管理级 L3 ✓企业管理级（MIS） / 公司管理级 L4
管理层
特点：通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作
集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动化水平、管理水平
等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳经济效益社会效益等。
给定信号 控制器
执行机构
被控参数 被控对象
变换发送单元
测量元件
图1-1 闭环控制系统框图
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第一章 绪论
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。
操 作
A/D 转 换 器
采 样 器
测 量 元 件
工
指
业
导
计
对
算
机
显示终端
调节器
象
打印机
图1-5 操作指导控制系统组成框图
返回本节
第一章 绪论
2．直接数字控制系统（DDC）
DDC（Direct Digital Control）用一台
微机对多个被控参数进行巡回检测，检
测结果与设定值进行比较,再按PID规律
第一章 绪论
管理指令
公司管理级/L4
销售订货数据
管
理 层
至其它工厂的生产运输指令
企业管理级/L3
企业级 经营管理计算机
工厂级 集中控制计算机
到主管部门的数据显示 经济动向数据
来至其它工厂的生产和库存数据
过程控制级/L2 控制层
第1章 计算机控制系统概述
2.常规外部设备
常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储 设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。
常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪等， 主要用来输入程序和数据等。
采用的输出设备有：显示器、打印机、记录仪等。 输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能 够了解过程控制的情况。
存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主 要有磁盘、磁带机等。
1.2 计算机控制发展简史
大体分以下几个阶段: 第一阶段:65年之前,实验阶段. 第二阶段:65-69年,实用阶段. 第三阶段:70年以后,大批量生产阶段. 第四阶段:80年代后期,逐渐进入分布控制阶段.
1.3 计算机控制系统的组成
计算机控制系统包括计算机硬件设备、控制软件和计 算机通信网络3个部分组成。
工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制算法和 采用的控制器结构的不同而有所差别。从常规来看，控制 系统为了获得控制信号，要将被控量y和给定值w相比较， 得到偏差信号e=w−y。然后直接利用e来进行控制，使系 统的偏差减小直到消除偏差，被控量等于给定值。这种控 制，由于控制量是控制系统的输出，被控制量的变化值又 反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相 减，所以称为闭环负反馈系统 。
被控对象
测测量量变变送送 生生产产过过程程
被控控量量 y
3.计算机控制系统归结为四个步骤:
①实时数据采集 对被控参数在一定的采样间隔进行检测， 并将采样结果输入计算机。
②实时计算 对采集到的被控参数进行处理后，按一定的 预先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定 当前的控制量。
③实时控制 根据实时计算结果，将控制信号作用到控制 的执行机构。
计算机控制系统的运行操作台应该具备如下功能： ①要有屏幕或数字显示器，以显示过程参数、状态、画
计算机控制系统-第一章
18
6.网络控制系统
网络控制（Internet Based Control）系统是 以网络为媒介对被控对象实施远程遥控制、遥 操作的一种新兴的计算机控制系统。网络控制 技术的发展与网络技术、计算机应用技术、嵌 入式应用技术和控制理论与应用技术的发展息 息相关。网络控制已经引起了各方面的广泛关 注。
2
计算机控制系统的组成
3
1.2 计算机控制系统的特点
容易实现高级复杂的控制方法
性价比较高
灵活性强
可靠性高
易于监控
4
1.3 计算机控制系统分类
根据计算机在控制系统中的控制功能和控 制目的，可将计算机控制系统分为以下几种类 型。 直接数字控制系统 计算机监督控制系统 分布式控制系统
9
5. 计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS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、设备生产要素集 成起来，进行统一控制，以得到生产活动的最优化。
10
1.4 计算机控制系统发展趋势
计算机控制系统的发展过程
计算机控制系统的发展趋势
11
计算机控制系统的发展过程
图1.10 直流伺服电机结构图
25
工业机器人模型
工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造 业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。
图1.11工业机器人结构示意图
26
工业机器人模型
工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能 的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的 时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。
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2. 嵌入式系统
嵌入式系统（Embedded System）以计算机 技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导 体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术， 甚至传感器等先进技术和 Internet网络技术与具 体应用对象相结合的产物。嵌入式系统嵌入的 本质是将一个微型计算机嵌入到一个具体应用 对象体系中去。
第1章计算机控制系统绪论
2018年11月17日12时19分
7
计算机控制系统的组成框图
2018年11月17日12时19分
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1.1.2 计算机控制系统的分类
(1).按照结构功能分类 (2).按照控制规律分类 (3).按照控制方式分类
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(1).按照结构功能来分类
A: 操作指导控制系统 定义：计算机检测 被控量，根据一定 的控制算法，计算 出供操作人员选择 的最优操作条件及 操作方案。 优点：结构简单，控制灵活和安全。 缺点：开环控制，由人操作，实时性差，不能控制多个对象。
值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不
仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判
断。
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B: 比例积分微分控制（PID控制）
调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微 分的函数。
PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人 员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整， 因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用 PID调节规律。
(1)．推广应用成熟的先进技术
A:普及应用可编程序控制器(PLC) 利用具有智能 I ／ O 模块的 PLC ，将顺序控制和过程控制结合 起来，实现对生产过程的控制。 B:广泛使用智能调节器(SLC) 智能调节器不仅可以接受4～20mA电流信号，还具有RS—232 或 RS—485 异步串行通讯接口，可与上位机连成主从式测控网络。 C:采用新型的DCS和FCS 发展以以太网、现场总线技术等先进网络通讯技术为基础的 DCS和FCS控制结构，并采用先进的控制策略，向低成本综合自动 化系统的方向发展，实现CIMS。
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计算机控制系统刘世荣第一章 绪论1.1
②在线方式和离线方式：on-line/off-line
生产过程和计算机直接连接，并受计算机 控制的方式称为在线方式或联机方式（现场直 播）；
生产过程不和计算机相连，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 称为离线方式或脱机方式。（录像）
思考两个问题：
一.在线系统是否一定是实时系统？
由上面的分析可见，在计算机控制系统中存在着 两种截然不同的信号，即模拟（连续）信号和数字 （离散）信号。以计算机为核心的控制器的输人 /输
出信号和内部处理都是数字信号，而生产过程的输人
/输出信号都是模拟信号，因而对于计算机控制系统 的分析和设计就不能完全采用连续控制理论，需要运 用离散控制理论对其进行分析和设计。
将连续控制系统中的比较器和控制器的功能用计算机来 实现，即用微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A（数/ 模）转换接口代替由于计算机采用的是数字信号传递，而一次 仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转 换为数字量作为其输入信号。 D/A转换器将数字量转换为模拟 量作为其输出信号。 计算机控制系统通 常是模拟信号和数字 信号的混杂系统。
与网络技术的高速发展，使得计算机控制水平大大提高。现在的计算机控制已
经从简单的单回路、单机控制发展到复杂的集散型控制系统、计算机集成制造 系统等。另外，由于计算机的微型化、网络化、性价比的上升和软件功能的日 益强大，计算机控制系统几乎可以用于任何场合：实时控制、实时监控、数据 采集、信息处理等。
本章主要介绍计算机控制系统的一般概念、性能指标以及计算机控制系统
第一章 绪论
• 1.1 计算机控制系统概述
• 1.2 计算机控制系统的实例
• 1.3 计算机控制系统的性能 • 1.4 计算机控制系统的发展与趋势
计算机控制系统(第2版)课件第1章
一、课程特点： 集中描述了自动化学科的知识体系 具有综合性、应用性和实践性
二、学习方法： 注意实践练习：课上实验+综合实验 注意联系综合：四年主要专业课程的综合
2021/7/16
15
本章内容结束
2021/7/16
16
2021/7/16
6
三、监督计算机控制系统（SCC）
SCC系统采用两级控制方式：（a）下一级为模拟调节器； （b）当下一级采用DDC系统。当SCC计算机出现故障时，可 由DDC或模拟调节器独立完成操作。这显然提高了整个系统 的可靠性。
2021/7/16
7
四、分布式控制系统（DCS）
图1.9 分布式控制系统结构图
第一章 绪论
学习目标：
掌握计算机控制系统的基本概念 熟悉计算机控制系统的常见类型 掌握计算机控制系统的基本组成 了解计算
第一节 计算机控制系统概述
一、计算机控制系统的一般概念
连续控制系统典型结构图
如果将连续控制系统的控制器用计算机来实现，就构成了计算 机控制系统。
在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装 置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能 相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性。
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8
五、现场总线控制系统（FCS）
从控制的角度看，FCS具有两个显著特点：（1）信号传输实 现了全数字化。（2）实现了控制的彻底分散。
只在控制形式上由连续变为离散，因而调节效果得不到明显改
善。
第三阶段是从1972年开始到现在的发展阶段。1972年出现
了微型计算机，由于它优越的性能价格比，使得计算机的应用
真正地进入了普及和深入的阶段。
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二、学习方法： 注意实践练习：课上实验+综合实验 注意联系综合：四年主要专业课程的综合
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本章内容结束
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三、监督计算机控制系统（SCC）
SCC系统采用两级控制方式：（a）下一级为模拟调节器； （b）当下一级采用DDC系统。当SCC计算机出现故障时，可 由DDC或模拟调节器独立完成操作。这显然提高了整个系统 的可靠性。
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7
四、分布式控制系统（DCS）
图1.9 分布式控制系统结构图
第一章 绪论
学习目标：
掌握计算机控制系统的基本概念 熟悉计算机控制系统的常见类型 掌握计算机控制系统的基本组成 了解计算
第一节 计算机控制系统概述
一、计算机控制系统的一般概念
连续控制系统典型结构图
如果将连续控制系统的控制器用计算机来实现，就构成了计算 机控制系统。
在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装 置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能 相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性。
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五、现场总线控制系统（FCS）
从控制的角度看，FCS具有两个显著特点：（1）信号传输实 现了全数字化。（2）实现了控制的彻底分散。
只在控制形式上由连续变为离散，因而调节效果得不到明显改
善。
第三阶段是从1972年开始到现在的发展阶段。1972年出现
了微型计算机，由于它优越的性能价格比，使得计算机的应用
真正地进入了普及和深入的阶段。
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这就要求自动化专业的学生通过本课程的学习掌握如 何利用计算机控制生产过程的基本概念,并基本掌握计 算机控制系统的分析设计与实现方法,计算机在工业过 程控制应用中的相关技术。
计算机控制系统
教材及参考书 《计算机工业控制》杨劲松 《现场总线控制》周明 《计算机控制系统》吴坚
中国电力出版社 中国电力出版社 武汉理工大学出版社
制造与自动化技术，能源技术，资源与环境技术 介入：课题申请指南，探索性强专题，以增强集成
创新能力和形成战略产品原型或技术系统为目标的 项目
2、学科地位与现实意义
(2)本课程在专业培养中的地位
“计算机控制系统”(计算机测控技术)是 自动化专业的一门主要专业课,课程涉及 面很广,知识集成度高,可以说其浓缩了自 动化专业的知识精华,在专业课程体系中 具有承上启下的作用，在专业课程体系 中起到中流砥柱的核心地位。
学好本课程的意义（2）
(2)知识体系：“计算机控制系统息[Information]
＋
控制[Control]；
＋
系统[System]！
（计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段 和工具）；
学好本课程的意义（3）
(3) 在专业培养中的地位：如前所述， “计算机控制系统”是自动化专业的一 门主要专业课,课程涉及面很广,知识集成 度高,可以说其浓缩了自动化专业的知识 精华,在专业课程体系中具有承上启下的 作用，在专业课程体系中起到中流砥柱 的核心地位。
计算机控制系统
(计算机测控技术)
1、课程体系结构与技术要点
前言
（1）计算机控制系统的理论、方法。
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用
物质世界
D/A
执行器
对象
信号处理
信息处理
A/D
信息传输
传感器
信息获取
信 息 层
物质、能量层
知识体系：“计算机控制系统”充分体现了自动化的核心： 信息[Information] ＋ 控制[Control]； ＋ 系统[System]！ 计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段和工具
（1）计算机控制理论基础,即数字控制理论 （含离散系统的分析、综合和控制策略）; （2）控制系统的计算机实现技术,主要包括信 息采集、通道接口、网络通信、控制系统的体
系架构和可靠性等技术。
学好本课程的意义（1）--Why
(1）国家发展战略： 以信息化带动工业化——核心是自动化技术
以信息化带动工业化＝ 以信息化促进自动化＋以自动化带动工业化
1.1计算机控制系统的一般概念
r +e
给定值 - 偏差
控控制制器 器
u
控制量
D/A
执行机构 被控对象 Y
被控量
A/D
位置传感器
计算机
生产过程 图1-3 计算机控制系统的典型结构
1.1计算机控制系统的一般概念
比较： 模拟控制系统——控制规律由硬件电路 产生，要改变控制规律就必须要更改硬 件电路。 计算机控制系统——控制规律是用软件 实现的，计算机执行预定的控制程序， 就能实现对被控制参数的控制。
变换发送单元
测量元件
给定值
（a）闭环控制系统的框图
控制器
执行机构
被控参数 被控对象
（b）开环控制系统的框图 图1-1 控制信号的一般形式
1.1计算机控制系统的一般概念
图1-1(a)被控制参数与给定值进行比较， 区域误差信号。—— 控制器根据误差 信号进行控制调节—— 使误差为0 —— 达到被控制参数超于或等于给定值的目 的。是闭环控制系统
1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制是计算机技术与自动控制理 论相结合的产物。
1.1计算机控制系统的一般概念
1 、自动控制系统的基本结构 控制系统随着控制对象、控制规律、执 行机构的不同而不同，但其基本结构如 图1-1表示。
1.1计算机控制系统的一般概念
给定值
控制器
执行机构
被控参数 被控对象
1.1计算机控制系统的一般概念
(c)实时控制及输出。根据被控生产过程的 特点和控制要求，选择合适的控制规律，包 括复杂的先进控制策略，然后按照给定的控 制策略和实时的生产情况，实现在线，实时 控制。
1.1计算机控制系统的一般概念
(2)工作方式 在线方式与离线方式 (a)计算机与生产过程相连，且直接控制 生产过程的方式称为在线或联机方式。 (b)计算机不与生产过程相连，或相连 但不直接控制生产过程而是依靠人进行 联系并作出相应的操作的方式——离线 或脱机方式。
1.2计算机控制系统分类
若只执照计算机参与控制的形式。 可分为——开环控制与闭环控制；
1.2计算机控制系统分类
若根据系统采用的控制规律， 可分为——顺序控制、
常规控制（如PID）、 高级控制（或称先进控制，如最 优控制、自适应控制、预测控制等）、 智能控制等若干类；
1.2计算机控制系统分类
1.1计算机控制系统的一般概念
（c） 测量变送环节 常由传感器和测量线路组成，其功能是将被 控常数转移成某种形式的电信号。 （d） 数字调节器 核心是计算机，其控制规律通过编制的计算 机程序来实现。
1.1计算机控制系统的一般概念
（e） 输入/输出通道 为了实现计算机对生产过程的控制，必须在 计算机和生产过程之间架设信息的传递和变 换的连接桥梁，这就是过程输入/输出通道， 简称过程通道。 过程输入通道包括模拟量输入通道AI和开关 量输入通道（DI），分别用来输入模拟量信 号（如T、P、Q、料位和成份等）和开关量 信号或数字量信号。
第一章 计算机控制系统绪论
掌握计算机控制系统定义
掌握计算机控制系统的硬件组成 及软件组成
掌握计算机控制 系统的主要类型 及适用场合
第一章 计算机控制系统绪论
掌握总线的定义，了 解主要的总线类型
第一章 计算机控制系统绪论
1.1计算机控制系统的一般概念 1.2计算机控制系统分类 1.3计算机控制的发展与展望 1.4工业控制计算机简介
1.1计算机控制系统的一般概念
优点：能实现更为复杂的控制规律，如 非线性控制、逻辑控制、自适应控制、 自学习控制及智能控制。 输入输出信号都是数字量，只需A/D、 D/A。
1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统的控制过程一般可归纳为以 下步骤： (a)实时数据处理。对来自测量变送装置的被 控变量数据的瞬时值进行巡回采集。分析处 理性能计算级显小，记录、制表等。 (b)实时控制决策。对系统中的各种数据进行 越限报警，事故预报与处理，根据需 要进行 设备自动启停，对整个系统进行诊断与管理 等。
1.1计算机控制系统的一般概念
2 什么是计算机控制系统？ 计算机在控制系统中的应用主要可分为 以下两个方面。
1.1计算机控制系统的一般概念
（1）用计算机工程帮助设计人员对控 制系统进行分析、设计、仿真以及建模 等工作。简称为计算机辅助设计控制系 统或控制系统CAD。 离线应用 （2）利用计算机代替常规的模拟控制 器，而使它成为控制系统的一个组成部 分。简称为计算机控制系统。 在线应 用。
1.1计算机控制系统的一般概念
（c） 应用软件 是系统设计人员针对某个生产过程现时编制 的控制和管理程序。它包括过程输入程序、 过程输出程序、人一机接口程序、打印显示 程序和控制程序等。
第一章 计算机控制系统绪论
1.1计算机控制系统的一般概念 1.2计算机控制系统分类 1.3计算机控制的发展与展望 1.4工业控制计算机简介
执行机构
D/A
接口
产
模拟输出通道
过
程
开关量输入通道
）
开关量输出通道
总
数
字
调
节
器
线
图1-4计算机控制系统硬件组成框图
1.1计算机控制系统的一般概念
（a） 控制对象（生产过程） 指所要控制的生产装置或设备。 单入单出， 单入多出，多入单出，多入多出对象。 （b） 执行器 执行机构是控制系统中的重要组成部分，其 作用是根据调节器的控制信号，改变输出的 角或直线位移，并改变被调介质的流量或能 量，使生产过程满足预定的要求。气动、电 动
课程的主要内容（1）--What
计算机控制的 理论、方法、系统、设计与实现
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用 物质世界
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
信息处理 信息传输 信息获取
信息层
物质、能量层
基本的负反馈闭环控制结构
计算机控制技术(系统)是自动控制理论、计算机 技术、现代检测技术、通信技术及系统理论相结 合的综合应用技术,是一门理论性和实践性都很 强的课程。它实际上包含两部分内容:
1.1计算机控制系统的一般概念
实时性 计算机对输入信息要以足够快的速度进 行控制。超过这个时间就失去了控制的 时机。 一个实时控制系统必定是在线的，但一 个在线的系统不一定是实时的。
1.1计算机控制系统的一般概念
(3)计算机控制系统的硬件组成
控 制 对
传感 变送
A/D
接口
模拟输入通道
象
（ 生
学好本课程的意义（4）
(4)当今的社会需求：随着计算机技术的迅猛发展和日 益普及,越来越多的控制系统采用计算机进行控制。这 就要求从事工业自动化专业的工程技术人员,了解并掌 握如何合理地选择和组织工业控制计算机的软件、硬 件、外围设备和接口通道以及控制管理生产过程的基 本原理和方法,将控制对象、计算机、传感器、通道和 接口、执行机构、系统软件和各种应用软件组织成一 个有机的整体,形成完整的计算机控制系统,达到预定的 控制目的。
计算机控制系统
教材及参考书 《计算机工业控制》杨劲松 《现场总线控制》周明 《计算机控制系统》吴坚
中国电力出版社 中国电力出版社 武汉理工大学出版社
制造与自动化技术，能源技术，资源与环境技术 介入：课题申请指南，探索性强专题，以增强集成
创新能力和形成战略产品原型或技术系统为目标的 项目
2、学科地位与现实意义
(2)本课程在专业培养中的地位
“计算机控制系统”(计算机测控技术)是 自动化专业的一门主要专业课,课程涉及 面很广,知识集成度高,可以说其浓缩了自 动化专业的知识精华,在专业课程体系中 具有承上启下的作用，在专业课程体系 中起到中流砥柱的核心地位。
学好本课程的意义（2）
(2)知识体系：“计算机控制系统息[Information]
＋
控制[Control]；
＋
系统[System]！
（计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段 和工具）；
学好本课程的意义（3）
(3) 在专业培养中的地位：如前所述， “计算机控制系统”是自动化专业的一 门主要专业课,课程涉及面很广,知识集成 度高,可以说其浓缩了自动化专业的知识 精华,在专业课程体系中具有承上启下的 作用，在专业课程体系中起到中流砥柱 的核心地位。
计算机控制系统
(计算机测控技术)
1、课程体系结构与技术要点
前言
（1）计算机控制系统的理论、方法。
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用
物质世界
D/A
执行器
对象
信号处理
信息处理
A/D
信息传输
传感器
信息获取
信 息 层
物质、能量层
知识体系：“计算机控制系统”充分体现了自动化的核心： 信息[Information] ＋ 控制[Control]； ＋ 系统[System]！ 计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段和工具
（1）计算机控制理论基础,即数字控制理论 （含离散系统的分析、综合和控制策略）; （2）控制系统的计算机实现技术,主要包括信 息采集、通道接口、网络通信、控制系统的体
系架构和可靠性等技术。
学好本课程的意义（1）--Why
(1）国家发展战略： 以信息化带动工业化——核心是自动化技术
以信息化带动工业化＝ 以信息化促进自动化＋以自动化带动工业化
1.1计算机控制系统的一般概念
r +e
给定值 - 偏差
控控制制器 器
u
控制量
D/A
执行机构 被控对象 Y
被控量
A/D
位置传感器
计算机
生产过程 图1-3 计算机控制系统的典型结构
1.1计算机控制系统的一般概念
比较： 模拟控制系统——控制规律由硬件电路 产生，要改变控制规律就必须要更改硬 件电路。 计算机控制系统——控制规律是用软件 实现的，计算机执行预定的控制程序， 就能实现对被控制参数的控制。
变换发送单元
测量元件
给定值
（a）闭环控制系统的框图
控制器
执行机构
被控参数 被控对象
（b）开环控制系统的框图 图1-1 控制信号的一般形式
1.1计算机控制系统的一般概念
图1-1(a)被控制参数与给定值进行比较， 区域误差信号。—— 控制器根据误差 信号进行控制调节—— 使误差为0 —— 达到被控制参数超于或等于给定值的目 的。是闭环控制系统
1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制是计算机技术与自动控制理 论相结合的产物。
1.1计算机控制系统的一般概念
1 、自动控制系统的基本结构 控制系统随着控制对象、控制规律、执 行机构的不同而不同，但其基本结构如 图1-1表示。
1.1计算机控制系统的一般概念
给定值
控制器
执行机构
被控参数 被控对象
1.1计算机控制系统的一般概念
(c)实时控制及输出。根据被控生产过程的 特点和控制要求，选择合适的控制规律，包 括复杂的先进控制策略，然后按照给定的控 制策略和实时的生产情况，实现在线，实时 控制。
1.1计算机控制系统的一般概念
(2)工作方式 在线方式与离线方式 (a)计算机与生产过程相连，且直接控制 生产过程的方式称为在线或联机方式。 (b)计算机不与生产过程相连，或相连 但不直接控制生产过程而是依靠人进行 联系并作出相应的操作的方式——离线 或脱机方式。
1.2计算机控制系统分类
若只执照计算机参与控制的形式。 可分为——开环控制与闭环控制；
1.2计算机控制系统分类
若根据系统采用的控制规律， 可分为——顺序控制、
常规控制（如PID）、 高级控制（或称先进控制，如最 优控制、自适应控制、预测控制等）、 智能控制等若干类；
1.2计算机控制系统分类
1.1计算机控制系统的一般概念
（c） 测量变送环节 常由传感器和测量线路组成，其功能是将被 控常数转移成某种形式的电信号。 （d） 数字调节器 核心是计算机，其控制规律通过编制的计算 机程序来实现。
1.1计算机控制系统的一般概念
（e） 输入/输出通道 为了实现计算机对生产过程的控制，必须在 计算机和生产过程之间架设信息的传递和变 换的连接桥梁，这就是过程输入/输出通道， 简称过程通道。 过程输入通道包括模拟量输入通道AI和开关 量输入通道（DI），分别用来输入模拟量信 号（如T、P、Q、料位和成份等）和开关量 信号或数字量信号。
第一章 计算机控制系统绪论
掌握计算机控制系统定义
掌握计算机控制系统的硬件组成 及软件组成
掌握计算机控制 系统的主要类型 及适用场合
第一章 计算机控制系统绪论
掌握总线的定义，了 解主要的总线类型
第一章 计算机控制系统绪论
1.1计算机控制系统的一般概念 1.2计算机控制系统分类 1.3计算机控制的发展与展望 1.4工业控制计算机简介
1.1计算机控制系统的一般概念
优点：能实现更为复杂的控制规律，如 非线性控制、逻辑控制、自适应控制、 自学习控制及智能控制。 输入输出信号都是数字量，只需A/D、 D/A。
1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统的控制过程一般可归纳为以 下步骤： (a)实时数据处理。对来自测量变送装置的被 控变量数据的瞬时值进行巡回采集。分析处 理性能计算级显小，记录、制表等。 (b)实时控制决策。对系统中的各种数据进行 越限报警，事故预报与处理，根据需 要进行 设备自动启停，对整个系统进行诊断与管理 等。
1.1计算机控制系统的一般概念
2 什么是计算机控制系统？ 计算机在控制系统中的应用主要可分为 以下两个方面。
1.1计算机控制系统的一般概念
（1）用计算机工程帮助设计人员对控 制系统进行分析、设计、仿真以及建模 等工作。简称为计算机辅助设计控制系 统或控制系统CAD。 离线应用 （2）利用计算机代替常规的模拟控制 器，而使它成为控制系统的一个组成部 分。简称为计算机控制系统。 在线应 用。
1.1计算机控制系统的一般概念
（c） 应用软件 是系统设计人员针对某个生产过程现时编制 的控制和管理程序。它包括过程输入程序、 过程输出程序、人一机接口程序、打印显示 程序和控制程序等。
第一章 计算机控制系统绪论
1.1计算机控制系统的一般概念 1.2计算机控制系统分类 1.3计算机控制的发展与展望 1.4工业控制计算机简介
执行机构
D/A
接口
产
模拟输出通道
过
程
开关量输入通道
）
开关量输出通道
总
数
字
调
节
器
线
图1-4计算机控制系统硬件组成框图
1.1计算机控制系统的一般概念
（a） 控制对象（生产过程） 指所要控制的生产装置或设备。 单入单出， 单入多出，多入单出，多入多出对象。 （b） 执行器 执行机构是控制系统中的重要组成部分，其 作用是根据调节器的控制信号，改变输出的 角或直线位移，并改变被调介质的流量或能 量，使生产过程满足预定的要求。气动、电 动
课程的主要内容（1）--What
计算机控制的 理论、方法、系统、设计与实现
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用 物质世界
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
信息处理 信息传输 信息获取
信息层
物质、能量层
基本的负反馈闭环控制结构
计算机控制技术(系统)是自动控制理论、计算机 技术、现代检测技术、通信技术及系统理论相结 合的综合应用技术,是一门理论性和实践性都很 强的课程。它实际上包含两部分内容:
1.1计算机控制系统的一般概念
实时性 计算机对输入信息要以足够快的速度进 行控制。超过这个时间就失去了控制的 时机。 一个实时控制系统必定是在线的，但一 个在线的系统不一定是实时的。
1.1计算机控制系统的一般概念
(3)计算机控制系统的硬件组成
控 制 对
传感 变送
A/D
接口
模拟输入通道
象
（ 生
学好本课程的意义（4）
(4)当今的社会需求：随着计算机技术的迅猛发展和日 益普及,越来越多的控制系统采用计算机进行控制。这 就要求从事工业自动化专业的工程技术人员,了解并掌 握如何合理地选择和组织工业控制计算机的软件、硬 件、外围设备和接口通道以及控制管理生产过程的基 本原理和方法,将控制对象、计算机、传感器、通道和 接口、执行机构、系统软件和各种应用软件组织成一 个有机的整体,形成完整的计算机控制系统,达到预定的 控制目的。