典型计算机控制系统介绍
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。
计算机控制技术发展及应用
工业以太网
• 10M/100Mbps的标准工业以太网符合TCP/IP 协议
• 工业以太网是在标准Ethernet基础上开发的 双通道网络系统
• 增加特殊控制功能：冗余控制、实时故障同 步诊测
• 多项指标优化设计，实时响应性 • 网络故障实时诊断信息显示在操作站上 • 工业以太网更适合中大规模控制系统选用
1.2 计算机控制系统软件介绍
应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、 可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。它们包括：数据 采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、 输出与控制等程序。
用于应用软件开发的程序设计语言，一般有：汇编、 C# 、C++、VB、VC 等。 目前也有一些专门用于控制的引 用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有 很强的应用前景。
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ห้องสมุดไป่ตู้
水箱水位的自动控制
浮子：测量作用 连杆：比较作用 放大器、伺服电动机和减速器： 调节作用 阀门：执行元件作用
水箱水位的自动控制示意 图
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大 小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有 正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位 重新与水位要求值相等时为止。 水位自动控制的目的：使偏差消除或减小，使实际水位达到要 求的水位值。
计算机控制系统复习题答案 (1)
《计算机控制系统》课程复习题答案一、知识点：计算机控制系统的基本概念。
具体为了解计算机控制系统与生产自动化的关系；掌握计算机控制系统的组成和计算机控制系统的主要特性；理解计算机控制系统的分类和发展趋势。
回答题：1.画出典型计算机控制系统的基本框图；答：典型计算机控制系统的基本框图如下：2.简述计算机控制系统的一般控制过程；答：(1) 数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理；(2) 实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。
3.简述计算机控制系统的组成；答：计算机控制系统由计算机系统和被控对象组成，计算机系统又由硬件和软件组成。
4.简述计算机控制系统的特点；答：计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点：⑴计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。
⑵计算机控制系统修改控制规律，只需修改程序，一般不对硬件电路进行改动，因此具有很大的灵活性和适应性。
⑶能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。
⑷计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。
⑸一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。
⑹采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化。
5.简述计算机控制系统的类型。
答：（1）操作指导控制系统；（2）直接数字控制系统；（3）监督计算机控制系统（4）分级计算机控制系统二、知识点：计算机控制系统的硬件基础。
具体为了解计算机控制系统的过程通道与接口；掌握采样和保持电路的原理和典型芯片的应用，掌握输入/输出接口电路：并行接口、串行接口、A/D和D/A的使用方法，能根据控制系统的要求选择控制用计算机系统。
回答题：1.给出多通道复用一个A/D转换器的原理示意图。
2.给出多通道复用一个D/A转换器的原理示意图。
3.例举三种以上典型的三端输出电压固定式集成稳压器。
答：W78系列,如W7805、7812、7824等；W79系列，如W7805、7812、7824等4.使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧的电气被彻底隔离？答：光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。
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。
计算机控制系统(1)
计算机控制系统席爱民编著第1章绪论1.1 概述可以这样说，没有计算机的参与，现代化的自动化系统是不可能实现的。
随着微电子学、计算机技术革命性的发展，当今所构成的自动控制系统都是建立在计算机基础之上的。
要获得比模拟控制系统更好的控制性能，使控制系统具备新的功能，只有使用计算机控制系统。
计算机具有信息储存记忆、逻辑判断推理和快速数值计算功能，是一种强大的信息处理工具，其应用己经渗透到人类活动的各个领域，强有力地推动着技术与科学的全面进步。
随着计算机技术的迅猛发展，计算机在工业控制中的应用也越来越广泛。
如今计算机控制已广泛应用于各行各业技术工程和各类工业生产制造过程的控制中。
学习本书的目的：本书将侧重系统讲述有关计算机控制系统的分析及设计的基本理论和方法，以及一些较为实用的计算机先进控制算法。
实际上目前全部的控制系统都是基于计算机控制，因此懂得计算机控制是很重要的。
如果将计算机控制系统仅仅看作模拟控制系统的近似是很不够的。
因为那是没有看到计算机控制的全部潜在能力。
很好地掌握计算机控制系统，就能够充分发挥计算机控制的全部潜能。
计算机控制系统存在着一些模拟控制系统所没有的相应现象，本书的主要目标就提供了解、分析和设计计算机控制系统扎实的基础理论知识，这对于从事控制系统方面的工程技术人员来说是很重要的。
本章概述：计算机控制系统的组成、类型、特点、任务以及计算机控制的发展概况及趋势；了解过程自动化的任务，进一步明确计算机控制系统的类型、特点。
1.1.1计算机控制系统典型计算机反馈控制系统如图1.1所示。
系统中存在着两种截然不同的信号，即模拟连续信号及数字离散信号。
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，需要有相应的离散控制理论与之相适应。
不同类型信号混合的分析有时是困难的，然而，在大多数的情况下，描述系统在采样点上的表现就足够了。
1.1.2计算机控制系统组成计算机控制系统是由硬件和软件两部分组成的。
计算机控制系统的典型形式名词解释
计算机控制系统的典型形式名词解释控制系统是指通过传感器获取输入信号，经过处理和分析后，产生控制器的输出信号，实现对被控对象（如机械系统、电力系统、化工系统、交通系统等）的控制。
在这个过程中，计算机被广泛应用于控制系统中，实现对被控对象的精确、灵活、高效的控制操作。
计算机控制系统不仅被广泛应用于工业自动化领域，还涉及到交通、能源、环保、医疗等多个领域。
对于计算机控制系统，有许多典型形式，下面我们来逐一解释。
1. 开环控制系统开环控制系统也称为非反馈控制系统，是指控制器的输出信号不受被控对象的状态影响。
简单来说，开环控制系统仅根据输入信号的大小来决定控制器的输出，而不考虑输出对被控对象产生的影响。
这种系统通常用于对被控对象的要求不高、且对控制精度要求不严格的场景。
2. 闭环控制系统闭环控制系统是指控制器的输出信号受被控对象状态的影响，通过传感器实时监测被控对象的状态，并将反馈信号传递给控制器，从而调节控制器的输出。
闭环控制系统能够实现对被控对象的精确控制，具有良好的稳定性和鲁棒性，因此被广泛应用于工业自动化领域。
3. 自动控制系统自动控制系统是指在事先设计好的规律下，能够自动地使被控对象按照设计要求进行运行或操作的系统。
这种系统广泛应用于生产线、机器设备、飞机、火箭等领域，能够提高生产效率、降低成本、减少人力投入。
4. 手动控制系统手动控制系统是指通过人工操作的方式来控制被控对象的系统。
在这种系统中，人工操作起着至关重要的作用，通常用于对被控对象要求不高、且灵活性要求较高的场景。
5. 开关控制系统开关控制系统是指控制器的输出信号只有两种状态，即开和关。
这种系统简单、成本低廉，通常用于对被控对象要求不高、且控制方式简单的场景。
通过解释以上典型形式，我们可以更深入地理解计算机控制系统的多样性和灵活性。
在实际应用中，我们需要根据被控对象的要求和控制需求来选择适合的控制系统形式，以实现最佳的控制效果。
总结回顾：在工业自动化和生产控制领域，计算机控制系统是不可或缺的重要角色。
DCS控制系统详解
DCS控制系统详解（化工厂）提起DCS系统，化工人都不陌生，因为它是化工厂的大脑，会根据采集现场仪表（温度、压力、流量、液位等）信号作出判断，让输出的信号对管道的阀门进行控制由于DCS涉及的知识面很广，所以今天只介绍基本结构和原理部分，希望能为工厂中相关操作人员以及初学者提供参考。
01 基本结构DCS是Distributed Control System的缩写，直译为“分布式控制系统”。
由于产品生产厂家众多，系统设计不尽相同，功能和特点也各不相同。
国内在翻译时，也有不同的称呼：分散控制系统（简称DCS）集散控制系统（简称TDCS或TDQ 分布式计算机控制系统（简称DCCS）02 系统组成三站一线：工程师站、操作员站、现场控制站、系统网络1、工程师站对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络接点。
主要功能：提供对DCS 进行组态，配置工作的工具软件，并在DCS 在线运行时实时监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳工作状态之下。
2、操作员站处理一切与运行操作有关的人机界面（HIS，Human Interface Statio n,或01, Operator In terface，或MMI，Man Machi ne In terface）功能的网络节点。
主要功能：为系统的运行操作人员提供人机界面, 使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等,并可通过输入设备对工艺过程进行控制和调节, 以保证生产过程的安全、可靠、高效。
3、场控制站现场控制站是DCS的核心，是对现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC功能的网络节点。
系统主要的控制功能由它来完成，系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证。
其设计、生产及安装都有很高的要求，是分散控制系统中的主要任务执行者。
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工控机示意图
西门子工控机
研华工控机
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 • ④CPU卡 • ⑤其他配件
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图8.1 工控机典型结构图
CPU板
返回
无源底板
返回
2. 工业PC的特点(1)
• 专门为工业工程控制现场设计的工业PC机有 以下特点：
• ⑥可内装电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环 境下的操作具有高速﹑高可靠性。
3. 常用的工业控制机简介
• 当前国内外工控机型号很多，下面简要介绍主要常用的 工控机：
• 工控机的生产厂家很多，国外有美国IBM、ICS 、德国 西门子、日本康泰克等，这些产品可靠性好、市场定位 高。
• 我国台湾地区是工控机的主要生产区，其品牌主要有研 华、威达、艾讯、磐仪、大众、博文等厂家，其中，研 华是世界三大工控厂商之一，在中国大陆及台湾市场均 有较高的市场占有率。
2. 工业PC的特点(2)
• 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。
• ⑤机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用 150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，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、硬盘驱动器安装采用橡皮 缓冲防震，并有防尘门。
• 例如研华PCI-1710数据 采集卡，如图8.2所示。 该 板 卡 具 有 32 路 单 端 或 16 路 差 分 模 拟 量 输 入 或
组合方式输入等三种输 入 方 式 ， 它 带 有 2500 VDC 隔离保护；采用12 位 A/D 转 换 器 ， 采 样 数 率 可 达 100kHZ ； 板 载 4K采样FIFO缓冲器；每
• ① 支 持 各 种 模 块 化 CPU 卡 和 所 有 的 IBMPC/XT/AT总线接口板。
• ②所有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。
• 国内也有很多工控机品牌，如研祥、华控、康拓、艾雷 斯、北京华北等。
8.1.2 基于PC总线的板卡简介
• 基于PC总线的板卡是指计算机厂商为了满足 用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功 能模板。
• 基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也 有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为 模拟量输入板卡（A/D卡）、模拟量输出板卡 （D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板 卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等，其中多 功能板卡可以集成多个功能，。下面以研华 PCI系列测控板卡为例介绍一下不同种类的典 型板卡的性能和特点。
合需要高电压保护的工
业场合，该板卡具有4
路输出通道。
3. 数字量输入/输出板卡（I/O板卡）
• 数字量输入输出接口相对简单，一般都 需要缓冲电路和光电隔离部分，输入通 道需要输入缓冲器和输入调理电路，输 出通道需要有输出锁存器和输出驱动器。
• 例 如 研 华 PCI-1760 光 隔 开关量输入输出卡提供了 8路数字量输入通道和8路 继电器输出通道。与传统 卡比较，PCI-1760 为每 个数字量输入通道增加了 可编程的数字滤波器。此 功能使相应输入通道的状 态不会更新，直到高/低 信号保持了用户设定的一 段时间后才改变。这样有 助于保持系统的可靠性。
个输入通道的增益可编 程。
图8.2 研华PCI-1713数据采集卡
2. 模拟量输出板卡（D/A卡）
• 模拟量输出板卡完成数字量到模拟量的 转 换 ， D/A 转 换 板 卡 同 样 依 据 其 采 用 的 D/A转换芯片的不同，其转换性能指标有 很大的差别。D/A转换除了具有分辨率、 转换精度等性能指标外，还有建立时间、 温度系数等指标约束。模拟量输出板卡 通常还要考虑输出形式以及负载能力。
• 该类系统是一种非常典型的DDC控制系统， 工控机通过基于PC总线的板卡进行实时数 据采集，并按照一定的控制规律实时决策， 产生控制指令，并通过板卡输出，对生产 过程直接进行控制。
• 该类系统具有组成灵活，成本低等特点， 广泛应用于工业生产的各个领域。是目前 在工业上用得比较多的一类系统。
8.1.1 PC总线的工业控制机简介
1. 模拟量输入板卡（A/D卡）
• 基于PC总线的A/D板卡是基于PC系列总线，如 ISA、PCI等总线标准设计的，板卡通常有单端 输入和差分输入以及两种方式组合输入三种。 板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样 数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的 性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常 采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡的 模拟信号采集精度和速度指标通常由板卡所采 用的A/D转换芯片决定。
• 例如研华PCI-1720模拟
量输出卡，如图8.3所 总线的 12 位隔
离数字量到模拟量输出。
它是过程控制、伺服控
制和可编程电压源最好
的解决方案。由于能够
在输出和 PCI 总线之间
提供 2500 VDC 的隔离 保护，PCI-1720 非常适
图8.3研华PCI-1720模拟量输出卡
典型计算机控制系统简介
• 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; • 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
• 工业个人计算机Industrial Personal Computer （简称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，它可以 作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
• 早在20世纪80年代初期，美国AD公司就推出了 类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司 正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC的 性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中 异军突起，后来居上，应用日趋广泛。