华中科技大学 计算机控制技术课件 新编第一章
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见下页
图1-7
操 作 站
LAN
H2 现 场 总 线
服 务 器
124
现 场 设 备 H1 H1
网 桥
H1
现 场 总 线
32 现 场 设 备
H1 现 场 总 线
32 现 场 设 备
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现场总线控制系统的特点
◆
新一代分布式控制结构 以“工作站－现场总线仪表”的二层结构完成 DCS三层结构的功能
◆
◆
（3） 难以满足用户的要求
开放系统的设计思想是：向未来的VLSI开放， 在技术上兼顾未来的发展，留下容纳未来新技术 的余地；着眼社会的公共参与（如STD，IPC）； 兼顾通用的基本设计和用户专用要求。
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第五节 计算机控制系统的研究课题和发展方向
5.1 研究课题：
（1）集散控制系统 （2）可编程控制器 （3）计算机集成制造系统 （4）低成本自动化 （5）智能控制系统
可以降低成本，提高可靠性，实现真正的开放 式互连系统结构
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第三节 工业控制机
3.1 工业控制机的特点
与商业用计算机相比：
（1）丰富的I/O功能（模块） （2）实时性，具有时间驱动和事件驱动能力。 （3）高的可靠性。MTBF达几千或上万小时， 短的故障 修复时间，运行效率高。 （4）环境适应性。适应高温、高湿、腐蚀振动、灰尘、 电磁干扰等。 （5）丰富的软件支持。 （6）技术的综合性。
见下页
操作指导计算机
图1-3
测量值
操作指导参考数据
人 控制量 设定值
A/D
多路开关
控制器 传感器
嗫
嗫
生产过程
（2）直接数字控制系统（DDC系统）
直接数字控制，可完全代替模拟调节器，实现 多路控制，应用先进的控制规律，如串级控制，智 能控制，自适应控制等。 DDC是分散计算机控制系统的最小子系统。
主要参考文献
谢剑英等. 微型计算机控制技术（第3版）, 国防工业 出版社, 2001 K. J. Astrom, B. Wittenmark. 计算机控制系统－原 理与设计（第3版）, 电子工业出版社, 2001 于海生等. 微型计算机控制技术, 清华大学出版社, 1999
计算机
生产过程
设定值 显示 打印
接口
输入通道
检测
接口
输出通道
执行
图1-4 直接数字控制器
（3）监督计算机控制系统（SCC系统）
SCC系统有两种类型： （1）SCC+模拟调节器 （2）SCC+DDC控制系统 SCC计算机完成对过程参数的采集，显示，分析，决策， 给出优化的设定，实现最优控制或次 优控制。SCC计算机的设 定可以是动态的优化的设定和稳态的优化设定。可以不频繁参 与控制，当其出现故障，DDC控制仍可继续。 图1-5 监督计算机控制系统构成示意图 a）SCC+模拟调节器系统 b）SCC+DCC系统 见下页
被控 对象
计算机控制系统可以分为硬件和软件两大部分
◆硬件: 是指计算机本身及外围设备，一般包括中央处 理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和 D/A为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、 记录设备、运行操作台等 ◆软件: 包括系统软件和应用软件,系统软件如操作系统, 诊断系统，开发系统，信息处理；应用软件如过程监视，过 程控制计算
图1-5
SCC计算机 设定值 测量值
SCC计算Biblioteka Baidu 设定值 测量值
A/D
DDC
A/D
多路 开关
模拟 调节器
传感器
D/A
多路开关
多路开关
输出
传感器
嗫
输入
生产过程
a)
嗫
输入
生产过 程
b)
输出
（4）分散计算机控制系统 — 分散控制，集中管理
特点：由于计算机控制系统的价格的下降，采 用分散控制成为可能。将过程分为N个自系统，实 现分散控制，子系统之间的信息交换通过上位计 算机完成，实现信息的集中与优化。有效克服了“ 危险集中”的问题，提高了系统的可靠性。 分散型控制系统：DCS结构如下图1-6
1.1 计算机控制的一般概念
计算机
设定值
A/D
+—
反 馈 量
控制规律 计算程序
D/A
执行 机构
被控 对象
被 控 量
检测装置
图1-1 计算机控制系统基本框架
计算机控制系统完成的主要任务：
（1）数据的实时采集 （2）控制与决策 （3）控制量的输出
几个常用术语
在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连 离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开 实时（Real time）：计算机输入、输出和计算都在规定时间内完 成 在线与实时的关系 ◆一个在线系统不一定是实时系统 ◆ 一个实时系统必定是在线系统 计算机控制系统涉及的信号 ◆ 连续信号：定义在整个连续时间范围内的信号（连续值，有 限个间断点） ◆ 离散信号：定义在各个离散瞬时上的信号 ◆ 数字信号：幅值量化的离散信号（取一组间断的数值来表示 一个变量的过程成为量化）
第二节 计算机在控制中的典型应用方式
根据计算机在控制中的典型应用方式，可以把计算机 控制系统划分为四类：
（1）操作指导控制系统
优点：结构简单，控制灵活，适用于复杂的工业过 程。如早期的窑炉控制等慢过程的决策与控制。随着智能 控制技术的发展，将逐步被计算机控制所取代。 缺点：人的劳动强度较大，不适合快速系统。 图 1-3 计算机操作指导控制系统示意图
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第四节 开放式的体系结构和设计方法
设计师面临以下问题： （1）产品的更新速度加快（集成度的提高，微处理器的速度的提 高，新器件的出现等） （2）市场竞争的激烈 影响产品成功的两大因素：系统成本和设计周期 其中系统成本的主要构成： ● 方案试验 ● 印刷板设计 ● 生产准备 ● 硬件和软件测试方法的开发 ● 生产和测试手段投资 ● 人员培训 ● 材料和配套设备的采购
微型计算机控制技术
作者：赖寿宏教授 出版：机械工业出版社 讲授：陈林 武汉科技大学信息科学与工程学院
第一章
绪
论
1. 计算机控制系统的组成及特点 2. 计算机在控制中的典型应用方式 3. 工业控制机 4. 开放式的体系结构和设计方法 5.计算机控制系统的研究课题和发展
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第一节 计算机控制系统的组成及特点
见下页
综合信息 管理级
管理计算机
网间联接器
图1-6
局部网络(LAN)
集中操作 工程师操作 站 监控级
操作员操作 站
监控计算机
网间联接器
通信联络
分散过程 现场控制站 控制级
PLC
智能调节器
其它测量控 制装置
（5）现场总线型系统
提出该系统的目的是为了更好的实现现场信号 的就地处理，实现工业现场各种不同的计算机控制 装置的信息交换而制定的总线规范。可更加灵活， 方便，有效实现信息的分散化处理以及子系统之间 的信息交换，提高系统的可靠性。如CAN， PROFIBUS等。 结构图如图1-7：
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆
能控制、模型预测控制等；
第二节 计算机在控制中的典型应用方式
计算机控制的发展概况
开创期－约1955年（监督方式运行，需常规模拟控制设备）
◆
操作指导方式运行 设定定值控制
◆
直接数字控制期－约1962年（计算机直接控制生产过程） 小型计算机控制期－约1972年 微型计算机控制期－约1972年 集散型控制期－约1975年（Honeywell, TDC2000） 网络化控制期－约20世纪90年代
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算 机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起 来的一门专业技术。 它主要研究如何将计算机技术和自动化控制理 论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计 算机控制系统。 通过本课程的学习,同学们能够了解和掌握以微 型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础 知识和基本应用技术。
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5.3 研究过程
实例：中压变频器主电路拓扑
实例：DTC控制算法框图
实例：网络化的电机控制系统
汽车控制系统
汽车控制系统
前车门控 制系统 发动器控 制系统
后车门控 制系统 尾灯控制 系统 所有的控 制系统都 是一个完 整的嵌入 式系统
座椅控制 系统
马达 控制器 车灯
本课程的目的和任务
1.2 计算机控制系统的组成及特点
图1-2
操作台
I/O 接口
多路 开关
传感器 及变送 器
A/D
打印机
通用外 围设备
O / I
计算机主机
O / I
接口
I/O 接口
D/A
多路 开关
执行 机构
工业对象
I/O 接口
数字量输入
I/O 接口
数字量输出
显示 终端
接口
主机及 操作台
I/O接 口电路
I/O通 道
信号检 测及变 送
5.2
发展趋势：
(1) 模块的小型化
1、小型化
● 集成电路的发展使得器件的功能越来越强大 ● 在线可编程器件的应用 ● 表面安装技术（印刷板成本下降，组装成本下降，系 统性能的改进） ● 专用集成电路
(2) 系统的小型化
2 、组合化（软件和硬件的组合化） 3 、模块化（软件和硬件的模块化） 4 、标准化（总线，通信接口，工业局部网络， 外围设备）
计算机控制系统的基本模式为内总线模式
特点：过程I/O，人机接口与存储器相当，具有相同的模 式，以及相当的存取速度。
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计算机控制系统的优点：
◆
对于外部环境的低灵敏性，如环境温度、 湿度和元器件使用时间等； 数字信号传输成本低，抗干扰能力强； 没有参数漂移现象； 可靠性高； 能以较低的成本完成非常复杂的工作； 通过软件很容易改动系统，因此具有很高的柔性； 能够实现多个系统的协调控制，典型应用如机器人多关节控制等； 能够实现复杂的控制，如自适应控制、学习控制、变结构控制、智
3.2 典型的工业控制机
（1）STD总线工业控制机
STD总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化 是STD最突出的特点，其系统没有固定的模式和标准机型， 而是提供了大量的功能模块，用户可根据需要，可配置成 不同工业对象，不同生产规模的生产过程的工业控制机。
（2）PC总线工业控制机
采用PC总线控制机有许多的优点，尤其支持软件特别丰 富，各种软件包不计其数，这可大大减少软件开发的工作 量，而且PC机联网方便，容易构成多微机控制与管理一体 化的综合系统、分级计算机控制系统和集散控制系统。
图1-7
操 作 站
LAN
H2 现 场 总 线
服 务 器
124
现 场 设 备 H1 H1
网 桥
H1
现 场 总 线
32 现 场 设 备
H1 现 场 总 线
32 现 场 设 备
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现场总线控制系统的特点
◆
新一代分布式控制结构 以“工作站－现场总线仪表”的二层结构完成 DCS三层结构的功能
◆
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（3） 难以满足用户的要求
开放系统的设计思想是：向未来的VLSI开放， 在技术上兼顾未来的发展，留下容纳未来新技术 的余地；着眼社会的公共参与（如STD，IPC）； 兼顾通用的基本设计和用户专用要求。
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第五节 计算机控制系统的研究课题和发展方向
5.1 研究课题：
（1）集散控制系统 （2）可编程控制器 （3）计算机集成制造系统 （4）低成本自动化 （5）智能控制系统
可以降低成本，提高可靠性，实现真正的开放 式互连系统结构
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第三节 工业控制机
3.1 工业控制机的特点
与商业用计算机相比：
（1）丰富的I/O功能（模块） （2）实时性，具有时间驱动和事件驱动能力。 （3）高的可靠性。MTBF达几千或上万小时， 短的故障 修复时间，运行效率高。 （4）环境适应性。适应高温、高湿、腐蚀振动、灰尘、 电磁干扰等。 （5）丰富的软件支持。 （6）技术的综合性。
见下页
操作指导计算机
图1-3
测量值
操作指导参考数据
人 控制量 设定值
A/D
多路开关
控制器 传感器
嗫
嗫
生产过程
（2）直接数字控制系统（DDC系统）
直接数字控制，可完全代替模拟调节器，实现 多路控制，应用先进的控制规律，如串级控制，智 能控制，自适应控制等。 DDC是分散计算机控制系统的最小子系统。
主要参考文献
谢剑英等. 微型计算机控制技术（第3版）, 国防工业 出版社, 2001 K. J. Astrom, B. Wittenmark. 计算机控制系统－原 理与设计（第3版）, 电子工业出版社, 2001 于海生等. 微型计算机控制技术, 清华大学出版社, 1999
计算机
生产过程
设定值 显示 打印
接口
输入通道
检测
接口
输出通道
执行
图1-4 直接数字控制器
（3）监督计算机控制系统（SCC系统）
SCC系统有两种类型： （1）SCC+模拟调节器 （2）SCC+DDC控制系统 SCC计算机完成对过程参数的采集，显示，分析，决策， 给出优化的设定，实现最优控制或次 优控制。SCC计算机的设 定可以是动态的优化的设定和稳态的优化设定。可以不频繁参 与控制，当其出现故障，DDC控制仍可继续。 图1-5 监督计算机控制系统构成示意图 a）SCC+模拟调节器系统 b）SCC+DCC系统 见下页
被控 对象
计算机控制系统可以分为硬件和软件两大部分
◆硬件: 是指计算机本身及外围设备，一般包括中央处 理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和 D/A为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、 记录设备、运行操作台等 ◆软件: 包括系统软件和应用软件,系统软件如操作系统, 诊断系统，开发系统，信息处理；应用软件如过程监视，过 程控制计算
图1-5
SCC计算机 设定值 测量值
SCC计算Biblioteka Baidu 设定值 测量值
A/D
DDC
A/D
多路 开关
模拟 调节器
传感器
D/A
多路开关
多路开关
输出
传感器
嗫
输入
生产过程
a)
嗫
输入
生产过 程
b)
输出
（4）分散计算机控制系统 — 分散控制，集中管理
特点：由于计算机控制系统的价格的下降，采 用分散控制成为可能。将过程分为N个自系统，实 现分散控制，子系统之间的信息交换通过上位计 算机完成，实现信息的集中与优化。有效克服了“ 危险集中”的问题，提高了系统的可靠性。 分散型控制系统：DCS结构如下图1-6
1.1 计算机控制的一般概念
计算机
设定值
A/D
+—
反 馈 量
控制规律 计算程序
D/A
执行 机构
被控 对象
被 控 量
检测装置
图1-1 计算机控制系统基本框架
计算机控制系统完成的主要任务：
（1）数据的实时采集 （2）控制与决策 （3）控制量的输出
几个常用术语
在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连 离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开 实时（Real time）：计算机输入、输出和计算都在规定时间内完 成 在线与实时的关系 ◆一个在线系统不一定是实时系统 ◆ 一个实时系统必定是在线系统 计算机控制系统涉及的信号 ◆ 连续信号：定义在整个连续时间范围内的信号（连续值，有 限个间断点） ◆ 离散信号：定义在各个离散瞬时上的信号 ◆ 数字信号：幅值量化的离散信号（取一组间断的数值来表示 一个变量的过程成为量化）
第二节 计算机在控制中的典型应用方式
根据计算机在控制中的典型应用方式，可以把计算机 控制系统划分为四类：
（1）操作指导控制系统
优点：结构简单，控制灵活，适用于复杂的工业过 程。如早期的窑炉控制等慢过程的决策与控制。随着智能 控制技术的发展，将逐步被计算机控制所取代。 缺点：人的劳动强度较大，不适合快速系统。 图 1-3 计算机操作指导控制系统示意图
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第四节 开放式的体系结构和设计方法
设计师面临以下问题： （1）产品的更新速度加快（集成度的提高，微处理器的速度的提 高，新器件的出现等） （2）市场竞争的激烈 影响产品成功的两大因素：系统成本和设计周期 其中系统成本的主要构成： ● 方案试验 ● 印刷板设计 ● 生产准备 ● 硬件和软件测试方法的开发 ● 生产和测试手段投资 ● 人员培训 ● 材料和配套设备的采购
微型计算机控制技术
作者：赖寿宏教授 出版：机械工业出版社 讲授：陈林 武汉科技大学信息科学与工程学院
第一章
绪
论
1. 计算机控制系统的组成及特点 2. 计算机在控制中的典型应用方式 3. 工业控制机 4. 开放式的体系结构和设计方法 5.计算机控制系统的研究课题和发展
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第一节 计算机控制系统的组成及特点
见下页
综合信息 管理级
管理计算机
网间联接器
图1-6
局部网络(LAN)
集中操作 工程师操作 站 监控级
操作员操作 站
监控计算机
网间联接器
通信联络
分散过程 现场控制站 控制级
PLC
智能调节器
其它测量控 制装置
（5）现场总线型系统
提出该系统的目的是为了更好的实现现场信号 的就地处理，实现工业现场各种不同的计算机控制 装置的信息交换而制定的总线规范。可更加灵活， 方便，有效实现信息的分散化处理以及子系统之间 的信息交换，提高系统的可靠性。如CAN， PROFIBUS等。 结构图如图1-7：
◆
◆
◆
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◆
能控制、模型预测控制等；
第二节 计算机在控制中的典型应用方式
计算机控制的发展概况
开创期－约1955年（监督方式运行，需常规模拟控制设备）
◆
操作指导方式运行 设定定值控制
◆
直接数字控制期－约1962年（计算机直接控制生产过程） 小型计算机控制期－约1972年 微型计算机控制期－约1972年 集散型控制期－约1975年（Honeywell, TDC2000） 网络化控制期－约20世纪90年代
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算 机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起 来的一门专业技术。 它主要研究如何将计算机技术和自动化控制理 论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计 算机控制系统。 通过本课程的学习,同学们能够了解和掌握以微 型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础 知识和基本应用技术。
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5.3 研究过程
实例：中压变频器主电路拓扑
实例：DTC控制算法框图
实例：网络化的电机控制系统
汽车控制系统
汽车控制系统
前车门控 制系统 发动器控 制系统
后车门控 制系统 尾灯控制 系统 所有的控 制系统都 是一个完 整的嵌入 式系统
座椅控制 系统
马达 控制器 车灯
本课程的目的和任务
1.2 计算机控制系统的组成及特点
图1-2
操作台
I/O 接口
多路 开关
传感器 及变送 器
A/D
打印机
通用外 围设备
O / I
计算机主机
O / I
接口
I/O 接口
D/A
多路 开关
执行 机构
工业对象
I/O 接口
数字量输入
I/O 接口
数字量输出
显示 终端
接口
主机及 操作台
I/O接 口电路
I/O通 道
信号检 测及变 送
5.2
发展趋势：
(1) 模块的小型化
1、小型化
● 集成电路的发展使得器件的功能越来越强大 ● 在线可编程器件的应用 ● 表面安装技术（印刷板成本下降，组装成本下降，系 统性能的改进） ● 专用集成电路
(2) 系统的小型化
2 、组合化（软件和硬件的组合化） 3 、模块化（软件和硬件的模块化） 4 、标准化（总线，通信接口，工业局部网络， 外围设备）
计算机控制系统的基本模式为内总线模式
特点：过程I/O，人机接口与存储器相当，具有相同的模 式，以及相当的存取速度。
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计算机控制系统的优点：
◆
对于外部环境的低灵敏性，如环境温度、 湿度和元器件使用时间等； 数字信号传输成本低，抗干扰能力强； 没有参数漂移现象； 可靠性高； 能以较低的成本完成非常复杂的工作； 通过软件很容易改动系统，因此具有很高的柔性； 能够实现多个系统的协调控制，典型应用如机器人多关节控制等； 能够实现复杂的控制，如自适应控制、学习控制、变结构控制、智
3.2 典型的工业控制机
（1）STD总线工业控制机
STD总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化 是STD最突出的特点，其系统没有固定的模式和标准机型， 而是提供了大量的功能模块，用户可根据需要，可配置成 不同工业对象，不同生产规模的生产过程的工业控制机。
（2）PC总线工业控制机
采用PC总线控制机有许多的优点，尤其支持软件特别丰 富，各种软件包不计其数，这可大大减少软件开发的工作 量，而且PC机联网方便，容易构成多微机控制与管理一体 化的综合系统、分级计算机控制系统和集散控制系统。