第章计算机控制系统概述.pptx

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1、第一章第一章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 回顾：自动控制基本概念回顾：自动控制基本概念 1.1 1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 1.2 1.2 计算机控制系统的主要特征计算机控制系统的主要特征 1.3 1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 1.4 1.4 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况第1页/共83页第2页/共83页 回顾：自动控制的基本概念回顾：自动控制的基本概念一、自动控制理论的形成和发展一、自动控制理论的形成和发展（一）（一）2020世纪世纪4040年代形成年代形成 生物条件反射生物条件反射 反馈控制论反馈控制论自动调节原理自动调

2、节原理 最早应用于工业过程中的自动反馈控制器，最早应用于工业过程中的自动反馈控制器，是英国人是英国人瓦特瓦特（James WaltJames Walt）在在17691769年发明的年发明的飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。机械装置测量驱动杆的转速并利用飞球的机械装置测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，控制进入蒸汽机的蒸汽流量。转动来控制阀门，控制进入蒸汽机的蒸汽流量。转速增大时，飞球离开轴线，于是关紧阀门。转速增大时，飞球离开轴线，于是关紧阀门。第3页/共83页 瓦特的蒸汽机转速控制系统瓦特的蒸汽机转速控制系统第4页/共83页（二）自动控制的三

3、大领域（二）自动控制的三大领域 工程控制论、生物控制论、经济控制论工程控制论、生物控制论、经济控制论（三）控制论所要解决的主要问题（三）控制论所要解决的主要问题 系统建模系统建模 （实际问题抽象，数学描述）（实际问题抽象，数学描述）系统分析系统分析 （稳定性，（稳定性，动动/静态性能）静态性能）系统综合系统综合 （方案选择，设计（方案选择，设计)系统验证系统验证 （数字仿真，半实物（数字仿真，半实物/实物仿真）实物仿真）第5页/共83页（四）控制论的研究方法（四）控制论的研究方法p1 1、模型化的方法、模型化的方法 系统系统建模建模分析分析综合综合p2 2、数学化的手段、数学化的手段 “规律化

4、、定量化、普适化规律化、定量化、普适化”p3 3、计算机辅助、计算机辅助“计算机仿真，借计算机辅助设计，虚拟现计算机仿真，借计算机辅助设计，虚拟现实实”第6页/共83页军事上：军事上：火力控制，自动跟踪控制，武器装火力控制，自动跟踪控制，武器装 备的精确制导备的精确制导工业：工业：自动化生产线自动化生产线,各类工业控制设备各类工业控制设备航空航天：航空航天：勇气号，神舟六号勇气号，神舟六号交通：交通：无人自动驾驶，交通灯智能控制，列无人自动驾驶，交通灯智能控制，列 车运行自动控制车运行自动控制家电：家电：冰箱、空调、洗衣机、微波炉冰箱、空调、洗衣机、微波炉（五）控制论的应用（五）控制论的应用第

5、7页/共83页（六）控制论分类（六）控制论分类 1 1、经典控制论、经典控制论 应用方法应用方法:时域法、频域法、根轨迹法时域法、频域法、根轨迹法 研究对象研究对象:单输入，单输出单输入，单输出 研究内容研究内容:随动调节随动调节 数学模型数学模型:微分方程，传递函数微分方程，传递函数 数学工具数学工具:微分方程，复变函数，拉普拉微分方程，复变函数，拉普拉 斯变换斯变换 适用系统适用系统:简单系统简单系统第8页/共83页2 2、现代控制论、现代控制论 研究对象研究对象:多输入，多输出多输入，多输出 研究内容研究内容:多变量控制、最优控制多变量控制、最优控制 数学模型数学模型:状态方程状态方程

6、数学工具数学工具:线性代数，泛函分析线性代数，泛函分析 应用方法应用方法:时域法时域法 适用系统适用系统:复杂系统复杂系统第9页/共83页 （七）控制理论的发展（七）控制理论的发展 计算机空控制：用计算机代替常规控制器；计算机空控制：用计算机代替常规控制器；最优控制最优控制:性能最优的控制律；性能最优的控制律；自适应控制自适应控制:系统特性变动下可自动调整控制系统特性变动下可自动调整控制 智能控制智能控制:人工智能与自动控制的交叉，包括人工智能与自动控制的交叉，包括 模糊控制、神经网络、遗产变异、专家模糊控制、神经网络、遗产变异、专家 系统、学习控制；系统、学习控制；鲁棒控制鲁棒控制:模型出现

7、偏差仍可保持性能。模型出现偏差仍可保持性能。第10页/共83页 二、控制系统的基本概念二、控制系统的基本概念（一）（一）基本概念基本概念1 1、自动控制、自动控制 没有人直接操作的情况下，利用控制装置使被控没有人直接操作的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量或工作状态自动地按照预定对象的某一物理量或工作状态自动地按照预定的规律运行或变化。的规律运行或变化。2 2、自动控制系统、自动控制系统 能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。由被控制对象和控制装置组成。由被控制对象和控制装置组成。第11页/共83页比较比较执行执行被控对象被控对象测

8、量测量被控量被控量干扰干扰给定值给定值3 3、被控制对象：、被控制对象：要求实现控制的生产过程、设备和机要求实现控制的生产过程、设备和机器。器。4 4、控制装置：、控制装置：对被控制对象起控制作用的设备总体，对被控制对象起控制作用的设备总体，包括测量装置、比较和放大装置、执行机构等。包括测量装置、比较和放大装置、执行机构等。5 5、被控制量：、被控制量：被控制对象中要求保持给定数值或按要被控制对象中要求保持给定数值或按要求变化的物理量。求变化的物理量。6 6、给定值：、给定值：作用于控制系统输入端并作为控制依据的作用于控制系统输入端并作为控制依据的物理量物理量第12页/共83页l例例1 1 恒

9、值控制系统恒值控制系统:烘烤炉温度控制系统烘烤炉温度控制系统第13页/共83页被控对象被控对象 烘炉烘炉被控量被控量 温度温度给定值给定值 温度（电位器输出电压）温度（电位器输出电压）干扰干扰 工件温度、环境温度、煤气压力等工件温度、环境温度、煤气压力等测量元件测量元件 热电偶热电偶执行机构执行机构 电动机、阀门电动机、阀门第14页/共83页l 例例2 2 位置随动系统位置随动系统第15页/共83页被控对象被控对象 工作机械工作机械被控量被控量 工作机械角位置工作机械角位置给定值给定值 转角转角测量元件测量元件 两个相同的电位器两个相同的电位器干扰干扰 影响工作机械角位置的各种因素影响工作机械

10、角位置的各种因素执行机构执行机构 电动机、减速器电动机、减速器第16页/共83页思考题思考题：调速系统（画出原理框图，确定各调速系统（画出原理框图，确定各部件的作用）部件的作用）第17页/共83页被控对象被控对象 电动机电动机 被控量被控量 转速转速 给定值给定值 给定电位器给定电位器 输出电压输出电压 干扰干扰 影响转速的各种因素影响转速的各种因素 测量元件测量元件 测速发电机测速发电机第18页/共83页（二）（二）开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统 1 1、开环系统：开环系统：组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作作用，没有反向

11、联系的系统用，没有反向联系的系统。即即：输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没有影响。有影响。（1 1）按给定值操纵的开环控制系统）按给定值操纵的开环控制系统执行机构被控对象输出输出给定输入给定输入例：固定时间定时的交通灯、烤箱、数控机床、例：固定时间定时的交通灯、烤箱、数控机床、老式洗衣机老式洗衣机按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统第19页/共83页（2 2）按干扰补偿的开环控制系统）按干扰补偿的开环控制系统计算执行被控对象测量被控被控量

12、量干扰干扰给定值给定值特点：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测对特点：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测对象及受控对象各功能部件内部参数变化对被控量象及受控对象各功能部件内部参数变化对被控量造成的影响，系统自身无法控制。造成的影响，系统自身无法控制。例：稳压电源，稳压二极管例：稳压电源，稳压二极管第20页/共83页 2 2、闭环系统、闭环系统例：空调；车速控制系统比较执行被控对象测量被控量被控量干扰干扰给定值给定值（1）组成系统的控制装置与被控对象之间既有顺向）组成系统的控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的系统作用，又有反向联系的系统（2)2)反馈反馈 ：输出送回至输入端并与输入

13、信号进行：输出送回至输入端并与输入信号进行比较的过程。有正反馈和复反馈两种。比较的过程。有正反馈和复反馈两种。第21页/共83页开环系统：优点：成本低，易于构建，稳定；开环系统：优点：成本低，易于构建，稳定；缺点：抗干扰能力差，无自动修正偏差的功能；缺点：抗干扰能力差，无自动修正偏差的功能；适用于：系统的输入量事先知道，并且不存在不可适用于：系统的输入量事先知道，并且不存在不可测量的扰动的系统测量的扰动的系统闭环系统：优点：控制精度高，抗干扰能力强，闭环系统：优点：控制精度高，抗干扰能力强，可自动修正偏差可自动修正偏差 缺点：稳定性是主要问题，成本高；缺点：稳定性是主要问题，成本高；适用于：存

14、在着无法预计的扰动或系统中元件的适用于：存在着无法预计的扰动或系统中元件的参数存在着无法预计变化的系统。参数存在着无法预计变化的系统。两者比较两者比较:第22页/共83页1.1.1 1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 自动控制理论自动控制理论 计算机控制系统：计算机控制系统：计算机技术计算机技术 通讯网络技术通讯网络技术 一、计算机控制一、计算机控制 用计算机代替常规控制系统中的模拟控制用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制。器对系统进行控制。第23页/共83页 1 1、在在控控制制系系统统中中，控控制制器器是是其其核核心心部部分分，直直接影响控制系统的性能。接影响控制

15、系统的性能。2 2、早早期期的的控控制制系系统统都都采采用用模模拟拟控控制制器器（仪仪器器仪仪表表）。模模拟拟控控制制器器的的优优点点是是可可靠靠性性高高，易易于于操作和维护。操作和维护。3 3、随随着着生生产产向向大大型型化化、复复杂杂化化方方向向发发展展，对对自自动动化化的的要要求求也也越越来来越越高高，常常规规的的模模拟拟控控制制器器已难以实现如自适应、最优控制等复杂控制。已难以实现如自适应、最优控制等复杂控制。4 4、用用计计算算机机作作控控制制器器可可以以满满足足大大型型化化、复复杂杂化的要求，主要原因是：化的要求，主要原因是：第24页/共83页（1 1）计算机得到了快速的发展，其特

16、点是运）计算机得到了快速的发展，其特点是运算速度快、存储容量大、有强大的逻辑判断能算速度快、存储容量大、有强大的逻辑判断能力、软件可灵活多变。力、软件可灵活多变。（2 2）出现了适用于控制系统的各种计算机，）出现了适用于控制系统的各种计算机，如单片机、可编程控制器、各类工业控制机。如单片机、可编程控制器、各类工业控制机。（3 3）与微机配套的）与微机配套的I/OI/O接口、输入接口、输入/输出通道输出通道齐全。齐全。（4 4）控制算法和控制软件不断发展可适用于）控制算法和控制软件不断发展可适用于各种不同类型的控制系统。各种不同类型的控制系统。第25页/共83页二二 计算机控制系统的组成计算机控

17、制系统的组成例例1 1：温度控制系统：温度控制系统炉炉窑窑热电偶热电偶输入输入A/D计计外外阀门阀门D/A机机操作台操作台算算设设输输出出例例2 2：机械手随动系统：机械手随动系统A/DD(Z)D/A放大放大KT压力传感器压力传感器机械手机械手第26页/共83页由上面例子可看出：由上面例子可看出：（1 1）计算机控制系统由）计算机控制系统由计算机系统、检测和执行机计算机系统、检测和执行机构、通道与接口、外设和工业生产对象等部分组成。构、通道与接口、外设和工业生产对象等部分组成。（2 2）计计算算机机经经过过检检测测和和执执行行机机构构、输输入入/输输出出通通道道和和接接口口与与被被控控对对象象

18、连连接接；通通过过各各种种类类型型的的外外部部设设备备与与操操作作员员相相联联系系。检检测测部部分分对对被被控控对对象象进进行行检检测测，信信号号经经通通道道与与接接口口变变换换后后送送计计算算机机处处理理。计计算算机机处处理理后后发发出控制信号驱动执行机构对被控对象进行控制。出控制信号驱动执行机构对被控对象进行控制。（3 3）计计算算机机只只能能处处理理数数字字量量，对对模模拟拟信信号号必必需需经经A/DA/D、D/AD/A转换。转换。第27页/共83页 计算机控制系统由计算机控制系统由硬件和软件硬件和软件两大部分组成。两大部分组成。硬硬件件：由由微微型型计计算算机机、输输入入/输输出出通通

19、道道和和接接口口、检检测测元元件件仪仪表表、执执行行机机构构和和各各种种外外设设组组成成，是控制系统的基础。是控制系统的基础。软软件件：分分为为系系统统软软件件和和应应用用软软件件；系系统统软软件件用用于于管管理理计计算算器器的的各各种种资资源源，方方便便用用户户的的使使用用；应用软件用于解决用户控制中的实际问题。应用软件用于解决用户控制中的实际问题。第28页/共83页（一）计算机控制系统的硬件（一）计算机控制系统的硬件 计算机控制系统的硬件由五部分组成计算机控制系统的硬件由五部分组成 1 1、主机、主机 2 2、接口和输入、接口和输入/输出通道输出通道 3 3、通用外部设备、通用外部设备 4

20、 4、检测元件和仪表、执行机构、检测元件和仪表、执行机构 5 5、操作台、操作台 由由于于控控制制的的对对象象不不同同，组组成成控控制制系系统统的的硬硬件件的的多多少少也也不不同同，可可以以根根据据控控制制系系统统的的需需要要进进行行合合理理的的组组合合和和扩展。扩展。第29页/共83页1 1、主机、主机 主机采用一台和多台计算机，是计算机控主机采用一台和多台计算机，是计算机控制系统的核心。制系统的核心。（1 1）主机通过检测元件和主机通过检测元件和I/OI/O通道，接受通道，接受检测设备传来的信息；检测设备传来的信息；（2 2）对检测信息和参数进行处理、计算、）对检测信息和参数进行处理、计算

21、、分析、逻辑判断等；分析、逻辑判断等；（3 3）根据检测结果发控制命令，通过接口）根据检测结果发控制命令，通过接口和和I/OI/O通道驱动执行器工作，完成控制目标。通道驱动执行器工作，完成控制目标。（4 4）通过通用外部设备进行人机交流。）通过通用外部设备进行人机交流。第30页/共83页 2 2、接口和输入、接口和输入/输出通道输出通道 接口和输入接口和输入/输出通道是主机和被控对象之输出通道是主机和被控对象之间进行信息交换的纽带。间进行信息交换的纽带。按功能分，接口可分为并行接口、串行接口、按功能分，接口可分为并行接口、串行接口、A/DA/D和和D/AD/A转换接口等；转换接口等；按通道处理

22、信息的类型分，通道可分为模拟按通道处理信息的类型分，通道可分为模拟量输入量输入/输出通道、数字量输入输出通道、数字量输入/输出通道和开输出通道和开关量输入关量输入/输出通道。输出通道。第31页/共83页 3 3、通用外部设备通用外部设备 通用外设是计算机系统与操作人员联系的界面，用来通用外设是计算机系统与操作人员联系的界面，用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。常用的通完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。常用的通用外部设备有显示器、打印机、键盘、鼠标、磁盘驱动用外部设备有显示器、打印机、键盘、鼠标、磁盘驱动器、大屏幕等。器、大屏幕等。4 4、检测元件、仪表和执行机构检测元件、仪表和执

23、行机构 （1 1）检测元件和仪表用于测量生产对象中的某些检测元件和仪表用于测量生产对象中的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量。参数，并将非电量的被测参数转换为电量。常用的检测元件是传感器，例如热电偶将温度变成常用的检测元件是传感器，例如热电偶将温度变成电压信号，该电压信号经过仪表转换成统一标准的计算电压信号，该电压信号经过仪表转换成统一标准的计算机标准电平后再送入计算机进行分析和处理。机标准电平后再送入计算机进行分析和处理。第32页/共83页（2 2）执行器接受）执行器接受CPUCPU的命令完成规定的控制动作，执的命令完成规定的控制动作，执行器分为电动、液压和气动三大类。行器分为电动、液

24、压和气动三大类。5 5、操作台、操作台 在在较较大大型型的的控控制制系系统统中中需需要要设设置置操操作作台台，用用来来实实现人机之间的联系。现人机之间的联系。操操作作人人员员通通过过操操作作台台向向计计算算机机输输入入程程序序，修修改改，发发出出数数据据，发发出出操操作作命命令令，并并通通过过显显示示器器显显示示控控制制系系统统的的状状况况，监监视视整整个个生生产产过过程程及及各各个个回回路路的的实实时时参参数数和工作状态。和工作状态。第33页/共83页计算机操作控制台计算机操作控制台第34页/共83页第35页/共83页 （二）计算机控制系统的软件二）计算机控制系统的软件 计算机控制系统常用软

25、件完成各种控制功能。计算机控制系统常用软件完成各种控制功能。软件分为软件分为系统软件和应用软件系统软件和应用软件 1 1、系系统统软软件件 是是由由计计算算机机设设计计和和制制造造者者为为用用户户提提供的、专门用来管理和方便使用的计算机程序。供的、专门用来管理和方便使用的计算机程序。系系统统软软件件主主要要包包括括操操作作系系统统、各各种种工工具具软软件件和和语语言言及语言处理程序等。及语言处理程序等。操操作作系系统统的的主主要要部部分分驻驻留留在在主主存存储储器器中中，称称为为操操作作系系统统的的内内核核，通通常常由由进进程程管管理理、存存储储管管理理、设设备备管管理理、文文件件和和作作业业

26、管管理理等等组组成成。操操作作系系统统对对外外联联系系界界面面称称为为系统调用。系统调用。第36页/共83页对计算机控制系统而言，要求操作系统具有实时对计算机控制系统而言，要求操作系统具有实时特性，多任务调度，可多道程序并行操作，并能满特性，多任务调度，可多道程序并行操作，并能满足控制对时间的要求和限制。足控制对时间的要求和限制。实时操作系统应保证在异常情况下，系统能及时实时操作系统应保证在异常情况下，系统能及时发现、处理、并纠正随机性错误，并具有抵制错误发现、处理、并纠正随机性错误，并具有抵制错误操作和错误输入信息的能力，此外还需要有友善的操作和错误输入信息的能力，此外还需要有友善的人机界面

27、。人机界面。其他系统软件：其他系统软件：语言及处理程序语言及处理程序 (汇编语言，高级语言，解释或汇编语言，高级语言，解释或编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系统编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系统维护程序）、维护程序）、数据库及信息管理系统等。数据库及信息管理系统等。第37页/共83页2 2、应用软件：、应用软件：微机控制系统的应用程序从功能分为两大类：微机控制系统的应用程序从功能分为两大类：(1)(1)专用控制程序：专用控制程序：数据采集程序，实时控制程序，控制算法程序等。数据采集程序，实时控制程序，控制算法程序等。(2)(2)常用控制程序：常用控制程序：数据处理，数字滤波，

28、标度变换，显示和键盘程序，数据处理，数字滤波，标度变换，显示和键盘程序，通信，报警程序等。通信，报警程序等。第38页/共83页第39页/共83页 1.2 1.2 计算机控制系统的主要特征计算机控制系统的主要特征 计计算算机机控控制制系系统统是是一一个个实实时时系系统统，当当生生产产过过程程中中发发生生不不正正常常的的情情况况时时，计计算算机机控控制制系系统统应应及及时时进进行行处处理理和和报报警警，对对过过程程中中出出现现的的微微小小变变化化要要及及时时进进行行判判断断和和响响应应，以以便便使使计计算算机机控控制制系系统统工工作作在在最最佳佳的状态。的状态。为为了了达达到到上上述述目目标标，需

29、需要要在在计计算算机机控控制制系系统统的硬件和软件两方面进行保证。的硬件和软件两方面进行保证。（1 1）硬硬件件方方面面，应应当当配配置置高高速速计计算算机机、接接口口电电路和优先级中断处理电路；路和优先级中断处理电路；（2 2）软件方面，应当有完善的中断处理程序）软件方面，应当有完善的中断处理程序。第40页/共83页一个完善的计算机控制系统应当具有以下特征：一个完善的计算机控制系统应当具有以下特征：1 1、实时性、实时性 实实时时性性指指系系统统在在限限定定时时间间内内对对外外部部事事物物做做出出反反应应的的特特性性，限限定定时时间间的的长长短短因因生生产产过过程程不不同同而而变变化化，主要

30、考虑以下两个方面的因素：主要考虑以下两个方面的因素：（1 1）生产过程中出现的事件能保持的时间。）生产过程中出现的事件能保持的时间。（2 2）计计算算机机控控制制系系统统在在这这段段时时间间内内能能否否对对出出现现的的事事件作出必要和及时的反应。件作出必要和及时的反应。计计算算机机控控制制系系统统必必须须在在尽尽可可能能短短的的时时间间内内处处理理出出现现的的问问题题，为为了了较较好好的的实实时时性性，应应当当选选用用速速度度高高的的计算机和配套的外部通道与接口。计算机和配套的外部通道与接口。第41页/共83页 2 2、良好的输入、良好的输入/输出能力输出能力（1 1）计计算算机机控控制制系系

31、统统控控制制的的量量有有模模拟拟量量、数数字字量量和和开开关量。关量。（2 2）计计算算机机控控制制系系统统需需要要与与多多种种仪仪器器仪仪表表、执执行行器器、传输接口、各种外设相联系。传输接口、各种外设相联系。因因此此计计算算机机控控制制系系统统应应当当有有很很强强的的输输入入/输输出出能能力力、足够多的足够多的I/OI/O通道和扩充能力。通道和扩充能力。3 3、标准化和系列化、标准化和系列化 计计算算机机控控制制系系统统应应尽尽量量采采用用国国际际上上通通用用的的计计算算机机、总总线线、接接口口和和各各种种器器件件。使使用用标标准准化化和和系系列列化化的的器器件件可可降降低低成成本本，提提

32、高高系系统统的的性性能能，避避免免底底层层次次重重复复性性开开发发，缩缩短设计、制造、调试和开通的时间周期短设计、制造、调试和开通的时间周期。第42页/共83页 4 4、模块化的系统结构、模块化的系统结构 将将计计算算机机控控制制系系统统的的各各部部分分按按功功能能分分成成若若干干模模块块，对不同的控制系统采用不同的模块进行组合和设计。对不同的控制系统采用不同的模块进行组合和设计。采采用用模模块块化化后后可可以以提提高高系系统统的的开开发发效效率率和和系系统统的的可可靠靠性性。减减少少二二次次开开发发过过程程和和设设计计中中的的工工作作量量，降降低低系系统的成本，提高系统的质量。统的成本，提高

33、系统的质量。（1 1）用用现现成成的的功功能能模模块块可可迅迅速速配配套套组组成成各各种种不不同同类类型型的系统。的系统。（2 2）功功能能模模块块由由企企业业成成批批生生产产，可可使使产产品品质质量量稳稳定定，价格低廉。价格低廉。（3 3）系统的结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。）系统的结构灵活，易于更新换代、扩充和维护。第43页/共83页 5 5、可靠性、可靠性 计计算算机机控控制制系系统统的的工工作作环环境境往往往往十十分分恶恶劣劣，控控制制现现场场存存在在着着温温度度、湿湿度度、粉粉尘尘、震震动动、电电磁磁干干扰扰、电电压压不不稳稳定定等等干干扰扰因因素素，因因此此必必须须采采取取一

34、一系系列列措措施施防防止止干干扰扰，提提高高系系统统的的可可靠靠性性。计计算算机机控控制制系系统统应应当当符符合合以下的要求：以下的要求：（1 1）长的平均无故障时间）长的平均无故障时间 控控制制系系统统可可以以采采用用平平均均无无故故障障时时间间MTBFMTBF（mean mean time before failurestime before failures）来衡量系统的可靠性。来衡量系统的可靠性。在在设设计计和和制制造造系系统统时时要要尽尽可可能能使使MTBFMTBF高高一一些些，例例如如，对对 板板 级级 产产 品品 可可 选选 MTBF10MTBF105 5H H，对对 于于 系系

35、 统统 可可 选选MTBF10MTBF104 4H H。第44页/共83页 （2 2）强的抗干扰能力）强的抗干扰能力 计计算算机机控控制制系系统统应应采采用用抗抗干干扰扰能能力力强强的的工工业业级级电电源源和和地地线线隔隔离离、屏屏蔽蔽地地线线、浮浮空空等等技技术术，防防止止电电网网电电压压波波动动带带来来的的脉脉冲冲干干扰扰和和由由传传感感器器、执执行行器器引引入入的的地地线线干扰。干扰。（3 3）具有定时自动启动功能和硬件自检功能）具有定时自动启动功能和硬件自检功能 计计算算机机控控制制系系统统应应配配有有看看门门狗狗电电路路（watch watch dogdog），当当系系统统的的计计算

36、算机机受受到到干干扰扰使使控控制制程程序序偏偏离离时时，能能自自动动从从入入口口处处重重新新启启动动。另另外外，计计算算机机控控制制系系统统应应能能在在运运行中定时对主机和行中定时对主机和I/OI/O通道进行自检。通道进行自检。第45页/共83页1.3 1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 计算机控制系统大致可分为以下五类：计算机控制系统大致可分为以下五类：1 1、数据采集系统、数据采集系统（DASDAS，Data Acquision System）2 2、直接数字控制系统、直接数字控制系统（DDCDDC，Direct Digital Control）3 3、计算机监督系统、计算机

37、监督系统（SCCSCC，Supervisory Computer Control）4 4、分布式控制系统、分布式控制系统（DCSDCS，Distributed Control System）5 5、现场总线控制系统、现场总线控制系统（FCSFCS，Fieldbus Control System）第46页/共83页1 1、数据采集系统、数据采集系统 数据采集系统简称：数据采集系统简称：DASDAS 计计算算机机只只对对控控制制系系统统的的参参数数进进行行采采集集、加加工工和和分分析析处处理理，并并将将处处理理后后的的数数据据输输出出。操操作作人人员员根根据据输输出出的的数数据据，对对生生产产过过

38、程程出出现现的的问问题题进进行行处处理理，计计算算机机不不直直接接参参与与生生产过程的控制，该系统结构简单，安全可靠。产过程的控制，该系统结构简单，安全可靠。第47页/共83页第48页/共83页第49页/共83页第50页/共83页2 2、直接数字控制系统、直接数字控制系统 直接数字控制系统简称：直接数字控制系统简称：DDCDDC（1 1）直直接接数数字字控控制制系系统统中中，计计算算机机经经输输入入（AIAI或或DIDI）对生产过程进行数据采集。对生产过程进行数据采集。（2 2）采采集集的的数数据据进进入入计计算算机机后后与与预预先先设设定定的的值进行比较，或按照要求进行处理。值进行比较，或按

39、照要求进行处理。（3 3）计计算算机机根根据据比比较较和和分分析析的的结结果果，按按照照控控制制规规律律（如如PIDPID）经经输输出出（AOAO或或DODO）对对生生产产过过程进行直接控制程进行直接控制。第51页/共83页 DDCDDC是是计计算算机机控控制制技技术术中中最最常常用用的的方方法法之之一一。其其优优点点是是灵灵活活性性大大、可可靠靠性性高高，可可以以实实现现较较复复杂杂的的控控制制规规律律，如如串串级级控控制制、前前馈馈控控制制、滞滞后后控制等。控制等。第52页/共83页 3 3、计算机监督系统、计算机监督系统 计算机监督系统简称：计算机监督系统简称：SCCSCC 计计算算机机

40、监监督督系系统统实实际际是是两两级级计计算算机机控控制制系系统统，上一级为上一级为SCCSCC，下一级为下一级为DDCDDC。SCC计计算算机机DDC计算计算机机输出通道输出通道输入通道输入通道生生产产过过程程第53页/共83页 （1 1）生生产产过过程程采采集集数数据据经经AIAI、DIDI送送DDCDDC的的同同时时也送也送SCCSCC。（2 2）SCCSCC根根据据采采集集的的数数据据，经经过过计计算算后后获获得得最最佳设定值传送给佳设定值传送给DDCDDC。（3 3）DDCDDC对对设设定定值值和和测测量量值值进进行行比比较较，比比较较后后的结果经的结果经AOAO、DODO送出，对生产

41、过程进行控制。送出，对生产过程进行控制。（4 4）对对计计算算机机监监督督系系统统，要要求求SCCSCC级级具具有有强强大大的的数数据据处处理理能能力力，存存储储容容量量大大；DCCDCC则则需需要要实实时时性好、可靠性高和环境适应性好。性好、可靠性高和环境适应性好。第54页/共83页第55页/共83页 4 4、分布式计算机控制系统、分布式计算机控制系统 简称：简称：DCS DCS 又称集散式控制系统。又称集散式控制系统。为什么采用分布式计算机控制系统为什么采用分布式计算机控制系统 （1 1）随随着着生生产产方方式式的的不不断断发发展展，现现代代工工业业企企业业中中需需要测控的对象种类多、数量

42、大；要测控的对象种类多、数量大；（2 2）并并且且被被测测点点位位置置不不集集中中，往往往往分分散散在在生生产产现现场场的各个地方。的各个地方。（3 3）除除需需要要对对生生产产过过程程进进行行自自动动控控制制外外，有有些些部部门门希希望望在在更更高高的的层层次次上上实实现现对对生生产产过过程程的的调调度度和和管管理理的的自动化。自动化。第56页/共83页站机站机站机站机站机站机站机站机监控监控计算计算机机采集机采集机采集机采集机采集机采集机（4 4）分布式计算机控制系统的特点是分布式计算机控制系统的特点是“控制分散，控制分散，管理集中管理集中”，往往要采用两级或两级以上的计算机系，往往要采用

43、两级或两级以上的计算机系统。如图所示为一个铁路信号检测系统，是一个分布统。如图所示为一个铁路信号检测系统，是一个分布式计算机控制系统，该系统有三级计算机。式计算机控制系统，该系统有三级计算机。第57页/共83页采采集集机机。它它的的任任务务是是通通过过I/OI/O接接口口板板采采集集现现场场的的信信号，用单片机实现。号，用单片机实现。站站机机。它它的的任任务务是是接接收收采采集集机机发发来来的的信信息息并并进进行行实时的处理，采用工控机实时的处理，采用工控机IPC-610IPC-610。监监控控计计算算机机。用用于于信信号号的的调调度度管管理理和和网网络络服服务务，采用高档服务器采用高档服务器

44、+终端。终端。该该分分布布式式计计算算机机控控制制系系统统的的硬硬件件可可配配置置各各种种不不同同类类型型的的I/OI/O采采集集板板、声声光光报报警警设设备备、大大屏屏幕幕显显示示器器、操操作作台台等等，软软件件平平台台采采用用WINDOWS/NTWINDOWS/NT，各各级级计计算算机机之间采用现场总线之间采用现场总线CANCAN或或485485连接。连接。第58页/共83页 分布式计算机系统的结构和特点分布式计算机系统的结构和特点 （1 1）分布式计算机控制系统的结构）分布式计算机控制系统的结构 主主要要考考虑虑信信息息的的存存储储方方法法、网网络络的的扩扩展展性性、系系统统的的可可靠靠

45、性性。常常用用的的系系统统结结构构有有分分级级结结构构、网网状状结结构构、星星型结构、总线式结构。型结构、总线式结构。（2 2）分布式计算机控制系统有以下特点：分布式计算机控制系统有以下特点：可可靠靠性性高高 由由于于分分布布式式计计算算机机控控制制系系统统的的控控制制功功能能分分散散，每每台台计计算算机机的的任任务务减减少少，功功能能明明确确，因因此此系统的可靠性大大提高系统的可靠性大大提高。第59页/共83页 速度快速度快 分布式计算机控制系统中，各级计算分布式计算机控制系统中，各级计算机并行工作，数据采集、处理和控制功能分散到各子机并行工作，数据采集、处理和控制功能分散到各子系统中去执行

46、，减少了数据集中处理的时间，提高了系统中去执行，减少了数据集中处理的时间，提高了系统的运算、处理和控制速度。系统的运算、处理和控制速度。系统模块化系统模块化 由于控制分散和功能的重复，可由于控制分散和功能的重复，可以更好地采用模块化结构，使系统便于操作，方便组以更好地采用模块化结构，使系统便于操作，方便组装，易于维修。装，易于维修。成成本本较较低低 由由于于在在不不同同场场合合可可以以选选用用不不同同档档次次的计算机和外设，因此成本较集中式控制系统低。的计算机和外设，因此成本较集中式控制系统低。第60页/共83页第61页/共83页企业级管理计算机厂级管理计算机车间级监督计算机(SCC)设备控制

47、级(DDC)厂级管理计算机生产过程A车间级监督计算机(SCC)设备控制级(DDC)生产过程B设备控制级(DDC)生产过程C设备控制级(DDC)生产过程DMIS级级SCC级级DDC级级第62页/共83页 5 5、现场总线控制系统（、现场总线控制系统（FCSFCS）（1 1）FCSFCS是建立在网络基础的计算机控制系统。是建立在网络基础的计算机控制系统。（2 2）现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统的数字式网络。的数字式网络。（3 3）现场总线使控制系统实现了现场网络通信、设现场总线使控制系统实现了现场网络通信、设备互连与互操作、全数字通信等。备互连与互

48、操作、全数字通信等。（4 4）现场总线的组成现场总线的组成 由监控设备、服务器和网桥、执行器、变送器、由监控设备、服务器和网桥、执行器、变送器、辅助设备等部分组成。辅助设备等部分组成。第63页/共83页第64页/共83页第65页/共83页现场总线控制网络模型 第66页/共83页 FCSFCS与与DCSDCS系统相比有以下特点系统相比有以下特点：（1 1）全数字信息传输全数字信息传输 传统分布式计算机控制系统的中、底层到控制站传统分布式计算机控制系统的中、底层到控制站之间信息传送采用之间信息传送采用4 420mA20mA电流模拟信号；采用电流模拟信号；采用FCSFCS后，传感器、执行器、控制器之

49、间的现场中、底层后，传感器、执行器、控制器之间的现场中、底层的信号传输全部实现数字化，提高了信息传输的可的信号传输全部实现数字化，提高了信息传输的可靠性。靠性。（2 2）系统结构更合理）系统结构更合理 DCSDCS控制系统一般采用控制系统一般采用“现场仪表现场仪表控制站控制站操操作站作站”三层主从式结构。三层主从式结构。第67页/共83页 FCSFCS则采用智能节点式的多主结构，将输入则采用智能节点式的多主结构，将输入/输出输出单元和控制功能分散到各节点的现场仪表中去，使每单元和控制功能分散到各节点的现场仪表中去，使每个智能节点具有测量、校正、调节诊断等功能，降低个智能节点具有测量、校正、调节

50、诊断等功能，降低了系统的故障风险，实现了彻底的分散型体系，提高了系统的故障风险，实现了彻底的分散型体系，提高了控制系统的可靠性。了控制系统的可靠性。（3 3）方便的互操作性）方便的互操作性 FCS FCS具有互连和互操作性，不同厂商生产的产品都具有互连和互操作性，不同厂商生产的产品都可以直接挂接在现场总线上，组成统一的系统，改变可以直接挂接在现场总线上，组成统一的系统，改变了了DCSDCS系统产品不能兼容的缺点，使用户使用更方便。系统产品不能兼容的缺点，使用户使用更方便。第68页/共83页一、测控技术的发展历程一、测控技术的发展历程 2020世纪世纪5050年代以前的人工控制阶段（基地式仪表年