第1章 計算機實時控制技術 緒論

1、 計算機實時控制技術計算機實時控制技術 周周 軍軍2021-11-212021-11-21第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機第三章第三章 工控機輸入輸出系統(tǒng)工控機輸入輸出系統(tǒng)第四章第四章 模擬信號調理與模擬信號調理與ADDA第五章第五章 控制算法控制算法第六章第六章 抗干擾技術抗干擾技術第七章第七章 系統(tǒng)典型功能及實現(xiàn)方法系統(tǒng)典型功能及實現(xiàn)方法第八章第八章 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線第九章第九章 應用實例應用實例 參考文獻參考文獻1 1、微型計算機控制新技術，曹承志，機工、微型計算機控制新技術，曹承志，機工2 2、工業(yè)控制計算機系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機系統(tǒng)- -設計與應用，王常

2、力，電子工業(yè)設計與應用，王常力，電子工業(yè)3 3、計算機測控系統(tǒng)設計與應用，李正軍，機工、計算機測控系統(tǒng)設計與應用，李正軍，機工4 4、STDSTD總線工業(yè)控制機的設計與應用，魏慶福，科學總線工業(yè)控制機的設計與應用，魏慶福，科學5 5、PCPC總線工業(yè)控制系統(tǒng)精粹，凌澄，清華出版社總線工業(yè)控制系統(tǒng)精粹，凌澄，清華出版社6 6、計算機測控應用技術，胡文金，重慶大學出版社、計算機測控應用技術，胡文金，重慶大學出版社7 7、微機控制新技術，姚燕南，西安交通大學出版社、微機控制新技術，姚燕南，西安交通大學出版社2021-11-21第第1 1章章 緒論緒論1.1 1.1 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概

3、述1.2 1.2 計算機控制系統(tǒng)的組成及分類計算機控制系統(tǒng)的組成及分類1.3 1.3 計算機控制研究的課題與發(fā)展方向計算機控制研究的課題與發(fā)展方向2021-11-211.1 1.1 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制：將計算機技術應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防等行業(yè)自動控制的一門綜合性科學與技術是以計算機、自動控制理論、自動控制工程、電子學和自動化儀表為基礎的綜合學科計算機控制系統(tǒng)簡單地說就是以計算機替代了原模擬控制系統(tǒng)的控制器（控制儀表）組成的自動控制系統(tǒng)。但是這種取代決不是一種簡單的替代而是一種升華2021-11-21 隨著科學發(fā)展、技術進步和對控制要求的提高，控制對象越來越復雜，控制

4、系統(tǒng)也隨之復雜，出現(xiàn)了多輸入-多輸出多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)控制、時變和分布參數(shù)控制系統(tǒng)等。對這些系統(tǒng)，使用常規(guī)控制方法和手段實現(xiàn)十分困難。 電子計算機尤其是微型計算機的出現(xiàn)并應用于自動控制領域，使自動控制水平產(chǎn)生了巨大飛躍。1. 1. 計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因2021-11-21 微電子技術和計算機技術的發(fā)展，為計算機控制的發(fā)展奠定了堅實的基礎。 1946年世界上第一臺由程序控制的計算機（稱為電子數(shù)字器與計算器）ENICA誕生后，人們就試圖將這種運算速度快，能存儲又能進行算術和邏輯計算的機器應用于自動控制系統(tǒng)中。然而這種昂貴的運算機器在作為控制器來說是大材小用，于是希望

5、用這種計算機來完成多回路的數(shù)據(jù)采集與控制，而當時計算機的可靠性又難以勝任作為控制器所需要的高可靠性。2. 2. 計算機控制技術的發(fā)展計算機控制技術的發(fā)展2021-11-21世界上第一臺電子計算機ENIAC2021-11-21時間：時間：1946年年2月月15日日地點：地點：美國賓夕法尼亞大學莫爾學院美國賓夕法尼亞大學莫爾學院主要人物和單位：主要人物和單位：維納，約翰維納，約翰莫克利，馮莫克利，馮諾依曼諾依曼 美國陸軍彈道研究所，阿伯丁彈道實驗室美國陸軍彈道研究所，阿伯丁彈道實驗室 計算機名稱：計算機名稱：ENIAC (電子數(shù)字積分計算器電子數(shù)字積分計算器) Electronic Numeric

6、al Integrator and Calculator運算速度運算速度：5000次加法次加法/秒秒 ，3/1000秒時間內做秒時間內做完兩個完兩個10位數(shù)乘法位數(shù)乘法主要用途主要用途：彈道計算的數(shù)值分析彈道計算的數(shù)值分析 主要指標主要指標：占地占地170M2 / 重量重量30噸噸 / 耗電耗電140KW 18000個電子管個電子管 / 7000個電阻個電阻 / 6000個開關個開關 10000個電容個電容 / 50萬條線萬條線/45萬美元萬美元2021-11-212020世紀世紀5050年代，美國首先用計算機來完成對生產(chǎn)年代，美國首先用計算機來完成對生產(chǎn)過程進行巡檢數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。過程進

7、行巡檢數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。19591959年美國年美國TRWTRW航空公司和航空公司和TexacoTexaco公司合作成功地公司合作成功地在得克薩斯州的一家煉油廠將一臺計算機投入在得克薩斯州的一家煉油廠將一臺計算機投入在線控在線控制制。該控制系統(tǒng)以綜合指標出發(fā)確定了熱水循環(huán)系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以綜合指標出發(fā)確定了熱水循環(huán)系統(tǒng)的最佳參數(shù)，同時也揭開了計算機控制的輝煌一頁。的最佳參數(shù)，同時也揭開了計算機控制的輝煌一頁。2020世紀世紀6060年代計算機控制系統(tǒng)已成功的應用于化年代計算機控制系統(tǒng)已成功的應用于化工、鋼鐵和電力等不同的領域，但這些系統(tǒng)還都是以工、鋼鐵和電力等不同的領域，但這些系統(tǒng)還都是以數(shù)

8、據(jù)的采集和處理為主。數(shù)據(jù)的采集和處理為主。19621962年英國帝國化工公司制造出一套可以直接取年英國帝國化工公司制造出一套可以直接取代常規(guī)儀表對生產(chǎn)過程直接進行控制的計算機控制系代常規(guī)儀表對生產(chǎn)過程直接進行控制的計算機控制系統(tǒng)，開創(chuàng)了統(tǒng)，開創(chuàng)了直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制的新時期。的新時期。2021-11-21 19711971世界上第一片四位微處理器出世界上第一片四位微處理器出現(xiàn)，微型計算機得以快速發(fā)展，現(xiàn)，微型計算機得以快速發(fā)展，19931993年年PentiumPentium處理器的出現(xiàn)更使微型計算機處理器的出現(xiàn)更使微型計算機在運算速度等諸多方面得以長足發(fā)展，在運算速度等諸多方面得以長足發(fā)

9、展，同時也使計算機控制得以飛速發(fā)展同時也使計算機控制得以飛速發(fā)展 微處理器和微型計算機的誕生與發(fā)微處理器和微型計算機的誕生與發(fā)展為實現(xiàn)分散控制創(chuàng)造了良好的條件展為實現(xiàn)分散控制創(chuàng)造了良好的條件2021-11-21 1975 1975年美國年美國HoneywellHoneywell公司研制成功世界上第一公司研制成功世界上第一套套集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)TDC-2000TDC-2000并投入使用，開創(chuàng)了計算并投入使用，開創(chuàng)了計算機應用于實際生產(chǎn)過程控制的新紀元。隨后一直到機應用于實際生產(chǎn)過程控制的新紀元。隨后一直到8080年代末，集散控制系統(tǒng)迅速發(fā)展，有幾萬套集散系統(tǒng)年代末，集散控制系統(tǒng)迅速發(fā)展

10、，有幾萬套集散系統(tǒng)投入運行，不但得到使用者的高度評價同時也為制造投入運行，不但得到使用者的高度評價同時也為制造商和使用企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益商和使用企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益 隨著隨著3C3C技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線控制現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)系統(tǒng)和和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)應運而生。應運而生?？删幊炭刂破鳎删幊炭刂破鳎≒LCPLC）的綜合應用已打破了原工業(yè)控制的格局，并共同融入的綜合應用已打破了原工業(yè)控制的格局，并共同融入到計算機控制系統(tǒng)的大門類之中到計算機控制系統(tǒng)的大門類之中 2021-11-21計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程2021-11-211.

11、2 1.2 計算機控制系統(tǒng)的組成及分類計算機控制系統(tǒng)的組成及分類1.2.1 1.2.1 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)1.2.2 1.2.2 計算機控制系統(tǒng)的硬件組成計算機控制系統(tǒng)的硬件組成1.2.3 1.2.3 計算機控制系統(tǒng)的軟件組成計算機控制系統(tǒng)的軟件組成1.2.4 1.2.4 計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的分類2021-11-211.2.11.2.1計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 自動控制自動控制是在是在非人工直接參與非人工直接參與的前提下，的前提下，應用應用自動控制裝置自動控制裝置自動地、有目的地控制自動地、有目的地控制設備和生產(chǎn)過程，使他們具有一定的狀態(tài)設備和生產(chǎn)過程，使他們具有

12、一定的狀態(tài)和性能，完成相應功能，實現(xiàn)預定目標和性能，完成相應功能，實現(xiàn)預定目標 自動控制系統(tǒng)一般可以分為：自動控制系統(tǒng)一般可以分為：開環(huán)控開環(huán)控制系統(tǒng)制系統(tǒng)和和閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。兩大類。2021-11-21 開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器按照先驗開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器按照先驗的控制方案對對象或系統(tǒng)進行控制，使的控制方案對對象或系統(tǒng)進行控制，使被控制對象或系統(tǒng)能按照約定來運動或被控制對象或系統(tǒng)能按照約定來運動或變化變化控制器被控對象被控參數(shù)設定值開環(huán)控制系統(tǒng)框圖1. 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)2021-11-21被控參數(shù)控制器被控對象設定值閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖+-2 2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控

13、制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比增閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比增加了加了一個來自被控參數(shù)的一個來自被控參數(shù)的反饋信號反饋信號和一個和一個比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)2021-11-21控制器對象D/AA/D計算機計算機計算機控制系統(tǒng)基本框圖（閉環(huán)）計算機控制系統(tǒng)基本框圖（閉環(huán)）+-3 3 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 在開、閉環(huán)控制系統(tǒng)中都少不了控制器環(huán)節(jié)在開、閉環(huán)控制系統(tǒng)中都少不了控制器環(huán)節(jié) 用用計算機計算機實現(xiàn)系統(tǒng)中的實現(xiàn)系統(tǒng)中的控制器控制器就形成了就形成了計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 由于計算機處理的是數(shù)字信號，而現(xiàn)場的信號都是模擬信由于計算機處理的是數(shù)字信號，而現(xiàn)場的信號都是模擬信號，計算

14、機要替代原模擬調節(jié)器必須完成模擬量到數(shù)字量號，計算機要替代原模擬調節(jié)器必須完成模擬量到數(shù)字量的轉換（的轉換（A/DA/D）和數(shù)字量到模擬量的轉換（）和數(shù)字量到模擬量的轉換（D/AD/A）2021-11-21計算機控制系統(tǒng)的控制過程計算機控制系統(tǒng)的控制過程計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為三個過程：計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為三個過程：（1 1）信息的獲?。┬畔⒌墨@取 計算機通過計算機的外部設備獲取被控對象的計算機通過計算機的外部設備獲取被控對象的實時信息和人的指令性信息實時信息和人的指令性信息（2 2）信息的處理）信息的處理 計算機根據(jù)預先編好的程序對從外設獲取的信計算機根據(jù)預先編好的程序對

15、從外設獲取的信息進行處理息進行處理（3 3）信息的輸出）信息的輸出 計算機將最終處理完的信息通過外部設備將這計算機將最終處理完的信息通過外部設備將這些信號送到控制對象，通過顯示、記錄或打印等操些信號送到控制對象，通過顯示、記錄或打印等操作輸出其處理或獲取信息的情況作輸出其處理或獲取信息的情況2021-11-21 在計算機控制系統(tǒng)中包括了硬件和軟件兩大部分在計算機控制系統(tǒng)中包括了硬件和軟件兩大部分 硬件硬件是由計算機是由計算機主機主機、接口電路接口電路、外部設備外部設備組組成，是計算機控制系統(tǒng)的基礎成，是計算機控制系統(tǒng)的基礎 軟件軟件是安裝在計算機主機中的程序，它能夠完是安裝在計算機主機中的程序

16、，它能夠完成對其接口和外部設備的控制，完成對信息的處理，成對其接口和外部設備的控制，完成對信息的處理，它包含有維持計算機主機工作的它包含有維持計算機主機工作的系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件和為完成和為完成控制而進行信息處理的控制而進行信息處理的應用軟件應用軟件的兩大部分，軟件的兩大部分，軟件是計算機控制系統(tǒng)的關鍵是計算機控制系統(tǒng)的關鍵1.2.2 1.2.2 計算機控制系統(tǒng)的硬件組成計算機控制系統(tǒng)的硬件組成2021-11-21 典型的計算機控制系統(tǒng)的硬件主要包典型的計算機控制系統(tǒng)的硬件主要包括：括：計算機主機計算機主機、過程控制通道過程控制通道、操作操作控制臺控制臺和常用的和常用的外設外設。 隨著計算機網(wǎng)絡技

17、術的快速發(fā)展，隨著計算機網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，網(wǎng)網(wǎng)絡設備絡設備也成為計算機控制系統(tǒng)硬件不可也成為計算機控制系統(tǒng)硬件不可少的一部分。少的一部分。2021-11-21主機過程控制通道A/DD/AD/ID/O操作臺（通訊）控制對象（系統(tǒng)）CPUMEM 典型的計算機控制系統(tǒng)的硬件組成框圖典型的計算機控制系統(tǒng)的硬件組成框圖2021-11-21 主機是指用于控制的計算機，它主要由主機是指用于控制的計算機，它主要由CPUCPU、存、存儲器和接口三大部分組成，是整個系統(tǒng)的核心。儲器和接口三大部分組成，是整個系統(tǒng)的核心。 目前使用的主機有：單片機、目前使用的主機有：單片機、PLCPLC、工業(yè)、工業(yè)PCPC等。等。

18、 主要完成數(shù)據(jù)和程序的存取、程序的執(zhí)行、控制主要完成數(shù)據(jù)和程序的存取、程序的執(zhí)行、控制外部設備和過程通道中的設備的工作，實現(xiàn)對被控外部設備和過程通道中的設備的工作，實現(xiàn)對被控對象的控制，實現(xiàn)人機對話和網(wǎng)絡通信對象的控制，實現(xiàn)人機對話和網(wǎng)絡通信 由于由于CPUCPU技術的發(fā)展和廣泛應用及網(wǎng)絡技術的發(fā)技術的發(fā)展和廣泛應用及網(wǎng)絡技術的發(fā)展和廣泛應用，主機還要完成對一些含展和廣泛應用，主機還要完成對一些含CPUCPU設備和網(wǎng)設備和網(wǎng)絡設備的控制絡設備的控制1.1.主機主機2021-11-21 過程控制通道是被控對象與主機進行信息交過程控制通道是被控對象與主機進行信息交換的通道，根據(jù)信號方向和形式，過程

19、控制通換的通道，根據(jù)信號方向和形式，過程控制通道可分為：道可分為：（1 1）模擬量輸入通道（）模擬量輸入通道（AIAI） 完成過程和被控對象送往主機的模擬信號的完成過程和被控對象送往主機的模擬信號的轉換，使之成為計算機能夠接收的標準數(shù)字信轉換，使之成為計算機能夠接收的標準數(shù)字信號號（2 2）模擬量輸出通道（）模擬量輸出通道（AOAO） 大多數(shù)執(zhí)行機構仍只能接收模擬信號，而計大多數(shù)執(zhí)行機構仍只能接收模擬信號，而計算機運算決策的最終結果是數(shù)字信號。通過模算機運算決策的最終結果是數(shù)字信號。通過模擬量輸出通道完成數(shù)字量轉換為模擬量并保持擬量輸出通道完成數(shù)字量轉換為模擬量并保持2.2.過程控制通道過程控

20、制通道2021-11-21（3 3）數(shù)字量輸入通道（）數(shù)字量輸入通道（DIDI） 數(shù)字量的輸入通道是把過程和被控對象的開關數(shù)字量的輸入通道是把過程和被控對象的開關量或通過傳感器已轉換的數(shù)字量以并行或串行的量或通過傳感器已轉換的數(shù)字量以并行或串行的方式轉入計算機方式轉入計算機（4 4）數(shù)字量輸出通道（）數(shù)字量輸出通道（DODO） 數(shù)字量輸出通道是將計算機運算、決策之后的數(shù)字量輸出通道是將計算機運算、決策之后的數(shù)字信號以串行或并行的方式輸出給被控對象或數(shù)字信號以串行或并行的方式輸出給被控對象或外部設備外部設備2.2.過程控制通道過程控制通道( (續(xù)續(xù)) ) 2021-11-21 操作控制臺是計算機

21、控制系統(tǒng)人機交互的關操作控制臺是計算機控制系統(tǒng)人機交互的關鍵設備，通過操作控制臺，操作人員可以及時了鍵設備，通過操作控制臺，操作人員可以及時了解被控過程的運行狀態(tài)，運行參數(shù)；對控制系統(tǒng)解被控過程的運行狀態(tài)，運行參數(shù)；對控制系統(tǒng)發(fā)出各種控制的操作命令，并且通過操作控制臺發(fā)出各種控制的操作命令，并且通過操作控制臺還可以修改控制方案和程序。還可以修改控制方案和程序。 操作控制臺一般應包括：操作控制臺一般應包括： （1 1）信息的顯示）信息的顯示 （2 2）信息的記錄）信息的記錄 （3 3）工作方式狀態(tài)的選擇）工作方式狀態(tài)的選擇 （4 4）信息輸入）信息輸入3.3.操作控制臺操作控制臺2021-11-

22、212021-11-21 企業(yè)信息化的需求要求生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)能夠實時企業(yè)信息化的需求要求生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)能夠實時的上傳到企業(yè)信息管理系統(tǒng)。的上傳到企業(yè)信息管理系統(tǒng)。 計算機控制系統(tǒng)作為網(wǎng)絡上的一個結點的方案計算機控制系統(tǒng)作為網(wǎng)絡上的一個結點的方案已經(jīng)被廣泛采納。已經(jīng)被廣泛采納。 通訊設備已成為計算機硬件的一個重要部分，通訊設備已成為計算機硬件的一個重要部分，這些設備可以完成計算機控制系統(tǒng)的信息交換。這些設備可以完成計算機控制系統(tǒng)的信息交換。4. 4. 通訊設備通訊設備2021-11-211.2.3 1.2.3 計算機控制系統(tǒng)的軟件組成計算機控制系統(tǒng)的軟件組成 計算機控制系統(tǒng)除了硬件之外，還必須計

23、算機控制系統(tǒng)除了硬件之外，還必須有軟件?？刂葡到y(tǒng)的功能和性能在很大程有軟件?？刂葡到y(tǒng)的功能和性能在很大程度上依賴于軟件水平的高低。度上依賴于軟件水平的高低。 所謂軟件是指完成各種功能的計算機程所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，它分為序的總和，它分為系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件和和應用軟件應用軟件兩兩大部分。大部分。2021-11-21系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是維持計算機運行操作的基礎，系統(tǒng)軟件是維持計算機運行操作的基礎，是用于管理、調度、操作計算機的各種資是用于管理、調度、操作計算機的各種資源，實現(xiàn)對系統(tǒng)監(jiān)控與診斷，提供各種開源，實現(xiàn)對系統(tǒng)監(jiān)控與診斷，提供各種開發(fā)支持的程序。發(fā)支持的程序。 系

24、統(tǒng)軟件包括：操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程系統(tǒng)軟件包括：操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程序、故障診斷程序、各種計算機語言及解序、故障診斷程序、各種計算機語言及解釋、編譯工具。釋、編譯工具。 系統(tǒng)軟件一般由供應商提供或專業(yè)人員系統(tǒng)軟件一般由供應商提供或專業(yè)人員開發(fā)，用戶不需自己設計開發(fā)。開發(fā)，用戶不需自己設計開發(fā)。2021-11-21應用軟件應用軟件 應用軟件根據(jù)控制對象、控制要求，為實現(xiàn)高效、應用軟件根據(jù)控制對象、控制要求，為實現(xiàn)高效、可靠、靈活的控制而自行編譯的各種程序。包括：數(shù)可靠、靈活的控制而自行編譯的各種程序。包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標度變換、鍵盤處理、控制算法、據(jù)采集、數(shù)字濾波、標度變換、鍵盤處理、控制

25、算法、輸出與控制等程序。輸出與控制等程序。 用于應用軟件開發(fā)的程序設計語言有：匯編、用于應用軟件開發(fā)的程序設計語言有：匯編、C# C# 、C+C+、VBVB、VCVC、DelphiDelphi、PBPB等。目前也有一些專等。目前也有一些專門用于控制的組態(tài)軟件，這些軟件功能強，使用方便，門用于控制的組態(tài)軟件，這些軟件功能強，使用方便，組態(tài)靈活，具有很好的應用前景。組態(tài)靈活，具有很好的應用前景。2021-11-21軟件部分軟件部分計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 硬件部分硬件部分控制計算機控制計算機主機、外設、系統(tǒng)總線主機、外設、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道生產(chǎn)過程輸入輸出通道人機聯(lián)系設備、通信設備人

26、機聯(lián)系設備、通信設備 現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構等）現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構等） 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 匯編或高級語言、過程控制語言匯編或高級語言、過程控制語言 通信網(wǎng)絡軟件、診斷程序等通信網(wǎng)絡軟件、診斷程序等 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 應用軟件應用軟件 過程輸入過程輸入/輸出程序、過程控制程序輸出程序、過程控制程序 人機接口程序、打印顯示程序人機接口程序、打印顯示程序 各種公共子程序各種公共子程序 歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫2021-11-211.2.4 1.2.4 計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的分類 在生產(chǎn)過程中，根據(jù)被控對象的特點和控在生產(chǎn)過程中，根據(jù)被控對象的特點

27、和控制功能，計算機控制系統(tǒng)有各種各樣的結構和制功能，計算機控制系統(tǒng)有各種各樣的結構和形式形式 按計算機參與的形式按計算機參與的形式，可以分為開環(huán)和閉，可以分為開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；環(huán)控制系統(tǒng)； 按采用的控制方案按采用的控制方案，又分為程序和順序控，又分為程序和順序控制、常規(guī)控制、高級控制（最優(yōu)、自適應、預制、常規(guī)控制、高級控制（最優(yōu)、自適應、預測、非線性等）、智能控制（測、非線性等）、智能控制（FUZZYFUZZY控制、專控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡等）。家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡等）。 2021-11-21 計算機控制系統(tǒng)的分類不是嚴格的按照其結計算機控制系統(tǒng)的分類不是嚴格的按照其結構或者功能進行分類的。構

28、或者功能進行分類的。 常常根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和在實際根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和在實際應用中的狀態(tài)進行分類應用中的狀態(tài)進行分類。 一般分為六大類：一般分為六大類：操作指導控制系統(tǒng)、直接操作指導控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)六大類?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)六大類。2021-11-21操作指導系統(tǒng)是基于生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)直接采集的操作指導系統(tǒng)是基于生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)直接采集的非在線非在線的閉環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)計算機數(shù)據(jù)采集輸出設備控制器生產(chǎn)過程1.1.操作指導系統(tǒng)操作指導系統(tǒng)（

29、Operation Guide ControlOperation Guide Control）2021-11-212021-11-21 計算機計算機通過通過數(shù)據(jù)輸入通道數(shù)據(jù)輸入通道對生產(chǎn)過程各項參對生產(chǎn)過程各項參數(shù)進行數(shù)進行采集采集，根據(jù)工藝和生產(chǎn)的需求進行，根據(jù)工藝和生產(chǎn)的需求進行優(yōu)化計優(yōu)化計算算，計算出優(yōu)化的操作條件和參數(shù)，利用其，計算出優(yōu)化的操作條件和參數(shù)，利用其輸出輸出設備設備，將其結果顯示或打印。，將其結果顯示或打印。 操作人員操作人員根據(jù)計算機提供的結果根據(jù)計算機提供的結果改變控制器改變控制器的參數(shù)或設定值的參數(shù)或設定值，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，這屬，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，這屬于于計

30、算機離線最優(yōu)控制計算機離線最優(yōu)控制的一種形式。的一種形式。 該系統(tǒng)結構簡單、控制安全、靈活，由于人該系統(tǒng)結構簡單、控制安全、靈活，由于人的介入使該系統(tǒng)可以應用于一些復雜的不便由計的介入使該系統(tǒng)可以應用于一些復雜的不便由計算機進行直接控制的場合。算機進行直接控制的場合。2021-11-21直接數(shù)字系統(tǒng)是計算機控制系統(tǒng)最基本形式，直接數(shù)字系統(tǒng)是計算機控制系統(tǒng)最基本形式，也是應用最多的一類計算機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在也是應用最多的一類計算機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在線控制。線控制。 操作臺級處理設備 計算機 過程控制通道 生產(chǎn)過程2.2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（直接數(shù)字控制系統(tǒng)（ Direct DigitalDi

31、rect Digital ControlControl）2021-11-21管理命令DDC微型機報告人工監(jiān)管給定值測量值A/D多路開關檢測元件D/A反多路開關生產(chǎn)過程2021-11-21 這類控制系統(tǒng)是計算機通過這類控制系統(tǒng)是計算機通過過程控制通過程控制通道道對工業(yè)生產(chǎn)過程進行對工業(yè)生產(chǎn)過程進行在線實時控制在線實時控制。 該系統(tǒng)是該系統(tǒng)是典型典型的計算機替代模擬調節(jié)器，的計算機替代模擬調節(jié)器，可實現(xiàn)對多回路多參數(shù)的控制，系統(tǒng)是靈可實現(xiàn)對多回路多參數(shù)的控制，系統(tǒng)是靈活性大、可靠性高，能實現(xiàn)各種從常規(guī)到活性大、可靠性高，能實現(xiàn)各種從常規(guī)到先進的控制方式。先進的控制方式。 2021-11-21計算機

32、監(jiān)督控制系統(tǒng)是一種兩級計算機控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)是一種兩級計算機控制系統(tǒng)SCC計算機輸入通道輸出通道數(shù)字（或模擬）控制器生產(chǎn)過程計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)3.3.計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（ Supervisory Computer ControlSupervisory Computer Control）2021-11-21管理命令報告SCC計算機給定值測量值A/D多路開關檢測元件生產(chǎn)過程管理命令報告SCC計算機給定值測量值A/D多路開關檢測元件生產(chǎn)過程DDCD/A反多路開關.SCC+模擬調模擬調節(jié)器控節(jié)器控制系統(tǒng)制系統(tǒng)原理圖原理圖 SCC +DCC控制控制系統(tǒng)系統(tǒng)原理原理圖圖 202

33、1-11-21 該類系統(tǒng)類似計算機操作指導控制系統(tǒng)。它該類系統(tǒng)類似計算機操作指導控制系統(tǒng)。它的區(qū)別是的區(qū)別是SCCSCC計算機計算機輸出不通過人去改變，而輸出不通過人去改變，而直接直接控制控制器控制控制器，改變控制的設定值或參數(shù)，完成對，改變控制的設定值或參數(shù)，完成對生產(chǎn)過程的控制。生產(chǎn)過程的控制。 SCCSCC計算機可以利用有效的資源去完成生產(chǎn)計算機可以利用有效的資源去完成生產(chǎn)過程控制的過程控制的參數(shù)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化，協(xié)調協(xié)調各直接控制回路的工各直接控制回路的工作，而不直接參與直接的控制，所以計算機監(jiān)督作，而不直接參與直接的控制，所以計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)是安全性可靠性較高的一類計算機控制控制系統(tǒng)是

34、安全性可靠性較高的一類計算機控制系統(tǒng)，同時又是計算機集散系統(tǒng)的最初、最基本系統(tǒng)，同時又是計算機集散系統(tǒng)的最初、最基本的模式的模式。2021-11-214.4.集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)(Distributed Control System) 集散控制系統(tǒng)又稱分布控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集散控制系統(tǒng)又稱分布控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、綜合協(xié)調綜合協(xié)調形成具有層次化體系結構的分級分布式形成具有層次化體系結構的分級分布式控制，一般分為四級：過程控制級、控制管理級、控制，一般分為四

35、級：過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級。生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級。 過程控制級是集散控制的基礎，直接控制生過程控制級是集散控制的基礎，直接控制生產(chǎn)過程，在這級參與直接控制的可以是計算機也產(chǎn)過程，在這級參與直接控制的可以是計算機也可以是可以是PLCPLC或專用數(shù)字控制器，完成對現(xiàn)場設備直或專用數(shù)字控制器，完成對現(xiàn)場設備直接監(jiān)測和控制，由于生產(chǎn)過程控制分別由獨立控接監(jiān)測和控制，由于生產(chǎn)過程控制分別由獨立控制器進行控制，可以分散控制器故障，局部故障制器進行控制，可以分散控制器故障，局部故障不會影響整個系統(tǒng)工作，提高了系統(tǒng)工作可靠性不會影響整個系統(tǒng)工作，提高了系統(tǒng)工作可靠性 2021-11-

36、21DCSDCS的層次結構的層次結構2021-11-21管理計算機監(jiān)控計算機CTR操作臺高 速 數(shù) 據(jù) 通 道基本控制器數(shù)據(jù)采集器基本控制器DEP面板工 業(yè) 對 象小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模集散系統(tǒng)組成框圖2021-11-215.5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Field Bus Control System)(Field Bus Control System) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是2020世紀世紀9090年代興起的新年代興起的新型計算機控制系統(tǒng)，已廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)過程型計算機控制系統(tǒng)，已廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化領域，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場總線將自動化領域，現(xiàn)場總線控制系

37、統(tǒng)利用現(xiàn)場總線將各各智能現(xiàn)場設備智能現(xiàn)場設備，各級計算機和自動化設備互聯(lián)，各級計算機和自動化設備互聯(lián)，形成了一個形成了一個數(shù)字式全分散雙向串行傳輸數(shù)字式全分散雙向串行傳輸，多分支，多分支結構和多點通信的通信網(wǎng)絡。結構和多點通信的通信網(wǎng)絡。 在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程現(xiàn)場的各在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程現(xiàn)場的各種儀表、變送器、執(zhí)行機構控制器都配有分級處種儀表、變送器、執(zhí)行機構控制器都配有分級處理器，屬智能現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場總線可以直接連接理器，屬智能現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場總線可以直接連接其它的局域網(wǎng)，甚至其它的局域網(wǎng)，甚至InternetInternet?？蓸嫵刹煌瑢哟?。可構成不同層次的復雜控制網(wǎng)絡，

38、它已經(jīng)成為今后工業(yè)控制體系的復雜控制網(wǎng)絡，它已經(jīng)成為今后工業(yè)控制體系結構發(fā)展的方向之一結構發(fā)展的方向之一2021-11-21H1 H2 服務器現(xiàn)場控制器H2 H2現(xiàn)場總線自動監(jiān)督系統(tǒng)操作站局域網(wǎng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2021-11-21H1樹型樹型菊花鏈型菊花鏈型總線型總線型點對點點對點H1H1H2H2H1H1H1網(wǎng)橋網(wǎng)橋2021-11-216.計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System) 計算機集成制造的概念是在計算機集成制造的概念是在2020世紀世紀7070年代美國的哈靈年代美國的哈靈頓提出的。計算機集成制造是將工業(yè)生產(chǎn)

39、的全過程集成由頓提出的。計算機集成制造是將工業(yè)生產(chǎn)的全過程集成由計算機網(wǎng)絡和系統(tǒng)在統(tǒng)一模式進行，包括從設計、工藝、計算機網(wǎng)絡和系統(tǒng)在統(tǒng)一模式進行，包括從設計、工藝、加工制造到產(chǎn)品的檢驗出廠一體化的模式加工制造到產(chǎn)品的檢驗出廠一體化的模式 隨著現(xiàn)代市場需求和企業(yè)模式現(xiàn)代化，計算機集成制隨著現(xiàn)代市場需求和企業(yè)模式現(xiàn)代化，計算機集成制造已將造已將制造集成制造集成轉換為轉換為信息集成信息集成，并融入企業(yè)全面管理和，并融入企業(yè)全面管理和市場營銷市場營銷 CIMSCIMS是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要有許多基礎的應用是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要有許多基礎的應用平臺支持，實現(xiàn)的是企業(yè)物流、資金流和信息流統(tǒng)一。由平

40、臺支持，實現(xiàn)的是企業(yè)物流、資金流和信息流統(tǒng)一。由于涉及面廣，應用存在困難較多，許多于涉及面廣，應用存在困難較多，許多CIMSCIMS工程在規(guī)劃實工程在規(guī)劃實施中都提出了整體規(guī)劃分步實施策略。施中都提出了整體規(guī)劃分步實施策略。 盡管目前盡管目前CIMSCIMS工程在企業(yè)的推廣存在許多困難，但是工程在企業(yè)的推廣存在許多困難，但是它確實是企業(yè)真正走向現(xiàn)代化的方向它確實是企業(yè)真正走向現(xiàn)代化的方向2021-11-21CIMSCIMS組成框圖組成框圖計算機通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)管理信息分系統(tǒng)制造自動化分系統(tǒng)質量保證分系統(tǒng)工程設計自動化分系統(tǒng)市場信息技術信息原材料銷售服務信息產(chǎn)品2021-11-21計算機集

41、成制造系統(tǒng)（計算機集成制造系統(tǒng)（CIMSCIMS） 經(jīng)營決策經(jīng)營決策企業(yè)管理企業(yè)管理生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度過程優(yōu)化過程優(yōu)化過程控制過程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷第四層：供銷,財務財務,計劃計劃,管理等管理等第三層：生產(chǎn)調度，系統(tǒng)優(yōu)化第三層：生產(chǎn)調度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進控制，過程優(yōu)化第二層：先進控制，過程優(yōu)化第一層：單元自動化第一層：單元自動化,簡單控制簡單控制生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程 流程流程CIMS的遞階控制示意圖的遞階控制示意圖2021-11-211.3 1.3 計算機控制研究的課題與發(fā)展方向計算機控制研究的課題與發(fā)展方向 計算機控制系統(tǒng)中的計算機不是簡

42、單地計算機控制系統(tǒng)中的計算機不是簡單地取代取代了一般控制系統(tǒng)的控制器，由于計算機了一般控制系統(tǒng)的控制器，由于計算機和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展同時也帶動自動控制和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展同時也帶動自動控制技術的發(fā)展。網(wǎng)絡技術的發(fā)展促進了企業(yè)管技術的發(fā)展。網(wǎng)絡技術的發(fā)展促進了企業(yè)管理、控制一體化的進程，控制的概念也遠遠理、控制一體化的進程，控制的概念也遠遠超出了以往生產(chǎn)設備和生產(chǎn)線的控制。超出了以往生產(chǎn)設備和生產(chǎn)線的控制。2021-11-211.3.1 計算機控制研究的課題 計算機控制研究的課題主要是計算機控制研究的課題主要是控制理控制理論論和和控制理論在工程中的應用與實現(xiàn)控制理論在工程中的應用與實現(xiàn)兩個兩個

43、方面，在工程的實現(xiàn)又反映出硬件系統(tǒng)的方面，在工程的實現(xiàn)又反映出硬件系統(tǒng)的結構和軟件的實現(xiàn)兩大類結構和軟件的實現(xiàn)兩大類2021-11-211. 1. 控制理論方面涉及到的課題控制理論方面涉及到的課題（1 1）數(shù)字描述和分析方法）數(shù)字描述和分析方法 計算機控制系統(tǒng)的外特性應該同模擬系計算機控制系統(tǒng)的外特性應該同模擬系統(tǒng)是一樣的，但嚴格地講，在實際處理過程中統(tǒng)是一樣的，但嚴格地講，在實際處理過程中計算機控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，所以計算機控制計算機控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，所以計算機控制系統(tǒng)的設計和分析多年來一直存在系統(tǒng)的設計和分析多年來一直存在模擬模擬和和離散離散兩種分析方法。兩種分析方法。離散系統(tǒng)的描述通常

44、我們都會用離散系統(tǒng)的描述通常我們都會用差分方程差分方程和和Z Z變換變換以及以及離散狀態(tài)空間方法離散狀態(tài)空間方法來進行分析。來進行分析。2021-11-21（2 2） 采樣周期的選取采樣周期的選取模擬系統(tǒng)離散化一個非常關鍵的問題就是計算機控制系統(tǒng)的采樣周期的選擇。嚴格地講計算機控制系統(tǒng)的采樣周期分為信號采集的采樣周期和計算機控制算出的控制周期;信號采樣將模擬信號采樣為離散信號，采樣周期越小越好，采樣周期取決于計算機的運算速度，過小的采樣周期，計算機很難勝任，為了保證采樣信號在采樣后能夠正確地反映模擬信號，信號采集的采樣周期選取就滿足SHANNON采樣定理：采樣的最低頻率須大于信號最高變化頻率的

45、兩倍。2021-11-21（3 3）現(xiàn)代控制系統(tǒng)的研究）現(xiàn)代控制系統(tǒng)的研究由于計算機技術的發(fā)展使現(xiàn)代控制理論的許多設想可以實現(xiàn)。智能控制、模糊控制、人工神經(jīng)元等近代控制方法的研究也變得越來越熱門。計算機CPU技術的發(fā)展和并行處理可以大大提高計算機的運算速度，使復雜運算應用于實時控制變?yōu)榭赡堋?021-11-212. 2. 應用于控制系統(tǒng)計算機硬件技術的研究應用于控制系統(tǒng)計算機硬件技術的研究隨著計算機控制逐漸取代常規(guī)的模擬控制系統(tǒng)的進展，計算機硬件技術的發(fā)展也是研究的重要課題。為了適應不同行業(yè)、不同工藝設備需求，計算機制造廠家已研究出多種典型的標準化機型。（1）可編程序控制器（PLC）可編程序控制器也稱為可編程序邏輯控制器，原來是利用電子器件替代繼電器，實現(xiàn)過去由硬件完成的邏輯控制，隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，PLC改變了以往主要用于開關量邏輯控制的用途，許多專用的過程控制模塊和網(wǎng)絡通訊模塊已經(jīng)結合PLC成為計算機控制系統(tǒng)中的主力軍。2021-11-212021-11-21（2 2）可編程序調節(jié)器）可編程序調節(jié)器可編程序調節(jié)器實際上是一臺可編程序調節(jié)器實際上是一臺儀表化的微型計儀表化的微型計算機算機，它可以廣泛地應用于計算