2 计算机控制系统概述(二)、控制系统信号类型.
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FCS（Fieldbus Control System）
于20世纪90年代兴起，将网络通信与管理的观念引 入工业控制领域，改变了传统的信息传送方式。 是DCS的更新换代产品。
特点
数字化的信息传输
• DCS（Distributed Control Systems）中，底层到控制站之 间用4—20mA电流传送信息
专门为工业现场而设计的计算机，也叫“工控机”、 “产业电脑”或“工业电脑”
技术特点
采用全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力 采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块 皆使用插板式结构，可视需要选配I/O模板 机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网 配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护 吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应 用软件 可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行
特征
系统内核小、专用性强、系统精简、实时操作系统、 需要专门的开发工具和开发环境
嵌入式系统（EMS）
嵌入式微处理器特点
对实时多任务有很强的支持能力 具有很强的存储区保护功能 可扩展的处理器结构 功耗低
嵌入式计算机分类
嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式DSP处理器 嵌入式片上系统
嵌入式系统（EMS）
工业PC机
工业PC机
工业PC与一般PC机比较
计算机控制系统的发展趋势
大力推广应用成熟的先进技术
普及应用可编程控制器 广泛使用智能化调节器 采用新型的 DCS 和 FCS FPGA将成为微型计算机控制技术的新宠
大力研究和发展智能控制系统
分级递阶智能控制系统——可用于自主控制 模糊控制系统——隶属函数、模糊关系 专家控制系统——专家经验的获取、知识表示 学习控制系统——辨识、自组织
嵌入式系统（EMS）
嵌入式系统（EMS）
嵌入式DSP处理器
适用于执行DSP算法的处理器
对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执 行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高 数字滤波、FFT、谱分析等 DSP 算法正大量进入嵌入 式领域
嵌入式片上系统
通用处理器内核将作为标准器件，用VHDL语言描述， 存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统， 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。 系统PCB简洁，功耗小，体积小，可靠性高
计算机控制技术
第2讲 计算机控制系统概述（二） 控制系统信号类型
计算机控制系统的分类（续）
嵌入式系统（EMS）
定义和组成
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
单片机特点
集成度高，功能强 结构合理——哈佛结构（相对于冯诺依曼结构） 抗干扰能力强 指令丰富 低功耗
可编程控制器（PLC）
PLC
是继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的 产物 主控制器：微处理器 存储器和I/O接口：大规模集成电路
特点
可靠性高 编程容易 输入／输出功能模块齐全 安装方便 运行速度快
嵌入式系统（EMS）
现场总线控制系统（FCS）
控制器与现场的输入输出器件之间采用一对一的 I/O 接线方 法，传递4-20mA（模拟量）或 24VDC（开关量）信号。
现场总线控制系统（FCS）
主要特征是采用数字式通信方式取代现场的420mA/24VDC信号，使用一根电缆连接所有设备
现场总线控制系统（FCS）
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的 具有32位以上的处理器，具有较高的性能 去除通用CPU冗余功能部分，以最低的功耗和资源实 现应用要求 典型芯片：ARM
嵌入式微控制器
典型代表——单片机 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单 片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。
信号类型多种多样
系统工作方式
同一计算机Байду номын сангаас以同时控制多个回路
计算机控制系统的优点
易实现复杂控制规律
计算机控制系统的性价比高
适应性强、灵活性高
系统测量灵敏度高
控制与管理容易结合并实现层次更高的自动化 系统可靠性和容错能力高
计算机控制系统的缺点
抗干扰能力较低 信号复杂，给设计实现带来困难
计算机控制系统的发展概 况及趋势
分散的系统结构
• DCS中采用“操作站-控制站-现场仪表”的三层主从结构 • FCS中把I/O单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表， 每个仪表都含有CPU，具有测量、校正、调节、诊断等 功能
计算机控制系统的特点及优缺点
计算机控制系统的特点
系统结构
通常是由模拟部件与数字部件组成的混合系统
信号形式
计算机控制系统的发展概况及趋势
主要用于工业控制领域
根据被控对象的规模
• 数据通信要求 • 被控变量数量 微型机控制系统
单片微型计算机 可编程逻辑控制器 现场可编程门阵列 工业PC机
选用方法
根据控制算法的复杂程度
• 回路多少 • 计算复杂度
单片微型计算机
微型计算机
单片机 多片机——普通PC、工控机…
可编程控制器（PLC）
可编程控制器
Programmable Controller
可编程逻辑控制器
Programmable Logic Controller
工作过程
现场可编程门阵列
Field Programmable Gate Array，FPGA
工业PC机
Industrial Personal Computer，IPC
计算机控制系统的发展趋势
应该了解的几种先进控制方法
• • • • 模糊控制 神经网络控制 自适应控制 鲁棒控制
单片机的应用将更加深入
单片机的功能将更加完善 单片机的应用将深入到更多领域
于20世纪90年代兴起，将网络通信与管理的观念引 入工业控制领域，改变了传统的信息传送方式。 是DCS的更新换代产品。
特点
数字化的信息传输
• DCS（Distributed Control Systems）中，底层到控制站之 间用4—20mA电流传送信息
专门为工业现场而设计的计算机，也叫“工控机”、 “产业电脑”或“工业电脑”
技术特点
采用全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力 采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块 皆使用插板式结构，可视需要选配I/O模板 机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网 配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护 吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应 用软件 可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行
特征
系统内核小、专用性强、系统精简、实时操作系统、 需要专门的开发工具和开发环境
嵌入式系统（EMS）
嵌入式微处理器特点
对实时多任务有很强的支持能力 具有很强的存储区保护功能 可扩展的处理器结构 功耗低
嵌入式计算机分类
嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式DSP处理器 嵌入式片上系统
嵌入式系统（EMS）
工业PC机
工业PC机
工业PC与一般PC机比较
计算机控制系统的发展趋势
大力推广应用成熟的先进技术
普及应用可编程控制器 广泛使用智能化调节器 采用新型的 DCS 和 FCS FPGA将成为微型计算机控制技术的新宠
大力研究和发展智能控制系统
分级递阶智能控制系统——可用于自主控制 模糊控制系统——隶属函数、模糊关系 专家控制系统——专家经验的获取、知识表示 学习控制系统——辨识、自组织
嵌入式系统（EMS）
嵌入式系统（EMS）
嵌入式DSP处理器
适用于执行DSP算法的处理器
对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执 行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高 数字滤波、FFT、谱分析等 DSP 算法正大量进入嵌入 式领域
嵌入式片上系统
通用处理器内核将作为标准器件，用VHDL语言描述， 存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统， 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。 系统PCB简洁，功耗小，体积小，可靠性高
计算机控制技术
第2讲 计算机控制系统概述（二） 控制系统信号类型
计算机控制系统的分类（续）
嵌入式系统（EMS）
定义和组成
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
单片机特点
集成度高，功能强 结构合理——哈佛结构（相对于冯诺依曼结构） 抗干扰能力强 指令丰富 低功耗
可编程控制器（PLC）
PLC
是继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的 产物 主控制器：微处理器 存储器和I/O接口：大规模集成电路
特点
可靠性高 编程容易 输入／输出功能模块齐全 安装方便 运行速度快
嵌入式系统（EMS）
现场总线控制系统（FCS）
控制器与现场的输入输出器件之间采用一对一的 I/O 接线方 法，传递4-20mA（模拟量）或 24VDC（开关量）信号。
现场总线控制系统（FCS）
主要特征是采用数字式通信方式取代现场的420mA/24VDC信号，使用一根电缆连接所有设备
现场总线控制系统（FCS）
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的 具有32位以上的处理器，具有较高的性能 去除通用CPU冗余功能部分，以最低的功耗和资源实 现应用要求 典型芯片：ARM
嵌入式微控制器
典型代表——单片机 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单 片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。
信号类型多种多样
系统工作方式
同一计算机Байду номын сангаас以同时控制多个回路
计算机控制系统的优点
易实现复杂控制规律
计算机控制系统的性价比高
适应性强、灵活性高
系统测量灵敏度高
控制与管理容易结合并实现层次更高的自动化 系统可靠性和容错能力高
计算机控制系统的缺点
抗干扰能力较低 信号复杂，给设计实现带来困难
计算机控制系统的发展概 况及趋势
分散的系统结构
• DCS中采用“操作站-控制站-现场仪表”的三层主从结构 • FCS中把I/O单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表， 每个仪表都含有CPU，具有测量、校正、调节、诊断等 功能
计算机控制系统的特点及优缺点
计算机控制系统的特点
系统结构
通常是由模拟部件与数字部件组成的混合系统
信号形式
计算机控制系统的发展概况及趋势
主要用于工业控制领域
根据被控对象的规模
• 数据通信要求 • 被控变量数量 微型机控制系统
单片微型计算机 可编程逻辑控制器 现场可编程门阵列 工业PC机
选用方法
根据控制算法的复杂程度
• 回路多少 • 计算复杂度
单片微型计算机
微型计算机
单片机 多片机——普通PC、工控机…
可编程控制器（PLC）
可编程控制器
Programmable Controller
可编程逻辑控制器
Programmable Logic Controller
工作过程
现场可编程门阵列
Field Programmable Gate Array，FPGA
工业PC机
Industrial Personal Computer，IPC
计算机控制系统的发展趋势
应该了解的几种先进控制方法
• • • • 模糊控制 神经网络控制 自适应控制 鲁棒控制
单片机的应用将更加深入
单片机的功能将更加完善 单片机的应用将深入到更多领域