东北大学计算机控制系统第1章计算机控制系统概述课件
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计算机控制系统1PPT课件
10
实验装置 -3
• 加热反应器
– 开环不稳 定的对象
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
11
实验 装置 -4
• 非线性 液位对 象
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
12
实验 装置 机房
—计算机控制系统—
27.09.2020
第一章 绪 论
13
1-1-1 概述（1）
生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的 方式称为在线方式或联机方式；
生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式 或脱机方式。
②实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时 间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的 速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的信号形式
y(t)
y*(t)
y(kT)
u(kT) u*(kT)
u(t)
采样器
A/D
计算机
D/A
保持器
• 连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 y(t)、u(t) • 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t) • 连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量，计算机内
27.09.2020
第一章 绪 论
5
—计算机控制系统—
第一节 Unit 1 计算机控制系统的一般概念 Introduction of Computer Control System
27.09.2020
6
本节主要内容
• 计算机控制系统的概述 • 计算机控制系统的信号特点 • 计算机控制系统的组成 • 计算机控制系统的经济效益
1第一章 计算机控制系统概述
第一章计算机控制系统概述内容及要求：1.1什么是计算机控制系统?1.2计算机控制系统的一般组成1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统工作过程中的量1.5计算机控制系统的实时性1.6分析设计的两种观点1.7计算机控制系统的特点1.8计算机控制系统控制策略概况。
要求：重点掌握计算机控制系统的特点及工作过程中的量、计算机控制系统的实时性、分析设计的两种观点。
自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。
不仅在宇宙航行、导弹制导、核技术以及火器控制等新兴学科领域中是必不可少的，而且在金属冶炼、仪器制造及一般工业生产过程中也具有重要的意义，为实现工业生产过程的自动控制，高产、稳产、安全生产、改善劳动条件、提高经济效益创造了条件。
生产技术的进步和科学技术的发展，要求有更加复杂、更加完善的控制装置，以期达到更高的精度、更快的速度和更大的效益。
然而，若用常规的控制方法，潜力却是有限的，难以满足如此高的性能要求。
由于电子计算机出现并应用于自动控制，才使得自动控制发生了巨大的飞跃。
因为计算机具有精度高、速度快、存储量大，以及具有逻辑判断的功能等，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。
计算机所具有的信息处理能力，能够把过程控制和生产管理有机地结合起来，从而对工厂、企业或企业体系的管理实现自动化。
计算机控制既是一门新兴的学科，又与自动控制有密切的关系。
本课程的主要目的就是介绍计算机控制系统的基础理论，计算机控制系统的分析方法、设计方法和实现方法。
课程性质：自动化专业的专业课。
课程任务：课程内容包括背景与基础知识、基于连续系统的经典设计方法、基于离散系统的经典设计方法、基于状态空间的设计方法、新型控制策略、计算机控制系统的实现等共6部分20章。
通过课程教学，让学生掌握计算机控制系统的基本概念、理论基础和分析设计方法，熟悉计算机控制系统设计与实现的一般性原则和步骤，了解计算机控制系统的新型控制策略和算机控制系统的发展方向。
计算机控制原理与技术课件：第1章 计算机控制系统概述
对大量数据综合处理分析，有利于指导生产过 程。
可用此系统摸清系统的数学模型，控制规律， 为构成计算机闭环控制奠定基础。
23
1.3 计算机控制系统的典型形式
直接数字控制系统（Direct Digital Control, DDC）
显示
过程输入
计
（A/D，DI）
打印机 算
报警
机
过程输出 （D/A，DO）
6
1.1 计算机控制系统的概念
自动控制
是指在没有人直接干预的情况下，通过控制装 置使机械、设备或生产过程（被控对象）的某 个或某些物理量（被控量）按预定的规律（给 定量）运行
能够实现这种自动控制的装置称为控制器
7
1.1 计算机控制系统的概念
自动控制系统
由控制器、执行机构、被控对象等部件为了一 定的目的有机的联结成的一个进行自动控制的 总体，称为自动控制系统
10
1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统
将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型 的计算机控制系统。
下图是一个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。
给定值
控制器 D/A
计算机 A/D
执行机构
被控量 被控对象
检测装置
11
1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统的特点
3
教学内容
计算机控制系统概述 自动控制系统的基本理论知识 MCS-51单片机 过程通道和数据采集系统 数字程序控制技术 数字PID控制算法
4
第一章 计算机控制系统概述
5
内容简介
1.1 计算机控制系统的概念 1.2 计算机控制系统的组成 1.3 计算机控制系统的典型形式 1.4 计算机控制系统的典型控制方式 1.5 计算机控制系统的发展趋势
可用此系统摸清系统的数学模型，控制规律， 为构成计算机闭环控制奠定基础。
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1.3 计算机控制系统的典型形式
直接数字控制系统（Direct Digital Control, DDC）
显示
过程输入
计
（A/D，DI）
打印机 算
报警
机
过程输出 （D/A，DO）
6
1.1 计算机控制系统的概念
自动控制
是指在没有人直接干预的情况下，通过控制装 置使机械、设备或生产过程（被控对象）的某 个或某些物理量（被控量）按预定的规律（给 定量）运行
能够实现这种自动控制的装置称为控制器
7
1.1 计算机控制系统的概念
自动控制系统
由控制器、执行机构、被控对象等部件为了一 定的目的有机的联结成的一个进行自动控制的 总体，称为自动控制系统
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1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统
将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型 的计算机控制系统。
下图是一个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。
给定值
控制器 D/A
计算机 A/D
执行机构
被控量 被控对象
检测装置
11
1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统的特点
3
教学内容
计算机控制系统概述 自动控制系统的基本理论知识 MCS-51单片机 过程通道和数据采集系统 数字程序控制技术 数字PID控制算法
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第一章 计算机控制系统概述
5
内容简介
1.1 计算机控制系统的概念 1.2 计算机控制系统的组成 1.3 计算机控制系统的典型形式 1.4 计算机控制系统的典型控制方式 1.5 计算机控制系统的发展趋势
第1章 计算机控制系统概述 《计算机控制系统》课件
能观性
用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得
系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系
统被称为是不能观的。
2020/10/29
14
3. 控制系统的动态指标
动态指标能够比 较直观地反映控 制系统的过渡过 程特性，动态指 标包括超调量， 调节时间，峰值 时间，衰减比和 振荡次数。
2020/10/29
r
+e
控制器 u
D/A
给定量 -
A/D
控制计算机
执行机构
被控对象
测量变送 生产过程
2020/10/29
图1 计算机控制系统基本结构
y
被控量
3
计算机控制系统的特点
在计算机控制系统中，被控制量通常是模 拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。 因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混 合式的结构。
优点：结构简单，控制灵活和安全。 2020缺/10/点29 :要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。8
2. 直接数字控制系统
CRT
输入通道
（ AI ，DI）
生
打印机
计
产
算
过
报警
机
程
输出通道
操作台
（ AO，DO）
图5 直接数字控制系统框图
计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现
多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的
0 12 34 0 1 2 3 4 0 12 34
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 t/T
数字信号ห้องสมุดไป่ตู้
离散模拟信号
第一章--计算机控制系统概述
✓车间监督级(SCC级) /过程控制级 L2 控制层
✓工厂集中控制级(MIS) /企业管理级 L3 ✓企业管理级（MIS） / 公司管理级 L4
管理层
特点：通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作
集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动化水平、管理水平
等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳经济效益社会效益等。
给定信号 控制器
执行机构
被控参数 被控对象
变换发送单元
测量元件
图1-1 闭环控制系统框图
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第一章 绪论
图1-2中给出了开环控制系统框图。它与闭环控 制系统不同，它的控制器直接根据给定信号去控 制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对 控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的 控制性能较差。
操 作
A/D 转 换 器
采 样 器
测 量 元 件
工
指
业
导
计
对
算
机
显示终端
调节器
象
打印机
图1-5 操作指导控制系统组成框图
返回本节
第一章 绪论
2．直接数字控制系统（DDC）
DDC（Direct Digital Control）用一台
微机对多个被控参数进行巡回检测，检
测结果与设定值进行比较,再按PID规律
第一章 绪论
管理指令
公司管理级/L4
销售订货数据
管
理 层
至其它工厂的生产运输指令
企业管理级/L3
企业级 经营管理计算机
工厂级 集中控制计算机
到主管部门的数据显示 经济动向数据
来至其它工厂的生产和库存数据
过程控制级/L2 控制层
第1章 计算机控制系统概述
2.常规外部设备
常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储 设备，并根据控制系统的规模和要求来配置。
常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪等， 主要用来输入程序和数据等。
采用的输出设备有：显示器、打印机、记录仪等。 输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能 够了解过程控制的情况。
存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主 要有磁盘、磁带机等。
1.2 计算机控制发展简史
大体分以下几个阶段: 第一阶段:65年之前,实验阶段. 第二阶段:65-69年,实用阶段. 第三阶段:70年以后,大批量生产阶段. 第四阶段:80年代后期,逐渐进入分布控制阶段.
1.3 计算机控制系统的组成
计算机控制系统包括计算机硬件设备、控制软件和计 算机通信网络3个部分组成。
工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制算法和 采用的控制器结构的不同而有所差别。从常规来看，控制 系统为了获得控制信号，要将被控量y和给定值w相比较， 得到偏差信号e=w−y。然后直接利用e来进行控制，使系 统的偏差减小直到消除偏差，被控量等于给定值。这种控 制，由于控制量是控制系统的输出，被控制量的变化值又 反馈到控制系统的输入端，与作为系统输入量的给定值相 减，所以称为闭环负反馈系统 。
被控对象
测测量量变变送送 生生产产过过程程
被控控量量 y
3.计算机控制系统归结为四个步骤:
①实时数据采集 对被控参数在一定的采样间隔进行检测， 并将采样结果输入计算机。
②实时计算 对采集到的被控参数进行处理后，按一定的 预先规定的控制规律进行控制率的计算，或称决策，决定 当前的控制量。
③实时控制 根据实时计算结果，将控制信号作用到控制 的执行机构。
计算机控制系统的运行操作台应该具备如下功能： ①要有屏幕或数字显示器，以显示过程参数、状态、画
计算机控制系统 ppt课件
ppt课件
25
二、计算机控制系统的分类
1 直接数字控制系统
DDC: Direct Digital Control
计算机取代常规模拟控制器直接进行控制
ppt课件
26
二、计算机控制系统的分类
2 计算机监督控制系统
SCC: Supervise Control by Computer 计算机计算最佳值,送给DDC进行控制
计算机系统
– A/D
– D/A
– 数字计算机
ppt课件
16
§1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统工作过程
实时数据采集
对被控量的瞬时值进行检测与输入 周
实时控制决策
而
根据输入量按照控制算法计算输出 复
实时控制输出
始
对执行机构发出控制信号
ppt课件
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§1.1 计算机控制系统的概念
三、计算机控制系统的特点和优点
特点:
–系统结构
模拟和数字混合
–工作方式：
计算机可控制多个回路 控制方式采用软件实现
ppt课件
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§1.1 计算机控制系统的概念
三、计算机控制系统的特点和优点
优点
–易于实现复杂的控制规律 现代适的应控性制强系,灵统活大度多高数采用计算机控制 –性价比高 –控制与管理结合
有利于实现更高层次的自动化
计算机控制系统
ppt课件
1
前言
课程
学位必修课 教材：刘建昌等，计算机控制系统，科学
相关课程
先修课：自动控制原理 相关课：计算机原理、单片机原理 后续课：课程设计、毕业设计
ppt课件
2
前言
特点
信息量大，涉及面广 实践性强
计算机控制系统第1-2章
13
2 . 计算机控制系统的能控性和能观测性
能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测 辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。
能控性
系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指 定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作 用，使系统状态从初始状态到达指定状态。
能观性
用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得
优点：结构简单，控制灵活和安全。 2020缺/3/3点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。8
2. 直接数字控制系统
CRT
输入通道
（ AI ，DI）
生
打印机
计
产
算
过
报警
机
程
输出通道
操作台
（ AO，DO）
图5 直接数字控制系统框图
计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现
多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的
软件组成：系统软件和应用软件。
在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在
的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协
调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的
控制系统。
2020/3/3
4
操作台
I/O
打印机
接
口
计
算
机
主
I/O
机
显示
接
终端
口
I/O 接口 I/O 接口 I/O 接口 I/O 接口
通用外部 I/O接 主机及操 I/O 接
原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
2020/3/3
11
5. 现场总线控制系统
结构模式为：“工 作站一现场总线智 能仪表”二层结构， 完成了DCS中的三
计算机控制系统-第一章
18
6.网络控制系统
网络控制（Internet Based Control）系统是 以网络为媒介对被控对象实施远程遥控制、遥 操作的一种新兴的计算机控制系统。网络控制 技术的发展与网络技术、计算机应用技术、嵌 入式应用技术和控制理论与应用技术的发展息 息相关。网络控制已经引起了各方面的广泛关 注。
2
计算机控制系统的组成
3
1.2 计算机控制系统的特点
容易实现高级复杂的控制方法
性价比较高
灵活性强
可靠性高
易于监控
4
1.3 计算机控制系统分类
根据计算机在控制系统中的控制功能和控 制目的，可将计算机控制系统分为以下几种类 型。 直接数字控制系统 计算机监督控制系统 分布式控制系统
9
5. 计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工 制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备生产要素集 成起来，进行统一控制，以得到生产活动的最优化。
10
1.4 计算机控制系统发展趋势
计算机控制系统的发展过程
计算机控制系统的发展趋势
11
计算机控制系统的发展过程
图1.10 直流伺服电机结构图
25
工业机器人模型
工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造 业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。
图1.11工业机器人结构示意图
26
工业机器人模型
工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能 的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的 时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。
14
2. 嵌入式系统
嵌入式系统（Embedded System）以计算机 技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导 体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术， 甚至传感器等先进技术和 Internet网络技术与具 体应用对象相结合的产物。嵌入式系统嵌入的 本质是将一个微型计算机嵌入到一个具体应用 对象体系中去。
计算机控制系统课件第一章(10下)
1.1.1 计算机控制系统的基本组成
—计算机控制技术—
常规控制系统和计算机控制系统的比 前者连续不断地测量， 较：前者连续不断地测量，经过反馈及 补偿后对生产过程产生连续不断的控制。 补偿后对生产过程产生连续不断的控制。 后者是采样控制系统， 后者是采样控制系统，微机每隔一个采 样周期T才对被控参数进行一次测量， 样周期T才对被控参数进行一次测量，根 据一定控制规律计算出控制量后， 据一定控制规律计算出控制量后，去控 制生产过程。在两次采样时刻之间， 制生产过程。在两次采样时刻之间，微 机对被控制参数不测量， 机对被控制参数不测量，其输出控制量 自然也保持不变。 自然也保持不变。
1.1.1 计算机控制系统的基本组成
—计算机控制技术—
上述过程不断重复， 上述过程不断重复，使系统能够按 一定的动态品质指标进行工作， 一定的动态品质指标进行工作，并对被 控参数和设备是否出现异常情况进行监 以便作出迅速处理。 督，以便作出迅速处理。 所谓“实时”是指信号的输入、 所谓“实时”是指信号的输入、运 算处理和输出能在一定的时间内完成。 算处理和输出能在一定的时间内完成。 即要求微机对输入信号要以足够快的速 度进行测量和处理， 度进行测量和处理，并在一定的时间内 作出反应或产生相应的控制。 作出反应或产生相应的控制。超出了这 个时间就会失去控制时机。 个时间就会失去控制时机。
第一章 绪论 本章的主要内容： 本章的主要内容： 1.1 计算机控制系统概述 1.2 计算机控制系统的分类 1.3 计算机控制系统的发展方向 1.4 计算机控制理论
—计算机控制技术—
1.1 计算机控制系统概述 本节的主要内容： 本节的主要内容： 1.1.1 计算机控制系统的基本组成
—计算机控制技术—
它与闭环控制系统不同， 它的控制器直 它与闭环控制系统不同 ， 接根据给定信号去控制被控对象工作。 接根据给定信号去控制被控对象工作 。 被控制量在整个控制过程中对控制量不 产生影响。 与闭环控制系统相比， 产生影响 。 与闭环控制系统相比 ， 它的 控制性能较差。 控制性能较差。
第章计算机控制系统概述ppt课件
5、操作台
在较大型的控制系统中需要设置操作台，用来实现 人机之间的联系。
操作人员通过操作台向计算机输入程序，修改，发 出数据，发出操作命令，并通过显示器显示控制系统 的状况，监视整个生产过程及各个回路的实时参数和 工作状态。
计算机操作控制台
（二）计算机控制系统的软件
计算机控制系统常用软件完成各种控制功能。
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 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 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 人机界面。
其他系统软件： 语言及处理程序 (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 维护程序）、 数据库及信息管理系统等。
2、应用软件：
微机控制系统的应用程序从功能分为两大类： (1) 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。 (2) 常用控制程序： 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。
1.2 计算机控制系统的主要特征
● 计算机控制系统是一个实时系统，当生产过程中 发生不正常的情况时，计算机控制系统应及时进行 处理和报警，对过程中出现的微小变化要及时进行 判断和响应，以便使计算机控制系统工作在最佳的 状态。
（二） 开环控制系统和闭环控制系统
按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统
1、 开环系统： 组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作 用，没有反向联系的系统。 即：输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没有 影响。 （1）按给定值操纵的开环控制系统
给定输入
执行机构
被控对象
在较大型的控制系统中需要设置操作台，用来实现 人机之间的联系。
操作人员通过操作台向计算机输入程序，修改，发 出数据，发出操作命令，并通过显示器显示控制系统 的状况，监视整个生产过程及各个回路的实时参数和 工作状态。
计算机操作控制台
（二）计算机控制系统的软件
计算机控制系统常用软件完成各种控制功能。
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 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 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 人机界面。
其他系统软件： 语言及处理程序 (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 维护程序）、 数据库及信息管理系统等。
2、应用软件：
微机控制系统的应用程序从功能分为两大类： (1) 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。 (2) 常用控制程序： 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。
1.2 计算机控制系统的主要特征
● 计算机控制系统是一个实时系统，当生产过程中 发生不正常的情况时，计算机控制系统应及时进行 处理和报警，对过程中出现的微小变化要及时进行 判断和响应，以便使计算机控制系统工作在最佳的 状态。
（二） 开环控制系统和闭环控制系统
按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统
1、 开环系统： 组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作 用，没有反向联系的系统。 即：输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没有 影响。 （1）按给定值操纵的开环控制系统
给定输入
执行机构
被控对象
计算机控制系统第1章课件
因此过程通道起到了CPU和被控对象之间 的信息传送和变换的桥梁作用。
1.1.2 计算机控制系统的组成
1．计算机控制系统硬件
2．计算机控制系统软件
(1) 系统软件 (2) 应用软件
1.1.3 计算机控制系统的典型结构
1．操作指导控制系统
2．直接数字控制系统
3．计算机监督控制系统
4. 集散控制系统
5. 现场总线控制系统
6. 工业过程计算机集成制造系统
1.2 计算机控制系统性能 及其指标
1.2.1 计算机控制系统性能指标
计算机控制系统的性能分析和要求与连续 控征， 衡量系统优劣的指标通常用稳定裕量、动态指 标、稳态指标和综合指标等。
1.2.2 控制对象对控制性能的影响
1.3 计算机控制系统的发展 概况与趋势
1.3.1 计算机控制系统的发展概况
1.3.2 计算机控制系统的发展趋势
1.先进计算机控制系统得到大力推广与普及 2.智能控制系统得到深入研究与开发 3.大力加强企业综合自动化系统的研究、开
发与应用
第1章完
如今计算机控制系统已经广泛地用于工 业、国防和民用的各个领域。
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统一般概念
过程通道的主要任务是将生产过程中的各 种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能 接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计 算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量 的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行 自动控制。
计算机控制系统是当前自动控制系统的 主流方向。
计算机控制系统是利用计算机的硬件和 软件代替了自动控制系统的控制器，以自动 控制技术、计算机技术、检测技术、计算机 通信与网络技术为基础，利用计算机快速强 大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力， 使得计算机控制系统可以实现常规控制以外 更复杂、更全面的控制方案。
1.1.2 计算机控制系统的组成
1．计算机控制系统硬件
2．计算机控制系统软件
(1) 系统软件 (2) 应用软件
1.1.3 计算机控制系统的典型结构
1．操作指导控制系统
2．直接数字控制系统
3．计算机监督控制系统
4. 集散控制系统
5. 现场总线控制系统
6. 工业过程计算机集成制造系统
1.2 计算机控制系统性能 及其指标
1.2.1 计算机控制系统性能指标
计算机控制系统的性能分析和要求与连续 控征， 衡量系统优劣的指标通常用稳定裕量、动态指 标、稳态指标和综合指标等。
1.2.2 控制对象对控制性能的影响
1.3 计算机控制系统的发展 概况与趋势
1.3.1 计算机控制系统的发展概况
1.3.2 计算机控制系统的发展趋势
1.先进计算机控制系统得到大力推广与普及 2.智能控制系统得到深入研究与开发 3.大力加强企业综合自动化系统的研究、开
发与应用
第1章完
如今计算机控制系统已经广泛地用于工 业、国防和民用的各个领域。
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统一般概念
过程通道的主要任务是将生产过程中的各 种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能 接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计 算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量 的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行 自动控制。
计算机控制系统是当前自动控制系统的 主流方向。
计算机控制系统是利用计算机的硬件和 软件代替了自动控制系统的控制器，以自动 控制技术、计算机技术、检测技术、计算机 通信与网络技术为基础，利用计算机快速强 大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力， 使得计算机控制系统可以实现常规控制以外 更复杂、更全面的控制方案。
东北大学计算机控制系统第1章计算机控制系统概述课件
计算机控制系统的软件构成：
（1）系统软件：指为提高计算机使用效率和扩大功能、为用 户使用和维护计算机提供方便的程序的总称，一般包括操作 系统、程序设计系统和公共程序与诊断系统 （2）应用软件：用户为解决实时控制问题、完成特定功能而 设计和编写的各种程序的总称，一般包括过程监控程序、过 程控制程序和信息管理程序 （3）数据库系统：用于支持数据管理、存取的软件，它包括 数据库和数据库管理系统等
计算机控制系统
第1章 计算机控制系统概述
信息学院·周玮
zhouwei@
二○○九年五月
课程教学内容:
• 一、计算机控制系统概述 • 二、信号转换与z变换 • 三、计算机控制系统数学描述与性能分析 • 四、数字控制器的模拟化设计方法 • 五、数字控制器的直接设计方法 • 六、基于状态空间模型的极点配置设计方法 • 七、先进控制规律的设计方法 • 八、基于网络的控制技术 • 九、计算机控制系统设计与实现 • 十、计算机控制系统应用实例
本章内容:
计算机控制系统的基本概念 过程通道与总线接口技术 模拟与数字信号之间的相互转换 计算机控制系统的理论问题 计算机控制系统的基本结构
1.1 引 言
1、概述
计算机控制是以控制理论与计算机技术为基础的一门新 的工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事 等领域。
计算机参与的控制系统，也称数字控制系统，产生了一 系列新的基本理论和分析、设计方法。
1.3.1 过程通道
过程输入/输出通道分为模拟量输入通道、模拟量输 出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。
过程输入通道：把生产对象的被控参数变换成计算 机可以接收的数字代码 过程输出通道：把计算机输出的控制命令和数据， 变换成可以对工业对象进行控制的信号
东北大学计算机控制系统第1章计算机控制系统概述课件
10
3、计算机控制系统的性能指标
1、稳定性：闭环系统的极点
2、稳态指标：稳态误差
3、动态指标：过程过程时间，超调量等
4、综合指标 ：既要考虑到能对系统的性能做出正确 的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实 现。如积分型指标：
J t e2 (t)dt 0
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1.3 计算机控制系统的过程通道和 总线接口技术
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27
➢ 按与微机的接口形式分类DAC： 并行接口DAC ; 串行接口DAC ; PWM形式DAC.
➢ 按DAC的输出形式分类： 电流输出型DAC; 电压输出型DAC.
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28
不同种类DAC的特点
➢ 串行接口DAC: 芯片体积小,转换速度低, 与CPU连线少.
➢ 并行接口DAC: 芯片体积大,转换速度高, 与CPU连线多.
CR I1
D I0
2R
2R
2R
2R 2R
电 S3
子 开 关
D3
S2
S1
D2
D1
S0
Io1 D0 Io2
梯形电阻网络A、B、 C、D任意一点，其右 边的电阻网络等效电 阻均等于R 。
Rf
8
△
_－ ＋+
+＋
UO
模拟信号输出
并行数字输入
S为电子开关。当 D=0时 S 接地；当 D=1时 S 接“地”（虚地）。
•
•
•
发0
生 C1
••
器 C0 0 • •
•
•
SD J
Q0
C
K
RD
•C •
SD J
Q1
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1、计算机控制系统的组成
图1.1 炉温计算机控制系统
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7
将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统抽
象化，得到图1.2所示的计算机控制系统典型结构。
量化模拟信号
模拟信号
数字信号
离散模拟信号 图1.2 计算机控制系统典型结构
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8
计算机控制系统与常规的连续（模拟）控制系统相比， 通常具有如下优点：
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3、计算机控制系统的性能指标
1、稳定性：闭环系统的极点
2、稳态指标：稳态误差
3、动态指标：过程过程时间，超调量等
4、综合指标 ：既要考虑到能对系统的性能做出正确 的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实 现。如积分型指标：
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1.3 计算机控制系统的过程通道和 总线接口技术
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3、课程讲述的内容
本书将从信号变换、对象建模与性能分析、控制算法 设计、控制系统实现等4个方面系统讲述计算机控制 系统分析和设计的基本理论和方法，其中在信号变换 的工程化，控制算法的工程化，以及控制系统实现的 工程化部分进行了重点阐述。
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6
1.2计算机控制系统的基本概念
计算机控制系统
第1章 计算机控制系统概述
信息学院·
二○○九年五月
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1
课程教学内容:
• 一、计算机控制系统概述 • 二、信号转换与z变换 • 三、计算机控制系统数学描述与性能分析 • 四、数字控制器的模拟化设计方法 • 五、数字控制器的直接设计方法 • 六、基于状态空间模型的极点配置设计方法 • 七、先进控制规律的设计方法 • 八、基于网络的控制技术 • 九、计算机控制系统设计与实现 • 十、计算机控制系统应用实例
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13
计算机控制系统的软件构成：
（1）系统软件：指为提高计算机使用效率和扩大功能、为用 户使用和维护计算机提供方便的程序的总称，一般包括操作 系统、程序设计系统和公共程序与诊断系统 （2）应用软件：用户为解决实时控制问题、完成特定功能而 设计和编写的各种程序的总称，一般包括过程监控程序、过 程控制程序和信息管理程序 （3）数据库系统：用于支持数据管理、存取的软件，它包括 数据库和数据库管理系统等
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2
本章内容:
计算机控制系统的基本概念 过程通道与总线接口技术 模拟与数字信号之间的相互转换 计算机控制系统的理论问题 计算机控制系统的基本结构
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3
1.1 引 言
1、概述
计算机控制是以控制理论与计算机技术为基础的一门新 的工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事 等领域。
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20
1、内部总线
指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一 级的互连。通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。
微
地址总线
处
理
数据总线
器
控制总线
存储器
输入接 口电路
输出接 口电路
输入设备
输出设备
图1.8 内部并行总线及组成
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21
图1.9 内部串行总线SPI的组成
图1.4 模拟量输入通道组成与结构图
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16
2、模拟量输出通道
图1.5 模拟量输出通道组成与结构图
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17
3、数字量输入通道
图1.6 数字量输入通道示意图
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18
4、数字量输出通道
图1.7 数字量输出通道示意图
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1.3.2 总线接口技术
为了简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的 接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的 连接线路被称为总线。总线是计算机各模块之间、 计算机与外部设备之间的公共通道。
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1.3.1 过程通道
过程输入/输出通道分为模拟量输入通道、模拟量输 出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。
过程输入通道：把生产对象的被控参数变换成计算 机可以接收的数字代码 过程输出通道：把计算机输出的控制命令和数据， 变换成可以对工业对象进行控制的信号
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1、模拟量输入通道
计算机参与的控制系统，也称数字控制系统，产生了一 系列新的基本理论和分析、设计方法。
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4
2、发展历程
1946年世界第一台数字计算机诞生 20世纪50年代初产生了将数字计算机用于控制的思想，1955年美国 TRW航空公司与美国一个炼油厂合作，开始进行计算机控制的研究 1962年英国的帝国化学工业公司应用计算机直接控制（DDC）被控 过程的变量 1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了崭 新的发展阶段，并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统 20世纪80年代以后，微型处理器件的迅速发展对计算机控制产生了 深远的影响，计算机控制得到更为普及的应用，并快速向集散型、网 络化的方向发展
（1）设计和控制灵活 （2）能实现集中监视和操作 （3）能实现综合控制 （4）可靠性高，抗干扰能力强
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2、计算机控制系统的应用要求
（1）可靠性高 （2）实时性好 （3）环境适应性强 （4）过程输入和输出配套较好 （5）系统扩充性好 （6）系统开放性 （7）控制软件包功能强
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图1.3 计算机控制系统硬件组成示意图
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计算机控制系统的硬件构成：
（1）过程装置：包括被控对象，执行机构和测量变 送装置
（2）输入输出通道：包括过程通道和总线接口 （3）计算机系统：包括计算机和外部设备。外部设 备包括人机联系设备（如鼠标、键盘等）和通用外部 设备（如显示器、打印机等）
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微处理器
信号转 换驱动
存储器 模块输ຫໍສະໝຸດ 输 出模块计算机系统总线图1.10 系统总线及组成
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2、系统总线
系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线（如Multibus 总线、STD总线、PC总线），用于插件板一级的互连，为计算机 系统所特有，是构成计算机系统的总线。
系统总线通常为50-100根信号线，分为5个主要类型： （1）数据线：决定数据宽度； （2）地址线：决定直接选址范围； （3）控制线：包括控制、时序和中断线，决定总线功能和适应性的 好坏； （4）电源线和地线：决定电源的种类及地线的分布和用法； （5）备用线：留给厂家或用户自己定义。
图1.1 炉温计算机控制系统
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将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统抽
象化，得到图1.2所示的计算机控制系统典型结构。
量化模拟信号
模拟信号
数字信号
离散模拟信号 图1.2 计算机控制系统典型结构
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计算机控制系统与常规的连续（模拟）控制系统相比， 通常具有如下优点：
10
3、计算机控制系统的性能指标
1、稳定性：闭环系统的极点
2、稳态指标：稳态误差
3、动态指标：过程过程时间，超调量等
4、综合指标 ：既要考虑到能对系统的性能做出正确 的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实 现。如积分型指标：
J t e2 (t)dt 0
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1.3 计算机控制系统的过程通道和 总线接口技术
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3、课程讲述的内容
本书将从信号变换、对象建模与性能分析、控制算法 设计、控制系统实现等4个方面系统讲述计算机控制 系统分析和设计的基本理论和方法，其中在信号变换 的工程化，控制算法的工程化，以及控制系统实现的 工程化部分进行了重点阐述。
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1.2计算机控制系统的基本概念
计算机控制系统
第1章 计算机控制系统概述
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课程教学内容:
• 一、计算机控制系统概述 • 二、信号转换与z变换 • 三、计算机控制系统数学描述与性能分析 • 四、数字控制器的模拟化设计方法 • 五、数字控制器的直接设计方法 • 六、基于状态空间模型的极点配置设计方法 • 七、先进控制规律的设计方法 • 八、基于网络的控制技术 • 九、计算机控制系统设计与实现 • 十、计算机控制系统应用实例
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计算机控制系统的软件构成：
（1）系统软件：指为提高计算机使用效率和扩大功能、为用 户使用和维护计算机提供方便的程序的总称，一般包括操作 系统、程序设计系统和公共程序与诊断系统 （2）应用软件：用户为解决实时控制问题、完成特定功能而 设计和编写的各种程序的总称，一般包括过程监控程序、过 程控制程序和信息管理程序 （3）数据库系统：用于支持数据管理、存取的软件，它包括 数据库和数据库管理系统等
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计算机控制系统的基本概念 过程通道与总线接口技术 模拟与数字信号之间的相互转换 计算机控制系统的理论问题 计算机控制系统的基本结构
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1.1 引 言
1、概述
计算机控制是以控制理论与计算机技术为基础的一门新 的工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事 等领域。
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1、内部总线
指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一 级的互连。通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。
微
地址总线
处
理
数据总线
器
控制总线
存储器
输入接 口电路
输出接 口电路
输入设备
输出设备
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图1.9 内部串行总线SPI的组成
图1.4 模拟量输入通道组成与结构图
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2、模拟量输出通道
图1.5 模拟量输出通道组成与结构图
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3、数字量输入通道
图1.6 数字量输入通道示意图
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4、数字量输出通道
图1.7 数字量输出通道示意图
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1.3.2 总线接口技术
为了简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的 接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的 连接线路被称为总线。总线是计算机各模块之间、 计算机与外部设备之间的公共通道。
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14
1.3.1 过程通道
过程输入/输出通道分为模拟量输入通道、模拟量输 出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。
过程输入通道：把生产对象的被控参数变换成计算 机可以接收的数字代码 过程输出通道：把计算机输出的控制命令和数据， 变换成可以对工业对象进行控制的信号
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1、模拟量输入通道
计算机参与的控制系统，也称数字控制系统，产生了一 系列新的基本理论和分析、设计方法。
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2、发展历程
1946年世界第一台数字计算机诞生 20世纪50年代初产生了将数字计算机用于控制的思想，1955年美国 TRW航空公司与美国一个炼油厂合作，开始进行计算机控制的研究 1962年英国的帝国化学工业公司应用计算机直接控制（DDC）被控 过程的变量 1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了崭 新的发展阶段，并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统 20世纪80年代以后，微型处理器件的迅速发展对计算机控制产生了 深远的影响，计算机控制得到更为普及的应用，并快速向集散型、网 络化的方向发展
（1）设计和控制灵活 （2）能实现集中监视和操作 （3）能实现综合控制 （4）可靠性高，抗干扰能力强
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2、计算机控制系统的应用要求
（1）可靠性高 （2）实时性好 （3）环境适应性强 （4）过程输入和输出配套较好 （5）系统扩充性好 （6）系统开放性 （7）控制软件包功能强
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图1.3 计算机控制系统硬件组成示意图
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计算机控制系统的硬件构成：
（1）过程装置：包括被控对象，执行机构和测量变 送装置
（2）输入输出通道：包括过程通道和总线接口 （3）计算机系统：包括计算机和外部设备。外部设 备包括人机联系设备（如鼠标、键盘等）和通用外部 设备（如显示器、打印机等）
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微处理器
信号转 换驱动
存储器 模块输ຫໍສະໝຸດ 输 出模块计算机系统总线图1.10 系统总线及组成
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2、系统总线
系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线（如Multibus 总线、STD总线、PC总线），用于插件板一级的互连，为计算机 系统所特有，是构成计算机系统的总线。
系统总线通常为50-100根信号线，分为5个主要类型： （1）数据线：决定数据宽度； （2）地址线：决定直接选址范围； （3）控制线：包括控制、时序和中断线，决定总线功能和适应性的 好坏； （4）电源线和地线：决定电源的种类及地线的分布和用法； （5）备用线：留给厂家或用户自己定义。