计算机控制技术PPT 第1章
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（2）“在线”方式和“离线”方式： 在计算机控制系统中， 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，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作 相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。
一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统 必定是在线系统。
工业控制系统对数据传输的实时性要求依赖于特定的应 用。比如：
• 化工热化控制须有秒级的响应时间；
• 过程控制和监控系统需要100ms的响应时间；
• 基于可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller ）的机械控制系统需要10ms的响应时间；
• 多轴协同动态高速运动控制系统实时性要求在1ms以内
信息时代的自动化企业，包括设计、制造、生产 过程管理以及供应、采购、销售与售后服务的 数字化，可以通过集成实现客户、企业和供应 商之间的无间隙集成。企业自动化是企业生存 需要，更重要的是持续发展的需要。从宏观上 讲，中国企业的自动化建设也是我国经济持续 稳定发展的关键基石之一。
企业的全球化（Enterprise Globalisation）
“监控”是对被控过程的监视与控制，从工业自动化控 制角度一般将监控软件称为工业组态软件或组态控制 软件。
从系统层次考虑，工业自动化软件系统正利用先进的软 件技术朝着集成化、网络化、平台化、综合管理等方 向发展。
嵌入式系统的发展
嵌入式系统以应用为中心，软件硬件可剪裁，适应应用 系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的
IEC 61131-3中规定的5种语言。 3）分布式系统要求设备支持统一的通信标准。 4）自动化系统所有的功能集成于开放的平台，以减少安
装空间、节省电缆，将复杂的通信连接简单化。
研究和发展智能控制系统
工业自动化系统具有多种形式的复杂性，在整体结构上 表现为非线性、不确定性、无穷维、分布式及多层次 等;在被处理信息上，表现为信号的不确定性、随机性 和不完全性、图象及符号信息的混合等。
工业控制系统应该满足的要求
1）可靠性高：平均无故障工作时间MTBF（Mean Time Between Failure)可达到几万小时，尽量缩短故障修复时间 MTTR（Mean Time To Repair) ；
2）实时性好：工控系统必须实时地响应控制对象各种参数的 变化。；
3）环境适应性强：工业现场环境恶劣，电磁干扰严重，其接 “地”系统复杂，共模及串模干扰大。因此要求工控系统 具有很强的环境适应能力，如对温度/湿度变化范围要求高 ；要具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；要具有较好 的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力；
第4章 控制系统的接口：输入输出通道
6
第5章 控制器设计技术
12
第6章 计算机控制系统的抗干扰技术
6
第7章 主要的工业控制器
8
第8章 工业通讯技术和工业网络
12
第9章 计算机控制系统的设计与集成
8
合计
72
第1章 概论：计算机控制技术和企业自动化
1.1 计算机控制技术和企业自动化概论
企业和企业自动化 企业自动化的重要性 计算机控制技术和企业自动化
• 课堂教授时间建议至少48学时，所有内容完全 讲授需要72学时。根据不同专业和层次要求不 同，章节和学时分配可以不同。实验和课程设 计学时可以根据实验室硬件条件另外安排。
主要教学内容和学时分配
第1章 概论：计算机控制技术和企业自动化
4
第2章 工业通信基础和计算机接口总线
8
第3章 计算机控制系统
8
工业控制信号有周期性实时数据、非周期性实时数据和软实时 数据等。周期性实时数据包括从传感器定期地发往控制器 和数据中心的信息，从控制中心定期传给执行机构的信息 等。周期性实时数据和非周期性实时数据必须严格在规定 时间内响应，否则将导致设备误操作，甚至整个控制系统 崩溃。软实时数据是的传输延时虽然不会造成灾难性的损 失，但同样威胁系统的正常运行，必须避免。
通用工业控制计算机——即工业PC 或IPC（Industrial Personal Computer）；
DCS工控机——即“现场工作站”； PLC； 嵌入式工控机：包括PC/104总线工控机，嵌入式单片机
,ARM等。
这些技术同时存在而且互相影响。工业自动化部分基本 被PLC和DCS和工业PC所垄断，这些都是我们所说的 计算机控制系统，但有时候，计算机控制也指基于PC 的控制系统，有时候被称为微机控制系统。
4）过程输入输出配套较好：工控系统要具有丰富的多种功能 的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量 、频率量等输入输出模板。具有多种类型的信号调理功能 ，如隔离型和非隔离型信号调理；各类热电偶，热电阻信 号输入调理；电压／电流信号输入和输出信号的调理等；
工业控制系统应该满足的要求（续）
5）系统扩充性好： 随着工厂自动化水平的提高，控制规模也 在不断扩大，因此要求工控系统具有灵活的扩充性；
常用的计算机控制系统
计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的 复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求。 由于A/D、 D/A通道的形式不同以及计算机在系统中的 地位、作用不同，计算机控制系统的形式也是多种多 样。
从应用上，人们通常把计算机控制系统分为控制操作指 导控制系统、直接数字控制系统DDC(Direct Digital Control)、计算机监控系统（Supervisory Control and Data acquisition--SCADA）、集散控制系统（ Distributed Control system--DCS）、现场总线控制系统 （Fieldbus Control System--FCS）等。
企业的复杂化（波音 747-400 总体安装线）
(Everett factory), USA
作为企业自动化的基础。企业的自动化系统是一个由分 布式组件构成的基础系统，其组件的核心，就是计算 机控制单元。分布的计算机控制系统（组件）通过工 业网络组成现代化企业的自动控制系统。
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、 计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、 控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提 高质量、降低消 耗、确保安全等目的的综合性技术， 主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工 控自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技 术之一，主要解决生 产效率与一致性问题。虽然自动 化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程 有明显的提升作用。
1.2 计算机控制技术和系统介绍
基本概念 工业控制系统应该满足的要求 计算机控制系统的基本形式和特点
1.3 计算机控制系统的应用和发展
计算机控制技术的主要内容 常用的计算机控制器和控制系统 计算机控制技术在我国的发展和应用
1.4 计算机控制技术的发展趋势
1.1 计算机控制技术和企业自动化
信息技术的迅速发展和全球制造业的重组和分工 对我国的企业提供了前所未有的机遇和挑战。 用信息技术改造和提升传统产业、增强企业的 竞争力成为广泛共识并得到了所有企业的重视 与政府大力扶持.
计算机控制系统的基本形式和特点
自动控制系统一般可归纳为两大类，即闭环控制系统和 开环控制系统。主要的区别是闭环控制系统中“读” 是在线的。而开环控制系统中没有在线“读”的组件 。闭环控制系统的典型结构如下图：
计算机控制系统具有如下特点：
1) 一台计算机可同时控制多个被控量或被控对象。同一 台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制；
1.4 计算机控制系统的发展趋势
计算机控制系统的多样性和统一性
主要是两个方面：一是工业通讯的普及和现场总线不统 一的影响；二是各种嵌入式系统的大量出现和应用。
但从用户的角度，迫切希望控制设备应一体化：系统硬 件、软件和通讯都能有统一的体制和标准。
面对需求，计算机控制在几个方面出现变化： 1）制造厂家扩展系统功能。 2）为PLC制定的国际标准IEC 61131，比如组态方式采用
工业自动化软件技术及其发展
工控软件主要包括人机界面软件HMI（Human Machine Interface），控制软件以及生产管理软件等。
监控组态软件是一种控制系统开发工具，用户可根据应 用对象及控制任务的要求，通过简单形象的组态，利 用组态软件提供的工具，以“搭积木”的方式灵活配 置、组合各功能模块，构成用户应用软件。
1.2 计算机控制技术和系统
基本概念
控制技术要素：（1）认识需要控制的对象（过程），（ 2）对对象施加作用，和（3）决定施加作用的方式、 时间和内容。对于计算机控制系统来说，可以简单归 纳为：“读”，“写”“算”。（4）随着控制系统的 分布化，控制单元之间的数据传输。对于计算机控制 系统来说，这些要素可以简单归纳为四个基本的功能 ：“读”、“写”、“算”和通讯。
完整的计算机控制系统可以认为是一个人们设计和实现 的，在人和控制对象间的完成“读”“算”“写”和 通讯任务的代理系统（agent）。
几个术语：
（1）实时：所谓“实时”，是指对输入信息以足够快的 速度进行处理。 “硬实时(hard real-time)”和“软实 时 ( soft real-time)”这二个名词是一组相对的概念。在 硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求 在规定的时间内完成事件的处理。软实时系统仅要求 事件响应是实时的，并不限定任务必须在多长时间内 完成。
• 读，即实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测， 并输入给计算机；
• 算，即实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量 进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制 过程；
• 写，即实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出 控制信号，完成控制任务。
1.3 计算机控制系统的应用和发展
从结构形式上，现在常见的生产控制系统中的计算机控 制系统中核心控制器分别是：
6）系统开放性：要求工控系统在主系统接口、网络通信、软 件兼容及升级等方面，以便于扩充、连接；
7）控制软件包功能强；
8）系统通信功能强：具有串行通信、网络通信功能；
9）后备措施齐全：包括供电后备、存储器信息保护、手动／ 自动操作切换、紧急事故处理装置等；
10）具有冗余性：在可靠性要求更高的场合，要求有双机工作 及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双网通信、双供 电系统、双电源等，具有双机切换功能、双机监视软件等 ，以确保系统长期不间断地运行。
计算机控制系统需要从外在的对象读入信息，也需要把 控制动作信息写到外在对象的接口。由于外在控制对 象的参数以模拟量为主，工业控制机的输入和输出是 数字信号，因此需要有A／D(Analogue／Digital，即模 拟信号变为数字信号)转换器和D／A转换器。从本质 上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个 步骤：
对复杂系统不但在系统辨识、分析、设计等方面与常规 不同，更重要的是在系统建模、控制策略方面也有不 同。依赖于数学模型的传统控制理论难以解决复杂系 统的控制问题。
智能控制应用比较普遍，也称先进过程控制APC（ Advanced Process Control）。包括：自适应控制；预测 控制；鲁棒控制；智能控制（专家系统、模糊控制、 神经网络）等。
计算机控制技术 --控制组件的分布和集成
2008.6
课程的任务和目的
• 工业控制和系统走向分散化、网络化、智能化 。本书主要介绍计算机控制技术的发展和应用 概况、通信基础以及几种网络控制的现场总线 标准以及工业以太网控制系统。
• 本书共分九章。对计算机控制技术的核心问题 作了深入的描述，介绍了计算机控制系统各种 组件的集成和综合应用，包括系统设计方法和 工业企业中自动化系统集成技术。
2) 计算机控制系统能实现复杂的控制规律，如最优控制 、自适应控制及自学习等，达到较高的控制质量；
3) 容易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能。控 制规律灵活多样，改动方便，抑制扰动能力强；
4) 有丰富的人机界面，实时统计数据和显示工况，控制 效率高，控制与管理一体化；
5) 传统的连续控制系统，成本与控制规律复杂程度、控 制回路多少成正比。而计算机尽管最初投资较大，但 由于计算机可以实现复杂控制规律并同时控制多个回 路。增加一个控制回路的费用却很少。
一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统 必定是在线系统。
工业控制系统对数据传输的实时性要求依赖于特定的应 用。比如：
• 化工热化控制须有秒级的响应时间；
• 过程控制和监控系统需要100ms的响应时间；
• 基于可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller ）的机械控制系统需要10ms的响应时间；
• 多轴协同动态高速运动控制系统实时性要求在1ms以内
信息时代的自动化企业，包括设计、制造、生产 过程管理以及供应、采购、销售与售后服务的 数字化，可以通过集成实现客户、企业和供应 商之间的无间隙集成。企业自动化是企业生存 需要，更重要的是持续发展的需要。从宏观上 讲，中国企业的自动化建设也是我国经济持续 稳定发展的关键基石之一。
企业的全球化（Enterprise Globalisation）
“监控”是对被控过程的监视与控制，从工业自动化控 制角度一般将监控软件称为工业组态软件或组态控制 软件。
从系统层次考虑，工业自动化软件系统正利用先进的软 件技术朝着集成化、网络化、平台化、综合管理等方 向发展。
嵌入式系统的发展
嵌入式系统以应用为中心，软件硬件可剪裁，适应应用 系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的
IEC 61131-3中规定的5种语言。 3）分布式系统要求设备支持统一的通信标准。 4）自动化系统所有的功能集成于开放的平台，以减少安
装空间、节省电缆，将复杂的通信连接简单化。
研究和发展智能控制系统
工业自动化系统具有多种形式的复杂性，在整体结构上 表现为非线性、不确定性、无穷维、分布式及多层次 等;在被处理信息上，表现为信号的不确定性、随机性 和不完全性、图象及符号信息的混合等。
工业控制系统应该满足的要求
1）可靠性高：平均无故障工作时间MTBF（Mean Time Between Failure)可达到几万小时，尽量缩短故障修复时间 MTTR（Mean Time To Repair) ；
2）实时性好：工控系统必须实时地响应控制对象各种参数的 变化。；
3）环境适应性强：工业现场环境恶劣，电磁干扰严重，其接 “地”系统复杂，共模及串模干扰大。因此要求工控系统 具有很强的环境适应能力，如对温度/湿度变化范围要求高 ；要具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；要具有较好 的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力；
第4章 控制系统的接口：输入输出通道
6
第5章 控制器设计技术
12
第6章 计算机控制系统的抗干扰技术
6
第7章 主要的工业控制器
8
第8章 工业通讯技术和工业网络
12
第9章 计算机控制系统的设计与集成
8
合计
72
第1章 概论：计算机控制技术和企业自动化
1.1 计算机控制技术和企业自动化概论
企业和企业自动化 企业自动化的重要性 计算机控制技术和企业自动化
• 课堂教授时间建议至少48学时，所有内容完全 讲授需要72学时。根据不同专业和层次要求不 同，章节和学时分配可以不同。实验和课程设 计学时可以根据实验室硬件条件另外安排。
主要教学内容和学时分配
第1章 概论：计算机控制技术和企业自动化
4
第2章 工业通信基础和计算机接口总线
8
第3章 计算机控制系统
8
工业控制信号有周期性实时数据、非周期性实时数据和软实时 数据等。周期性实时数据包括从传感器定期地发往控制器 和数据中心的信息，从控制中心定期传给执行机构的信息 等。周期性实时数据和非周期性实时数据必须严格在规定 时间内响应，否则将导致设备误操作，甚至整个控制系统 崩溃。软实时数据是的传输延时虽然不会造成灾难性的损 失，但同样威胁系统的正常运行，必须避免。
通用工业控制计算机——即工业PC 或IPC（Industrial Personal Computer）；
DCS工控机——即“现场工作站”； PLC； 嵌入式工控机：包括PC/104总线工控机，嵌入式单片机
,ARM等。
这些技术同时存在而且互相影响。工业自动化部分基本 被PLC和DCS和工业PC所垄断，这些都是我们所说的 计算机控制系统，但有时候，计算机控制也指基于PC 的控制系统，有时候被称为微机控制系统。
4）过程输入输出配套较好：工控系统要具有丰富的多种功能 的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量 、频率量等输入输出模板。具有多种类型的信号调理功能 ，如隔离型和非隔离型信号调理；各类热电偶，热电阻信 号输入调理；电压／电流信号输入和输出信号的调理等；
工业控制系统应该满足的要求（续）
5）系统扩充性好： 随着工厂自动化水平的提高，控制规模也 在不断扩大，因此要求工控系统具有灵活的扩充性；
常用的计算机控制系统
计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的 复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求。 由于A/D、 D/A通道的形式不同以及计算机在系统中的 地位、作用不同，计算机控制系统的形式也是多种多 样。
从应用上，人们通常把计算机控制系统分为控制操作指 导控制系统、直接数字控制系统DDC(Direct Digital Control)、计算机监控系统（Supervisory Control and Data acquisition--SCADA）、集散控制系统（ Distributed Control system--DCS）、现场总线控制系统 （Fieldbus Control System--FCS）等。
企业的复杂化（波音 747-400 总体安装线）
(Everett factory), USA
作为企业自动化的基础。企业的自动化系统是一个由分 布式组件构成的基础系统，其组件的核心，就是计算 机控制单元。分布的计算机控制系统（组件）通过工 业网络组成现代化企业的自动控制系统。
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、 计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、 控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提 高质量、降低消 耗、确保安全等目的的综合性技术， 主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工 控自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技 术之一，主要解决生 产效率与一致性问题。虽然自动 化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程 有明显的提升作用。
1.2 计算机控制技术和系统介绍
基本概念 工业控制系统应该满足的要求 计算机控制系统的基本形式和特点
1.3 计算机控制系统的应用和发展
计算机控制技术的主要内容 常用的计算机控制器和控制系统 计算机控制技术在我国的发展和应用
1.4 计算机控制技术的发展趋势
1.1 计算机控制技术和企业自动化
信息技术的迅速发展和全球制造业的重组和分工 对我国的企业提供了前所未有的机遇和挑战。 用信息技术改造和提升传统产业、增强企业的 竞争力成为广泛共识并得到了所有企业的重视 与政府大力扶持.
计算机控制系统的基本形式和特点
自动控制系统一般可归纳为两大类，即闭环控制系统和 开环控制系统。主要的区别是闭环控制系统中“读” 是在线的。而开环控制系统中没有在线“读”的组件 。闭环控制系统的典型结构如下图：
计算机控制系统具有如下特点：
1) 一台计算机可同时控制多个被控量或被控对象。同一 台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制；
1.4 计算机控制系统的发展趋势
计算机控制系统的多样性和统一性
主要是两个方面：一是工业通讯的普及和现场总线不统 一的影响；二是各种嵌入式系统的大量出现和应用。
但从用户的角度，迫切希望控制设备应一体化：系统硬 件、软件和通讯都能有统一的体制和标准。
面对需求，计算机控制在几个方面出现变化： 1）制造厂家扩展系统功能。 2）为PLC制定的国际标准IEC 61131，比如组态方式采用
工业自动化软件技术及其发展
工控软件主要包括人机界面软件HMI（Human Machine Interface），控制软件以及生产管理软件等。
监控组态软件是一种控制系统开发工具，用户可根据应 用对象及控制任务的要求，通过简单形象的组态，利 用组态软件提供的工具，以“搭积木”的方式灵活配 置、组合各功能模块，构成用户应用软件。
1.2 计算机控制技术和系统
基本概念
控制技术要素：（1）认识需要控制的对象（过程），（ 2）对对象施加作用，和（3）决定施加作用的方式、 时间和内容。对于计算机控制系统来说，可以简单归 纳为：“读”，“写”“算”。（4）随着控制系统的 分布化，控制单元之间的数据传输。对于计算机控制 系统来说，这些要素可以简单归纳为四个基本的功能 ：“读”、“写”、“算”和通讯。
完整的计算机控制系统可以认为是一个人们设计和实现 的，在人和控制对象间的完成“读”“算”“写”和 通讯任务的代理系统（agent）。
几个术语：
（1）实时：所谓“实时”，是指对输入信息以足够快的 速度进行处理。 “硬实时(hard real-time)”和“软实 时 ( soft real-time)”这二个名词是一组相对的概念。在 硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求 在规定的时间内完成事件的处理。软实时系统仅要求 事件响应是实时的，并不限定任务必须在多长时间内 完成。
• 读，即实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测， 并输入给计算机；
• 算，即实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量 进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制 过程；
• 写，即实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出 控制信号，完成控制任务。
1.3 计算机控制系统的应用和发展
从结构形式上，现在常见的生产控制系统中的计算机控 制系统中核心控制器分别是：
6）系统开放性：要求工控系统在主系统接口、网络通信、软 件兼容及升级等方面，以便于扩充、连接；
7）控制软件包功能强；
8）系统通信功能强：具有串行通信、网络通信功能；
9）后备措施齐全：包括供电后备、存储器信息保护、手动／ 自动操作切换、紧急事故处理装置等；
10）具有冗余性：在可靠性要求更高的场合，要求有双机工作 及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双网通信、双供 电系统、双电源等，具有双机切换功能、双机监视软件等 ，以确保系统长期不间断地运行。
计算机控制系统需要从外在的对象读入信息，也需要把 控制动作信息写到外在对象的接口。由于外在控制对 象的参数以模拟量为主，工业控制机的输入和输出是 数字信号，因此需要有A／D(Analogue／Digital，即模 拟信号变为数字信号)转换器和D／A转换器。从本质 上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个 步骤：
对复杂系统不但在系统辨识、分析、设计等方面与常规 不同，更重要的是在系统建模、控制策略方面也有不 同。依赖于数学模型的传统控制理论难以解决复杂系 统的控制问题。
智能控制应用比较普遍，也称先进过程控制APC（ Advanced Process Control）。包括：自适应控制；预测 控制；鲁棒控制；智能控制（专家系统、模糊控制、 神经网络）等。
计算机控制技术 --控制组件的分布和集成
2008.6
课程的任务和目的
• 工业控制和系统走向分散化、网络化、智能化 。本书主要介绍计算机控制技术的发展和应用 概况、通信基础以及几种网络控制的现场总线 标准以及工业以太网控制系统。
• 本书共分九章。对计算机控制技术的核心问题 作了深入的描述，介绍了计算机控制系统各种 组件的集成和综合应用，包括系统设计方法和 工业企业中自动化系统集成技术。
2) 计算机控制系统能实现复杂的控制规律，如最优控制 、自适应控制及自学习等，达到较高的控制质量；
3) 容易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能。控 制规律灵活多样，改动方便，抑制扰动能力强；
4) 有丰富的人机界面，实时统计数据和显示工况，控制 效率高，控制与管理一体化；
5) 传统的连续控制系统，成本与控制规律复杂程度、控 制回路多少成正比。而计算机尽管最初投资较大，但 由于计算机可以实现复杂控制规律并同时控制多个回 路。增加一个控制回路的费用却很少。