计算机控制系统PPT1
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计算机控制系统(清华大学出版社)课件_嵌入式PLC
10
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
11
2． 传统设计技术
设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
16
3-2
pSOS
pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能。
17
3-2
Palm OS
多数实时内核是基于优先级调度的多种方法 的复合。
22
⑸ 其他重要概念
互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Critical Section）临界资源
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
11
2． 传统设计技术
设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
16
3-2
pSOS
pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能。
17
3-2
Palm OS
多数实时内核是基于优先级调度的多种方法 的复合。
22
⑸ 其他重要概念
互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Critical Section）临界资源
计算机控制系统PPT_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。
设备 口电路 作台
口电路
多路开关 A/D
D/A
多路开关
数字量输入数字量输出I/O 通道传感器及 变送器工
执行机构
业
对
象
信号检测
及变送
被控对象
2019/11/22
计算机控制系统的组成框图
第一章 绪 论
15
—计算机控制系统—
从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量
2019/11/22
第一章 绪 论
36
—计算机控制系统—
1-2-5 计算机控制系统的分类
现场总线控制系统 工作站 — 现场智能仪表-智能电磁流量计
结构模式为：“工作 站一现场总线智能仪 表”二层结构，降低 了成本，提高了可靠 性，并且在统一国际 标准下可实现真正的 开放式互连系统结构。
2019/11/22
2019/11/22
第一章 绪 论
25
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（7）
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y
采样信号y(kT)
原信号y(t)
恢复信号yh(t)
t
2T 4T
6T
零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT)
0≤t＜T, k=0, ±1,
《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》ppt课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
第1章 计算机控制系统概述
与RS232相比：速度快、传输距离远。
3.MODBUS总线
是MODICON公司为生产的PLC与外界通信而设计的一种通信协议。
（可通过24总线命令实现）
特点（3） ： 1）应用广泛：凡具有RS232/485接口的MODBUS协议设备都可以使 用本产品实现与过程现场总线（PROFIBUS）的互连。
监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control, SCC）有两种不 同的结构形式：一种是SCC＋模拟调节器，另一种是SCC＋DDC控制系统。 1.SCC＋模拟调节器 如图1-6（a）所示，在该系统中，计算机对工业对象的各个物理量进行巡 回检测，并按生产过程的数学模型计算出最佳给定值，送给模拟调节器。 检测元件获得的测量值与该给定值进行比较后，得到的偏差经模拟调节器 分析计算后输出至执行机构，从而实现控制生产过程的目的。 2.SCC＋DDC控制系统 如图1-6（b）所示，该系统可看成是一种二级控制系统，SCC监督级的作 用是计算最佳给定值，送给DDC直接控制生产过程，它与DDC级计算机之 间通过接口进行信息交换。当DDC级计算出现故障时，可由SCC级计算代 替，因此，大大提高了系统的可靠性。
2）应用简单：用户不必了解PROFIBUS和MODBUS技术细节以及复 杂编程，用户只需参考本手册及提供的应用实例，根据要求完成配置， 即可在短时间内实现连接通信。 3）透明通信：用户可以依照PROFIBUS通信数据区和MODBUS通信 数据区的映射关系，实现PROFIBUS到MODBUS之间的数据透明通 信。
(4) 通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享；
(5) 技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。
1.4 计算机控制系统的控制规律
第1章微型计算机控制系统概述
PIO：并行I/O接口
接口电路
SIO：串行I/O接口 中断控制器
DMA
的
操作设备：由显示器、键盘、指示灯等组成
组
成
系统软件：OS、编译诊断程序、监控程序
软件 应用软件：针对过程编写的控制、管理程序
包括输入、控制、输出及显示打印程序
第一章 微型计算机控制系统概述
1.2 微型计算机控制系统的组成
4、检测元件及执行机构
在微机控制系统中，为了对生产过程进行控制，首先必须对各种数据，如 温度、压力、流量、液位、成分等进行采集。为此，必须通过检测元件，即 传感器，把非电量参数转换成电量。此外，为了控制生产过程，还必须有执 行机构。它们的作用就是控制各参数的流入量。
5、通用外部设备
主要为了扩大主机的功能而设置的，是实现微机和外界交换信息的功能的设备。 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。
第一章 微型计算机控制系统概述
1.1 微型计算机控制系统的结构原理
给定信号
微型计算机 微处理器
D\A转换器
执行机构
被控参数 被控对象
A\D转换器
1、控制过程 图1.3 计算机控制系统基本框图
从本质上看，微型计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四 点： （1）实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并且将采样 结果输入计算机； （2）实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后， 按照预先规定的控制规律进行运算，则称为实时决策，或简称决策；
（3）保护重要数据的后备存贮体
Watchdog和掉电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体支持， 后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用 NOVRAM，EEPROM或常有后备电池的SRAM，为了保证可靠、安 全，系统存贮器工作期间，后备存贮体应处于上锁状态。
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。
计算机控制系统：第1章 计算机控制系统概述
采样——将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。
量化——采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转
2021/1/10 换成数字信号。
7
1．3 计算机控制系统的典型形式
1. 数据采集和监视系统
模拟量输入（AI）通道
计 算
数字量输入（DI）通道
生 产
机
过
CRT
程
打印机
操作
调节器
人员
图4 数据采集和监视系统
图9 过渡过程的4种情况
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
4. 分散型控制系统
管理 综合信息管理级 计算机
集中操作监控级
工程师 操作台
操作员 操作台
网间 联接器
监控 计算机
至其它局域网
局部网络 （LAN） 网间 联接器 通信联络
现场
分散过程控制级 控制站
PLC
智能 调节器
其它测 控装置
图7 DCS结构示意图
采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计
1
本章主要内容：
本章主要介绍计算机控制系统的基本概 念、结构组成、特点、分类以及计算机控制 系统的发展概况和趋势。
2021/1/10
2
1．1 计算机控制系统的基本概念
计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程 自动控制的系统。
自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过 控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
相关主题
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（常数、线性函数、抛物线）
2020/10/2
第一章 绪 论
26
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（7）
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y
采样信号y(kT)
原信号y(t)
恢复信号yh(t)
t
2T 4T
6T
零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT)
0≤t＜T, k=0, ±1,
±2,…
由于它只是简单地 外推，故只有当T 足够小时，零阶保 持器才能较好地恢 复原信号。
—计算机控制系统—
2020/10/2
第一章 绪 论
7
—计算机控制系统—
“一些自动化实验实验装置图片”
2020/10/2
8
实验 装置 -1
• 水处理 生产线 装置
—计算机控制系统—
2020/10/2
第一章 绪 论
9
实验装置 -2
• 填料塔换热 装置
—计算机控制系统—
2020/10/2
第一章 绪 论
1 开课目的和任务 (1/2)
—计算机控制系统—
• 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制 正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业 技术。
• 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于 工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
• 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控 制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。
计算机
u(kT)
D/A
保持器
u
被调参数 y
广义对象
ym A/D
计算机系统
采样器
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
2020/10/2
第一章 绪 论
15
—计算机控制系统—
操作台
I/O
打印机
接
口
计
算
机
主
I/O
机
显示
接
Байду номын сангаас
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
2020/10/2
第一章 绪 论
30
北京化工大学自动化研究所
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
计算机控制系统的分类 Classification of Computer Control System
2020/10/2
31
—计算机控制系统—
本节主要内容
• 计算机巡回检测和操作指导系统 • 计算机直接数字控制系统 • 计算机监督控制系统 • 计算机集散控制系统 • 现场总线控制系统 • 工业过程计算机集成制造系统（流程
设备 口电路 作台
口电路
多路开关 A/D
D/A
多路开关
数字量输入
数字量输出
I/O 通道
传感器及 变送器
工
执行机构
业
对
象
信号检测
及变送
被控对象
2020/10/2
计算机控制系统的组成框图
第一章 绪 论
16
—计算机控制系统—
从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的
2020/10/2
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
2020/10/2
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
PLC
智能 调节器
其它测 控装置
采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计 原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
2020/10/2
第一章 绪 论
36
—计算机控制系统—
1-2-5 计算机控制系统的分类
现场总线控制系统 工作站 — 现场智能仪表-变送器智能部件
FCS的核心是现场总线， 是一种数字通信协议，是 连接智能现场设备和自动 化系统的通信网络，是控 制技术、仪表工业技术和 计算机网络技术三者结合 。
2020/10/2
第一章 绪 论
24
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（5）
设δ(t-kT) 是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则
y* (t) y(t) (t kT) k 0
因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关， 故采样信号可用下式表示：
y* (t) y(kT) (t kT) k 0
• 投资的回收周期：1~2年或几个月
2020/10/2
第一章 绪 论
29
—计算机控制系统—
1-1-4 经济效益（2）
• 不可计算效益部分
– 企业的知名度和操作人员的整体素质得到提高 – 操作人员的安全得到更有效的保障 – 生产和管理的有关信息能及时获得并加以利用 – 对工况改变的适应性增强 – 能及时地预报与较好地处理过程与设备的事故 – 减少对环境产生的污染
采样周期T的选择相当重要。
2020/10/2
第一章 绪 论
25
1-1-2 信号特点（6）
—计算机控制系统—
• 信号的保持
– 目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能 够感知的连续模拟信号
– 方法：采用保持器，由现在或过去时刻的采 样值, 用某种函数去逼近2个采样时刻间的原 信号
– 常用的保持器：零阶、一阶及高阶
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—
2020/10/2
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—
2020/10/2
第一章 绪 论
12
实验 装置 机房
—计算机控制系统—
2020/10/2
第一章 绪 论
13
1-1-1 概述（1）
过程信号采样过程示意图
2020/10/2
第一章 绪 论
23
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（4）
• 计算机控制系统的采样的合理性
– 采样器接通时间τ远小于采样周期T – 理想采样器（接通电阻R 0，开路电阻R） – 采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t) – A/D转换后， y*(t) y(kT), k=1，2，…… – 采样周期T须满足香农定理 采样频率大于2倍原始信号频率 当满足上述条件时， y*(t) 与y(kT)只相差量化误差
被控生产过程
2020/10/2
第一章 绪 论
35
—计算机控制系统—
1-2-4 计算机控制系统的分类
计算机集散控制系统（DCS）
管理 综合信息管理级 计算机
集中操作监控级
工程师 操作台
操作员 操作台
网间 联接器
监控 计算机
至其它局域网
局部网络 （LAN） 网间 联接器 通信联络
现场
分散过程控制级 控制站
2020/10/2
第一章 绪 论
34
—计算机控制系统—
1-2-3 计算机控制系统的分类
计算机监督控制（SCC）系统
CRT 打印机 报警 操作台 监督控制计算机(SCC)
DDC计算机或调节器 输入通道 输出通道
输入通道
其作用是改变给 定值，又称设定值控 制 。它的任务着重在 控制规律的修正与实 现，如最优控制、自 适应控制等。
2020/10/2
第一章 绪 论
27
—计算机控制系统—
1-1-3 计算机控制系统的组成及作用
计算机控制系统的组成示意图
计算机控制系统
硬件部分 软件部分
主机、外设、系统总线 控制计算机 生产过程输入输出通道
人—机联系设备、通信设备
现场仪表（测量传感器、执行机构等）
系统软件 应用软件
操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等
CIMS）
2020/10/2
第一章 绪 论
32
—计算机控制系统—
1-2-1 计算机控制系统的分类
计算机巡回检测和操作指导系统
CRT 打印机 报 警
数字计算机
过程输入通道
人
测量变送
……
测量变送
执行机构
……
被控生产过程
优点：结构简单，控制灵活和安全。
缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
q=M/2n ，M为被转换的模拟量电信号满量程， n为A/D的转换位数
• 量化误差
e=±q/2
2020/10/2
第一章 绪 论
22
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（3）
• 计算机控制系统的采样过程
y(t) 原始过程信号
采样器
y(t)
y*(t)
t
信号通过采样器
y*(t) τ
t 2T 4T 采样后的信号
！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常
的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：
发酵过程和导弹防御系统的对比！
2020/10/2
第一章 绪 论
18
思考两个问题
—计算机控制系统—
一.在线系统是否一定是实时系统？
二.实时系统是否一定是在线系统？
一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！
2020/10/2
第一章 绪 论
3
—计算机控制系统—
第一章 绪论 Introduction
2020/10/2
第一章 绪 论
26
—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（7）
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y
采样信号y(kT)
原信号y(t)
恢复信号yh(t)
t
2T 4T
6T
零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT)
0≤t＜T, k=0, ±1,
±2,…
由于它只是简单地 外推，故只有当T 足够小时，零阶保 持器才能较好地恢 复原信号。
—计算机控制系统—
2020/10/2
第一章 绪 论
7
—计算机控制系统—
“一些自动化实验实验装置图片”
2020/10/2
8
实验 装置 -1
• 水处理 生产线 装置
—计算机控制系统—
2020/10/2
第一章 绪 论
9
实验装置 -2
• 填料塔换热 装置
—计算机控制系统—
2020/10/2
第一章 绪 论
1 开课目的和任务 (1/2)
—计算机控制系统—
• 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制 正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业 技术。
• 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于 工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
• 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控 制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。
计算机
u(kT)
D/A
保持器
u
被调参数 y
广义对象
ym A/D
计算机系统
采样器
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
2020/10/2
第一章 绪 论
15
—计算机控制系统—
操作台
I/O
打印机
接
口
计
算
机
主
I/O
机
显示
接
Байду номын сангаас
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
2020/10/2
第一章 绪 论
30
北京化工大学自动化研究所
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
计算机控制系统的分类 Classification of Computer Control System
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—计算机控制系统—
本节主要内容
• 计算机巡回检测和操作指导系统 • 计算机直接数字控制系统 • 计算机监督控制系统 • 计算机集散控制系统 • 现场总线控制系统 • 工业过程计算机集成制造系统（流程
设备 口电路 作台
口电路
多路开关 A/D
D/A
多路开关
数字量输入
数字量输出
I/O 通道
传感器及 变送器
工
执行机构
业
对
象
信号检测
及变送
被控对象
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计算机控制系统的组成框图
第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
从本质上看，计算机控制系统的作用如下三个方面： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的
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第一章 绪 论
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—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
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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
PLC
智能 调节器
其它测 控装置
采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计 原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-2-5 计算机控制系统的分类
现场总线控制系统 工作站 — 现场智能仪表-变送器智能部件
FCS的核心是现场总线， 是一种数字通信协议，是 连接智能现场设备和自动 化系统的通信网络，是控 制技术、仪表工业技术和 计算机网络技术三者结合 。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（5）
设δ(t-kT) 是 t=kT时刻的理想采样脉冲，则
y* (t) y(t) (t kT) k 0
因为y*(t)只与y(t)在脉冲出现瞬间的值y(kT)有关， 故采样信号可用下式表示：
y* (t) y(kT) (t kT) k 0
• 投资的回收周期：1~2年或几个月
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-4 经济效益（2）
• 不可计算效益部分
– 企业的知名度和操作人员的整体素质得到提高 – 操作人员的安全得到更有效的保障 – 生产和管理的有关信息能及时获得并加以利用 – 对工况改变的适应性增强 – 能及时地预报与较好地处理过程与设备的事故 – 减少对环境产生的污染
采样周期T的选择相当重要。
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第一章 绪 论
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1-1-2 信号特点（6）
—计算机控制系统—
• 信号的保持
– 目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能 够感知的连续模拟信号
– 方法：采用保持器，由现在或过去时刻的采 样值, 用某种函数去逼近2个采样时刻间的原 信号
– 常用的保持器：零阶、一阶及高阶
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实验装置 -3
• 加热反应器
– 开环不稳 定的对象
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实验 装置 -4
• 非线性 液位对 象
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第一章 绪 论
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实验 装置 机房
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第一章 绪 论
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1-1-1 概述（1）
过程信号采样过程示意图
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（4）
• 计算机控制系统的采样的合理性
– 采样器接通时间τ远小于采样周期T – 理想采样器（接通电阻R 0，开路电阻R） – 采样信号y*(t)复现原信号在采样瞬间的值y(t) – A/D转换后， y*(t) y(kT), k=1，2，…… – 采样周期T须满足香农定理 采样频率大于2倍原始信号频率 当满足上述条件时， y*(t) 与y(kT)只相差量化误差
被控生产过程
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—计算机控制系统—
1-2-4 计算机控制系统的分类
计算机集散控制系统（DCS）
管理 综合信息管理级 计算机
集中操作监控级
工程师 操作台
操作员 操作台
网间 联接器
监控 计算机
至其它局域网
局部网络 （LAN） 网间 联接器 通信联络
现场
分散过程控制级 控制站
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—计算机控制系统—
1-2-3 计算机控制系统的分类
计算机监督控制（SCC）系统
CRT 打印机 报警 操作台 监督控制计算机(SCC)
DDC计算机或调节器 输入通道 输出通道
输入通道
其作用是改变给 定值，又称设定值控 制 。它的任务着重在 控制规律的修正与实 现，如最优控制、自 适应控制等。
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-3 计算机控制系统的组成及作用
计算机控制系统的组成示意图
计算机控制系统
硬件部分 软件部分
主机、外设、系统总线 控制计算机 生产过程输入输出通道
人—机联系设备、通信设备
现场仪表（测量传感器、执行机构等）
系统软件 应用软件
操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等
CIMS）
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-2-1 计算机控制系统的分类
计算机巡回检测和操作指导系统
CRT 打印机 报 警
数字计算机
过程输入通道
人
测量变送
……
测量变送
执行机构
……
被控生产过程
优点：结构简单，控制灵活和安全。
缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
q=M/2n ，M为被转换的模拟量电信号满量程， n为A/D的转换位数
• 量化误差
e=±q/2
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
1-1-2 信号特点（3）
• 计算机控制系统的采样过程
y(t) 原始过程信号
采样器
y(t)
y*(t)
t
信号通过采样器
y*(t) τ
t 2T 4T 采样后的信号
！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常
的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：
发酵过程和导弹防御系统的对比！
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第一章 绪 论
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思考两个问题
—计算机控制系统—
一.在线系统是否一定是实时系统？
二.实时系统是否一定是在线系统？
一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！
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第一章 绪 论
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—计算机控制系统—
第一章 绪论 Introduction