第一章 计算机控制系统绪论new

课程的主要内容（1）--What
计算机控制的 理论、方法、系统、设计与实现
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用 物质世界
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
信息处理 信息传输 信息获取
信息层
物质、能量层
基本的负反馈闭环控制结构
计算机控制技术(系统)是自动控制理论、计算机 技术、现代检测技术、通信技术及系统理论相结 合的综合应用技术,是一门理论性和实践性都很 强的课程。它实际上包含两部分内容:
学好本课程的意义（4）
(4)当今的社会需求：随着计算机技术的迅猛发展和日 益普及,越来越多的控制系统采用计算机进行控制。这 就要求从事工业自动化专业的工程技术人员,了解并掌 握如何合理地选择和组织工业控制计算机的软件、硬 件、外围设备和接口通道以及控制管理生产过程的基 本原理和方法,将控制对象、计算机、传感器、通道和 接口、执行机构、系统软件和各种应用软件组织成一 个有机的整体,形成完整的计算机控制系统,达到预定的 控制目的。
学好本课程的意义（2）
(2)知识体系：“计算机控制系统”充分 体现了自动化的核心：

信息[Information]

＋

控制[Control]；

＋

系统[System]！
（计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段 和工具）；
学好本课程的意义（3）
(3) 在专业培养中的地位：如前所述， “计算机控制系统”是自动化专业的一 门主要专业课,课程涉及面很广,知识集成 度高,可以说其浓缩了自动化专业的知识 精华,在专业课程体系中具有承上启下的 作用，在专业课程体系中起到中流砥柱 的核心地位。
1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制是计算机技术与自动控制理 论相结合的产物。
1.1计算机控制系统的一般概念
1 、自动控制系统的基本结构 控制系统随着控制对象、控制规律、执 行机构的不同而不同，但其基本结构如 图1-1表示。
1.1计算机控制系统的一般概念
给定值
控制器
执行机构
被控参数 被控对象
1.1计算机控制系统的一般概念
（c） 测量变送环节 常由传感器和测量线路组成，其功能是将被 控常数转移成某种形式的电信号。 （d） 数字调节器 核心是计算机，其控制规律通过编制的计算 机程序来实现。
1.1计算机控制系统的一般概念
（e） 输入/输出通道 为了实现计算机对生产过程的控制，必须在 计算机和生产过程之间架设信息的传递和变 换的连接桥梁，这就是过程输入/输出通道， 简称过程通道。 过程输入通道包括模拟量输入通道AI和开关 量输入通道（DI），分别用来输入模拟量信 号（如T、P、Q、料位和成份等）和开关量 信号或数字量信号。
计算机控制系统
(计算机测控技术)
1、课程体系结构与技术要点
前言
（1）计算机控制系统的理论、方法。
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用
物质世界
D/A
执行器
对象
信号处理
信息处理
A/D
信息传输
传感器
信息获取
信 息 层
物质、能量层
知识体系：“计算机控制系统”充分体现了自动化的核心： 信息[Information] ＋ 控制[Control]； ＋ 系统[System]！ 计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段和工具
1.1计算机控制系统的一般概念
优点：能实现更为复杂的控制规律，如 非线性控制、逻辑控制、自适应控制、 自学习控制及智能控制。 输入输出信号都是数字量，只需A/D、 D/A。
1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统的控制过程一般可归纳为以 下步骤： (a)实时数据处理。对来自测量变送装置的被 控变量数据的瞬时值进行巡回采集。分析处 理性能计算级显小，记录、制表等。 (b)实时控制决策。对系统中的各种数据进行 越限报警，事故预报与处理，根据需 要进行 设备自动启停，对整个系统进行诊断与管理 等。
1.2计算机控制系统分类
若只执照计算机参与控制的形式。 可分为——开环控制与闭环控制；
1.2计算机控制系统分类
若根据系统采用的控制规律， 可分为——顺序控制、
常规控制（如PID）、 高级控制（或称先进控制，如最 优控制、自适应控制、预测控制等）、 智能控制等若干类；
1.2计算机控制系统分类
（1）计算机控制理论基础,即数字控制理论 （含离散系统的分析、综合和控制策略）; （2）控制系统的计算机实现技术,主要包括信 息采集、通道接口、网络通信、控制系统的体
系架构和可靠性等技术。
学好本课程的意义（1）--Why
(1）国家发展战略： 以信息化带动工业化——核心是自动化技术
以信息化带动工业化＝ 以信息化促进自动化＋以自动化带动工业化
DCS系统是当前的主流，核心技术是现场控制 模和高速通信网
现场控制模块的要点是：数字控制理论的实现 与计算机通道实现技术
2、学科地位与现实意义 （1）我国高技术发展战略与支撑
（认识要有高度，战略思维与眼光）
国家高技术研究发展战略性计划（863计划）
坚持战略性、前沿性和前瞻性，增强关键高技术 领域的自主创新能力，重点研究开发《国家中长期科 学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》确定的前 沿技术和部分重点领域中的重大任务，并积极开展前 沿技术的集成和应用示范，培育新兴产业生长点，发 挥高技术引领未来发展的先导作用。 领域：信息技术，生物与农业技术，新材料，先进
第一章 计算机控制系统绪论
掌握计算机控制系统定义
掌握计算机控制系统的硬件组成 及软件组成
掌握计算机控制 系统的主要类型 及适用场合
第一章 计算机控制系统绪论
掌握总线的定义，了 解主要的总线类型
第一章 计算机控制系统绪论
1.1计算机控制系统的一般概念 1.2计算机控制系统分类 1.3计算机控制的发展与展望 1.4工业控制计算机简介
计算机控制系统
前言
（2）、技术内涵
计算机控制技术(系统)是自动控制理论、计算 机技术、现代检测技术、通信技术及系统理论相结 合的综合应用技术。
可分为两部分内容:即数字控制理论（含离散系 统的分析、综合和控制策略）；计算机实现技术,主 要包括信息采集、通道接口、网络通信、控制系统 的体系架构和可靠性等技术。 （3）、课程的主线？
这就要求自动化专业的学生通过本课程的学习掌握如 何利用计算机控制生产过程的基本概念,并基本掌握计 算机控制系统的分析设计与实现方法,计算机在工业过 程控制应用中的相关技术。
计算机控制系统
教材及参考书 《计算机工业控制》杨劲松 《现场总线控制》周明 《计算机控制系统》吴坚
中国电力出版社 中国电力出版社 武汉理工大学出版社
1.1计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统是强调计算机作为控制 系统的一个重要组成部分而得名。
1.1计算机控制系统的一般概念
下面举一些常见的控制系统的实例来说 明计算机控制系统的重要组成部分。 例：飞机或导弹的姿态控制
1.1计算机控制系统的一般概念
姿态给定 + -
前置滤波器 + -
1.1计算机控制系统的一般概念
过程输出通道包括模拟量输出通道AO（D/A） 和开关量输出通道（DO）、D/A通道把数字 信号转换成模拟信号后再输出，DO通道则 直接输出开关量信号。
1.1计算机控制系统的一般概念
（4） 计算机系统的软件组成 (a) 系统软件 包括实时多任务操作系统、嵌入式系统、引 导程序、数据库系统、调度执行程度，MsDos和Windows等。 (b) 支持软件 包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑 程序、调试程序、诊断程序等。（开发环境）
按控制系统的功能及结构特点分类: 1、 计算机巡回检测和操作指导系统 构成如图1-5，属于开环控制型结构，这时 计算机的输出与生产过程的输出与生产过程 的各个控制单元不直接发生联系，控制动作 实际上由操作人员接受计算机指示去完成。
1.2计算机控制系统分类
CRT
打印机
报警
数字计算机
过程输入通道
测量变送
1.1计算机控制系统的一般概念
(c)实时控制及输出。根据被控生产过程的 特点和控制要求，选择合适的控制规律，包 括复杂的先进控制策略，然后按照给定的控 制策略和实时的生产情况，实现在线，实时 控制。
1.1计算机控制系统的一般概念
(2)工作方式 在线方式与离线方式 (a)计算机与生产过程相连，且直接控制 生产过程的方式称为在线或联机方式。 (b)计算机不与生产过程相连，或相连 但不直接控制生产过程而是依靠人进行 联系并作出相应的操作的方式——离线 或脱机方式。
被抭变量是机体的姿态Q(t)，它 随姿态命令r而变化。
模拟控制器 机架
Q(t) I/S
速度陀螺
位置传感器
图1-2 飞机单轴自动驾驶连续控制系统
1.1计算机控制系统的一般概念
(1) 计算机控制系统的基本原理 若将自动控制系统中的控制器的功能用 计算机或数字控制装置来实现，就构成 了计算机控制系统，如图1-3
1.1计算机控制系统的一般概念
实时性 计算机对输入信息要以足够快的速度进 行控制。超过这个时间就失去了控制的 时机。 一个实时控制系统必定是在线的，但一 个在线的系统不一定是实时的。
1.1计算机控制系统的一般概念
(3)计算机控制系统的硬件组成
控 制 对
传感 变送
A/D
接口
模拟输入通道
象
（ 生
1.1计算机控制系统的一般概念
r +e
给定值 - 偏差
控控制制器 器
u
控制量
D/A
执行机构 被控对象 Y
被控量
A/D
位置传感器
计算机
生产过程 图1-3 计算机控制系统的典型结构
1.1计算机控制系统的一般概念
比较： 模拟控制系统——控制规律由硬件电路 产生，要改变控制规律就必须要更改硬 件电路。 计算机控制系统——控制规律是用软件 实现的，计算机执行预定的控制程序， 就能实现对被控制参数的控制。
制造与自动化技术，能源技术，资源与环境技术 介入：课题申请指南，探索性强专题，以增强集成
创新能力和形成战略产品原型或技术系统为目标的 项目
2、学科地位与现实意义
(2)本课程在专业培养中的地位
“计算机控制系统”(计算机测控技术)是 自动化专业的一门主要专业课,课程涉及 面很广,知识集成度高,可以说其浓缩了自 动化专业的知识精华,在专业课程体系中 具有承上启下的作用，在专业课程体系 中起到中流砥柱的核心地位。
执行机构
D/A
接口
产
模拟输出通道
过
程
开关量输入通道
）
开关量输出通道
ห้องสมุดไป่ตู้
总
数
字
调
节
器
线
图1-4计算机控制系统硬件组成框图
1.1计算机控制系统的一般概念
（a） 控制对象（生产过程） 指所要控制的生产装置或设备。 单入单出， 单入多出，多入单出，多入多出对象。 （b） 执行器 执行机构是控制系统中的重要组成部分，其 作用是根据调节器的控制信号，改变输出的 角或直线位移，并改变被调介质的流量或能 量，使生产过程满足预定的要求。气动、电 动
变换发送单元
测量元件
给定值
（a）闭环控制系统的框图
控制器
执行机构
被控参数 被控对象
（b）开环控制系统的框图 图1-1 控制信号的一般形式
1.1计算机控制系统的一般概念
图1-1(a)被控制参数与给定值进行比较， 区域误差信号。—— 控制器根据误差 信号进行控制调节—— 使误差为0 —— 达到被控制参数超于或等于给定值的目 的。是闭环控制系统
1.1计算机控制系统的一般概念
2 什么是计算机控制系统？ 计算机在控制系统中的应用主要可分为 以下两个方面。
1.1计算机控制系统的一般概念
（1）用计算机工程帮助设计人员对控 制系统进行分析、设计、仿真以及建模 等工作。简称为计算机辅助设计控制系 统或控制系统CAD。 离线应用 （2）利用计算机代替常规的模拟控制 器，而使它成为控制系统的一个组成部 分。简称为计算机控制系统。 在线应 用。
1.1计算机控制系统的一般概念
（c） 应用软件 是系统设计人员针对某个生产过程现时编制 的控制和管理程序。它包括过程输入程序、 过程输出程序、人一机接口程序、打印显示 程序和控制程序等。
第一章 计算机控制系统绪论
1.1计算机控制系统的一般概念 1.2计算机控制系统分类 1.3计算机控制的发展与展望 1.4工业控制计算机简介