计算机控制技术(清华大学)
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采样周期T (单位s) 闭合时间τ (s) 采样角频率ω s ( rad / s ) 采样频率 f s ( Hz ) 理想单位 脉冲函数
2009-3-17
1 fs = T 2π = 2π f s ωs = T
δ (t ) = ∞, 当t = 0时 δ (t ) = 0, 当t≠ 0时
∫
+∞
−∞
δ (t )dt = 1
工作站1 — 现场智能仪表-变送器智能部件
2009-3-17 30
第1章 概述
—计算机控制技术—
工作站2 — 现场智能仪表-智能电磁流量计
2009-3-17
31
第1章 概述
企业管理层 （数据网络） Internet 1-2-5 计算机控制系统的分类
—计算机控制技术—
NT 服务器
现场总线控制系统
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
第1章 概述
—计算机控制技术—
第一章 绪论 Introduction
王爽心: shxwang1@bjtu.edu.cn School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, BJTU
2009-3-17
1
第1章 概述
—计算机控制技术—
本章主要内容
－连续信号f(t)通过采样开关后，转变为脉冲序列f*(t)的过程。
f(t) f(t) t 原始过程信号 T 2T 信号通过采样器 4T 采样后的信号
采样开关
f*(t)
wk.baidu.com
f*(t)
τ
t
过程连续信号采样过程示意图
2009-3-17 45
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（4）
时域描述:
2009-3-17
14
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验装置- 3
2009-3-17
15
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验装置-4
2009-3-17
16
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（1）
常规控制系统的工作原理
设定值r
e
模拟调节器
u
被调参数 y
执行机构
被控对象
6
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 2.
2009-3-17
7
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 3
2009-3-17
8
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 4
2009-3-17
9
第1章 概述
—计算机控制技术—
高速列车网络控制系统
列车网 (WTB) 诊断系统 (TDS) 网关
静态配置 网关 诊断系统 (TDS)
车间级监控计算机（SCC） 企业级 经营管理计算机
至其它工厂
工厂级 集中控制计算机
车间级监控计算机（SCC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
工厂对象D
2009-3-17
33
第1章 概述
Internet
镜像 服务器 应用 服务器
BA B
AB B
车辆网 (MVB)
动态配置
车辆网 (MVB)
动态配置
车载计算机 (VCU)
输入/输出单元
输入/输出单元
车载计算机 (VCU)
驱动控制单元 (DCU) 2009-3-17
驱动控制单元 (DCU) 10
第1章 概述
—计算机控制技术—
列车控制系统关键技术
车载子系统
2009-3-17
11
第1章 概述
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
工厂对象D
2009-3-17
28
第1章 概述
—计算机控制技术—
分散控制系统组成框图
2009-3-17 29
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（5）
现场总线控制系统（FCS）
被 控 生 产 过 程
2009-3-17
26
第1章 概述 监督控制系统的两种结构形式
管理命令 管理命令 报告 人工监管 人工监管 给定值 给定值 测量值 测量值 报告
—计算机控制技术—
.
.
DDC A/D D/A 多路开关
A/D
多路开关
..
检测元件 生产过程
反多路开关 检测元件
..
生产过程
..
27
（a）SCC+模拟调节器系统
计算机系统
图b 单回路计算机控制系统示意图
2009-3-17 18
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（3） 计算机控制系统的工作方式
– 在线形式与离线形式 – 实时性
计算机在控制系统中的主要作用
– 进行实时数据处理 – 对生产过程实施实时控制 – 对生产过程进行监督与管理
2009-3-17 19
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-2 计算机控制系统的组成
硬件部分
实时时钟 r(t) e(t) 采样 开关 e*(t) A/D u*(t) 数字 控制器 D/A
A-Analogue D-digital
产生脉冲序列 作采样信号
u(t) 对象 或过程 y(t)
保持器
[e(kT)] 模拟输入通道
反多路开关 多路开关
检测元件
生产过程
2009-3-17
25
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（3）
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 DDC计算机或调节器 输入通道 输入通道 输入通道 输入通道 输出通道 输出通道
43
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（2）
简化结构框图：
r(t)
e(t)
T
e(kT) e*(t)
数字 控制器 (计算机)
u(kT)
T
u*(t) 保 u(t) 被控
持 器 对象
y(t)
2009-3-17
44
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（3）
计算机控制系统的采样过程
—计算机控制技术—
互联网 服务器
MIS网络
客户端
SIS服务器 SIS功能站
SIS网络
SIS维护站 SIS值长站
SIS防病毒 服务器
接口机
DCS网络
#1机DCS
#1机PLC
#1机RTU
#2机DCS
#2机PLC
#2机RTU
2009-3-17
34
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（6）
2009-3-17
40
第1章 概述
—计算机控制技术—
第二节 Unit 2
信号的采样与恢复 Sampling and Resuming of Signal
2009-3-17
41
北京交通大学测控系
第1章 概述
—计算机控制技术—
本节主要内容
信号的采样过程 采样定理 信号的恢复过程和零阶保持器
2009-3-17
—计算机控制技术—
“一些自动化实验装置图片”
2009-3-17
12
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验 装置 -1
2009-3-17
13
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验装置- 2
技术参数：
有效控制行程：400mm 小球直径：30mm 控制精度：±1mm 电机额定功率：35W 同步带减速比：4 电源：AC220V50HZ 重量：＜10Kg 长*宽*高：600*300*400（mm)
42
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（1）
典型的计算机控制系统的结构：
* A/ e (t) e(kT) e(t) 采 D
r(t)
样 器
转 换
D/ * 被 数字 u(kT) u (t) 保 u(t) A 控 控制器 持 转 对 (计算机) 器 换 象
y(t)
2009-3-17
离散状态
[u(kT)] 模拟输出通道
连续状态
连续信号 离散信号
2009-3-17
离散信号 连续信号
20
第1章 概述
—计算机控制技术—
软件部分（在计算机上实现控制规律） 主程序：系统初始化设置； 控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量 的输出和存储。
2009-3-17
21
第1章 概述
—计算机控制技术—
ym 测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。
2009-3-17 17
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（2）
计算机控制系统的工作原理
设定值r e(kT) u(kT) 被调参数 y
计算机
D/A
保持器
u
广义对象
ym
A/D
采样器
测量变送器
计算机操作指导控制系统
A/D 转 换 器 采 样 器 测 量 元 件
工 业 对
微 型 机
显示终端
调节器
象
打印机
2009-3-17
24
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（2）
计算机直接数字控制（DDC）系统
管理命令 报告 人工监管 给定值 测量值
D/A
DDC微型机 A/D
计算机控制系统
系统软件 软件部分 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 过程输入/输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库
2009-3-17
23
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（1）
调节阀
局域网
其它工作站
现场总线网段
差压变送器
差压变送器 差压变送器
温度变送器
现场总线系统是企业的底层网络
2009-3-17 32
第1章 概述
—计算机控制技术—
分级计算机控制系统 分级计算机控制系统是一个四级系统： 装置控制级（DDC级） 车间监督级（SCC级）至其它工厂 工厂集中控制级（MIS） 企业管理级（SIS）
—计算机控制技术—
1-1-4 根据计算机的硬件不同分类
– 基于单片机的简单系统 – 基于IPC – 基于PLC – 基于各种类型DCS – 基于现场总线仪表的FCS
2009-3-17
36
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-5 按照控制规律分类
– 程序和顺序控制 – PID控制 – 最少拍控制 – 复杂规律的控制 – 智能控制
计算机控制系统概述 信号的采样与恢复 计算机控制系统的设计与实现 计算机控制系统的发展概况与趋势
2009-3-17
2
第1章 概述
—计算机控制技术—
第一节 Unit 1 计算机控制系统概述 Introduction of Computer Control System
2009-3-17
3
第1章 概述
2009-3-17
37
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-6 特点
计算机控制系统的主要优点
能实现复杂的控制规律 性价比高 组成方式灵活性 获取更大的经济效益 有很强的可靠性和可维护性 为实现企业综合自动化打下了良好的基础
2009-3-17 38
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-7 经济效益（1）
可计算效益部分
– 增加产量或可处理量 – 改善产品的质量 – 降低能源消耗与原料消耗, 减少成本 – 提高设备的利用率, 维修要求降低 – 节省劳动力
投资的回收周期：1~2年或几个月
2009-3-17 39
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-7 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
计算机集成控制系统（CIMS/CIPS）
经营决策 企业管理 生产调度 过程优化 过程控制 第五层：企业决策，生产规划 第四层：供销，财务，计划，管理等 第三层：生产调度，系统优化 第二层：先进控制，过程优化 第一层：单元自动化，简单控制
生产过程
流程CIMS的递阶控制示意图
2009-3-17 35
第1章 概述
—计算机控制技术—
本节主要内容
计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统的组成 计算机控制系统的分类 计算机控制系统的特点 计算机控制系统的经济效益
2009-3-17
4
第1章 概述
—计算机控制技术—
直观的计算机控制系统图片
2009-3-17
5
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 1.
2009-3-17
2009-3-17
（b）SCC+DDC系统
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（4）
计算机集散控制系统（DCS）
综合信息管理级
至其它工厂 企业级 经营管理计算机 至其它工厂
集中操作监控级
车间级监控计算机（SCC）
工厂级 集中控制计算机
车间级监控计算机（SCC）
分散过程控制级
开 始 主程序：初始化设置 N 控 制 子 程 序 采样? Y 数据采集 控制算法 控制量的输出和存储
计算机控制系统软件流程
2009-3-17 22
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-2 计算机控制系统的组成
小结－计算机控制系统的组成示意图
控制计算机 硬件部分 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 主机、外设、系统总线 生产过程输入输出通道 人—机联系设备、通信设备
2009-3-17
1 fs = T 2π = 2π f s ωs = T
δ (t ) = ∞, 当t = 0时 δ (t ) = 0, 当t≠ 0时
∫
+∞
−∞
δ (t )dt = 1
工作站1 — 现场智能仪表-变送器智能部件
2009-3-17 30
第1章 概述
—计算机控制技术—
工作站2 — 现场智能仪表-智能电磁流量计
2009-3-17
31
第1章 概述
企业管理层 （数据网络） Internet 1-2-5 计算机控制系统的分类
—计算机控制技术—
NT 服务器
现场总线控制系统
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
第1章 概述
—计算机控制技术—
第一章 绪论 Introduction
王爽心: shxwang1@bjtu.edu.cn School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, BJTU
2009-3-17
1
第1章 概述
—计算机控制技术—
本章主要内容
－连续信号f(t)通过采样开关后，转变为脉冲序列f*(t)的过程。
f(t) f(t) t 原始过程信号 T 2T 信号通过采样器 4T 采样后的信号
采样开关
f*(t)
wk.baidu.com
f*(t)
τ
t
过程连续信号采样过程示意图
2009-3-17 45
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（4）
时域描述:
2009-3-17
14
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验装置- 3
2009-3-17
15
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验装置-4
2009-3-17
16
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（1）
常规控制系统的工作原理
设定值r
e
模拟调节器
u
被调参数 y
执行机构
被控对象
6
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 2.
2009-3-17
7
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 3
2009-3-17
8
第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 4
2009-3-17
9
第1章 概述
—计算机控制技术—
高速列车网络控制系统
列车网 (WTB) 诊断系统 (TDS) 网关
静态配置 网关 诊断系统 (TDS)
车间级监控计算机（SCC） 企业级 经营管理计算机
至其它工厂
工厂级 集中控制计算机
车间级监控计算机（SCC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
工厂对象D
2009-3-17
33
第1章 概述
Internet
镜像 服务器 应用 服务器
BA B
AB B
车辆网 (MVB)
动态配置
车辆网 (MVB)
动态配置
车载计算机 (VCU)
输入/输出单元
输入/输出单元
车载计算机 (VCU)
驱动控制单元 (DCU) 2009-3-17
驱动控制单元 (DCU) 10
第1章 概述
—计算机控制技术—
列车控制系统关键技术
车载子系统
2009-3-17
11
第1章 概述
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
工厂对象D
2009-3-17
28
第1章 概述
—计算机控制技术—
分散控制系统组成框图
2009-3-17 29
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（5）
现场总线控制系统（FCS）
被 控 生 产 过 程
2009-3-17
26
第1章 概述 监督控制系统的两种结构形式
管理命令 管理命令 报告 人工监管 人工监管 给定值 给定值 测量值 测量值 报告
—计算机控制技术—
.
.
DDC A/D D/A 多路开关
A/D
多路开关
..
检测元件 生产过程
反多路开关 检测元件
..
生产过程
..
27
（a）SCC+模拟调节器系统
计算机系统
图b 单回路计算机控制系统示意图
2009-3-17 18
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（3） 计算机控制系统的工作方式
– 在线形式与离线形式 – 实时性
计算机在控制系统中的主要作用
– 进行实时数据处理 – 对生产过程实施实时控制 – 对生产过程进行监督与管理
2009-3-17 19
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-2 计算机控制系统的组成
硬件部分
实时时钟 r(t) e(t) 采样 开关 e*(t) A/D u*(t) 数字 控制器 D/A
A-Analogue D-digital
产生脉冲序列 作采样信号
u(t) 对象 或过程 y(t)
保持器
[e(kT)] 模拟输入通道
反多路开关 多路开关
检测元件
生产过程
2009-3-17
25
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（3）
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 DDC计算机或调节器 输入通道 输入通道 输入通道 输入通道 输出通道 输出通道
43
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（2）
简化结构框图：
r(t)
e(t)
T
e(kT) e*(t)
数字 控制器 (计算机)
u(kT)
T
u*(t) 保 u(t) 被控
持 器 对象
y(t)
2009-3-17
44
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（3）
计算机控制系统的采样过程
—计算机控制技术—
互联网 服务器
MIS网络
客户端
SIS服务器 SIS功能站
SIS网络
SIS维护站 SIS值长站
SIS防病毒 服务器
接口机
DCS网络
#1机DCS
#1机PLC
#1机RTU
#2机DCS
#2机PLC
#2机RTU
2009-3-17
34
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（6）
2009-3-17
40
第1章 概述
—计算机控制技术—
第二节 Unit 2
信号的采样与恢复 Sampling and Resuming of Signal
2009-3-17
41
北京交通大学测控系
第1章 概述
—计算机控制技术—
本节主要内容
信号的采样过程 采样定理 信号的恢复过程和零阶保持器
2009-3-17
—计算机控制技术—
“一些自动化实验装置图片”
2009-3-17
12
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验 装置 -1
2009-3-17
13
第1章 概述
—计算机控制技术—
实验装置- 2
技术参数：
有效控制行程：400mm 小球直径：30mm 控制精度：±1mm 电机额定功率：35W 同步带减速比：4 电源：AC220V50HZ 重量：＜10Kg 长*宽*高：600*300*400（mm)
42
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-2-1 信号的采样过程（1）
典型的计算机控制系统的结构：
* A/ e (t) e(kT) e(t) 采 D
r(t)
样 器
转 换
D/ * 被 数字 u(kT) u (t) 保 u(t) A 控 控制器 持 转 对 (计算机) 器 换 象
y(t)
2009-3-17
离散状态
[u(kT)] 模拟输出通道
连续状态
连续信号 离散信号
2009-3-17
离散信号 连续信号
20
第1章 概述
—计算机控制技术—
软件部分（在计算机上实现控制规律） 主程序：系统初始化设置； 控制子程序：实现数据采集、控制算法、控制量 的输出和存储。
2009-3-17
21
第1章 概述
—计算机控制技术—
ym 测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。
2009-3-17 17
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-1 计算机控制系统的一般概念（2）
计算机控制系统的工作原理
设定值r e(kT) u(kT) 被调参数 y
计算机
D/A
保持器
u
广义对象
ym
A/D
采样器
测量变送器
计算机操作指导控制系统
A/D 转 换 器 采 样 器 测 量 元 件
工 业 对
微 型 机
显示终端
调节器
象
打印机
2009-3-17
24
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（2）
计算机直接数字控制（DDC）系统
管理命令 报告 人工监管 给定值 测量值
D/A
DDC微型机 A/D
计算机控制系统
系统软件 软件部分 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 过程输入/输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库
2009-3-17
23
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（1）
调节阀
局域网
其它工作站
现场总线网段
差压变送器
差压变送器 差压变送器
温度变送器
现场总线系统是企业的底层网络
2009-3-17 32
第1章 概述
—计算机控制技术—
分级计算机控制系统 分级计算机控制系统是一个四级系统： 装置控制级（DDC级） 车间监督级（SCC级）至其它工厂 工厂集中控制级（MIS） 企业管理级（SIS）
—计算机控制技术—
1-1-4 根据计算机的硬件不同分类
– 基于单片机的简单系统 – 基于IPC – 基于PLC – 基于各种类型DCS – 基于现场总线仪表的FCS
2009-3-17
36
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-5 按照控制规律分类
– 程序和顺序控制 – PID控制 – 最少拍控制 – 复杂规律的控制 – 智能控制
计算机控制系统概述 信号的采样与恢复 计算机控制系统的设计与实现 计算机控制系统的发展概况与趋势
2009-3-17
2
第1章 概述
—计算机控制技术—
第一节 Unit 1 计算机控制系统概述 Introduction of Computer Control System
2009-3-17
3
第1章 概述
2009-3-17
37
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-6 特点
计算机控制系统的主要优点
能实现复杂的控制规律 性价比高 组成方式灵活性 获取更大的经济效益 有很强的可靠性和可维护性 为实现企业综合自动化打下了良好的基础
2009-3-17 38
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-7 经济效益（1）
可计算效益部分
– 增加产量或可处理量 – 改善产品的质量 – 降低能源消耗与原料消耗, 减少成本 – 提高设备的利用率, 维修要求降低 – 节省劳动力
投资的回收周期：1~2年或几个月
2009-3-17 39
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-7 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
计算机集成控制系统（CIMS/CIPS）
经营决策 企业管理 生产调度 过程优化 过程控制 第五层：企业决策，生产规划 第四层：供销，财务，计划，管理等 第三层：生产调度，系统优化 第二层：先进控制，过程优化 第一层：单元自动化，简单控制
生产过程
流程CIMS的递阶控制示意图
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第1章 概述
—计算机控制技术—
本节主要内容
计算机控制系统的一般概念 计算机控制系统的组成 计算机控制系统的分类 计算机控制系统的特点 计算机控制系统的经济效益
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第1章 概述
—计算机控制技术—
直观的计算机控制系统图片
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第1章 概述
—计算机控制技术—
Fig 1.
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（b）SCC+DDC系统
第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-3 计算机控制系统的分类（4）
计算机集散控制系统（DCS）
综合信息管理级
至其它工厂 企业级 经营管理计算机 至其它工厂
集中操作监控级
车间级监控计算机（SCC）
工厂级 集中控制计算机
车间级监控计算机（SCC）
分散过程控制级
开 始 主程序：初始化设置 N 控 制 子 程 序 采样? Y 数据采集 控制算法 控制量的输出和存储
计算机控制系统软件流程
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第1章 概述
—计算机控制技术—
1-1-2 计算机控制系统的组成
小结－计算机控制系统的组成示意图
控制计算机 硬件部分 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 主机、外设、系统总线 生产过程输入输出通道 人—机联系设备、通信设备