计算机控制系统第1章

当SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器 独立完成操作。 该系统与“操作指导控制系统ODC的”区别是： 后者计算机系统主要完成 数据采集与处理，一 般不需要对数据进行复杂的工艺分析与计算。而前 者主要完成工艺分析与计算，并给出给定值。
(2) SCC+DDC控制系统
这实际上是一个二级控制系统，SCC可采用高档计 算机，它与DDC之间通过通信接口进行通信联系。SCC计 算机可完成工段、车间高一级的最优化分析和计算，并给 出最优给定值，送给DDC级执行过程控制。
控
控 制 部 分
制
器 执行 装置
检测
装置
被 控 对 象
1.1计算机控制系统概述 1.1.1 计算机控制系统
计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工 业控制计算机）来实现控制对象（通常为生产 过程）自动控制的系统。
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。
• 操作指导控制系统 • 直接数字控制系统 • 计算机监督控制系统 • 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
1．操作指导控制系统（Operational Guide Control---OGC）
图1.4 操作指导系统结构图
它主要是侧重数据采集、处理，并为操作人员提供反映 生产过程工况的各种数据以及操作指导信息。
FCS系统的特点：
1）一对通信线可连接多台仪表，安装调试方便，而且电缆 本身供电； 2）从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字--模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、 智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统 ---可靠性高；
3）现场设备的高度智能化
现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到 现场控制设备和仪表中，仅靠现场总线设备就可以实现 自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID运算和控 制、设备自校验和自诊断等功能 。

内容简介：

第一部分：计算机控制系统的概论 第二部分：硬件基础（输入/输出接口与过程通道） 第三部分：计算机控制系统的数学基础 第四部分：计算机控制系统的间接设计方法（数字 控制算法）
第五部分：计算机控制系统的直接设计方法（软件 设计方法） 第六部分：计算机控制系统的设计与实现
第一章 绪论
何谓计算机控制？
规律并可同时控制多个控制回路。
6）适应性强，灵活性高 由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实
现的，并且计算机具有强大的记忆和判断功能，所以，
极易实现工作状态的转换，实现不同的控制功能。 计算机本身是一种可编程的智能元件，易于修改
系统功能和特性，构成了一种柔性（弹性）系统。
7）缺点 • 初期投资大； • 由于系统中插入数字部件，信号复杂，给设计实 现带来一定困难； 随着微电子技术的发展，大规模集成电路的出现，
由于各集团、国家在技术和市场利益上的冲 突，目前仍存在多种标准，尚未统一，因此阻碍 了现场总线技术的发展。
6. 工业过程计算机集成制造系统
随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化，现代化 工业要求计算机系统不仅要完成直接面向过程的控制和优 化任务，而且要在获取生产全部过程尽可能多的信息基础 上，进行整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。 由于自动化技术、计算机技术、数据通信等技术的 发展，已完全可以满足上述要求，能实现这些功能的系 统称之为计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System - CIMS）。当CIMS 用于流程工 业时，简称为流程 CIMS或CIPS（Computer Integrated Processing System）。
反馈值
构成了计算机控制系统的三大基本要素。
• 计算机
1.1.2 计算机控制系统的组成
1.1.3 计算机控制系统的特点
模拟、数字混合系统
便于修改控制规律
可实现复杂的控制规律
离散控制
可分时控制多个回路
便于实现控制与管理一体化
1）系统结构上的特点: 计算机控制系统必须包括有计算机，它是一个数 字式离散处理器。 此外，由于多数系统的被控对象及执行部件、测 量部件是连续模拟式的，因此，还必须加入信号变换 装置（如A/D及D/A变换器）。 所以，计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混 合系统。
安阳工学院电子信息与电气工程学院
计算机控制系统
授课教师：晁军峰
E-mail : chchjjff@ 2015版
“一些自动化实验装置图 片”

水处理 生产线 装置
实验 装置 -1
实验装置 -2

填料塔换热 装置
实验装置 -3

加热反应器

开环不稳 定的对象

非线性 液位对 象
实验 装置 -4
在线方式和离线方式：
生产过程和计算机直接连接。 在线方式： 生产过程不和计算机直接连接。 离线方式：
实时含义: 实时：信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内
完成，即计算机对输入的信息，以足够快的速度进 行控制。
在线不一定实时，实时一定在线。
给定值
输出控制值
A/D通道
计算机
D/A通道
A/D通道 • A/D通道 • D/A通道
FCS常用标准：
目前FCS的标准有200多种，其中在我国使用 较多的有如下几种：
1）FF——现场总线基金标准
2）CAN——控制器局域网络（德国） 3）LONWORKS——局部操作网络（美国） 4） PROFIBUS——过程现场总线（德国） 5） HART——可寻址远程传感器数据通路（美国)
FCS的出现对自动控制领域来说是一次巨大 的变革，也对现有控制系统的结构、控制策略等 方面产生深远的影响。
这种系统特点是原系统不需作大的改造，只需 在原系统上独立地加一套测试系统即可。 因此，结构简单、实施方便、效益显著。
2．直接数字控制系统（Direct Digital Control---DDC）
计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量 输入通道（DI）实时采集数据，然后按照一定的控制规 律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通 道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。
在连续控制系统中，控制器通常都是由不同的电 路构成，并且一台控制器仅为一个控制回路服务。 在计算机控制系统中，一台计算机可同时控制多
个被控量或被控对象，即可为多个控制回路服务。每
个控制回路的控制方式由软件来形成。同一台计算机 可以采用串行或分时并行方式实现控制。
4）控制品质高 由于计算机的运算速度快、精度高、具有极丰富
它主要作用是：
集中监视
操作指导
这种系统主要是完成“数据采集与处理”，不 需要完成“控制”功能。所以，严格地讲：这种形 式的系统不能算是“计算机控制系统”。
所以，通常这种系统也称为“数据采集系统DAS” (Data Acquisition System) 。 或称为“计算机辅助测试系统CAT” (Computer Assistant Testing)
实验 装置 机房
计算机控制系统课程介绍：
课程简介：本课程介绍计算机控制系统的构成、硬
件配置、控制算法、软件设计和系统设计与实现等内 容。通过学习能掌握正确选择与设计测控系统的主要 组件，掌握DCS控制系统及其它计算机控制系统的基 本原理与软硬件设计方法。
选修课程：自动控制原理、微机原理、微机接口技
1.3 计算机控制理论
对计算机控制系统的分析和设计，不只是 简单地推广连续系统的理论，同时也需要一些 专门理论来对它进行研究。计算机控制系统理 论主要包括离散系统理论、采样系统理论及数 字系统理论。 离散系统理论 采样系统理论
计算机体积减小，重量轻、成本下降；
随着对自动系统的优越性表现得越来越突出。
1.2 系统的典型类型
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，应有不同的控制方案。 或者说：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。
优点：功能强大、性能优越、技术成熟，软件支持广泛。 缺点：系统比较复杂，成本较高。 一般适合于大型测控系统。
系统分为三个层次进行控制：
过程控制级 操作监控级 信息管理级 系统的设计原则： 分散控制 集中操作 分级管理 分而自治 综合协调
DCS集计算机技术、控制技术、通讯网络技术、生产 工艺为一体，是综合技术的集成。从某种意义上说，已不 是单纯的计算机控制技术，或者说是广义的计算机控制技 术。
当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算 机完成DDC的控制功能，使系统可靠性得到提高。 作为SCC的计算机一般均采用高档计算机或 工作站，要求数据处理功能强、存储容量大，对 工业现场的抗干扰能力倒不一定很强。
4. 分级计算机控制系统（集散控制系统（Distributed
Control System---DCS））
在该系统中计算机参与了对数据的采集、控 制决策、控制输出三个基本功能，同时还负责报 警、打印、显示和接收操作指令。
DDC系统属于计算机闭环控制系统，是计 算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。
由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以 要求实时性好、可靠性高和适应性强。
为了充分发挥计算机的利用率，一台计算机 通常要控制几个或几十个回路，那就要合理地设 计应用软件，使之不失时机地完成所有功能。 需要注意的是：对一些关键的控制回路，往 往设计为计算机控制与仪表控制相结合的形式， 以提高整个系统的可靠性。