计算机控制系统教学李华第1-2章

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5. 现场总线控制系统
结构模式为：“工 作站一现场总线智 能仪表”二层结构， 完成了DCS中的三
H1
层结构功能，降低 H1 了成本，提高了可 H1
H1
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。
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操作台 LAN 服务器
H2
H2 现场总线
网桥
124 现场设备
H1 现场总线 32
硬件组成：主要由计算机系统（包括主机和外部设 备）和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检 测变送环节等组成。
软件组成：系统软件和应用软件。
在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存
在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和
协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量
的控制系统。
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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
原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
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u(t)
e(t)
e* (t)
e(kT )
u(kT )
u* (t)
u(t)
0000 1000 1011 1110 1111 0100 1001 1010 0110 0100
0 12 34 0 1 2 3 4 0 12 34
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 t/T
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计算机控制系统的特点
在计算机控制系统中，被控制量通常是模 拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。 因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混 合式的结构。
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e(t)
采样
e* (t) A/D e(kT ) 转换器
数字 u(kT ) D/A
调节器
转换器
u* (t) 保持器
统被称为是不能观的。
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3. 控制系统的动态指标
动态指标能够比 较直观地反映控 制系统的过渡过 程特性，动态指 标包括超调量， 调节时间，峰值 时间，衰减比和 振荡次数。
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y (t )
ym
y
B1
B2
y0
ess
0
tp
ts
t
图10 阶跃信号作用下的系统动态过程
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
用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得
系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系
CRT
输入通道
（ AI ，DI）
生
打印机
计
产
算
过
报警
机
程
输出通道
操作台
（ AO，DO）
图5 直接数字控制系统框图
计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现
多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的
09控.04.制202规0 律。
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3．监督控制系统
工艺数据
生
调节
模拟
设定值
SCC
产
测量 调节器
5
操作台
I/O
打印机
接
口
计
算
机
主
I/O
机
显示
接
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
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
图2 计算机控制系统的组成框图
计
过
算
Fra Baidu bibliotek
记录
程
机
显示
打印
（a)
生 调节
产
测量
过
程
DDC 控制器
设定值
SCC 计 算 机
(b)
图6 监督控制系统的两种结构形式
工艺数据
记录 显示 打印
其作用是改变给定值，又称设定值控制 。它的任务着重 在09.控04.2制020规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。 11
4. 分散型控制系统
管理 综合信息管理级 计算机
第1章 计算机控制系统概述
计算机控制系统是计算机技术与自动控制理论、 自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技 术紧密结合的产物。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，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。计算机为现代控制理论的应用提供了有力 的工具。
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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。
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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。
r
+
e
控制器 u
D/A
给定量 -
A/D
控制计算机
执行机构
被控对象
测量变送 生产过程
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图1 计算机控制系统基本结构
y
被控量
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计算机控制系统的工作原理
1.实时数据采集 2.实时控制决策 3.实时控制决策
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1．2 计算机控制系统的组成和特点
计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。
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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 人员
调节器
图4 数据采集和监视系统
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。
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2. 直接数字控制系统
现场设备
32 现场设备
图8 FCS控制层
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1．4 计算机控制系统的性能及其指标
1. 计算机控制系统的稳定性
y(t)
y(t)
（a）发散振荡
（b）衰减振荡
t
t
（c）等幅振荡
a y(t)
b y (t )
（d）非周期衰减
t
t
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c
d
图9 过渡过程的4种情况
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2 . 计算机控制系统的能控性和能观测性
数字信号
离散模拟信号
模拟信号
图3 计算机控制系统中信号变换与传递
模拟信号——时间上和幅值上都连续的信号。
离散模拟信号——时间上离散幅值上连续的信号。
数字信号——时间上离散，幅值也离散的信号。
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
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