计算机控制系统概述.ppt
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优点：结构简单，控制灵活和安全。 2020缺/11/点24 :要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。8
2. 直接数字控制系统
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
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
2020/11/24 换成数字信号。
7
1．3 计算机控制系统的典型形式
1. ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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
现场设备
32 现场设备
图8 FCS控制层
12
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
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
2020/11/24
c
d
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。
2020/11/24
6
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
u(t)
e(t)
e* (t)
e(kT )
u(kT )
u* (t)
u(t)
0000 1000 1011 1110 1111 0100 1001 1010 0110 0100
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。
2020/11/24
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。
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
15
• 超调量 p
表示了系统过冲的程度。设输出量
p
y(的t )最大值为
ym，输出量 y(t的) 稳态值为 y， 则超调量定义为
20控20/1制1/2规4 律。
9
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
计
过
算
记录
程
机
显示
打印
（a)
生 调节
DDC
设定值
SCC
产
测量
控制器
计
过
算
程
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202控0/11制/24规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。 10
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
2020/11/24
图1 计算机控制系统基本结构
y
被控量
3
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。
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。
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
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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。
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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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
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。
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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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
原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
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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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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
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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2. 直接数字控制系统
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
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
2020/11/24 换成数字信号。
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1．3 计算机控制系统的典型形式
1. ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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
现场设备
32 现场设备
图8 FCS控制层
12
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
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
2020/11/24
c
d
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。
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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
u(t)
e(t)
e* (t)
e(kT )
u(kT )
u* (t)
u(t)
0000 1000 1011 1110 1111 0100 1001 1010 0110 0100
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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。
y (t )
ym
y
B1
B2
y0
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tp
ts
t
图10 阶跃信号作用下的系统动态过程
15
• 超调量 p
表示了系统过冲的程度。设输出量
p
y(的t )最大值为
ym，输出量 y(t的) 稳态值为 y， 则超调量定义为
20控20/1制1/2规4 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
计
过
算
记录
程
机
显示
打印
（a)
生 调节
DDC
设定值
SCC
产
测量
控制器
计
过
算
程
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202控0/11制/24规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。 10
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+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
3
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。
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。
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
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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。
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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模拟信号
离散模拟信号
数字信号
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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。
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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操作台
I/O
打印机
接
口
计
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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
原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
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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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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
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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