第7章 计算机控制系统
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初创期具有代表性的DCS系统有Spectrum (Foxboro公司)、 Network(贝利公司)、Centum(日本横河公司)
32
成熟期：该时期的DCS系统从原来单纯的工业控制向生产 管理自动化发展。大规模IC的发展以及计算机技术、自动 控制技术、数据通信技术、图像处理技术的飞速发展，使 得DCS系统在扩大功能、数据通信以及工业自动化信息管 理等方面有所提高，形成第二代DCS系统。 成熟期具有代表性的DCS系统有TDC3000 (Honeywell公司)、 PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本 横河公司)等
四、计算机控制系统的类型
计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进 行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系 统的发展历史和在实际应用中的状态进行分类的。
1 操作指导控制系统（Operational Information System—OIS）
微
A/D 转 换 器
采 样 器
测 量 元 件
14
二、 计算机控制系统的硬件组成
计算机控制系统硬件组成框图
15
三、计算机控制系统的软件
按功能分：系统软件、应用软件 • 系统软件：专门用来使用和管理计算机的程序。
–各种语言的汇编、解释和编译软件，监控管理程序、 操作系统、调整程序以及故障诊断程序
• 应用软件：面向生产过程的程序。 A/D、D/A转换、数据采样、数字滤波、标度变换、过程控
模拟化设计方法（间接设计法）：根据系统已有的连续模型，按连续系统 理论设计模拟调节器，然后按照一定的对应关系将模拟调节器离散化，得 到等价的数字控制器。
离散化设计方法（直接设计法）：把计算机控制系统变成纯粹的离散系 统，用Z变换等工具进行分析设计，直接设计出控制算法，得到数字控制器。
10
4 功能特征
控制信号，完成控制任务。 • ⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享
和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行
工作,使被控变量稳定在设定值上并对控制量和设备本身
的异常现象及时作出处理
12
实时的含义: 指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间 范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够 快的速度进行控制。超出了这个时间，就失去 了控制的时机，控制也就失去了意义。
工
业
型
对
机
显示终端
调节器
象
打印机 17
2 直接数字控制系统（ Direct Digital Control system——DDC ）
计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式
18
3 监督计算机控制（ Supervisory Computer Control——SCC ）
计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制 算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者 DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。
定义：集散控制系统（DCS）又称为分散型控制系统，是 对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控 制的一种分布式计算机控制系统。
工作原理：系统将若干台微机分散应用于过程控制，全 部信息通过通信网络由上位管理机监控，实 现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键 盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。
其他功能。
3
从模拟控制系统发展到计算机控制系统，控制器结构、控制器中的信 号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念 均发生了重大变化。计算机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容； 在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势。
4
1 结构特征
• 执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统； • 控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律； • 可同时控制多个回路； • 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。
• ⑴以软件代替硬件 • ⑵数据存储 • ⑶状态、数据显示 • ⑷管理功能
11
5 计算机控制系统的工作原理
• 计算机控制过程可归结为如下四个步骤： • ⑴实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值
进行检测并输入。 • ⑵实时控制决Leabharlann Baidu：对采集到的被控量进行分析和处理，并
按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 • ⑶实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出
22
5、集中型控制系统：DDC系统和SCC系统都属于集中型控 制系统，当这种系统集中了很多的控制回路时，就必然 会带来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可靠性 大为降低。这就要求控制由集中型向分散型转移，于是 出现了“控制分散、信息集中”的集散型控制系统。
23
4 集散控制系统（ Distributed Control System——DCS ）
T
多多路路…开开关关 检检测测…元元件件
生生产产过过程程
DD//AA
DDDDCC
AA//DD
反反多多路路开开关关
多多路路…开开关关
检检测测…元元件件
生生产产过过程程
SCC+模拟调节器
两级系统
SCC+DDC
20
1、作用：改变给定值，又称设定值控制 。 任务：着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、 自适应控制等。
离散模拟信号:
定义在离散时间上的信号，但其幅值未经量化。
7
模拟-数字（A/D）转换器：执行采样-保持，量化和编码的功能。
量化： 采用一组数码（二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转化为数 字信号。（双积分型、逐次比较型等）
编码： 将经过采样、量化后的数据编制成二进制码。
数字信号：
幅值被量化的离散时间信号。可以用二进制数表示。
SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器的控制系统， 另一种是SCC+DDC的控制系统。
19
管理命令 报告
管理命令 报告
人人工工监监管管（（SSCCCC计计算算机机）） 给给定定值值 测测量量值值
人人工工监监管管（（SSCCCC计计算算机机）） 给给定定值值 测测量量值值
T
AA//DD
模拟调节器
8
数字-模拟（D/A）转换器（解码)：在数字控制器的输出端，数字信号 必须通过数模转换过程转换成模拟信号。经过保持电路后传递到模拟 执行器。
量化模拟信号： 幅值等于数字量的模拟脉冲信号。再靠信号恢复器，变为随时间连续变 化的信号。
9
3 控制方法特征
计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信 号，因而计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不 同，需采用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两 种：模拟调节规律模拟化设计法，离散化设计法。
3）设计思想：递阶分层、水平分散
31
三个时期：
•初创期（1975~1980）
•成熟期（1980~1985）
•扩展期（1985年以后）
初创期：该时期的DCS系统是一个具有许多微处理机的分 级控制系统，它采用分散的控制设备来适应分散的生产过 程，通过高速数据通道将系统各个单元联系起来。其通信 系统是一初、中级的局部网络，全系统由一个通信指挥器 指挥和协调。
27
过程管理级：对生产过程实现集中操作和统一管理，对生 产过程进行监视，承担最优化任务。过程管理级基本上属 于SCC系统的形式，能根据生产管理级的技术要求，确定 分散过程控制级最优给定量。过程管理级能全面地反映各 工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可 以据此直接干预系统的运行。
28
生产管理级：是整个系统的中枢，与办公室自动化连接起 来，实现整个企业的综合信息管理，主要执行生产管理和 经营管理功能，提供管理决策信息。并担负起全厂的总体 协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。 具体的，它根据过程管理级提供的信息及生产任务的要 求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方 案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达 命令。
5
2 信号特征
模拟控制系统中各处的信号均为连续模拟信号，而计算 机控制系统中除仍有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散 数字等多种信号形式。
6
计算机控制系统的信号流程
模拟信号: 定义在连续时间上的信号，且其幅值也是连续变化的。
采样： 把连续时间信号转变成离散时间数据的操作，即以离散时间点处的一 系列值取代原始的连续时间信号。
26
分散过程控制级：是DCS的基础，用于直接控制生产过程。 它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序 控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级收集 的数据供过程管理级调用，各工作站接收过程管理级发送 的信息，并依此而工作。所以分散过程控制级基本上属于 DDC系统的形式，但将DDC系统的职能由各工作站分别完成。 由于工作任务由各站来完成，因此局部的故障不会影响整 个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中” 的缺点。
技术；
先进高速的网络通信技术和开放式网络结构
30
集散控制系统的发展：
1）产生：70年代中期诞生世界上第一套DCS系统TDC- 2000， 于1975由美国Honeywell 公司生产
2）实现的基础 理论基础：大系统理论 物质基础：4C技术： Communication Computer Control CRT
13
6 计算机控制系统的工作方式
在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控 制的方式称为在线方式或联机方式。 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控 制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为 离线方式或脱机方式。
在线系统是否一定是实时系统？ 实时系统是否一定是在线系统？
第7章 计算机控制系统
一、计算机控制系统的特征与工作原理
将常规控制系统中的模拟控制器的功能用计算机来实 现，就构成典型的计算机控制系统。
2
用计算机实现控制的原因：
1. 数字控制能实现复杂控制规律的控制； 2. 计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制； 3. 数字控制可以实现灵活多样的控制规律； 4. 采用计算机还能实现监控、数据采集、数字显示等
24
（工厂级）
生产管理级
过程管理级
（协调基本控制 器的工作，达到 动态优化。）
过程控制级
“集中管理、分散控制”
25
特征：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。
结构层次：分级递阶。每一级由若干子系统组成，形成金 字塔结构。同一级的各决策子系统可同时对下 级施加作用，同时又受上级的干预，子系统可 通过上级互相交换信息。 通常由分散过程控制级（DDC）、过程管理级 （SCC）和生产管理级（MIC）等3级组成。
33
扩展期：该时期的DCS系统增加了第三层——综合信息管 理层（生产管理级），把过程控制、监督控制、管理调度 有机结合在一起，采用专家系统、MAP标准（一种ISO开放 互连OSI结构基础上的加工自动化协议）以及引入计算机 集成制造系统CIMS等，扩展期DCS的特点是综合化、开放 化和现场级的智能化。
制程序（PID运算、数字控制程序）等等。应用软件大都 由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣， 将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它 的设计是非常重要的。（常用的工业组态软件：In Touch HMI软件、FIX组态软件、组态王等；常用的PLC软 件：西门子的Wincc等 ）
16
29
显著特点：
操作、管理、显示高度集中，先进的人机联系方式；
系统功能递阶分层，水平分散，危险分散，可靠性高；
硬件采用单元模块化积木式组合方式，可分为二级、三级、
或四级的组装积木结构，结构组合灵活方便；
软件标准化模块化，按需选用，组态修改灵活，可实现先进
复杂的控制算法；
可靠性高，完善的在线故障诊断、差错容错控制技术，冗余
2、SCC计算机只是采集，优化；模拟调节器或DDC计算机 直接面向生产过程。 SCC计算机坏了，模拟仪表或 DDC计算机可以直接控制；但二者不存在上下级通信， 只存在传递设定值的关系。
3、闭环控制：和DDC一样属于闭环控制，生产过程的闭环 自动调节是依靠模拟调节器或DDC计算机来完成的。
21
4、采用SCC系统的原因：由于DDC系统在进行实时控制时 ，采样周期不能太长。而较短的采样周期又难以完成较 为复杂的运算与控制，SCC 系统则可以完成较为复杂的 计算，如优化计算、自适应算法等，而将计算出的最佳 设定值送给 DDC系统或模拟调节器去执行，因此，可实 时实现优化控制。
32
成熟期：该时期的DCS系统从原来单纯的工业控制向生产 管理自动化发展。大规模IC的发展以及计算机技术、自动 控制技术、数据通信技术、图像处理技术的飞速发展，使 得DCS系统在扩大功能、数据通信以及工业自动化信息管 理等方面有所提高，形成第二代DCS系统。 成熟期具有代表性的DCS系统有TDC3000 (Honeywell公司)、 PROVOX(Fisher)、MCS(贝利公司)、YEWPACK-MARKII(日本 横河公司)等
四、计算机控制系统的类型
计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进 行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系 统的发展历史和在实际应用中的状态进行分类的。
1 操作指导控制系统（Operational Information System—OIS）
微
A/D 转 换 器
采 样 器
测 量 元 件
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二、 计算机控制系统的硬件组成
计算机控制系统硬件组成框图
15
三、计算机控制系统的软件
按功能分：系统软件、应用软件 • 系统软件：专门用来使用和管理计算机的程序。
–各种语言的汇编、解释和编译软件，监控管理程序、 操作系统、调整程序以及故障诊断程序
• 应用软件：面向生产过程的程序。 A/D、D/A转换、数据采样、数字滤波、标度变换、过程控
模拟化设计方法（间接设计法）：根据系统已有的连续模型，按连续系统 理论设计模拟调节器，然后按照一定的对应关系将模拟调节器离散化，得 到等价的数字控制器。
离散化设计方法（直接设计法）：把计算机控制系统变成纯粹的离散系 统，用Z变换等工具进行分析设计，直接设计出控制算法，得到数字控制器。
10
4 功能特征
控制信号，完成控制任务。 • ⑷信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享
和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。
上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行
工作,使被控变量稳定在设定值上并对控制量和设备本身
的异常现象及时作出处理
12
实时的含义: 指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间 范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够 快的速度进行控制。超出了这个时间，就失去 了控制的时机，控制也就失去了意义。
工
业
型
对
机
显示终端
调节器
象
打印机 17
2 直接数字控制系统（ Direct Digital Control system——DDC ）
计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式
18
3 监督计算机控制（ Supervisory Computer Control——SCC ）
计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制 算法进行计算，计算出最佳设定值直接传给常规模拟调节器或者 DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。
定义：集散控制系统（DCS）又称为分散型控制系统，是 对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控 制的一种分布式计算机控制系统。
工作原理：系统将若干台微机分散应用于过程控制，全 部信息通过通信网络由上位管理机监控，实 现最优化控制，通过CRT装置、通信总线、键 盘、打印机等进行集中操作、显示和报警。
其他功能。
3
从模拟控制系统发展到计算机控制系统，控制器结构、控制器中的信 号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念 均发生了重大变化。计算机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容； 在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势。
4
1 结构特征
• 执行控制功能的核心部件是计算机，是模数混合系统； • 控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律； • 可同时控制多个回路； • 存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。
• ⑴以软件代替硬件 • ⑵数据存储 • ⑶状态、数据显示 • ⑷管理功能
11
5 计算机控制系统的工作原理
• 计算机控制过程可归结为如下四个步骤： • ⑴实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值
进行检测并输入。 • ⑵实时控制决Leabharlann Baidu：对采集到的被控量进行分析和处理，并
按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 • ⑶实时控制输出：根据控制决策、适时地对执行机构发出
22
5、集中型控制系统：DDC系统和SCC系统都属于集中型控 制系统，当这种系统集中了很多的控制回路时，就必然 会带来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可靠性 大为降低。这就要求控制由集中型向分散型转移，于是 出现了“控制分散、信息集中”的集散型控制系统。
23
4 集散控制系统（ Distributed Control System——DCS ）
T
多多路路…开开关关 检检测测…元元件件
生生产产过过程程
DD//AA
DDDDCC
AA//DD
反反多多路路开开关关
多多路路…开开关关
检检测测…元元件件
生生产产过过程程
SCC+模拟调节器
两级系统
SCC+DDC
20
1、作用：改变给定值，又称设定值控制 。 任务：着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、 自适应控制等。
离散模拟信号:
定义在离散时间上的信号，但其幅值未经量化。
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模拟-数字（A/D）转换器：执行采样-保持，量化和编码的功能。
量化： 采用一组数码（二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转化为数 字信号。（双积分型、逐次比较型等）
编码： 将经过采样、量化后的数据编制成二进制码。
数字信号：
幅值被量化的离散时间信号。可以用二进制数表示。
SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器的控制系统， 另一种是SCC+DDC的控制系统。
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管理命令 报告
管理命令 报告
人人工工监监管管（（SSCCCC计计算算机机）） 给给定定值值 测测量量值值
人人工工监监管管（（SSCCCC计计算算机机）） 给给定定值值 测测量量值值
T
AA//DD
模拟调节器
8
数字-模拟（D/A）转换器（解码)：在数字控制器的输出端，数字信号 必须通过数模转换过程转换成模拟信号。经过保持电路后传递到模拟 执行器。
量化模拟信号： 幅值等于数字量的模拟脉冲信号。再靠信号恢复器，变为随时间连续变 化的信号。
9
3 控制方法特征
计算机控制系统除了包含连续信号外，还包含数字信 号，因而计算机控制系统与模拟控制系统在本质上有许多不 同，需采用专门的理论来分析和设计。常用的设计方法有两 种：模拟调节规律模拟化设计法，离散化设计法。
3）设计思想：递阶分层、水平分散
31
三个时期：
•初创期（1975~1980）
•成熟期（1980~1985）
•扩展期（1985年以后）
初创期：该时期的DCS系统是一个具有许多微处理机的分 级控制系统，它采用分散的控制设备来适应分散的生产过 程，通过高速数据通道将系统各个单元联系起来。其通信 系统是一初、中级的局部网络，全系统由一个通信指挥器 指挥和协调。
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过程管理级：对生产过程实现集中操作和统一管理，对生 产过程进行监视，承担最优化任务。过程管理级基本上属 于SCC系统的形式，能根据生产管理级的技术要求，确定 分散过程控制级最优给定量。过程管理级能全面地反映各 工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可 以据此直接干预系统的运行。
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生产管理级：是整个系统的中枢，与办公室自动化连接起 来，实现整个企业的综合信息管理，主要执行生产管理和 经营管理功能，提供管理决策信息。并担负起全厂的总体 协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。 具体的，它根据过程管理级提供的信息及生产任务的要 求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方 案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达 命令。
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2 信号特征
模拟控制系统中各处的信号均为连续模拟信号，而计算 机控制系统中除仍有连续模拟信号外，还有离散模拟、离散 数字等多种信号形式。
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计算机控制系统的信号流程
模拟信号: 定义在连续时间上的信号，且其幅值也是连续变化的。
采样： 把连续时间信号转变成离散时间数据的操作，即以离散时间点处的一 系列值取代原始的连续时间信号。
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分散过程控制级：是DCS的基础，用于直接控制生产过程。 它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序 控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级收集 的数据供过程管理级调用，各工作站接收过程管理级发送 的信息，并依此而工作。所以分散过程控制级基本上属于 DDC系统的形式，但将DDC系统的职能由各工作站分别完成。 由于工作任务由各站来完成，因此局部的故障不会影响整 个系统的工作，从而避免了集中控制系统中“危险集中” 的缺点。
技术；
先进高速的网络通信技术和开放式网络结构
30
集散控制系统的发展：
1）产生：70年代中期诞生世界上第一套DCS系统TDC- 2000， 于1975由美国Honeywell 公司生产
2）实现的基础 理论基础：大系统理论 物质基础：4C技术： Communication Computer Control CRT
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6 计算机控制系统的工作方式
在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控 制的方式称为在线方式或联机方式。 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控 制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为 离线方式或脱机方式。
在线系统是否一定是实时系统？ 实时系统是否一定是在线系统？
第7章 计算机控制系统
一、计算机控制系统的特征与工作原理
将常规控制系统中的模拟控制器的功能用计算机来实 现，就构成典型的计算机控制系统。
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用计算机实现控制的原因：
1. 数字控制能实现复杂控制规律的控制； 2. 计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制； 3. 数字控制可以实现灵活多样的控制规律； 4. 采用计算机还能实现监控、数据采集、数字显示等
24
（工厂级）
生产管理级
过程管理级
（协调基本控制 器的工作，达到 动态优化。）
过程控制级
“集中管理、分散控制”
25
特征：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。
结构层次：分级递阶。每一级由若干子系统组成，形成金 字塔结构。同一级的各决策子系统可同时对下 级施加作用，同时又受上级的干预，子系统可 通过上级互相交换信息。 通常由分散过程控制级（DDC）、过程管理级 （SCC）和生产管理级（MIC）等3级组成。
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扩展期：该时期的DCS系统增加了第三层——综合信息管 理层（生产管理级），把过程控制、监督控制、管理调度 有机结合在一起，采用专家系统、MAP标准（一种ISO开放 互连OSI结构基础上的加工自动化协议）以及引入计算机 集成制造系统CIMS等，扩展期DCS的特点是综合化、开放 化和现场级的智能化。
制程序（PID运算、数字控制程序）等等。应用软件大都 由用户自己根据实际需要进行开发。应用软件的优劣， 将给控制系统的功能、精度和效率带来很大的影响，它 的设计是非常重要的。（常用的工业组态软件：In Touch HMI软件、FIX组态软件、组态王等；常用的PLC软 件：西门子的Wincc等 ）
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显著特点：
操作、管理、显示高度集中，先进的人机联系方式；
系统功能递阶分层，水平分散，危险分散，可靠性高；
硬件采用单元模块化积木式组合方式，可分为二级、三级、
或四级的组装积木结构，结构组合灵活方便；
软件标准化模块化，按需选用，组态修改灵活，可实现先进
复杂的控制算法；
可靠性高，完善的在线故障诊断、差错容错控制技术，冗余
2、SCC计算机只是采集，优化；模拟调节器或DDC计算机 直接面向生产过程。 SCC计算机坏了，模拟仪表或 DDC计算机可以直接控制；但二者不存在上下级通信， 只存在传递设定值的关系。
3、闭环控制：和DDC一样属于闭环控制，生产过程的闭环 自动调节是依靠模拟调节器或DDC计算机来完成的。
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4、采用SCC系统的原因：由于DDC系统在进行实时控制时 ，采样周期不能太长。而较短的采样周期又难以完成较 为复杂的运算与控制，SCC 系统则可以完成较为复杂的 计算，如优化计算、自适应算法等，而将计算出的最佳 设定值送给 DDC系统或模拟调节器去执行，因此，可实 时实现优化控制。