計算機控制系統(tǒng)

1、 前前 言言計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)/ /技術(shù)是高等院校自動控制、工業(yè)技術(shù)是高等院校自動控制、工業(yè)電氣自動化、檢測技術(shù)與儀器儀表、機電一體化、計電氣自動化、檢測技術(shù)與儀器儀表、機電一體化、計算機應用等專業(yè)的一門主要技術(shù)課程。算機應用等專業(yè)的一門主要技術(shù)課程。 該課程是自控理論與微機原理及接口技術(shù)課程的后該課程是自控理論與微機原理及接口技術(shù)課程的后續(xù)課程，是一門跨科學、應用性強的現(xiàn)代技術(shù)課程。續(xù)課程，是一門跨科學、應用性強的現(xiàn)代技術(shù)課程。 通過此課程的學習，使學生掌握計算機控制系統(tǒng)的通過此課程的學習，使學生掌握計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制原理和設計方法，培養(yǎng)學生根據(jù)實際問題結(jié)構(gòu)、控制原理和設計

2、方法，培養(yǎng)學生根據(jù)實際問題設計和組成計算機控制系統(tǒng)的能力。設計和組成計算機控制系統(tǒng)的能力。第一章第一章 計算機控制系統(tǒng)概述計算機控制系統(tǒng)概述 前言前言 自動控制的基本概念自動控制的基本概念 1.1 1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的組成 1.2 1.2 計算機控制系統(tǒng)的主要特征計算機控制系統(tǒng)的主要特征 1.3 1.3 計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的分類 1.4 1.4 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況前言前言 自動控制的基本概念自動控制的基本概念一、什么是自動化和自動控制？一、什么是自動化和自動控制？二、自動化科學與技術(shù)學科的重要性二、自動化科學與技術(shù)學科的重要

3、性三、三、自動化的發(fā)展自動化的發(fā)展四、各鄰域的自動化四、各鄰域的自動化五、控制系統(tǒng)的基本概念五、控制系統(tǒng)的基本概念一、什么是自動化和自動控制？一、什么是自動化和自動控制？n自動化自動化是指機器或裝置在無人干預的情況下是指機器或裝置在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動地進行操作或運行。按規(guī)定的程序或指令自動地進行操作或運行。n自動控制自動控制是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設計和運是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設計和運行的理論和技術(shù)。行的理論和技術(shù)。n自動化主要研究的是工程控制問題，此外，自動化主要研究的是工程控制問題，此外，還研究社會、經(jīng)濟、生物、環(huán)境等非人造系還研究社會、經(jīng)濟、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制

4、問題。例如生物控制、經(jīng)濟控制、統(tǒng)的控制問題。例如生物控制、經(jīng)濟控制、社會控制及人口控制等。社會控制及人口控制等。水溫控制系統(tǒng)水溫控制系統(tǒng)手動控制手動控制自動控制自動控制二、自動化二、自動化科學與技術(shù)學科的重要性科學與技術(shù)學科的重要性7 （一）自動化學科的作用（一）自動化學科的作用 1、自動化是人類文明進步和現(xiàn)代化的重要標志。 2、自動化不僅可以部分或全部代替人的體力或腦力勞動，而且可以完成人類依靠自身的體力和腦力勞動無法直接完成的任務。 3、自動化的實現(xiàn)極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了原材料和能源消耗，創(chuàng)造了前所未有的社會經(jīng)濟效益和社會財富，從而導致國家實力的增長、生態(tài)環(huán)境的改善和人民

5、生活水平的普遍提高。 4、自動化是信息工業(yè)與傳統(tǒng)工業(yè)的接口，是信息化帶動工業(yè)化的重要技術(shù)手段。 5、自動化是國防現(xiàn)代化的標志。具有自動導航和控制功能的無人和載人航天器、航空器、航海器，網(wǎng)絡化和自動化的軍事指揮和武器系統(tǒng)是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的基礎(chǔ)。 6、自動化科學與技術(shù)是一門綜合而年輕的學科，同信息處理、網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)通信、計算機應用等科學與技術(shù)密切相關(guān)，具有廣闊的發(fā)展前景。 三、自動化技術(shù)發(fā)展三、自動化技術(shù)發(fā)展 自動化技術(shù)的形成自動化技術(shù)的形成 反饋與開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋與開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng) 控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展 1、經(jīng)典控制理論的形成與發(fā)展、經(jīng)典控制理論的形成與發(fā)展 2、現(xiàn)代控制理論的形成

6、與發(fā)展、現(xiàn)代控制理論的形成與發(fā)展 3、控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展公元前我國的自動計時漏壺（一）自動化技術(shù)的形成（一）自動化技術(shù)的形成1、我國古代的自動化裝置、我國古代的自動化裝置公元132年張衡研制出自動測量地震的候風地動儀公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車 2、國外的自動裝置、國外的自動裝置p荷蘭機械師C.惠更斯（Huygens）于公元1657年發(fā)明鐘表p英國機械師E.李（Lee）在公元1745年發(fā)明帶有風向控制的風磨p俄國機械師.波爾祖諾夫于公元1765年發(fā)明為蒸汽鍋爐水位保持恒定用的浮子式閥門水位調(diào)節(jié)器。 閉環(huán)時的航線（二）反饋、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)（二）反饋、開環(huán)與閉環(huán)控制系

7、統(tǒng)生物條件反射生物條件反射 反饋控制論反饋控制論自動調(diào)節(jié)原理自動調(diào)節(jié)原理1、生物條件反射、生物條件反射巴普洛夫的生物條件反射理論是自動控制的理論巴普洛夫的生物條件反射理論是自動控制的理論基礎(chǔ)基礎(chǔ)2、反饋控制論、反饋控制論反饋（Feedback）系統(tǒng)的實際輸出和期望輸出進行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。 開環(huán)時的航線閉環(huán)時的航線3、自動調(diào)節(jié)原理、自動調(diào)節(jié)原理閉環(huán)控制系統(tǒng)復雜，但性能穩(wěn)定，控制精度高開環(huán)控制系統(tǒng)簡單，但開環(huán)控制系統(tǒng)簡單，但性能差。性能差。 最早應用于工業(yè)過程中的自動反饋控制器最早應用于工業(yè)過程中的自動反饋控制器和自動調(diào)節(jié)原理，是英國人和自動調(diào)節(jié)原理，是英國人瓦

8、特瓦特（James WaltJames Walt）在在17691769年發(fā)明的飛球控制器，它被用來控制年發(fā)明的飛球控制器，它被用來控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速。蒸汽機的轉(zhuǎn)速。 機械裝置測量驅(qū)動桿的轉(zhuǎn)速并利用飛球的機械裝置測量驅(qū)動桿的轉(zhuǎn)速并利用飛球的轉(zhuǎn)動來控制閥門，控制進入蒸汽機的蒸汽流量。轉(zhuǎn)動來控制閥門，控制進入蒸汽機的蒸汽流量。轉(zhuǎn)速增大時，飛球離開軸線，于是關(guān)緊閥門。轉(zhuǎn)速增大時，飛球離開軸線，于是關(guān)緊閥門。英國英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器發(fā)明的控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器 控制理論的奠基人和控制理論的誕生控制理論的奠基人和控制理論的誕生諾伯特維納 (Norbert Wiener)189

9、4-1964控制論,或動物和機器的控制和通信, 1948( Cybernetics, or control and communication in the animal and machine, 1948 )（三）控制理論的發(fā)展（三）控制理論的發(fā)展 1 1、經(jīng)典控制論（、經(jīng)典控制論（2020世紀世紀4040年代）年代） 應用方法應用方法: : 時域法、頻域法、根軌跡法時域法、頻域法、根軌跡法 研究對象研究對象: : 單輸入，單輸出單輸入，單輸出 研究內(nèi)容研究內(nèi)容: : 隨動調(diào)節(jié)隨動調(diào)節(jié) 數(shù)學模型數(shù)學模型: : 微分方程，傳遞函數(shù)微分方程，傳遞函數(shù) 數(shù)學工具數(shù)學工具: : 微分方程，復變函數(shù)，

10、拉普拉微分方程，復變函數(shù)，拉普拉 斯變換斯變換 適用系統(tǒng)適用系統(tǒng): : 簡單系統(tǒng)簡單系統(tǒng)自動防空火力控制系統(tǒng)自動防空火力控制系統(tǒng) 在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機自動導航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，各國科學家設計出飛機自動導航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，各國科學家設計出各種精密的自動調(diào)節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制各種精密的自動調(diào)節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學領(lǐng)域。這一新的科學領(lǐng)域。經(jīng)典控制論的應用經(jīng)典控制論的應用p模擬計算機模擬計算機p氣動單元組合儀表氣動單元組合儀表p智能化的儀表和控制器智能化的儀表和控制器 局部自動化的廣泛應用局

11、部自動化的廣泛應用 2 2、現(xiàn)代控制論（、現(xiàn)代控制論（2020世紀世紀7070年代）年代） 研究對象研究對象: : 多輸入，多輸出多輸入，多輸出 研究內(nèi)容研究內(nèi)容: : 多變量控制、最優(yōu)控制多變量控制、最優(yōu)控制 數(shù)學模型數(shù)學模型: : 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 數(shù)學工具數(shù)學工具: : 線性代數(shù)，泛函分析線性代數(shù)，泛函分析 應用方法應用方法: : 時域法時域法 適用系統(tǒng)適用系統(tǒng): : 復雜系統(tǒng)復雜系統(tǒng)p.龐特里亞金提出極大值原理龐特里亞金提出極大值原理pR.貝爾曼創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃貝爾曼創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃pR.卡爾曼提出狀態(tài)空間法卡爾曼提出狀態(tài)空間法p(可控性、可觀性、最優(yōu)狀態(tài)估計等可控性、可觀性、最優(yōu)狀態(tài)估計等)

12、現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展 3 3、控制理論的發(fā)展、控制理論的發(fā)展 最優(yōu)控制最優(yōu)控制: :性能最優(yōu)的控制律性能最優(yōu)的控制律 自適應控制自適應控制: :系統(tǒng)特性變動下可自動調(diào)整控制系統(tǒng)特性變動下可自動調(diào)整控制 智能控制智能控制: :人工智能與自動控制的交叉，包括人工智能與自動控制的交叉，包括 模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺產(chǎn)變異、專家模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺產(chǎn)變異、專家 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 大系統(tǒng)及其控制和計算機集成制造系統(tǒng)大系統(tǒng)及其控制和計算機集成制造系統(tǒng)以上控制都需要用計算機輔助實現(xiàn)以上控制都需要用計算機輔助實現(xiàn) 搬運機器人裝配機器人四、各四、各工業(yè)自動化工業(yè)自動化注塑機彎管機繞線

13、機高速五軸龍門銑床高速五軸龍門銑床 龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機床龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機床汽車自動焊接生產(chǎn)線汽車自動焊接生產(chǎn)線全彈自動裝配生產(chǎn)線 自動搬運車自動立體倉庫采松果機器人挖樹根機器人2、農(nóng)業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)自動化嫁接機器人采摘機器人壁面清洗機器壁面清洗機器人人擦玻璃機器人擦玻璃機器人3 3、服務自動化、服務自動化飛機清洗機器人汽車加油機器人家用清潔機器人高壓輸電線維修（遙操作）機器人醫(yī)用機器人中國骨科機器人系統(tǒng)法國遠程醫(yī)療機器人各種軍用機器人4 4、軍事自動化、軍事自動化 Mobile platform Manipulator Cameras 2-DOF turret 國產(chǎn)反恐機器人空間艙外艙內(nèi)機

14、器人 五、控制系統(tǒng)的基本概念五、控制系統(tǒng)的基本概念（一）（一）基本概念基本概念1 1、自動控制、自動控制 沒有人直接操作的情況下，利用控制裝置使被控沒有人直接操作的情況下，利用控制裝置使被控對象的某一物理量或工作狀態(tài)自動地按照預定對象的某一物理量或工作狀態(tài)自動地按照預定的規(guī)律運行或變化。的規(guī)律運行或變化。2 2、自動控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng) 能夠?qū)Ρ豢刂茖ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。能夠?qū)Ρ豢刂茖ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。由被控制對象和控制裝置組成。由被控制對象和控制裝置組成。比較比較執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象測量測量被控量被控量干擾干擾給定值給定值3 3、被控制對象：、被控制對象：要求

15、實現(xiàn)控制的生產(chǎn)過程、設備和機要求實現(xiàn)控制的生產(chǎn)過程、設備和機器。器。4 4、控制裝置：、控制裝置：對被控制對象起控制作用的設備總體，對被控制對象起控制作用的設備總體，包括測量裝置、比較和放大裝置、執(zhí)行機構(gòu)等。包括測量裝置、比較和放大裝置、執(zhí)行機構(gòu)等。5 5、被控制量：、被控制量：被控制對象中要求保持給定數(shù)值或按要被控制對象中要求保持給定數(shù)值或按要求變化的物理量。求變化的物理量。6 6、給定值：、給定值：作用于控制系統(tǒng)輸入端并作為控制依據(jù)的作用于控制系統(tǒng)輸入端并作為控制依據(jù)的物理量物理量l例例1 1 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng): : 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)烘烤爐溫度控制系統(tǒng)被控對象被控對象 烘爐烘爐被

16、控量被控量 溫度溫度給定值給定值 溫度（電位器輸出電壓）溫度（電位器輸出電壓）干擾干擾 工件溫度、環(huán)境溫度、煤氣壓力等工件溫度、環(huán)境溫度、煤氣壓力等測量元件測量元件 熱電偶熱電偶執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 電動機、閥門電動機、閥門l 例例2 2 位置隨動系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)被控對象被控對象 工作機械工作機械被控量被控量 工作機械角位置工作機械角位置給定值給定值 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角測量元件測量元件 兩個相同的電位器兩個相同的電位器干擾干擾 影響工作機械角位置的各種因素影響工作機械角位置的各種因素執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 電動機、減速器電動機、減速器思考題思考題： 調(diào)速系統(tǒng)（畫出原理框圖，確定調(diào)速系統(tǒng)（畫出原理框圖，確定各部件的

17、作用）各部件的作用） 被控對象被控對象 電動機電動機 被控量被控量 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 給定值給定值 給定電位器給定電位器 輸出電壓輸出電壓 干擾干擾 影響轉(zhuǎn)速的各種因素影響轉(zhuǎn)速的各種因素 測量元件測量元件 測速發(fā)電機測速發(fā)電機（二）（二） 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 1 1、 開環(huán)系統(tǒng)：開環(huán)系統(tǒng)： 組成系統(tǒng)的控制裝置與被控對象之間只有順向作組成系統(tǒng)的控制裝置與被控對象之間只有順向作用，沒有反向聯(lián)系的系統(tǒng)用，沒有反向聯(lián)系的系統(tǒng)。即即：輸出無反饋，系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制沒有影響。輸出無反饋，系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制沒有影響。 （1 1）按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)）按給定值操縱的

18、開環(huán)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)被控對象被控對象輸出輸出給定輸入給定輸入（2 2）按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)）按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)計算計算執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象測量測量被控被控量量干擾干擾給定值給定值特點：只能對可測干擾進行補償，對于不可測對特點：只能對可測干擾進行補償，對于不可測對象及受控對象各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量象及受控對象各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量造成的影響，系統(tǒng)自身無法控制。造成的影響，系統(tǒng)自身無法控制。 2 2、閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)比較比較執(zhí)行執(zhí)行被控對象被控對象測量測量被控量被控量干擾干擾給定值給定值（1）組成系統(tǒng)的控制裝置與被控對象之間既有順向）組成系統(tǒng)的控制裝置與被控

19、對象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的系統(tǒng)作用，又有反向聯(lián)系的系統(tǒng)（2) 2) 反饋反饋 ：輸出送回至輸入端并與輸入信號進行：輸出送回至輸入端并與輸入信號進行比較的過程。有正反饋和復反饋兩種。比較的過程。有正反饋和復反饋兩種。 開環(huán)系統(tǒng)：優(yōu)點：成本低，易于構(gòu)建，穩(wěn)定；開環(huán)系統(tǒng)：優(yōu)點：成本低，易于構(gòu)建，穩(wěn)定； 缺點：抗干擾能力差，無自動修正偏差的功能；缺點：抗干擾能力差，無自動修正偏差的功能； 適用于：系統(tǒng)的輸入量事先知道，并且不存在不可適用于：系統(tǒng)的輸入量事先知道，并且不存在不可測量的擾動的系統(tǒng)測量的擾動的系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng)：優(yōu)點：控制精度高，抗干擾能力強，閉環(huán)系統(tǒng)：優(yōu)點：控制精度高，抗干擾能力強，

20、可自動修正偏差可自動修正偏差 缺點：穩(wěn)定性是主要問題，成本高；缺點：穩(wěn)定性是主要問題，成本高； 適用于：存在著無法預計的擾動或系統(tǒng)中元件的適用于：存在著無法預計的擾動或系統(tǒng)中元件的參數(shù)存在著無法預計變化的系統(tǒng)。參數(shù)存在著無法預計變化的系統(tǒng)。兩者比較兩者比較: :1.1.1 1 計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的組成一、計算機控制一、計算機控制 用計算機代替常規(guī)控制系統(tǒng)中的模擬控制用計算機代替常規(guī)控制系統(tǒng)中的模擬控制器對系統(tǒng)進行控制。器對系統(tǒng)進行控制。1 1、在控制系統(tǒng)中，控制器是其核心部分，直、在控制系統(tǒng)中，控制器是其核心部分，直接影響控制系統(tǒng)的性能。接影響控制系統(tǒng)的性能。 2 2、早期的控

21、制系統(tǒng)都采用模擬控制器（儀器、早期的控制系統(tǒng)都采用模擬控制器（儀器儀表）。儀表）。 模擬控制器的優(yōu)點是可靠性高，易于模擬控制器的優(yōu)點是可靠性高，易于操作和維護。操作和維護。 3 3、隨著生產(chǎn)向大型化、復雜化方向發(fā)展，對、隨著生產(chǎn)向大型化、復雜化方向發(fā)展，對自動化的要求也越來越高，常規(guī)的模擬控制器自動化的要求也越來越高，常規(guī)的模擬控制器已難以實現(xiàn)如自適應、最優(yōu)控制等復雜控制。已難以實現(xiàn)如自適應、最優(yōu)控制等復雜控制。 4 4、用計算機作控制器可以滿足大型化、復雜、用計算機作控制器可以滿足大型化、復雜化的要求，主要原因是：化的要求，主要原因是：（1 1）計算機得到了快速的發(fā)展，其特點是運）計算機得到

22、了快速的發(fā)展，其特點是運算速度快、存儲容量大、有強大的邏輯判斷能算速度快、存儲容量大、有強大的邏輯判斷能力、軟件可靈活多變。力、軟件可靈活多變。（2 2）出現(xiàn)了適用于控制系統(tǒng)的各種計算機，）出現(xiàn)了適用于控制系統(tǒng)的各種計算機，如單片機、可編程控制器、各類工業(yè)控制機。如單片機、可編程控制器、各類工業(yè)控制機。（3 3）與微機配套的）與微機配套的I/OI/O接口、輸入接口、輸入/ /輸出通道輸出通道齊全。齊全。（4 4）控制算法和控制軟件不斷發(fā)展可適用于）控制算法和控制軟件不斷發(fā)展可適用于各種不同類型的控制系統(tǒng)。各種不同類型的控制系統(tǒng)。二二 計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的組成例例1 1：溫度控制

23、系統(tǒng)：溫度控制系統(tǒng)爐爐 窯窯熱電偶熱電偶 輸入輸入 A/D 計計 外外 閥門閥門 D/A 機機 操作臺操作臺算算設設輸輸出出例例2 2：機械手隨動系統(tǒng)：機械手隨動系統(tǒng)A/D D(Z) D/A 放大放大 KT壓力傳感器壓力傳感器 機械手機械手 由上面例子可看出：由上面例子可看出：（1 1）計算機控制系統(tǒng)由）計算機控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)、檢測和執(zhí)行機計算機系統(tǒng)、檢測和執(zhí)行機構(gòu)、通道與接口、外設和工業(yè)生產(chǎn)對象等部分組成。構(gòu)、通道與接口、外設和工業(yè)生產(chǎn)對象等部分組成。（2 2）計算機經(jīng)過檢測和執(zhí)行機構(gòu)、輸入）計算機經(jīng)過檢測和執(zhí)行機構(gòu)、輸入/ /輸出通道和輸出通道和接口與被控對象連接；通過各種類型的外部設

24、備與操接口與被控對象連接；通過各種類型的外部設備與操作員相聯(lián)系。作員相聯(lián)系。 檢測部分對被控對象進行檢測，信號檢測部分對被控對象進行檢測，信號經(jīng)通道與接口變換后送計算機處理。計算機處理后發(fā)經(jīng)通道與接口變換后送計算機處理。計算機處理后發(fā)出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)對被控對象進行控制。出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)對被控對象進行控制。（3 3）計算機只能處理數(shù)字量，對模擬信號必需經(jīng)）計算機只能處理數(shù)字量，對模擬信號必需經(jīng)A/DA/D、D/AD/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 計算機控制系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件硬件和軟件兩大部分組成。兩大部分組成。 硬件：硬件：由微型計算機、輸入由微型計算機、輸入/ /輸出通道和接輸出通

25、道和接口、檢測元件儀表、執(zhí)行機構(gòu)和各種外設組成，口、檢測元件儀表、執(zhí)行機構(gòu)和各種外設組成，是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 軟件：軟件：分為系統(tǒng)軟件和應用軟件；系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件；系統(tǒng)軟件用于管理計算器的各種資源，方便用戶的使用；用于管理計算器的各種資源，方便用戶的使用；應用軟件用于解決用戶控制中的實際問題。應用軟件用于解決用戶控制中的實際問題。（一）計算機控制系統(tǒng)的硬件（一）計算機控制系統(tǒng)的硬件 計算機控制系統(tǒng)的硬件由五部分組成計算機控制系統(tǒng)的硬件由五部分組成 1 1、主機、主機 2 2、接口和輸入、接口和輸入/ /輸出通道輸出通道 3 3、通用外部設備、通用外部設備 4 4

26、、檢測元件和儀表、執(zhí)行機構(gòu)、檢測元件和儀表、執(zhí)行機構(gòu) 5 5、操作臺、操作臺 由于控制的對象不同，組成控制系統(tǒng)的硬件的多少由于控制的對象不同，組成控制系統(tǒng)的硬件的多少也不同，可以根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進行合理的組合和也不同，可以根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進行合理的組合和擴展。擴展。 1 1、主機、主機 主機采用一臺和多臺計算機，是計算機控主機采用一臺和多臺計算機，是計算機控制系統(tǒng)的核心。制系統(tǒng)的核心。 （1 1） 主機通過檢測元件和主機通過檢測元件和I/OI/O通道，接受通道，接受檢測設備傳來的信息；檢測設備傳來的信息； （2 2）對檢測信息和參數(shù)進行處理、計算、）對檢測信息和參數(shù)進行處理、計算、分析、邏

27、輯判斷等；分析、邏輯判斷等； （3 3）根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)控制命令，通過接口）根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)控制命令，通過接口和和I/OI/O通道驅(qū)動執(zhí)行器工作，完成控制目標。通道驅(qū)動執(zhí)行器工作，完成控制目標。 （4 4）通過通用外部設備進行人機交流。）通過通用外部設備進行人機交流。2 2、接口和輸入、接口和輸入/ /輸出通道輸出通道 接口和輸入接口和輸入/ /輸出通道是主機和被控對輸出通道是主機和被控對象之間進行信息交換的紐帶。象之間進行信息交換的紐帶。 按功能分，接口可分為并行接口、串行按功能分，接口可分為并行接口、串行接口、接口、A/DA/D和和D/AD/A轉(zhuǎn)換接口等；轉(zhuǎn)換接口等； 按通道處理信息的類型分，

28、通道可分為按通道處理信息的類型分，通道可分為模擬量輸入模擬量輸入/ /輸出通道、數(shù)字量輸入輸出通道、數(shù)字量輸入/ /輸出輸出通道和開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸入/ /輸出通道。輸出通道。 3 3、 通用外部設備通用外部設備 通用外設是計算機系統(tǒng)與操作人員聯(lián)系的界面，用通用外設是計算機系統(tǒng)與操作人員聯(lián)系的界面，用來完成信息的記錄、存儲、顯示、打印、傳送。常用來完成信息的記錄、存儲、顯示、打印、傳送。常用的通用外部設備有顯示器、打印機、鍵盤、鼠標、磁的通用外部設備有顯示器、打印機、鍵盤、鼠標、磁盤驅(qū)動器、大屏幕等。盤驅(qū)動器、大屏幕等。 4 4、 檢測元件、儀表和執(zhí)行機構(gòu)檢測元件、儀表和執(zhí)行機構(gòu) （1

29、1） 檢測元件和儀表用于測量生產(chǎn)對象中的某些檢測元件和儀表用于測量生產(chǎn)對象中的某些參數(shù)，并將非電量的被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量。參數(shù)，并將非電量的被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量。 常用的檢測元件是傳感器，例如熱電偶將溫度變成常用的檢測元件是傳感器，例如熱電偶將溫度變成電壓信號，該電壓信號經(jīng)過儀表轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準的計電壓信號，該電壓信號經(jīng)過儀表轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準的計算機標準電平后再送入計算機進行分析和處理。算機標準電平后再送入計算機進行分析和處理。（2 2）執(zhí)行器接受）執(zhí)行器接受CPUCPU的命令完成規(guī)定的控制動作，執(zhí)的命令完成規(guī)定的控制動作，執(zhí)行器分為電動、液壓和氣動三大類。行器分為電動、液壓和氣動三大類。 5 5、操

30、作臺、操作臺 在較大型的控制系統(tǒng)中需要設置操作臺，用來實在較大型的控制系統(tǒng)中需要設置操作臺，用來實現(xiàn)人機之間的聯(lián)系?，F(xiàn)人機之間的聯(lián)系。 操作人員通過操作臺向計算機輸入程序，修改，操作人員通過操作臺向計算機輸入程序，修改，發(fā)出數(shù)據(jù)，發(fā)出操作命令，并通過顯示器顯示控制系發(fā)出數(shù)據(jù)，發(fā)出操作命令，并通過顯示器顯示控制系統(tǒng)的狀況，監(jiān)視整個生產(chǎn)過程及各個回路的實時參數(shù)統(tǒng)的狀況，監(jiān)視整個生產(chǎn)過程及各個回路的實時參數(shù)和工作狀態(tài)。和工作狀態(tài)。計算機操作控制臺計算機操作控制臺 （二）計算機控制系統(tǒng)的軟件二）計算機控制系統(tǒng)的軟件 計算機控制系統(tǒng)常用軟件完成各種控制功能。計算機控制系統(tǒng)常用軟件完成各種控制功能。 軟件

31、分為軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件系統(tǒng)軟件和應用軟件 1 1、系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)軟件 是由計算機設計和制造者為用戶提是由計算機設計和制造者為用戶提供的、專門用來管理和方便使用的計算機程序。供的、專門用來管理和方便使用的計算機程序。 系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)、各種工具軟件和語言系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)、各種工具軟件和語言及語言處理程序等。及語言處理程序等。 操作系統(tǒng)的主要部分駐留在主存儲器中，稱為操作操作系統(tǒng)的主要部分駐留在主存儲器中，稱為操作系統(tǒng)的內(nèi)核，通常由進程管理、存儲管理、設備管理、系統(tǒng)的內(nèi)核，通常由進程管理、存儲管理、設備管理、文件和作業(yè)管理等組成。操作系統(tǒng)對外聯(lián)系界面稱為文件和作業(yè)管理等組成

32、。操作系統(tǒng)對外聯(lián)系界面稱為系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用。 對計算機控制系統(tǒng)而言，要求操作系統(tǒng)具有實時對計算機控制系統(tǒng)而言，要求操作系統(tǒng)具有實時特性，多任務調(diào)度，可多道程序并行操作，并能滿特性，多任務調(diào)度，可多道程序并行操作，并能滿足控制對時間的要求和限制。足控制對時間的要求和限制。 實時操作系統(tǒng)應保證在異常情況下，系統(tǒng)能及時實時操作系統(tǒng)應保證在異常情況下，系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)、處理、并糾正隨機性錯誤，并具有抵制錯誤發(fā)現(xiàn)、處理、并糾正隨機性錯誤，并具有抵制錯誤操作和錯誤輸入信息的能力，此外還需要有友善的操作和錯誤輸入信息的能力，此外還需要有友善的人機界面。人機界面。 其他系統(tǒng)軟件：其他系統(tǒng)軟件： 語言及處理程序

33、語言及處理程序 ( (匯編語言，高級語言，解釋匯編語言，高級語言，解釋或編譯程序）、工具軟件（編輯、連接、診斷、系或編譯程序）、工具軟件（編輯、連接、診斷、系統(tǒng)維護程序）、統(tǒng)維護程序）、 數(shù)據(jù)庫及信息管理系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)庫及信息管理系統(tǒng)等。 2 2、應用軟件：、應用軟件： 微機控制系統(tǒng)的應用程序從功能分為兩大類：微機控制系統(tǒng)的應用程序從功能分為兩大類： (1) (1) 專用控制程序：專用控制程序： 數(shù)據(jù)采集程序，實時控制程序，控制算法程序等。數(shù)據(jù)采集程序，實時控制程序，控制算法程序等。 (2) (2) 常用控制程序：常用控制程序： 數(shù)據(jù)處理，數(shù)字濾波，標度變換，顯示和鍵盤程序數(shù)據(jù)處理，數(shù)字濾波，標

34、度變換，顯示和鍵盤程序，通信，報警程序等。，通信，報警程序等。 1.2 1.2 計算機控制系統(tǒng)的主要特征計算機控制系統(tǒng)的主要特征 計算機控制系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，當生產(chǎn)過程計算機控制系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，當生產(chǎn)過程中發(fā)生不正常的情況時，計算機控制系統(tǒng)應及時進中發(fā)生不正常的情況時，計算機控制系統(tǒng)應及時進行處理和報警，對過程中出現(xiàn)的微小變化要及時進行處理和報警，對過程中出現(xiàn)的微小變化要及時進行判斷和響應，以便使計算機控制系統(tǒng)工作在最佳行判斷和響應，以便使計算機控制系統(tǒng)工作在最佳的狀態(tài)。的狀態(tài)。 為了達到上述目標，需要在計算機控制系統(tǒng)為了達到上述目標，需要在計算機控制系統(tǒng)的硬件和軟件兩方面進行保證。的硬

35、件和軟件兩方面進行保證。 （1 1）硬件方面，應當配置高速計算機、接口電）硬件方面，應當配置高速計算機、接口電路和優(yōu)先級中斷處理電路；路和優(yōu)先級中斷處理電路； （2 2）軟件方面，應當采用匯編或）軟件方面，應當采用匯編或C C語言編寫軟語言編寫軟件程序，并有完善的中斷處理程序件程序，并有完善的中斷處理程序。一個完善的計算機控制系統(tǒng)應當具有以下特征：一個完善的計算機控制系統(tǒng)應當具有以下特征： 1 1、實時性、實時性 實時性指系統(tǒng)在限定時間內(nèi)對外部事物做出反實時性指系統(tǒng)在限定時間內(nèi)對外部事物做出反應的特性，限定時間的長短因生產(chǎn)過程不同而變應的特性，限定時間的長短因生產(chǎn)過程不同而變化，主要考慮以下兩

36、個方面的因素：化，主要考慮以下兩個方面的因素：（1 1）生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的事件能保持的時間。）生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的事件能保持的時間。（2 2）計算機控制系統(tǒng)在這段時間內(nèi)能否對出現(xiàn)的）計算機控制系統(tǒng)在這段時間內(nèi)能否對出現(xiàn)的事件作出必要和及時的反應。事件作出必要和及時的反應。 計算機控制系統(tǒng)必須在盡可能短的時間內(nèi)處理計算機控制系統(tǒng)必須在盡可能短的時間內(nèi)處理出現(xiàn)的問題，為了較好的實時性，應當選用速度出現(xiàn)的問題，為了較好的實時性，應當選用速度高的計算機和配套的外部通道與接口。高的計算機和配套的外部通道與接口。 2 2、良好的輸入、良好的輸入/ /輸出能力輸出能力 （1 1）計算機控制系統(tǒng)控制的量有模擬量、數(shù)

37、字量和）計算機控制系統(tǒng)控制的量有模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量。開關(guān)量。 （2 2）計算機控制系統(tǒng)需要與多種儀器儀表、執(zhí)行器、）計算機控制系統(tǒng)需要與多種儀器儀表、執(zhí)行器、傳輸接口、各種外設相聯(lián)系傳輸接口、各種外設相聯(lián)系 因此計算機控制系統(tǒng)應當有很強的輸入因此計算機控制系統(tǒng)應當有很強的輸入/ /輸出能力、輸出能力、足夠多的足夠多的I/OI/O通道和擴充能力。通道和擴充能力。 3 3、標準化和系列化、標準化和系列化 計算機控制系統(tǒng)應盡量采用國際上通用的計算機、計算機控制系統(tǒng)應盡量采用國際上通用的計算機、總線、接口和各種器件。使用標準化和系列化的器件總線、接口和各種器件。使用標準化和系列化的器件可降低成本，

38、提高系統(tǒng)的性能，避免底層次重復性開可降低成本，提高系統(tǒng)的性能，避免底層次重復性開發(fā)，縮短設計、制造、調(diào)試和開通的時間周期發(fā)，縮短設計、制造、調(diào)試和開通的時間周期。 4 4、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 將計算機控制系統(tǒng)的各部分按功能分成若干個模將計算機控制系統(tǒng)的各部分按功能分成若干個模塊，對不同的控制系統(tǒng)采用不同的模塊進行組合和設塊，對不同的控制系統(tǒng)采用不同的模塊進行組合和設計。計。 采用模塊化后可以提高系統(tǒng)的開發(fā)效率和系統(tǒng)的采用模塊化后可以提高系統(tǒng)的開發(fā)效率和系統(tǒng)的可靠性。減少二次開發(fā)過程和設計中的工作量，降低可靠性。減少二次開發(fā)過程和設計中的工作量，降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的質(zhì)量。系

39、統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的質(zhì)量。（1 1）用現(xiàn)成的功能模塊可迅速配套組成各種不同類）用現(xiàn)成的功能模塊可迅速配套組成各種不同類型的系統(tǒng)。型的系統(tǒng)。（2 2）功能模塊由企業(yè)成批生產(chǎn)，可使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，）功能模塊由企業(yè)成批生產(chǎn)，可使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，價格低廉。價格低廉。（3 3）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活，易于更新?lián)Q代、擴充和維護。）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活，易于更新?lián)Q代、擴充和維護。 5 5、可靠性、可靠性 計算機控制系統(tǒng)的工作環(huán)境往往十分惡劣，控制計算機控制系統(tǒng)的工作環(huán)境往往十分惡劣，控制現(xiàn)場存在著溫度、濕度、粉塵、震動、電磁干擾、電現(xiàn)場存在著溫度、濕度、粉塵、震動、電磁干擾、電壓不穩(wěn)定等干擾因素，因此必須采取一系列措施防止壓

40、不穩(wěn)定等干擾因素，因此必須采取一系列措施防止干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。計算機控制系統(tǒng)應當符合干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。計算機控制系統(tǒng)應當符合以下的要求：以下的要求：（1 1）長的平均無故障時間）長的平均無故障時間 控制系統(tǒng)可以采用平均無故障時間控制系統(tǒng)可以采用平均無故障時間MTBFMTBF（mean mean time before failurestime before failures）來衡量系統(tǒng)的可靠性。來衡量系統(tǒng)的可靠性。 在設計和制造系統(tǒng)時要盡可能使在設計和制造系統(tǒng)時要盡可能使MTBFMTBF高一些，例如，高一些，例如，對 板 級 產(chǎn) 品 可 選對 板 級 產(chǎn) 品 可 選 M T B F

41、 1 0M T B F 1 05 5H H ， 對 于 系 統(tǒng) 可 選對 于 系 統(tǒng) 可 選MTBF10MTBF104 4H H。 （2 2）強的抗干擾能力）強的抗干擾能力 計算機控制系統(tǒng)應采用抗干擾能力強的工業(yè)級電源計算機控制系統(tǒng)應采用抗干擾能力強的工業(yè)級電源和地線隔離、屏蔽地線、浮空等技術(shù)，防止電網(wǎng)電壓和地線隔離、屏蔽地線、浮空等技術(shù)，防止電網(wǎng)電壓波動帶來的脈沖干擾和由傳感器、執(zhí)行器引入的地線波動帶來的脈沖干擾和由傳感器、執(zhí)行器引入的地線干擾。干擾。 （3 3）具有定時自動啟動功能和硬件自檢功能）具有定時自動啟動功能和硬件自檢功能 計算機控制系統(tǒng)應配有看門狗電路（計算機控制系統(tǒng)應配有看門狗

42、電路（watch dogwatch dog），），當系統(tǒng)的計算機受到干擾使控制程序偏離時，能自動當系統(tǒng)的計算機受到干擾使控制程序偏離時，能自動從入口處重新啟動。另外，計算機控制系統(tǒng)應能在運從入口處重新啟動。另外，計算機控制系統(tǒng)應能在運行中定時對主機和行中定時對主機和I/OI/O通道進行自檢。通道進行自檢。1.3 1.3 計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的分類 計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下五類：計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下五類： 1 1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DASDAS，Data Acquision System） 2 2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDCDDC，Direct

43、 Digital Control） 3 3、計算機監(jiān)督系統(tǒng)、計算機監(jiān)督系統(tǒng)（SCCSCC，Supervisory Computer Control） 4 4、分布式控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)（DCSDCS，Distributed Control System） 5 5、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCSFCS，F(xiàn)ieldbus Control System） 1 1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱：DASDAS 計算機只對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行采集、加工和分析處計算機只對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行采集、加工和分析處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出。操作人員根據(jù)輸出的數(shù)理，并將

44、處理后的數(shù)據(jù)輸出。操作人員根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題進行處理，計算機不直接據(jù)，對生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題進行處理，計算機不直接參與生產(chǎn)過程的控制，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。參與生產(chǎn)過程的控制，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。 2 2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱：直接數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱：DDCDDC（1 1）直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，計算機經(jīng)輸入（直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，計算機經(jīng)輸入（AIAI或或DIDI）對生產(chǎn)過程進行數(shù)據(jù)采集。對生產(chǎn)過程進行數(shù)據(jù)采集。（2 2）采集的數(shù)據(jù)進入計算機后與預先設定的采集的數(shù)據(jù)進入計算機后與預先設定的值進行比較，或按照要求進行處理。值進行比較，或按照

45、要求進行處理。（3 3）計算機根據(jù)比較和分析的結(jié)果，按照控計算機根據(jù)比較和分析的結(jié)果，按照控制規(guī)律（如制規(guī)律（如PIDPID）經(jīng)輸出（經(jīng)輸出（AOAO或或DODO）對生產(chǎn)過對生產(chǎn)過程進行直接控制程進行直接控制。 DDCDDC是計算機控制技術(shù)中最常用的方法之一是計算機控制技術(shù)中最常用的方法之一。其優(yōu)點是靈活性大、可靠性高，可以實現(xiàn)較。其優(yōu)點是靈活性大、可靠性高，可以實現(xiàn)較復雜的控制規(guī)律，如串級控制、前饋控制、滯復雜的控制規(guī)律，如串級控制、前饋控制、滯后控制等。后控制等。 3 3、計算機監(jiān)督系統(tǒng)、計算機監(jiān)督系統(tǒng) 計算機監(jiān)督系統(tǒng)簡稱：計算機監(jiān)督系統(tǒng)簡稱：SCCSCC 計算機監(jiān)督系統(tǒng)實際是兩級計算機控

46、制系計算機監(jiān)督系統(tǒng)實際是兩級計算機控制系統(tǒng)，上一級為統(tǒng)，上一級為SCCSCC，下一級為下一級為DDCDDC。SCC 計計 算算 機機DDC計算計算機機 輸出通道輸出通道 輸入通道輸入通道生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程 （1 1）生產(chǎn)過程采集數(shù)據(jù)經(jīng)生產(chǎn)過程采集數(shù)據(jù)經(jīng)AIAI、DIDI送送DDCDDC的同時的同時也送也送SCCSCC。 （2 2）SCCSCC根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后獲得最根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后獲得最佳設定值傳送給佳設定值傳送給DDCDDC。 （3 3）DDCDDC對設定值和測量值進行比較，比較后對設定值和測量值進行比較，比較后的結(jié)果經(jīng)的結(jié)果經(jīng)AOAO、DODO送出，對生產(chǎn)過程進行控制。送出

47、，對生產(chǎn)過程進行控制。 （4 4）對計算機監(jiān)督系統(tǒng)，要求對計算機監(jiān)督系統(tǒng)，要求SCCSCC級具有強大級具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，存儲容量大；的數(shù)據(jù)處理能力，存儲容量大；DCCDCC則需要實時則需要實時性好、可靠性高和環(huán)境適應性好。性好、可靠性高和環(huán)境適應性好。 4 4、分布式計算機控制系統(tǒng)、分布式計算機控制系統(tǒng) 簡稱：簡稱：DCS DCS 又稱集散式控制系統(tǒng)。又稱集散式控制系統(tǒng)。為什么采用分布式計算機控制系統(tǒng)為什么采用分布式計算機控制系統(tǒng) （1 1）隨著生產(chǎn)方式的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中隨著生產(chǎn)方式的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中需要測控的對象種類多、數(shù)量大；需要測控的對象種類多、數(shù)量大； （2 2）

48、并且被測點位置不集中，往往分散在生產(chǎn)現(xiàn)并且被測點位置不集中，往往分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個地方。場的各個地方。 （3 3）除需要對生產(chǎn)過程進行自動控制外，有些部除需要對生產(chǎn)過程進行自動控制外，有些部門希望在更高的層次上實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的調(diào)度和管門希望在更高的層次上實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的調(diào)度和管理的自動化。理的自動化。 監(jiān)控監(jiān)控計算計算機機站機站機站機站機站機站機站機站機采集機采集機采集機采集機采集機采集機（4 4）分布式計算機控制系統(tǒng)的特點是分布式計算機控制系統(tǒng)的特點是“控制分散，控制分散，管理集中管理集中”，往往要采用兩級或兩級以上的計算機系，往往要采用兩級或兩級以上的計算機系統(tǒng)。如圖所示為一個鐵路信號檢

49、測系統(tǒng)，是一個分布統(tǒng)。如圖所示為一個鐵路信號檢測系統(tǒng)，是一個分布式計算機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有三級計算機。式計算機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有三級計算機。采集機。它的任務是通過采集機。它的任務是通過I/OI/O接口板采集現(xiàn)場的信接口板采集現(xiàn)場的信號，用單片機實現(xiàn)。號，用單片機實現(xiàn)。站機。它的任務是接收采集機發(fā)來的信息并進行站機。它的任務是接收采集機發(fā)來的信息并進行實時的處理，采用工控機實時的處理，采用工控機IPC-610IPC-610。監(jiān)控計算機。用于信號的調(diào)度管理和網(wǎng)絡服務，監(jiān)控計算機。用于信號的調(diào)度管理和網(wǎng)絡服務，采用高檔服務器采用高檔服務器+ +終端。終端。 該分布式計算機控制系統(tǒng)的硬件可配置各種不同

50、該分布式計算機控制系統(tǒng)的硬件可配置各種不同類型的類型的I/OI/O采集板、聲光報警設備、大屏幕顯示器、采集板、聲光報警設備、大屏幕顯示器、操作臺等，軟件平臺采用操作臺等，軟件平臺采用WINDOWS/NTWINDOWS/NT，各級計算機各級計算機之間采用現(xiàn)場總線之間采用現(xiàn)場總線CANCAN或或485485連接。連接。 分布式計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點分布式計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點 （1 1）分布式計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)）分布式計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 主要考慮信息的存儲方法、網(wǎng)絡的擴展性、系統(tǒng)的主要考慮信息的存儲方法、網(wǎng)絡的擴展性、系統(tǒng)的可靠性。常用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有分級結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星可靠性。常用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有

51、分級結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)、總線式結(jié)構(gòu)。型結(jié)構(gòu)、總線式結(jié)構(gòu)。 （2 2）分布式計算機控制系統(tǒng)有以下特點：分布式計算機控制系統(tǒng)有以下特點： 可靠性高可靠性高 由于分布式計算機控制系統(tǒng)的控制由于分布式計算機控制系統(tǒng)的控制功能分散，每臺計算機的任務減少，功能明確，因此功能分散，每臺計算機的任務減少，功能明確，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高系統(tǒng)的可靠性大大提高。 速度快速度快 分布式計算機控制系統(tǒng)中，各級計算分布式計算機控制系統(tǒng)中，各級計算機并行工作，數(shù)據(jù)采集、處理和控制功能分散到各子機并行工作，數(shù)據(jù)采集、處理和控制功能分散到各子系統(tǒng)中去執(zhí)行，減少了數(shù)據(jù)集中處理的時間，提高了系統(tǒng)中去執(zhí)行，減少了數(shù)據(jù)集中處

52、理的時間，提高了系統(tǒng)的運算、處理和控制速度。系統(tǒng)的運算、處理和控制速度。 系統(tǒng)模塊化系統(tǒng)模塊化 由于控制分散和功能的重復，可由于控制分散和功能的重復，可以更好地采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)便于操作，方便組以更好地采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)便于操作，方便組裝，易于維修。裝，易于維修。 成本較低成本較低 由于在不同場合可以選用不同檔次由于在不同場合可以選用不同檔次的計算機和外設，因此成本較集中式控制系統(tǒng)低。的計算機和外設，因此成本較集中式控制系統(tǒng)低。企業(yè)級管理計算機企業(yè)級管理計算機廠級管理計算機廠級管理計算機車間級監(jiān)督計算機車間級監(jiān)督計算機(SCC)設備控制級設備控制級(DDC)廠級管理計算機廠級管理計算機

53、生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程A車間級監(jiān)督計算機車間級監(jiān)督計算機(SCC)設備控制級設備控制級(DDC)生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程B設備控制級設備控制級(DDC)生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程C設備控制級設備控制級(DDC)生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程DMIS級級SCC級級DDC級級 5 5、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCSFCS） （1 1）FCSFCS是建立在網(wǎng)絡基礎(chǔ)的計算機控制系統(tǒng)。是建立在網(wǎng)絡基礎(chǔ)的計算機控制系統(tǒng)。 （2 2）現(xiàn)場總線是一種通信協(xié)議，是連接設備和系統(tǒng)現(xiàn)場總線是一種通信協(xié)議，是連接設備和系統(tǒng)的數(shù)字式網(wǎng)絡。的數(shù)字式網(wǎng)絡。 （3 3）現(xiàn)場總線使控制系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場網(wǎng)絡通信、設現(xiàn)場總線使控制系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場網(wǎng)絡通信、設

54、備互連與互操作、全數(shù)字通信等。備互連與互操作、全數(shù)字通信等。 （4 4）現(xiàn)場總線的組成現(xiàn)場總線的組成 由監(jiān)控設備、服務器和網(wǎng)橋、執(zhí)行器、變送器、由監(jiān)控設備、服務器和網(wǎng)橋、執(zhí)行器、變送器、輔助設備等部分組成。輔助設備等部分組成。 現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型 FCSFCS與與DCSDCS系統(tǒng)相比有以下特點系統(tǒng)相比有以下特點： （1 1）全數(shù)字信息傳輸全數(shù)字信息傳輸 傳統(tǒng)分布式計算機控制系統(tǒng)的中、底層到控制站傳統(tǒng)分布式計算機控制系統(tǒng)的中、底層到控制站之間信息傳送采用之間信息傳送采用420mA420mA電流模擬信號；采用電流模擬信號；采用FCSFCS后，傳感器、執(zhí)行器、控制器之間的現(xiàn)場中

55、、底層后，傳感器、執(zhí)行器、控制器之間的現(xiàn)場中、底層的信號傳輸全部實現(xiàn)數(shù)字化，提高了信息傳輸?shù)目傻男盘杺鬏斎繉崿F(xiàn)數(shù)字化，提高了信息傳輸?shù)目煽啃??？啃?。? 2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更合理）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更合理 DCSDCS控制系統(tǒng)一般采用控制系統(tǒng)一般采用“現(xiàn)場儀表現(xiàn)場儀表控制站控制站操操作站作站”三層主從式結(jié)構(gòu)。三層主從式結(jié)構(gòu)。 FCSFCS則采用智能節(jié)點式的多主結(jié)構(gòu)，將輸入則采用智能節(jié)點式的多主結(jié)構(gòu)，將輸入/ /輸出輸出單元和控制功能分散到各節(jié)點的現(xiàn)場儀表中去，使單元和控制功能分散到各節(jié)點的現(xiàn)場儀表中去，使每個智能節(jié)點具有測量、校正、調(diào)節(jié)診斷等功能，每個智能節(jié)點具有測量、校正、調(diào)節(jié)診斷等功能，降低了系統(tǒng)的故障

56、風險，實現(xiàn)了徹底的分散型體系降低了系統(tǒng)的故障風險，實現(xiàn)了徹底的分散型體系，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。 （3 3）方便的互操作性）方便的互操作性 FCS FCS具有互連和互操作性，不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品具有互連和互操作性，不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品都可以直接掛接在現(xiàn)場總線上，組成統(tǒng)一的系統(tǒng)，都可以直接掛接在現(xiàn)場總線上，組成統(tǒng)一的系統(tǒng)，改變了改變了DCSDCS系統(tǒng)產(chǎn)品不能兼容的缺點，使用戶使用更系統(tǒng)產(chǎn)品不能兼容的缺點，使用戶使用更方便。方便。一、測控技術(shù)的發(fā)展歷程一、測控技術(shù)的發(fā)展歷程 2020世紀世紀5050年代以前的人工控制階段（基地式儀表年代以前的人工控制階段（基地式儀表控制系統(tǒng)

57、）控制系統(tǒng)） 20 20世紀世紀6060年代的模擬式儀表控制階段（電動單年代的模擬式儀表控制階段（電動單元組合式儀表控制系統(tǒng)）元組合式儀表控制系統(tǒng)） 20 20世紀世紀7070年代的計算機集中控制階段年代的計算機集中控制階段 20 20世紀世紀8080年代的集散式控制階段（分布式控制年代的集散式控制階段（分布式控制系統(tǒng)）系統(tǒng)） 1.1.4 4 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況儀表集中控制室儀表集中控制室 計算機集中監(jiān)控室計算機集中監(jiān)控室 二、計算機控制系統(tǒng)發(fā)展過程二、計算機控制系統(tǒng)發(fā)展過程 大致可分為三個階段：大致可分為三個階段： 1 1、開創(chuàng)階段、開創(chuàng)階段 20 20世紀世紀

58、5050年代中期，在煉油、工業(yè)酒精、聚丁橡膠年代中期，在煉油、工業(yè)酒精、聚丁橡膠、乙烯等生產(chǎn)過程中使用計算機控制，取得了一定程、乙烯等生產(chǎn)過程中使用計算機控制，取得了一定程度的成功。度的成功。 1959 1959年美國德克薩斯州的年美國德克薩斯州的PORT ARTHURPORT ARTHUR煉油廠采用煉油廠采用TRW-300TRW-300計算機對煉油過程進行控制，該計算機用于對計算機對煉油過程進行控制，該計算機用于對煉油裝置的煉油裝置的2626個流量、個流量、3 3個壓力、個壓力、7272個溫度和個溫度和3 3個成分個成分進行分析和控制，取得了成功，提高了煉油的質(zhì)量。進行分析和控制，取得了成功

59、，提高了煉油的質(zhì)量。 由于早期的計算機運算速度慢、價格昂貴、體積由于早期的計算機運算速度慢、價格昂貴、體積龐大并且可靠性差，所以只能用于巡回檢測、數(shù)據(jù)龐大并且可靠性差，所以只能用于巡回檢測、數(shù)據(jù)處理等簡單的控制。處理等簡單的控制。 2 2、小型計算機階段、小型計算機階段 從從2020世紀世紀6060年代開始，控制系統(tǒng)開始使用小型計年代開始，控制系統(tǒng)開始使用小型計算機，如算機，如CDC-1700CDC-1700、PDP-11PDP-11等機型。由于小型計算等機型。由于小型計算機體積小、速度快、價格相對便宜，因此得到了推機體積小、速度快、價格相對便宜，因此得到了推廣應用。此階段開始使用廣應用。此階

60、段開始使用DDCDDC控制方式，計算機成為控制方式，計算機成為閉環(huán)控制回路的組成部分。閉環(huán)控制回路的組成部分。 3 3、微型計算機階段、微型計算機階段 20 20世紀世紀7070年代，微型計算機的問世，使計算機控制年代，微型計算機的問世，使計算機控制技術(shù)進入了飛速發(fā)展的階段。微型計算機價格便宜、技術(shù)進入了飛速發(fā)展的階段。微型計算機價格便宜、體積小、速度快，使控制系統(tǒng)都能用計算機來實現(xiàn)，體積小、速度快，使控制系統(tǒng)都能用計算機來實現(xiàn)，實現(xiàn)了集散式控制（實現(xiàn)了集散式控制（DCSDCS）。）。 計算機技術(shù)的發(fā)展給控制系統(tǒng)開辟了新的途徑，自計算機技術(shù)的發(fā)展給控制系統(tǒng)開辟了新的途徑，自動控制理論的發(fā)展又給