計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程第01章緒論

第1章緒論1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)1.3計(jì)算機(jī)控制研究的課題與發(fā)展方向2/3/20231計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制，是關(guān)于將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防等行業(yè)自動(dòng)控制的一門(mén)綜合性學(xué)科與技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制是以計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論、自動(dòng)控制工程、電子學(xué)和自動(dòng)化儀表為基礎(chǔ)的綜合學(xué)科。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單地說(shuō)就是以計(jì)算機(jī)替代了原模擬控制系統(tǒng)的控制器（控制儀表）組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。但是這種取代決不是一種簡(jiǎn)單的替代而是一種升華。2/3/20232計(jì)算機(jī)控制技術(shù)隨著科學(xué)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步和對(duì)控制要求的提高，控制對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，控制系統(tǒng)也隨之復(fù)雜，出現(xiàn)了多輸入-多輸出多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)控制、時(shí)變和分布參數(shù)控制系統(tǒng)。對(duì)這些系統(tǒng)，使用常規(guī)控制方法和手段實(shí)現(xiàn)十分困難。電子計(jì)算機(jī)尤其是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)并應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，使自動(dòng)控制水平產(chǎn)生了巨大飛躍。1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因2/3/20233計(jì)算機(jī)控制技術(shù)微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自1946年世界上第一臺(tái)可以由程序控制的計(jì)算機(jī)（稱為電子數(shù)字器與計(jì)算器）ENICA誕生以來(lái)，人們就試圖將這種運(yùn)算速度快，又能存儲(chǔ)又能進(jìn)行算術(shù)和邏輯計(jì)算的機(jī)器應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中來(lái)。然而這種昂貴的運(yùn)算機(jī)器在作為控制器來(lái)說(shuō)是大材小用，于是人們希望用這種計(jì)算機(jī)來(lái)完成許多回路的數(shù)據(jù)采集與控制，而當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的可靠性又難以勝任作為控制器所需要的高可靠性。2.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展2/3/20234計(jì)算機(jī)控制技術(shù)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC2/3/20235計(jì)算機(jī)控制技術(shù)·時(shí)間：1946年2月15日·地點(diǎn)：美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院·主要人物和單位：維納，約翰·莫克利，馮·諾依曼美國(guó)陸軍彈道研究所，阿伯丁彈道實(shí)驗(yàn)室

·計(jì)算機(jī)名稱：ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算器)

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator·運(yùn)算速度：5000次加法/秒，3/1000秒時(shí)間內(nèi)做完兩個(gè)10位數(shù)乘法·主要用途：彈道計(jì)算的數(shù)值分析·主要指標(biāo)：占地170M2/重量30噸/耗電140KW18000個(gè)電子管/7000個(gè)電阻/6000個(gè)開(kāi)關(guān)10000個(gè)電容/50萬(wàn)條線/45萬(wàn)美元2/3/20236計(jì)算機(jī)控制技術(shù)20世紀(jì)50年代初，美國(guó)首先用計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行巡檢數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。1959年美國(guó)TRW航空公司和Texaco公司合作成功地在得克薩斯州的一家煉油廠將一臺(tái)計(jì)算機(jī)投入在線控制。該控制系統(tǒng)以綜合指標(biāo)出發(fā)確定了熱水循環(huán)系統(tǒng)的最佳參數(shù)，同時(shí)也揭開(kāi)了計(jì)算機(jī)控制的輝煌一頁(yè)。在20世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成功的應(yīng)用于化工、鋼鐵和電力等不同的領(lǐng)域，但這些系統(tǒng)還都是以數(shù)據(jù)的采集和處理為主。1962年英國(guó)帝國(guó)化工公司制造出一套可以直接取代常規(guī)儀表對(duì)生產(chǎn)過(guò)程直接進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了直接數(shù)字控制的新時(shí)期。2/3/20237計(jì)算機(jī)控制技術(shù)自1971世界上第一片四位微處理器的出現(xiàn)，微型計(jì)算機(jī)得以快速發(fā)展，1993年P(guān)entium處理器的出現(xiàn)更使微型計(jì)算機(jī)在運(yùn)算速度等諸多方面得以長(zhǎng)足發(fā)展，同時(shí)也使計(jì)算機(jī)控制得以飛速發(fā)展。微處理器和微型計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展為實(shí)現(xiàn)分散控制創(chuàng)造了良好的條件。2/3/20238計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1975年美國(guó)Honeywell公司研制成功世界上第一套集散型控制系統(tǒng)TDC-2000并投入使用，開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程控制的新紀(jì)元。隨后一直到80年代末，集散控制系統(tǒng)迅速發(fā)展，有幾萬(wàn)套集散系統(tǒng)投入運(yùn)行，不但得到使用者的高度評(píng)價(jià)同時(shí)也為制造商和使用企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著3C技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。可編程控制器（PLC）的綜合應(yīng)用已打破了原工業(yè)控制的格局，并共同融入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的大門(mén)類(lèi)之中。2/3/20239計(jì)算機(jī)控制技術(shù)50年代的起步期60年代的試驗(yàn)期70年代以來(lái)的推廣期80年代的成熟期90年代后進(jìn)一步發(fā)展期計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程2/3/202310計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成1.2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成1.2.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)2/3/202311計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制是在非人工直接參與的前提下，應(yīng)用自動(dòng)控制裝置自動(dòng)地、有目的地控制設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程，使他們具有一定的狀態(tài)和性能，完成相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)一般可以分為：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類(lèi)。2/3/202312計(jì)算機(jī)控制技術(shù)所謂開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器按照先驗(yàn)的控制方案對(duì)對(duì)象或系統(tǒng)進(jìn)行控制，使被控制對(duì)象或系統(tǒng)能按照約定來(lái)運(yùn)動(dòng)或變化?？刂破鞅豢貙?duì)象被控參數(shù)設(shè)定值圖1.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2/3/202313計(jì)算機(jī)控制技術(shù)被控參數(shù)控制器被控對(duì)象設(shè)定值圖1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖+-2閉環(huán)控制系統(tǒng)下圖為閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，很明顯閉環(huán)控制系統(tǒng)較開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)增加了一個(gè)比較環(huán)節(jié)和一個(gè)來(lái)自被控參數(shù)的反饋信號(hào)。2/3/202314計(jì)算機(jī)控制技術(shù)控制器對(duì)象D/AA/D計(jì)算機(jī)圖1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖（閉環(huán)）+-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在開(kāi)、閉環(huán)控制系統(tǒng)中都少不了控制器環(huán)節(jié)若用計(jì)算機(jī)替代系統(tǒng)中的控制器就形成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由于計(jì)算機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào)，而現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)都是模擬信號(hào)，計(jì)算機(jī)要替代原模擬調(diào)節(jié)器必須完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換（A/D）和數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換（D/A）2/3/202315計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可歸納為三個(gè)過(guò)程：（1）信息的獲取計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備獲取被控對(duì)象的實(shí)時(shí)信息和人的指令性信息（2）信息的處理計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先編好的程序?qū)耐庠O(shè)獲取的信息進(jìn)行處理（3）信息的輸出計(jì)算機(jī)將最終處理完的信息通過(guò)外部設(shè)備將這些信號(hào)送到控制對(duì)象，通過(guò)顯示、記錄或打印等操作輸出其處理或獲取信息的情況2/3/202316計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中包括了硬件和軟件兩大部分硬件是由計(jì)算機(jī)主機(jī)、接口電路、外部設(shè)備組成，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件是安裝在計(jì)算機(jī)主機(jī)中的程序，它能夠完成對(duì)其接口和外部設(shè)備的控制，完成對(duì)信息的處理，它包含有維持計(jì)算機(jī)主機(jī)工作的系統(tǒng)軟件和為完成控制而進(jìn)行信息處理的應(yīng)用軟件的兩大部分，軟件是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成2/3/202317計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要包括：計(jì)算機(jī)主機(jī)、過(guò)程控制通道、操作控制臺(tái)和常用的外設(shè)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件不可少的一部分。2/3/202318計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主機(jī)過(guò)程控制通道A/DD/AD/ID/O操作臺(tái)（通訊）控制對(duì)象（系統(tǒng)）CPUMEM圖1.4典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成框圖2/3/202319計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主機(jī)是指用于控制的計(jì)算機(jī)，它主要由CPU、存儲(chǔ)器和接口三大部分組成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。目前使用的主機(jī)有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、PLC、工業(yè)PC等。它主要完成數(shù)據(jù)和程序的存取、程序的執(zhí)行、控制外部設(shè)備和過(guò)程通道中的設(shè)備的工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和網(wǎng)絡(luò)通信由于CPU技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主機(jī)還要完成對(duì)一些含CPU設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制1.主機(jī)2/3/202320計(jì)算機(jī)控制技術(shù)過(guò)程控制通道是被控對(duì)象與主機(jī)進(jìn)行信息交換的通道，根據(jù)信號(hào)方向和形式，過(guò)程控制通道可分為：（1）模擬量輸入通道（AI）完成過(guò)程和被控對(duì)象送往主機(jī)的模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使之成為計(jì)算機(jī)能夠接收的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)（2）模擬量輸出通道（AO）目前，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍只能接收模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)運(yùn)算決策的最終結(jié)果是數(shù)字信號(hào)。通過(guò)模擬量輸出通道完成對(duì)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量并保持2.過(guò)程控制通道2/3/202321計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（3）數(shù)字量輸入通道（DI）數(shù)字量的輸入通道是把過(guò)程和被控對(duì)象的開(kāi)關(guān)量或通過(guò)傳感器已轉(zhuǎn)換的數(shù)字量以并行或串行的方式轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)（2）數(shù)字量輸出通道（DO）數(shù)字量輸出通道是將計(jì)算機(jī)運(yùn)算、決策之后的數(shù)字信號(hào)以串行或并行的方式輸出給被控對(duì)象或外部設(shè)備2.過(guò)程控制通道(續(xù))2/3/202322計(jì)算機(jī)控制技術(shù)操作控制臺(tái)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)交互的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)操作控制臺(tái)，操作人員可以及時(shí)了解被控過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)；對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出各種控制的操作命令，并且通過(guò)操作控制臺(tái)還可以修改控制方案和程序。操作控制臺(tái)一般應(yīng)包括：（1）信息的顯示（2）信息的記錄（3）工作方式狀態(tài)的選擇（4）信息輸入3.操作控制臺(tái)2/3/202323計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2/3/202324計(jì)算機(jī)控制技術(shù)企業(yè)信息化的需求要求生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的上傳到企業(yè)信息管理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)的方案已經(jīng)被廣泛采納。通訊設(shè)備已成為計(jì)算機(jī)硬件的一個(gè)重要部分，這些設(shè)備可以完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信息交換。4.通訊設(shè)備2/3/202325計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除了硬件之外，還必須有軟件?？刂葡到y(tǒng)的功能和性能在很大程度上依賴于軟件水平的高低。所謂軟件是指完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，它分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。2/3/202326計(jì)算機(jī)控制技術(shù)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是維持計(jì)算機(jī)運(yùn)行操作的基礎(chǔ)，是用于管理、調(diào)度、操作計(jì)算機(jī)的各種資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控與診斷，提供各種開(kāi)發(fā)支持的程序。這些系統(tǒng)軟件包括：操作系統(tǒng)、監(jiān)控管理程序、故障診斷程序、各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言及解釋、編譯工具。系統(tǒng)軟件一般由供應(yīng)商提供或?qū)I(yè)人員開(kāi)發(fā)，用戶不需自己設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。2/3/202327計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件根據(jù)控制對(duì)象、控制要求，為實(shí)現(xiàn)高效、可靠、靈活的控制而自行編譯的各種程序。包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、鍵盤(pán)處理、控制算法、輸出與控制等程序。用于應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有：匯編、C#、C++、VB、VC、Delphi、PB等。目前也有一些專門(mén)用于控制的組態(tài)軟件，這些軟件功能強(qiáng)，使用方便，組態(tài)靈活，具有很好的應(yīng)用前景。2/3/202328計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成示意圖軟件部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過(guò)程輸入輸出通道人機(jī)聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)儀表（測(cè)量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）

操作系統(tǒng)匯編或高級(jí)語(yǔ)言、過(guò)程控制語(yǔ)言通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等

系統(tǒng)軟件

應(yīng)用軟件

過(guò)程輸入/輸出程序、過(guò)程控制程序人機(jī)接口程序、打印顯示程序各種公共子程序歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)2/3/202329計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.2.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)和控制功能，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有各種各樣的結(jié)構(gòu)和形式按計(jì)算機(jī)參與的形式，可以分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；按采用的控制方案，又分為程序和順序控制、常規(guī)控制、高級(jí)控制（最優(yōu)、自適應(yīng)、預(yù)測(cè)、非線性等）、智能控制（FUZZY控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）。2/3/202330計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)不是嚴(yán)格的按照其結(jié)構(gòu)或者功能進(jìn)行分類(lèi)的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)，是根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和在實(shí)際應(yīng)用中的狀態(tài)并參考以往的教材進(jìn)行分類(lèi)的。一般分為六大類(lèi)：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)六大類(lèi)。2/3/202331計(jì)算機(jī)控制技術(shù)操作指導(dǎo)系統(tǒng)是基于生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)直接采集的非在線的閉環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集輸出設(shè)備人控制器生產(chǎn)過(guò)程1.操作指導(dǎo)系統(tǒng)（OperationGuideControl）2/3/202332計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2/3/202333計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)輸入通道對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集，根據(jù)工藝和生產(chǎn)的需求進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出優(yōu)化的操作條件和參數(shù)，利用其輸出設(shè)備，將其結(jié)果顯示或打印。操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的結(jié)果改變控制器的參數(shù)或設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制，這屬于計(jì)算機(jī)離線最優(yōu)控制的一種形式。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制安全、靈活，由于人的介入使該系統(tǒng)可以應(yīng)用于一些復(fù)雜的不便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接控制的場(chǎng)合。2/3/202334計(jì)算機(jī)控制技術(shù)直接數(shù)字系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最基本形式，也是應(yīng)用最多的一類(lèi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在線控制。操作臺(tái)級(jí)處理設(shè)備計(jì)算機(jī)過(guò)程控制通道生產(chǎn)過(guò)程2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectDigital

Control）2/3/202335計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2/3/202336計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這類(lèi)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)通過(guò)過(guò)程控制通道對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)應(yīng)該是典型的計(jì)算機(jī)替代模擬調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多回路多參數(shù)的控制，系統(tǒng)是靈活性大、可靠性高，能實(shí)現(xiàn)各種從常規(guī)到先進(jìn)的控制方式。2/3/202337計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)是一種兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)SCC計(jì)算機(jī)輸入通道輸出通道數(shù)字（或模擬）控制器生產(chǎn)過(guò)程圖1-8計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)

（SupervisoryComputer

Control）2/3/202338計(jì)算機(jī)控制技術(shù)管理命令報(bào)告SCC計(jì)算機(jī)給定值測(cè)量值A(chǔ)/D多路開(kāi)關(guān)檢測(cè)元件生產(chǎn)過(guò)程管理命令報(bào)告SCC計(jì)算機(jī)給定值測(cè)量值A(chǔ)/D多路開(kāi)關(guān)檢測(cè)元件生產(chǎn)過(guò)程DDCD/A反多路開(kāi)關(guān)........SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖SCC+DCC控制系統(tǒng)原理圖2/3/202339計(jì)算機(jī)控制技術(shù)該類(lèi)系統(tǒng)類(lèi)似計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)。它的區(qū)別是SCC計(jì)算機(jī)輸出不通過(guò)人去改變，而直接控制控制器，改變控制的設(shè)定值或參數(shù)，完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。SCC計(jì)算機(jī)可以利用有效的資源去完成生產(chǎn)過(guò)程控制的參數(shù)優(yōu)化，協(xié)調(diào)各直接控制回路的工作，而不直接參與直接的控制，所以計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)是安全性可靠性較高的一類(lèi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，同時(shí)又是計(jì)算機(jī)集散系統(tǒng)的最初、最基本的模式。2/3/202340計(jì)算機(jī)控制技術(shù)4.集散控制系統(tǒng)(Distributed

ControlSystem)集散控制系統(tǒng)又稱分布控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治、綜合協(xié)調(diào)形成具有層次化體系結(jié)構(gòu)的分級(jí)分布式控制，一般分為四級(jí)：過(guò)程控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)和經(jīng)營(yíng)管理級(jí)。過(guò)程控制級(jí)是集散控制的基礎(chǔ)，直接控制生產(chǎn)過(guò)程，在這級(jí)參與直接控制的可以是計(jì)算機(jī)也可以是PLC或?qū)Ｓ脭?shù)字控制器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接監(jiān)測(cè)和控制，由于生產(chǎn)過(guò)程控制分別由獨(dú)立控制器進(jìn)行控制，可以分散控制器故障，局部故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)工作，提高了系統(tǒng)工作可靠性

2/3/202341計(jì)算機(jī)控制技術(shù)DCS的層次結(jié)構(gòu)2/3/202342計(jì)算機(jī)控制技術(shù)集散系統(tǒng)組成框圖2/3/202343計(jì)算機(jī)控制技術(shù)5.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FieldBusControlSystem)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代興起的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)總線將各智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，各級(jí)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化設(shè)備互聯(lián)，形成了一個(gè)數(shù)字式全分散雙向串行傳輸，多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)通信的通信網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的各種儀表、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器都配有分級(jí)處理器，屬智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)總線可以直接連接其它的局域網(wǎng)，甚至Internet?？蓸?gòu)成不同層次的復(fù)雜控制網(wǎng)絡(luò)，它已經(jīng)成為今后工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一2/3/202344計(jì)算機(jī)控制技術(shù)H1……………H2服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)控制器H2H2現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)操作站局域網(wǎng)···圖1-10現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)2/3/202345計(jì)算機(jī)控制技術(shù)H1樹(shù)型菊花鏈型總線型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)H1H1H2H2H1H1H1網(wǎng)橋2/3/202346計(jì)算機(jī)控制技術(shù)6.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystem)計(jì)算機(jī)集成制造的概念是在20世紀(jì)70年代美國(guó)的哈靈頓提出的。計(jì)算機(jī)集成制造是將工業(yè)生產(chǎn)的全過(guò)程集成由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)在統(tǒng)一模式進(jìn)行，包括從設(shè)計(jì)、工藝、加工制造到產(chǎn)品的檢驗(yàn)出廠一體化的模式隨著現(xiàn)代市場(chǎng)需求和企業(yè)模式現(xiàn)代化，計(jì)算機(jī)集成制造已將制造集成轉(zhuǎn)換為信息集成，并融入企業(yè)全面管理和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)CIMS是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要有許多基礎(chǔ)的應(yīng)用平臺(tái)支持，實(shí)現(xiàn)的是企業(yè)物流、資金流和信息流統(tǒng)一。由于涉及面廣，應(yīng)用存在困難較多，許多CIMS工程在規(guī)劃實(shí)施中都提出了整體規(guī)劃分步實(shí)施策略。盡管目前CIMS工程在企業(yè)的推廣存在許多困難，但是它確實(shí)是企業(yè)真正走向現(xiàn)代化的方向2/3/202347計(jì)算機(jī)控制技術(shù)CIMS組成框圖2/3/202348計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）

經(jīng)營(yíng)決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度過(guò)程優(yōu)化過(guò)程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷(xiāo),財(cái)務(wù),計(jì)劃,管理等第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進(jìn)控制，過(guò)程優(yōu)化第一層：?jiǎn)卧詣?dòng)化,簡(jiǎn)單控制生產(chǎn)過(guò)程

流程CIMS的遞階控制示意圖2/3/202349計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.3計(jì)算機(jī)控制研究的課題與發(fā)展方向計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)不是簡(jiǎn)單地取代了一般控制系統(tǒng)的控制器，由于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展同時(shí)也帶動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了企業(yè)管理控制一體化的進(jìn)程，控制的概念也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以往生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線的控制。2/3/202350計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.3.1計(jì)算機(jī)控制研究的課題計(jì)算機(jī)控制研究的課題主要是控制理論和控制理論在工程中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面，在工程的實(shí)現(xiàn)又反映出硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟件的實(shí)現(xiàn)兩大類(lèi)。2/3/202351計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.控制理論方面涉及到的課題（1）數(shù)字描述和分析方法計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的外特性應(yīng)該同模擬系統(tǒng)是一樣的，但嚴(yán)格地講，在實(shí)際處理過(guò)程中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析多年來(lái)一直存在模擬和離散兩種分析方法。離散系統(tǒng)的描述通常我們都會(huì)用差分方程和Z變換以及離散狀態(tài)空間方法來(lái)進(jìn)行分析。2/3/202352計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（2）采樣周期的選取模擬系統(tǒng)離散化一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期的選擇。嚴(yán)格地講計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期分為信號(hào)采集的采樣周期和計(jì)算機(jī)控制算出的控制周期;信號(hào)采樣將模擬信號(hào)采樣為離散信號(hào)，采樣周期越小越好，采樣周期取決于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，過(guò)小的采樣周期，計(jì)算機(jī)很難勝任，為了保證采樣信號(hào)在采樣后能夠正確地反映模擬信號(hào)，信號(hào)采集的采樣周期選取就滿足SHANNON采樣定理：采樣的最低頻率須大于信號(hào)最高變化頻率的兩倍。2/3/202353計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（3）現(xiàn)代控制系統(tǒng)的研究由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)代控制理論的許多設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)。智能控制、模糊控制、人工神經(jīng)元等近代控制方法的研究也變得越來(lái)越熱門(mén)。計(jì)算機(jī)CPU技術(shù)的發(fā)展和并行處理可以大大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，使復(fù)雜運(yùn)算應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制變?yōu)榭赡堋?/3/202354計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2.應(yīng)用于控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的研究隨著計(jì)算機(jī)控制逐漸取代常規(guī)的模擬控制系統(tǒng)的進(jìn)展，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展也是研究的重要課題。為了適應(yīng)不同行業(yè)、不同工藝設(shè)備需求，計(jì)算機(jī)制造廠家已研究出多種典型的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)型。（1）可編程序控制器（PLC）可編程序控制器也稱為可編程序邏輯控制器，原來(lái)是利用電子器件替代繼電器，實(shí)現(xiàn)過(guò)去由硬件完成的邏輯控制，隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，PLC改變了以往主要用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制的用途，許多專用的過(guò)程控制模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊已經(jīng)結(jié)合PLC成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的主力軍。2/3/202355計(jì)算機(jī)控制技術(shù)2/3/202356計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（2）可編程序調(diào)節(jié)器可編程序調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一臺(tái)儀表化的微型計(jì)算機(jī)，它可以廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的單元控制，尤其是一些分散性能很強(qiáng)的系統(tǒng)或一些獨(dú)立的控制系統(tǒng)采用可編程調(diào)節(jié)器也是一種很好的選擇，可編程調(diào)節(jié)器的研究也隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究的發(fā)展而快速發(fā)展。（3）單片微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用研究隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展單片機(jī)在控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，并被作為計(jì)算機(jī)控制研究的一個(gè)分支。由于系統(tǒng)與設(shè)備的智能化需求，嵌入式系統(tǒng)的研究已成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究的重要課題。