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第二章 计算机控制系统的组成第 1 页 共 15 页第二章 计算机控制系统的组成 第一节 计算机控制系统组成概述一、计算机控制系统的组成图2－1(a) 计算机控制系统的组成框图如图2－1（a）所示，计算机控制系统主要由工业控制机和生产过程两大部分组成。
工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分；生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置，这些装置有各种类型的标准产品，在设计计算机控制系统时根据需要进行合理选型。
二、工业控制机工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。
1、工业控制机的硬件组成图2－1（b）工业控制机的硬件组成原理图工业控制机的硬件包括主机板、内部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。
（1）主机板:CPU、RAM、ROM等。
作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。
（2）内部总线和外部总线内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。
常用内部总线有IBM PC、PCI总线和STD总线。
外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。
RS—232C、USB和IEEE—488通信总线。
（3）人—机接口:键盘、显示器、打印机。
（4）磁盘系统：软盘和硬盘。
（5）通信接口: 工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。
常用RS—232C、USB和IEEE—488接口。
(6)系统支持功能①监控定时器(看门狗-Watchdog) ②电源掉电检测③保护重要数据的后备存贮器体 ④实时日历时钟(7) 输入输出通道工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。
它包括模拟量输入(AI)通道、模拟量输出(AO)通道、数字量(或开关量)输入(DI)通道、数字量(或开关量)输出(DO)通道。
它的作用有两个：其一、是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码；其二、是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。
一、绪论（2~4学时）1.计算机控制系统的一般概念2.计算机控制系统的分类3.计算机控制系统的设计与实现4.计算机控制系统的发展概况与趋势二、总线技术（4~6学时）1.计算机总线的一般概述2.计算机总线的体系结构3.内部总线4.外部总线三、输入输出接口技术（4~6学时）1.模拟量输出接口2.模拟量输入接口3.开关量输入输出接口4.人机接口四、数据通信技术（4~6学时）1.数据通信的基础知识2.数据通信设备3.数据通信中的检错与纠错五、计算机网络技术（6~8学时）1.计算机网络概述2.计算机局域网络3.计算机网络互连及其协议4.控制系统中计算机网络体系结构六、控制策略（8~10学时）1.数字滤波和数据处理2.数字PID控制算法3.基于数字PID控制的多回路控制系统4.模型预测控制5.模糊控制6.控制策略的工程实现七、控制系统软件（4~6学时）1.计算机控制系统软件概述2.计算机操作系统3.实用数据结构4.计算机控制系统应用软件5.商品化的工业控制软件简介八、数据库技术（4~6学时）1.计算机控制系统与数据库2.数据库技术概述3.计算机控制系统中的数据库4.基于关系模型的数据库5.关系数据库的设计和应用6.数据库的接口设计九、计算机集散系统（DCS）（4~6学时）1.计算机集散控制系统(DCS)概念2.计算机集散控制系统的体系结构3.计算机集散控制系统的硬件结构4.计算机集散控制系统中的软件技术5.DCS通讯接口6.计算机集散控制系统及应用的发展趋势十、计算机控制系统的设计与实施（6~8学时）1.过程计算机控制系统设计原则和步骤2.过程计算机控制系统的设计与实施3.计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术4.过程计算机控制系统的应用实例十一、现场总线技术（6~8学时）1.现场总线概述简介、发展与趋势、技术特点、优点、FCS2.现场总线标准七层模型、物理层标准、其它层次协议3.目前几类有影响的现场总线FF、Lonworks、HART、CAN 、Profibus等4.现场总线的应用举例十二、计算机集成控制系统CIMS简介（4~6学时）1.概述CIMS的概念、流程CIMS与离散CIMS之比较2.流程工业CIMS的体系结构功能结构及递阶层次、ERP与MES、间歇方式的影响3.核心问题及关键技术系统集成、系统优化、环境集成、功能集成4.设计举例。
第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
习题一、单项选择题1. 组成计算机系统的两大部分是（A）。
A. 硬件系统和软件系统B. 主机和外部设备C. 系统软件和应用软件D. 输入设备和输出设备2. 通常所说的计算机的主机是指（B）。
A. CPU和硬盘B. CPU和内存C. CPU、内存和硬盘D. CPU、内存与CD-ROM3. 控制器的功能是（C）。
A. 指挥、协调计算机各相关硬件工作B. 指挥、协调计算机各相关软件工作C. 指挥、协调计算机各相关硬件和软件工作D. 控制数据的输入和输出4. 运算器的主要功能是进行（C）运算。
A. 算术B. 逻辑C. 算术和逻辑D. 数值5. 微机硬件系统中最核心的部件是（D）。
A. 内存储器B. 输入输出设备C. 硬盘D. CPU6. 下列关于CPU的叙述中，正确的是（B）。
A. CPU能直接读取硬盘上的数据B. CPU能直接与内存储器交换数据C. CPU主要组成部分是存储器和控制器D. CPU主要用来执行算术运算7. 在计算机中，每个存储单元都有一个连续的编号，此编号称为（D）。
A. 位置号B. 房号C. 门牌号D. 地址8. 1GB的准确值是（C）。
A. 1024 ×1024 BytesB. 1024 KBC. 1024 MBD. 1000 ×1000 KB9. 在微机的配置中常看到"P4 2.4G"字样，其中数字"2.4G"表示（A）。
A. 处理器的时钟频率是2.4 GHzB. 处理器的运算速度是2.4 GIPSC. 处理器是Pentium4第2.4代D. 处理器与内存间的数据交换速率是2.4GB/S10. 一般情况下，外存中存放的数据在断电后（B）丢失。
A. 完全B. 不会C. 少量D. 多数11. 计算机硬件能直接识别、执行的语言是（B）。
A. 汇编语言B. 机器语言C. 高级程序语言D. C++语言12. 下列叙述中，正确的是（C）。
第一章1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。
答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。
1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。
2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。
3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。
2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导控制系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。
附加：计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。
第一章 微型计算机基础题1-1 计算机发展至今，经历了哪几代？答：电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、超大规模集成电路计算机、非冯诺伊曼计算机和神经计算机。
题1-2 微机系统由哪几部分组成？微处理器、微机、微机系统的关系是什么？ 答：1、微机系统分硬件和软件，硬件包括CPU、存储器、输入输出设备和输入输出接口，软件包括系统软件和应用软件。
2、微处理器是指微机的核心芯片CPU；微处理器、存储器和输入输出设备组成微机；微机、外部设备和计算机软件组成微机系统。
题1-3 微机的分类方法包括哪几种？各用在什么应用领域中？答：按微处理器的位数，可分为1位、4位、8位、32位和64位机等。
按功能和机构可分为单片机和多片机。
按组装方式可分为单板机和多板机。
单片机在工业过程控制、智能化仪器仪表和家用电器中得到了广泛的应用。
单板机可用于过程控制、各种仪器仪表、机器的单机控制、数据处理等。
题1-4 微处理器有哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：微处理器包括运算器、控制器和寄存器三个主要部分。
运算器的功能是完成数据的算术和逻辑运算；控制器的功能是根据指令的要求，对微型计算机各部分发出相应的控制信息，使它们协调工作，从而完成对整个系统的控制；寄存器用来存放经常使用的数据。
题1-5 微处理器的发展经历了哪几代？Pentium系列微处理器采用了哪些先进的技术？答：第一代4位或低档8位微处理器、第二代中高档8位微处理器、第三代16位微处理器、第四代32位微处理器、第五代64位微处理器、第六代64位高档微处理器。
Pentium系列微处理器采用了多项先进的技术，如：RISC技术、超级流水线技术、超标量结构技术、MMX技术、动态分支预测技术、超顺序执行技术、双独立总线DIB技术、一级高速缓冲存储器采用双cache结构、二级高速缓冲存储器达256KB或512KB、支持多微处理器等。
题1-6 何为微处理器的系统总线？有几种？功能是什么？答: 系统总线是传送信息的公共导线，微型计算机各部分之间是用系统总线连接的。
第二章 数字控制系统的组成第一节 数字控制系统硬件及软件组成一、 硬件部分计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。
1、主机它是过程计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器组成。
主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数，按照预先制定的控制算法编好的程序，自动进行信息处理、分析、计算，并作出相应的控制决策，然后通过输出通道发出控制命令，使被控对象按照预定的规律工作。
2、接口电路它是主机与外部设备、输入/输出通道进行信息交换的桥梁。
在过程计算机控制系统中，主机接收数据或者向外发布命令和数据都是通过接口电路进行的，接口电路完成主机与其它设备的协调工作，实现信息的传送。
3、过程输入/输出通道过程输入输出（I/O）通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用，它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行设备，实现生产过程的自动控制。
微机通过开关量（脉冲量、数字量）输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）或脉冲信号；通过开关量（数字量）输出通道控制那些能接受开关（数字）信号的电器设备。
1）、模拟量输入（AI）通道：生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的PH值、浓度、浊度等），只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。
2）、模拟量输出（AO）通道：模拟量输出通道一般是输出4～20mA（或1～5V）的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调速装置（如各种变频调速器）控制各种电机的转速，亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。
《计算机控制技术》课程简介
《计算机控制技术》是自动化、计算机、电子、电气类专业的一门专业选修课，以计算机为核心的过程控制和运动控制，与自动化控制系统融为一体的一门综合性学科。
本课程立足于理论联系实际，从工程实际应用出发，介绍计算机系统组成、分类和发展趋势，计算机控制系统数字量、模拟量输入输出通道的作用和构成，信号数字滤波和标度变换的方法与应用，数字控制技术的连续化与离散化，PID算法的数字实现方法与应用，计算机控制系统的总线技术及系统设计与实现，通过本课程的学习，使学生获得计算机控制系统基本理论与基本应用技术，掌握各种数字控制技术的基本设计方法，初步具备分析和设计计算机控制系统及其应用于生产过程的能力。
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