本章的教学目的与要求

第1章绪论●本章的教学目的与要求了解计算机控制系统的产生和发展过程，掌握计算机控制系统的分类、组成及工作过程。

●授课主要内容●计算机控制系统概述●计算机控制系统的组成及分类●计算机控制研究的课题与发展方向●主要外语词汇Direct Digital Control(DDC):直接数字控制，Operation Guide Control: 操作指导系统，Supervisory Computer Control(SCC): 监督计算机控制，Distributed Control Systems(DCS):分散控制系统，Computer Integrated Manufacturing Systems (CIMS):计算机集成制造系统，FieldBus Control System （FCS）:现场总线控制系统●重点、难点及对学生的要求说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容●开环控制系统的概念及特点**●闭环控制系统的概念及特点**●计算机控制系统的工作过程***●计算机控制系统的典型框图***●计算机控制系统的硬件组成和软件组成***●计算机控制系统的分类及特点***☆●计算机控制系统的发展过程*●计算机控制系统的发展方向*●计算机控制系统研究的课题●应用于控制系统计算机硬件技术的研究●应用于控制系统计算机软件技术的研究●应用与计算机控制系统的控制理论的研究●辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）●复习思考题●什么叫开环控制系统，有何特点？●什么叫闭环控制系统，有何特点？●简述计算机控制系统的工作过程●画出计算机控制系统的典型框图。

●简述计算机控制系统的硬件组成和软件组成。

●详述计算机控制系统的分类及特点。

●参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义121.1 计算机控制系统概述一、 概念计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。

计算机控制是以计算机、自动控制、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。

计算机控制简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。

但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。

二、发展概述古典控制理论是40年代发展起来的，目前许多工程仍然采用经典控制理论进行分析和设计。

对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂，出现了多输入—多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统，需要提高授课水平。

微电子技术和计算机技术的发展，为计算机控制的发展奠定了坚实的基础。

1946年世界上第一台可以由程序控制的计算机（称为电子数字器与计算器）ENICA 诞生，在计算机自诞生之日起的近二十年，计算机还是主要应用于科学计算与实际生产过程的数据采集与数据处理。

50年代初，美国首先用计算机来完成对生产过程进行巡检数据采集和数据处理。

1959年美国TRW 航空公司和Texaco 公司合作成功地在得克萨斯州的一家炼油厂将一台计算机投入在线控制。

在60年代计算机控制系统已成功的应用于化工、钢铁和电力等不同的领域，但这些系统还都是以数据的采集和处理为主。

1962年英国帝国化工公司制造出一套可以直接取代常规仪表对生产过程直接进行控制的计算机控制系统，开创了直接数字控制的新时期。

1975年美国Honeywell 公司研制成功世界上第一套集散型控制系统TDC －2000并投入使用，开创了计算机应用于实际生产过程控制的新纪元。

随着3C 技术和网络技术发展，现场总线控制系统和网络控制系统应运而生。

三、发展在广度方面，向着大系统或系统工程的方向发展，向着管理控制一体化的方向发展。

在深度方面，则向着智能化方向发展，人们逐步地引入了自适应、自学习等控制方法。

1.2计算机控制系统的组成及分类一、计算机控制系统自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应的功能，实现预定的目标，一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。

1. 开环控制系统所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。

2. 闭环控制系统3闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号，由于控制器得到被控对象的信息反馈，因此便可实时地对其控制的结果进行检测，并且及时调节其控制量使之达到预期的效果。

3. 计算机控制系统若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。

计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D ）和数字量到模拟量的转换（D/A ），如图所示。

（1）信息的获取（2）信息的处理 （3）信息的输出二、计算机控制系统的硬件组成典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。

1. 主机主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU 、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。

目前使用的主机有：单片机、PLC 、工业PC 等。

2. 过程控制通道过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：（1）模拟量输入通道 （2）模拟量输出通道 （3）数字量输入通道 （4）数字量输出通道3. 操作控制台操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序，操作控制台一般应包括： （1）信息的显示 （2）信息的记录（3）工作方式状态的选择 （4）信息输入4. 通讯设备随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。

计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。

通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。

三、计算机控制系统的软件组成控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低，所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。

系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。

这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。

应用软件是用户根据控制对象控制要求，为实现高效、可靠、灵活控制而自行编译的各种程序。

包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘处理、过程控制算法、输出控制等程序。

用于应用软件开发的程序设计语言有：汇编、C# 、C++、VB、VC 等。

也有一些专门用于控制的引用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很强的应用前景。

四、计算机控制系统的分类根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式；按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。

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并参考以往的教材进行分类的。

一般分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。

1. 直接数字控制系统（Direct Digital Control）直接数字系统是计算机控制系统的最基本形式，也是应用最多的一类计算机控制系统。

其一般结构如图1-6所示，这类控制系统是计算机通过过程控制对工业生产过程进行在线实时控制。

2. 操作指导系统（Operation Guide Control）操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统，如图1-7所示：计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。

操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。

3. 计算机监督控制系统（Supervisory Computer Control）计算机监督控制系统是一种两级的计算机控制系统。

如图1-8所示：SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。

SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制。

4. 集散控制系统（Distributed Control）集散控制系统又称为分布控制系统。

该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级，如：过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。

5. 现场总线控制系统（Field Bus Control System）现场总线控制系统是利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络。

在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。

现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。

可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之一6. 计算机集成制造系统（CIMS）计算机集成制造的概念是在70年代美国的一名叫哈灵顿提出的。

计算机集成制造的原本是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式，并提出了并行工程的概念。

5随着现代市场的需求和企业模式的现代化计算机集成制造已经将制造集成转换为信息集成，并融入了企业的全面管理和市场营销。

CIMS是一项宠大的系统工程，它需要有许多基础的应用平台的支持，它实现的是企业物流、资金流和信息流的统一。

许多CIMS工程在规划实施中都提出了整体规划分部实施的策略。

1.3计算机控制研究的课题与发展方向一、计算机控制研究的课题计算机控制研究的课题主要是控制理论和控制理论在工程应用与实现两个方面，在工程的实现又反映出硬件系统的结构和软件的实现两大类。

1. 控制理论方面涉及到的课题（1）数字描述和分析方法（2）采样周期的选取（3）现代控制系统的研究2. 应用于控制系统计算机硬件技术的研究（1）可编程序控制器（PLC）（2）可编程序调节器（3）单片微型计算机的应用研究（4）总线式工控机的研究（5）新型微型控制单元的研究3. 计算机控制系统软件的研究与开发二、计算机控制系统的发展方向计算机控制系统的未来的发展主要从深度和广度两个方面发展。