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第1章 计算机控制系统概述 《计算机控制系统》课件

第1章 计算机控制系统概述 《计算机控制系统》课件

能观性
用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得
系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系
统被称为是不能观的。
2020/10/29
14
3. 控制系统的动态指标
动态指标能够比 较直观地反映控 制系统的过渡过 程特性，动态指 标包括超调量， 调节时间，峰值 时间，衰减比和 振荡次数。
2020/10/29
r
+e
控制器 u
D/A
给定量 -
A/D
控制计算机
执行机构
被控对象
测量变送 生产过程
2020/10/29
图1 计算机控制系统基本结构
y
被控量
3
计算机控制系统的特点
在计算机控制系统中，被控制量通常是模 拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。 因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混 合式的结构。
优点：结构简单，控制灵活和安全。 2020缺/10/点29 :要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。8
2. 直接数字控制系统
CRT
输入通道
（ AI ，DI）
生
打印机
计
产
算
过
报警
机
程
输出通道
操作台
（ AO，DO）
图5 直接数字控制系统框图
计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现
多回路的PID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的
0 12 34 0 1 2 3 4 0 12 34
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 t/T
数字信号ห้องสมุดไป่ตู้
离散模拟信号

计算机控制系统电子课件

计算机控制系统电子课件

工艺数据 记录 显示 打印
设定值 SCC 计 算 机
模 拟 调 节 器
调节 测量 工 业 对 象
图1-7 SCC+模拟调节器系统


2．SCC+DDC控制系统 该系统结构形式如图1-8所示。
工艺数据 记录 显示 打印 SCC 计 算 机 设定值 D D C 控制 测量 工 业 对 象
图1-8 SCC+DDC系统
1.2.2 计算机控制系统的软件



计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而计 算机的操作系统和各种应用程序是履行控制系统任务的关 键，通称为软件。 软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功 能的充分发挥和推广应用。 软件主要分系统软件和应用软件： 系统软件提供计算机运行和管理的基本环境，如Windows， WinNT，UNIX等以及网络平台； 应用软件有语言加工软件，如汇编、编译软件和控制系统 的编程软件，如Siemens公司的STEP7等，由于属于专业 化的软件，它们非常方便用户的二次开发，同时也保证了 软件的安全性。
1.3.2 直接数字控制系统（DDC）

直接数字控制系统DDC是计算机在工业中应用最普遍的一 种方式。它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测， 检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型（如 PID控制规律）进行运算，其输出直接控制被控对象，使 被控参数稳定在给定值上，如图1-6所示。
给定值



1．主机（计算机） 主机由CPU和存储器构成。它通过过程输入通道发送来的 工业生产对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序， 自动地进行信息的处理、分析和计算，并作出相应的控制 决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制 命令。 2．常规外部设备 常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并 根据控制系统的规模和要求来配置。 常用的输入设备有：键盘、鼠标等，主要用来输入程序和 数据等。 常用的输出设备有：显示器、打印机等。输出设备将各种 数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情 况。 存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主要有磁盘 等。

计算机控制系统理论基础课件

计算机控制系统理论基础课件
机器人等。
智能家居领域应用
总结词
提升居住体验
详细描述
计算机控制系统在智能家居领域的应 用，可以实现家庭设备的智能化控制， 提高居住的舒适度和便利性。例如， 智能照明、智能安防、智能环境监测 等。
交通领域应用
总结词
提高交通效率与安全
VS
详细描述
计算机控制系统在交通领域的应用，可以 实现交通信号的智能控制、车辆的自动驾 驶和调度等，提高交通效率和安全性。例 如，智能交通信号灯、自动驾驶公交车和 出租车等。
综合设计法
根据系统的性能指标要求，综合运用各种控制算法和软硬件技术， 设计出满足要求的计算机控制系统。
模块化设计法
将系统划分为若干个模块，对每个模块进行独立设计，最后将各模 块集成在一起，形成完整的计算机控制系统。
计算机控制系统硬件设计
硬件选型
根据系统需求选择合适的 处理器、存储器、输入输 出设备等硬件组件。
提高生产效率。
计算机控制系统的分类
01
02
03
根据规模
可以分为小型、中型和大 型计算机控制系统。
根据应用领域
可以分为工业控制、交通 控制、能源控制等领域的 计算机控制系统。
根据结构
可以分为集中式、分布式 和网络化计算机控制系统。
02
计算机控制系统理论基础
自动控制理论
总结词
自动控制理论是计算机控制系统的重要理论基础，它研究如何通过自动调节系统的参数和状态，实现系统的稳定 和优化控制。
计算机控制系统理论 基础课 件
xx年xx月xx日
目录
• 计算机控制系统理论基础 • 计算机控制系统设计 • 计算机控制系统应用 • 计算机控制系统发展趋势与挑战

计算机控制系统概述

计算机控制系统概述
03
04
05
06
计算机控制系统硬件一般包括：
1.1.2 硬件组成
链接动画
图1-3 计算机控制系统硬件组成框图
B
A
硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行解决各种问题，必须为它编制软件。
所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的。
计
算
机
生
产
过
程
显示
打印机
报警
操作台
）
I
D
，
D
/
A
（
入
输
程
过
）
O
D
，
A
/
D
（
出
输
程
过
图1-7 直接数字控制系统
链接动画
监督计算机控制系统（SCC）
监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统，如图1-8所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。
A
E
D
B
C
可编程调节器
总线式工控机
其他控制装置
单片微型计算机
可编程控制器
主要知识点
1.3 控制装置种类
可编程控制器（PLC）特点：
可编程调节器
可编程调节器--又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、过程I／O（输入/输出） 单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图所示。

计算机控制系统

计算机控制系统
计算机控制系统
20xx年清华大学出版社出版图书
01 内容简介
03 推荐
目录
02 作者简介 04 教材目录
《计算机控制系统》是2008年清华大学出版社出版的一本图书，作者是王锦标。
内容介
《计算机控制系统》是作者在清华大学自动化系多年教学和科研的总结，系统地论述了计算机控制系统的结 构、原理、设计和应用，既有理论分析也有应用实例。《计算机控制系统》共4篇17章，分别论述了直接数字控 制系统(DDC)、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)和可编程控制器系统(PCS或PLC)。每篇层次分明， 条理清晰，既自成体系又相互，体现了系统性、先进性、理论性和实用性。《计算机控制系统》可以作为高等院 校自动化专业、计算机控制专业及相关专业的教材，也可以供有关科技人员参考。
感谢观看
《计算机控制系统》配有电子课件（PowerPoint文件），图文并茂，内容丰富，重点突出，可用作教师讲稿 或学习辅导。采用本书作为教材的教师可以向清华大学出版社索取。
教材目录
第1篇直接数字控制系统（DDC） 第1章DDO系统的概述 1．1DDC系统的形成和发展 1．1．1DDC系统的形成 1．1．2DDC系统的发展 1．2DDC系统的体系结构 1．2．1DDC系统的硬件结构 1．2．2DDC系统的软件结构 1．2．3DDC系统的络结构 本章小结 第2章DDO系统的算法
推荐
《计算机控制系统》系统地论述了计算机控制系统的结构、原理、设计和应用，体现了系统性、先进性、理 论性和实用性。《计算机控制系统》既有研究和开发计算机控制系统的经典论述，也有应用和设计计算机控制系 统的工程内容，是一本研发和应用、理论与实际相结合的教材。
《计算机控制系统》系统地论述了直接数字控制系统（DDC）、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统 （FCS）和可编程控制器系统（PCS或PLC）。这4类典型系统代表了当今计算机控制系统的精华。通过学习《计算 机控制系统》，有助于读者将所学的计算机、控制理论、自动化仪表、模拟电路和数字电路等专业知识综合起来， 构成完整的计算机控制系统。如果把专业知识比作珍珠，那么可以把《计算机控制系统》比作项链，《计算机控 制系统》讲授了将众多“珍珠”做成精美“项链”的方法。

计算机控制系统概述课件

计算机控制系统概述课件

02
计算机控制系统硬件
输入输出接口
输入接口
负责将外部设备或传感器产生的 信号传输给计算机，例如键盘、 鼠标、触摸屏等。
输出接口
将计算机处理后的信号传输给外 部设备或执行机构，例如显示器 、打印机、伺服电机等。
控制器
01
控制器是计算机控制系统的核心 ，负责协调各个硬件设备的工作 ，根据程序指令对输入信号进行 处理并输出控制信号。
05
计算机控制系统发展趋势与挑战
网络化与智能化
总结词
随着物联网、云计算和大数据等技术的发展 ，计算机控制系统正朝着网络化和智能化方 向发展，以提高系统的实时性、可靠性和自 适应性。
详细描述
网络化使得计算机控制系统能够实现远程监 控、数据共享和协同工作，提高了系统的可 扩展性和灵活性。智能化则通过引入人工智 能、机器学习等技术，使系统能够自主决策
THANKS
感谢观看
智能家居
总结词
智能家居是计算机控制系统在家庭生活中的 应用，通过智能化控制家电设备，提高生活 便利性和舒适度。
详细描述
智能家居利用计算机控制系统实现对家电设 备的智能化控制。通过中央控制器或智能音 箱等设备，用户可以远程控制家电设备的开 关、调节温度、照明亮度等，实现智能化生 活。这不仅提高了生活便利性，还能有效节 约能源，降低能源消耗。
计算机控制系统概述课件
目录
• 计算机控制系统简介 • 计算机控制系统硬件 • 计算机控制系统软件 • 计算机控制系统应用领域 • 计算机控制系统发展趋势与挑战
01
计算机控制系统简介
定义与组成
总结词
计算机控制系统是由计算机和被控对 象组成的整体，通过计算机对被控对 象进行自动控制。

计算机控制系统

计算机控制系统
柔性制造系统的应用是计算机技术和制造系统在机电控制工业的应用，是计算机化的制造系统。它主要由计 算机、数控机床、自动化仓库等组成。在工业上，它可以随机地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围 内的任何工件，更适用于多品种，小批量等的离散零件的批量生产。
交流传动技术的发展也是随着电子技术和计算机技术的发展在工业上有了重要的应用，尤其是在钢铁工业中， 使复杂的矢量控制技术得以实现，无论是大容量电机还是小容量电机现均可使同步电机或者异步电机实现可逆滑 调速。也使交流传动系统在轧钢生产中得到广泛的应用。
形成与发展
忽略数字信号的量化效应，可以将计算机控制系统看成采样控制系统，在这一系统中，将其中连续的环节离 散化，则整个系统又可看成由不同的离散系统构成。计算机控制理论的发展主要是将采样理论、差分方程、变换 理论、状态空间理论和系统辨识自适应控制等理论综合应用到控制技术中，使计算机控制系统有了初步发展。对 于结构复杂、时变的非线性系统，控制系统则融入了鲁棒控制、模糊控制、预测控制等多种新型理论，逐步形成 了工业过程控制系统的一个新方向。
系统组成
计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统。在计算机控 制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信 号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有数/模转换器和模/数转换器这两个 环节。
自世界第一台电子计算机问世后，计算机首先被用来自动检测化工生产过程的过程参量并进行相关的数据处 理，同时也研究了计算机的开环控制。到二十世纪六十年代，出现了用于过程控制的计算机，实现了直接数字控 制。后经集中式计算机控制系统发展到以微处理器为核心的分层式控制系统控制，通过计算机对生产过程进行集 中监视、操作和管理控制等。伴随着计算机处理器等技术的发展，计算机控制技术也随之发生相应的变革，最终 应用到工业生产中并对其产生巨大影响。

第六章计算机控制系统

第六章计算机控制系统

⊥ a2
an ⊥
Uo
+
倒R-2R型
早期的D/A集成芯片
只具有从数字量 到模拟电流输出量转 换的功能。
使用时必须在外 电路中加数字输入锁 存器（I/O或扩展I/O 口、参考电压源以及 输出电压转换电路
中期的D/A集成芯片 近期的D/A集成芯片
增加了一些与 计算机接口相关的 电路及引脚，具有 数字输入所存功能 电路，能和CPU数 据总线直接相连。
脉冲个数的检测 脉冲频率与周期的检测 脉冲宽度的检测
测频法原理
(a)
(b)
(c)
被测信号fx
脉冲形 成电路
脉冲信号
闸门
(e)
T
fx
N T
门控 电路
(d)
时基信号 发生器
测周法原理
计数器 振荡器
脉冲 形成电路
闸门
被测信号fx
脉冲
形成电路
门控 电路
计数器
6.4.4 计算机测试系统的设计
主机选型
设计任务 输入通道结构
多
电信号经过处理并转换成计算机能
工 业
。 。
道 开 关
识别的数字量，输入计算机中。
对 象
计算机将采集来的数字量根据
需要进行不同的判识、预算，得出
所需要的结果。
A/D
显示
计
算
打印
机
采
样
报警
控
制
直接数字控制系统
分时地对被控对象的状态参数进行测试，根据测试的结果与给定值
的差值，按照预先制定的控制算法进行数学分析、运算后，控制量输出
企业级经营管理计算机
到其他工厂的生 产数据运输指令
工业级集中监督计算机

计算机控制系统

计算机控制系统

★共模电压V C转换成串模干扰电压V n影响放大器(图5.8)5.1.3 共模干扰图5.8 单端和双端输入时共模电压的引入（b ）双端输入AI c1V cZ c1Z c2Z s1Z s2I c2V s ~~（a ）单端输入V s ~Z γZ γI cV cZ s~A图5.8计算机控制系统王锦标编著清华大学出版社◆单端输入：V C 引入放大器输入端的串模干扰电压V n1为Z Z Z V Z I V S SC S C n +==1Z s 为信号源内阻，Z r 为放大器输入阻抗。

若Z S 越小，Z r 越大，则越有利于提高抗共模干扰的能力。

5.1.3 共模干扰图5.8 单端和双端输入时共模电压的引入（b ）双端输入AI c1V cZ c1Z c2Z s1Z s2I c2V s ~~（a ）单端输入V s ~Z γZ γI cV cZ s~A图5.8计算机控制系统王锦标编著清华大学出版社A 用共模抑制比CMRR表示，即V是共模干扰电压，)1. 信号线的选择★选择原则：抗干扰，实用，经济⑴信号线类型◆双绞线◆屏蔽双绞线◆多股线◆屏蔽多股线⑵信号线粗细截面积0.5 ~ 2mm2计算机控制系统王锦标编著清华大学出版社2. 信号线的敷设★敷设原则：⑴模拟与数字信号线不同股，信号线与电源线绝不同股。

⑵屏蔽层必须一点接地，绝对避免多点接地。

图5.17 信号线的敷设（a ）（b ）（c ）（d ）信号电缆信号电缆电源电缆>15cm>15cm 信号电缆电源电缆电源电缆屏蔽罩隔板信号电缆电源电缆图5.17计算机控制系统王锦标编著清华大学出版社。

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7.2.2 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。
▪ 随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成 为计算机控制系统硬件不可少的一部分。
控
A/D
制 对
CPU
象
D/A
（ 系
统
MEM
D/I
）
主机
D/O
过程控制通 道
操作台（通讯）
▪ 随着3C技术和网络技术的发展，现场总线控制系统和网 络控制系统应运而生。可编程控制器（PLC）的综合应用 已打破了原工业控制的格局，并共同融入到计算机控制系 统的大门类之中。
7.1.2 计算机控制系统的发展
▪ 50年代的起步期 ▪ 60 年代的试验期 ▪ 70年代以来的推广期 ▪ 80年代的成熟期 ▪ 90年代后进一步发展期
▪ 在20世纪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
7.1.2 计算机控制系统的发展
▪ 自1971世界上第一片四位微处理器的出现，微型计算机 得以快速发展，1993年Pentium处理器的出现更使微型 计算机在运算速度等诸多方面得以长足发展，同时也使计 算机控制得以飞速发展。
7.2.1 计算机控制系统
▪ 在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分 ▪ 硬件是由计算机主机、接口电路、操作控制设备、外部设
备组成，是计算机控制系统的基础 ▪ 软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口
和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计 算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的 应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。
7.2.1 计算机控制系统
▪ 在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分 ▪ 硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算
机控制系统的基础 ▪ 软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口
和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计 算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的 应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。
7.2 计算机控制系统的组成及分类
▪ 7.2.1 计算机控制系统 ▪ 7.2.2 计算机控制系统的硬件组成 ▪ 7.2.3 计算机控制系统的软件组成 ▪ 7.2.4 计算机控制系统的分类
7.2.1 计算机控制系统
▪ 在开、闭环控制系统中都少不了控制器环节 ▪ 若用计算机替代系统中的控制器就形成了计算机控制系统 ▪ 由于计算机处理的是数字信号，而现场的信号都是模拟信
▪ 电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自 动控制领域，使自动控制水平产生了巨大飞跃。
7.1.2 计算机控制系统的发展
▪ 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。
▪ 自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诞生以来，人们就试图将 这种运算速度快，又能存储又能进行算术和逻辑计算的机 器应用于自动控制系统中来。然而这种昂贵的运算机器在 作为控制器来说是大材小用，于是人们希望用这种计算机 来完成许多回路的数据采集与控制，而当时计算机的可靠 性又难以胜任作为控制器所需要的高可靠性。
世界上第一台电子计算机ENIAC
7.1.2 计算机控制系统的发展
▪ 20世纪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。该控 制系统以综合指标出发确定了热水循环系统的最佳参数， 同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。
第七讲 计算机控制系统
7.1 计算机控制系统概述 7.2 计算机控制系统的组成及分类 7.3 计算机控制研究的课题与发展方向
7.1 计算机控制系统概述
▪ 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、自动控制理论、自动控 制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。
▪ 微处理器和微型计算机的诞生与发展为实现分散控制创造 了良好的条件。
7.1.2 计算机控制系统的发展
▪ 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。随后一直到80年代末，集 散控制系统迅速发展，有几万套集散系统投入运行，不但 得到使用者的高度评价同时也为制造商和使用企业带来了 巨大的经济效益。
▪ 计算机控制系统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。
7.1.1 计算机控制系统的产生
▪ 随着科学发展、技术进步和对控制要求的提高， 控制对象越来越复杂，控制系统也随之复杂，出 现了多输入-多输出多变量系统、非线性系统控制、 时变和分布参数控制系统。对这些系统，使用常 规控制方法和手段实现十分困难。
典型的计算机控制系统的硬件组成框图
7.2.2 计算机控制系统的硬件组成
(1)主机:是指用于控制的计算机，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。 ▪ 它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设
号，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43;
-
A/D
对象
计算机
计算机控制系统基本框图（闭环）
7.2.1 计算机控制系统
▪ 计算机控制系统的控制过程可归纳为三个过程： （1）信息的获取：计算机通过计算机的外部设备获取被 控对象的实时信息和人的指令性信息 （2）信息的处理：计算机根据预先编好的程序对从外设 获取的信息进行处理 （3）信息的输出：计算机将最终处理完的信息通过外部 设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等 操作输出其处理或获取信息的情况